Gut gekühlt

Kälte- und Klimatechnik verbraucht rund 15 % der weltweiten elektrischen Energie und bleibt dennoch meist unsichtbar. Professor Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld, Steinbeis-Unternehmer und Professor für Kältetechnik an der Hochschule Karlsruhe, arbeitet seit Jahrzehnten daran, diese Technik nachhaltiger zu machen. Im Gespräch mit der TRANSFER erklärt er, warum natürliche Kältemittel ein Schlüssel für mehr Umwelt- und Klimaschutz sind – und wie aus einem USA-Aufenthalt eine lebenslange Leidenschaft wurde.

Herr Professor Kauffeld, warum Kälte- und Klimatechnik – was fasziniert Sie besonders an diesem Gebiet?

Ich bin mehr oder weniger zufällig in die Kälte- und Klimatechnik gekommen. Ursprünglich wollte ich Schiffbau studieren und verbrachte deshalb meinen Wehrdienst bei der Marine. Mein Vater, der mehrere Jahre für eine Reederei gearbeitet hatte, meinte jedoch, dass der Schiffbau in Deutschland keine Zukunft habe. Also begann ich ein Maschinenbaustudium und wollte mich in Richtung Konstruktion oder Industrierobotik vertiefen.

Anfang 1986 wurden an der Universität Hannover, wo ich seit 1983 Maschinenbau studierte, Stipendien für einen einjährigen USA-Aufenthalt im Bereich Kältetechnik ausgeschrieben. Ich bewarb mich und durfte von August 1986 bis September 1987 neben Land und Leuten vor allem die Kälte- und Klimatechnik kennenlernen. Die vielfältigen Herausforderungen dieses Fachgebiets – Stichwort Ozonloch und Klimawandel – faszinierten mich als Studierenden und späteren Doktoranden gleichermaßen. Umweltschutz war und ist für mich eine zentrale Motivation, beruflich wie privat.

In vielen Gesprächen mit Kolleginnen und Kollegen zeigt sich übrigens, dass auch bei ihnen die Entscheidung für die Kälte- und Klimatechnik eher zufällig gefallen ist. Das ist verständlich, denn funktionierende Kälte- oder Klimaanlagen verrichten meist unsichtbar ihren Dienst. Jugendliche wissen häufig gar nicht, dass es diese Technologien gibt – geschweige denn, dass eine große Industrie dahintersteht.

Kälte- und Klimaanlagen verbrauchen rund ein Zehntel der weltweiten elektrischen Energie. Mit welchen Strategien kann dieser Anteil reduziert werden?

Der Energieverbrauch lässt sich durch eine Vielzahl von Maßnahmen senken. In meiner Habilitationsschrift aus dem Jahr 2008 habe ich viele davon beschrieben. Einige wären vergleichsweise einfach umzusetzen, stoßen jedoch häufig auf Widerstand bei „alten Hasen“.

So kann beispielsweise eine an die Außenlufttemperatur angepasste gleitende Verflüssigungstemperatur pro Grad Temperaturabsenkung den Energiebedarf einer Kälteanlage um zwei bis 3 % reduzieren. Dennoch gibt es zahlreiche Anlagen, die mittels permanenter Ventilatordrehzahlregelung – Tag und Nacht, Sommer wie Winter – künstlich hohe Verflüssigungstemperaturen aufrechterhalten.

Wenn schon Drehzahlregelung, dann bei den Verdichtern, um die Leistung der Kälteanlage stufenlos an den tatsächlichen Bedarf anzupassen und auf diese Weise zusätzlich Energie zu sparen.

Sie beschäftigen sich mit natürlichen Kältemitteln. Worum geht es dabei und wie profitieren Unternehmen davon?

Natürliche Kältemittel faszinieren mich seit meinem Aufenthalt in den USA. Damals mussten wir in der Kältetechnikvorlesung eine Kälteanlage für ein Kühlhaus auslegen. Alle amerikanischen Studierenden wählten R22 als Kältemittel – einen teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoff (HFCKW), der die Ozonschicht schädigt und ein hohes Treibhauspotenzial besitzt. Ich hingegen entschied mich für Ammoniak als Kältemittel, da damit der Energiebedarf für das Kühlhaus etwa 10 % niedriger ausfällt. Mein amerikanischer Professor kommentierte diese Entscheidung folgendermaßen: „Beste Ausarbeitung aller Studierenden, aber mit Ihrer Kältemittelwahl bin ich gar nicht einverstanden.“

Seitdem lässt mich das Thema nicht mehr los. In meiner Doktorarbeit beschäftigte ich mich mit Luft als Kältemittel – ein Ansatz, der während der Corona-Zeit für Tieftemperaturanwendungen unter -70 °C stark nachgefragt war. Während meiner Zeit am Dänischen Technologischen Institut setzten wir ab 1994 ausschließlich auf natürliche Kältemittel wie Ammoniak, Kohlendioxid, Propan, Isobutan und Wasser und verfünffachten mit diesem Schwerpunkt innerhalb von acht Jahren die Mitarbeiterzahl.

