Eine Kühlanlage,
die Luft mit Luft kühlt

Februar 26, 2024 | Lesezeit: 15 min

Geht nicht? Geht doch: 5-mal effizienter, bei 80 Prozent weniger Stromverbrauch

Wärmepumpen zur Beheizung von Gebäuden sind derzeit in aller Munde. Wärmetauscher, ein wichtiger Bestandteil von Wärmepumpen, sind auch in Kühlanlagen¹ die zentralen Elemente. Ihre Funktionsweise? Sie übertragen Wärmeenergie zwischen zwei Medien – ein recht ineffizienter Vorgang, mit dem Holger Sedlak, CTO bei justairtech, nicht zufrieden war: „Mich treibt an zu sehen, was physikalisch geht und warum etwas bisher nicht geht. Dafür suche ich nach Lösungen. In diesem Fall: Wir arbeiten nur mit Luft.“ Dass das doch möglich ist, steht nun fest, nach einer spannenden Reise für EOS und justairtech. Das Ergebnis: ein hocheffizienter Wärmetauscher ermöglicht ein revolutionäres Design einer Kühlanlage, die nur ein Fünftel des bisherigen Stromverbrauchs benötigt.

Was ist neu am Konzept von justairtech?
„Schnellstrecke statt Umsteigebahnhöfe“

Um einen Raum zu klimatisieren, wird die Luft zur Abkühlung in einen Wärmeübertrager gezogen. Darin gibt es einen Wasserkreislauf und einen Kreislauf mit einem Medium wie FKW². Diese Kreisläufe müssen mit Pumpen angetrieben werden, das System benötigt Ventilatoren und weitere Elemente, die alle Strom verbrauchen. Sedlak beschreibt die Idee, stattdessen Luft direkt mit Luft zu kühlen, über ein plakatives Beispiel: „Wenn man früher von München nach Berlin wollte, musste man an verschiedenen Stationen umsteigen. Das kostete Zeit und Nerven. Vermeidet man die Umstiege durch eine Schnellstrecke, dann ist die Reise deutlich schneller und nervensparender erledigt.“ Das ist das Grundprinzip seines Produkts: Sedlak eliminiert alle unnötigen Zwischenkomponenten und erhält so einen fraktalen³ Luft-Luft-Wärmetauscher, der im Vergleich zu gängigen Modellen neue Kühl- und Wärmepumpendesign ermöglicht, die lediglich ein Fünftel des Stroms brauchen. So weit, so klar. Doch dass es so eine Lösung noch nicht gibt, liegt unter anderem daran, dass sie bisher als nicht produzierbar galt.

¹ Englisch: chiller | ² Fluorkohlenwasserstoffe | ³ Fraktal ist ein Begriff, der bestimmte natürliche oder künstliche Gebilde oder geometrische Muster bezeichnet. Quelle: Wikipedia, 24.07.2023

Der Weg ans Ziel:
Prozess und Design, Entpulverung und Kaltbau

Zwei Projektmitarbeiter und Philipp Komurka machten sich also daran, das Unmögliche zu realisieren. Zunächst wurden Parameter und Prozesse angepasst und individuell auf den justairtech- Wärmetauscher adaptiert. Das Team hat Variablen wie Laserleistung, Geschwindigkeit oder Temperaturbereiche so gut aufeinander abgestimmt, dass überhaupt eine solche Struktur gebaut werden konnte. Im Sommer 2022 gelang der erste Versuch, allerdings bei einer sehr langen Bauzeit von 110 Stunden. Hochgerechnet auf das komplette Bauteil wären die Stückkosten damit deutlich zu hoch gewesen, um wirtschaftlich zu arbeiten.

Somit bestand die nächste Aufgabe darin, die Bauzeit auf die ursprünglich von Holger Sedlak anvisierten ca. 20 Stunden zu bringen. Das heißt, ein Minus von 80 Prozent in puncto Bauzeit war zu erreichen. Ein Schritt auf diesem Weg war die Reduktion der Konstruktionsdaten, da ursprünglich unzählige Vektoren die Designdatei sehr groß gemacht hatten, was die Weiterverarbeitung zeitaufwändig werden ließ. In enger Zusammenarbeit zwischen EOS und justairtech konnten das Design optimiert und die Datenmenge deutlich reduziert werden. Ein zweiter Schritt war die Entpulverung, denn beim ersten Bauversuch enthielt die fertige Struktur etwa 30 Kilogramm loses Pulver, das sich in den winzigen Kanälen verfangen hatte. Komurka erzählt: „Zunächst wurden zusätzlich zur Entpulverungsanlage die Kanäle manuell mit einem kleinen Hammer frei geklopft, weil wir nicht lange genug gewartet hatten. Am Ende haben wir verstanden, dass wir das Bauteil einfach länger in der Entpulverung lassen müssen.“ Nach vielen Optimierungen lag im Herbst 2022 die Bauzeit bei 60 Stunden, also bereits ein Minus von knapp 50 Prozent. Um nochmals schneller zu werden, wurde das Bauteil auf der EOS M 400-4 kalt gebaut – normalerweise ist der Bauraum beheizt, da sich das Material leichter verarbeiten lässt. Durch den Kaltbau konnte aber am Ende die Zeit für das Abkühlen deutlich reduziert werden.

Mission mehr als erfüllt – und weiter?

„Im Moment stehen wir bei 10 bis 12 Stunden Bauzeit und setzen etwa 4 Stunden für die Entpulverung an – damit landen wir bei ungefähr 16 Stunden Bauzeit bis zur Fertigstellung des zentralen Bauteils für den neuen Wärmetauscher und einem deutlich reduzierten Stückpreis“, freut sich Komurka. Im Herbst 2023 soll die erste komplette Kühlanlage für eine Industrieanwendung als Prototyp stehen, das Bauteil ist dafür skalierbar, lässt sich also größer oder kleiner als die Prototypen bauen.

Bisher läuft der Bauprozess bei EOS. Die Idee ist aber, dass justairtech als Think Tank fungiert und künftig keine eigene Fertigung aufbaut, sondern unser EOS End-to-End production partner MT Aerospace sucht, der das Bauteil in Serie fertigen. Sedlak stellt fest: „Unsere Anlage ist um den Faktor 5 effizienter als herkömmliche Anlagen, spart Energie, CO₂ und Betriebskosten und ist dank kompakter Bauweise überall zu installieren. Wir starten mit Industrieanwendungen, werden dann aber auch Richtung Endkunde gehen – denn man kann das Produkt für das Kühlen und Heizen von jedem Gebäude einsetzen“, skizziert Sedlak seine Vision. Wie es weitergeht, werden wir auf jeden Fall sehen und unseren Kunden bei diesem Projekt auch künftig begleiten. Stay tuned.

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