Natürliche Kältemittel haben zahlreiche direkte positive Auswirkungen auf die Umwelt: Sie sind keine per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS), zerfallen in der Atmosphäre nicht zu Trifluoressigsäure und besitzen weder Ozonabbaupotenzial noch relevante Treibhauseffekte. Zudem sind sie mit geringerem Energieaufwand herzustellen als fluorierte Kältemittel und erzielen in der Regel eine höhere Energieeffizienz als fluorierte Alternativen.

Problematisch ist insbesondere die Trifluoressigsäure (TFA), das atmosphärische Abbauprodukt verschiedener Hydrofluorkohlenwasserstoffe (HFKW) und Hydrofluorolefine (HFO). Sie kann Böden sowie Oberflächen- und Grundwasser erheblich belasten und verbleibt über sehr lange Zeit im Wasserkreislauf. Besonders kritisch ist das in der Fahrzeugklimatisierung eingesetzte HFO-1234yf: Es wandelt sich in der Atmosphäre vollständig zu TFA um, während Fahrzeugklimaanlagen weiterhin relativ hohe Kältemittelleckageraten aufweisen. Umweltfreundlichere Alternativen wie CO₂ und Propan sind seit Jahren bekannt und in der Fahrzeugklimatisierung bereits in begrenztem Umfang im Einsatz; in Haushaltskühlschränken sogar seit den 1990er-Jahren ausschließlich.

Da manche natürlichen Kältemittel in größeren Mengen nicht für Bereiche mit Publikumsverkehr geeignet sind – weil sie giftig (Ammoniak) oder brennbar (Kohlenwasserstoffe) sind –, beschäftige ich mich seit über dreißig Jahren auch mit Eisbrei beziehungsweise Flüssigeis – englisch: ice slurry. Eisbrei ist ein sehr interessanter und effizienter Kälteträger. Seine Energiedichte ist bis zu achtmal höher als die von flüssigem Wasser und gleichzeitig ist der Wärmeübergang bis zu dreimal höher.

In den Jahren 2013 und 2014 begleitete ich wissenschaftlich die Planung und den Bau einer entsprechenden Kälteanlage an der größten Mensa des Studierendenwerks Karlsruhe. Dort werden seither sämtliche Kühltheken und Normalkühlräume mit Flüssigeis bei einer Temperatur von etwa -4 °C gekühlt. Der Eisbrei wird über Nacht bei abgesenkter Verflüssigungstemperatur von Propankälteanlagen erzeugt. Durch einen 40 m³ großen Eisbreispeicher kann die Propankälteanlage tagsüber abgeschaltet bleiben.

Unsere Kunden profitieren von inzwischen über dreißig Jahren Erfahrung in der Anwendung natürlicher Kältemittel. Wer tiefer einsteigen möchte, findet viele unserer Erfahrungen in dem Buch „Natürliche Kältemittel – Anwendungen und Praxiserfahrungen“. Alle Autoren und Herausgeber spenden ihr jeweiliges Honorar übrigens an die Valerius-Füner-Stiftung, die unsere Studierenden unterstützt.

Fachkompetenz wird dringend gesucht: Wie kann es Ihrer Meinung nach gelingen, junge Menschen für das Fachgebiet der Kälte- und Klimatechnik zu begeistern?

Die Kälte- und Klimatechnik muss für Schülerinnen und Schüler sichtbarer werden. An der Hochschule Karlsruhe engagieren wir uns dafür mit unserem Programm InspirING®, beim Internationalen Kälteinstitut IIR mit der Nachwuchsgruppe „CaRe – Career in Refrigeration“. Auch der Deutsche Kälte- und Klimatechnische Verein (DKV) betreibt eine Nachwuchsinitiative.

Jungen Menschen kann ich sagen: Die Kälte- und Klimatechnik ist ein äußerst vielseitiges Fachgebiet und sehr erfüllend, weil man damit nicht nur zum Umweltschutz beiträgt, sondern auch ganz konkret die Lebensbedingungen von Menschen verbessern kann. So haben wir beispielsweise kürzlich das sehr arbeitsintensive EU-Projekt SophiA abgeschlossen, in dem wir solare Kühlung, Wasseraufbereitung und Kochmöglichkeiten für afrikanische Krankenhäuser entwickelt und in Burkina Faso, Kamerun, Malawi und Uganda installiert haben. Infos dazu gibt es unter www.sophia4africa.eu