Wissenschaftler zeigen, dass die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit große Auswirkungen auf die Treibhausgasemissionen hat

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Laut einer Analyse von Wissenschaftlern des National Renewable Energy Laboratory und des Xerox PARC werden die Treibhausgasemissionen von Klimaanlagen voraussichtlich steigen, da das Wirtschaftswachstum die Bemühungen um die Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit fördert.

Die Forschungsarbeit, die sich mit den Umweltauswirkungen der Kontrolle der Luftfeuchtigkeit befasst, erscheint in der Zeitschrift Joule unter dem Titel „Humidity’s impact on greenhouse gas emissions from air conditioning“. Während die Energie, die für den Betrieb von Klimaanlagen verbraucht wird, eindeutige Auswirkungen auf die Treibhausgasemissionen hat, wurden die Auswirkungen des Entzugs von Feuchtigkeit aus der Luft bisher nicht eingehend untersucht. Die Forscher zeigten, dass die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit für etwa die Hälfte der energiebezogenen Emissionen verantwortlich ist, während die andere Hälfte auf die Kontrolle der Temperatur zurückzuführen ist.

„Es handelt sich um ein schwieriges Problem, das seit der Einführung von Klimaanlagen vor mehr als einem halben Jahrhundert nicht mehr gelöst wurde“, sagte Jason Woods, ein leitender Forschungsingenieur des NREL und Mitautor der neuen Studie. Seine Mitautoren vom NREL sind Nelson James, Eric Kozubal und Eric Bonnema. Die Mitarbeiter von Xerox PARC, einem Forschungs- und Entwicklungsunternehmen, das an Möglichkeiten zur effizienteren Entfernung von Feuchtigkeit aus der Luft arbeitet, sind Kristin Brief, Liz Voeller und Jessy Rivest.

Die Forscher wiesen darauf hin, dass die zunehmende Notwendigkeit, die Luft zu kühlen, sowohl eine Ursache als auch eine Folge des Klimawandels ist.

Schon eine geringe Menge an Feuchtigkeit in der Luft kann dazu führen, dass sich Menschen unwohl fühlen, und sogar Gebäude in Form von Schimmel und Mehltau schädigen. Darüber hinaus wirkt sich die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit in Innenräumen durch handelsübliche Klimatisierungstechnologien in dreifacher Hinsicht auf die Umwelt aus: 1) Sie verbrauchen eine beträchtliche Menge an Strom, 2) sie verwenden und verlieren FCKW-basierte Kältemittel mit einem Treibhauspotenzial, das 2.000-mal so hoch ist wie das von Kohlendioxid, und 3) die Herstellung und Lieferung dieser Systeme setzen ebenfalls Treibhausgase frei.

Die Forscher berechneten, dass Klimaanlagen für das Äquivalent von 1.950 Millionen Tonnen Kohlendioxid verantwortlich sind, die jährlich freigesetzt werden, was 3,94 % der weltweiten Treibhausgasemissionen entspricht. Davon entfallen 531 Millionen Tonnen auf die Energie, die für die Temperaturregelung aufgewendet wird, und 599 Millionen Tonnen auf die Entfernung von Feuchtigkeit. Der Rest der 1.950 Millionen Tonnen Kohlendioxid stammt aus dem Austritt von Kältemitteln, die die globale Erwärmung verursachen, sowie aus Emissionen bei der Herstellung und dem Transport von Klimaanlagen. Die Steuerung der Luftfeuchtigkeit durch Klimaanlagen trägt mehr zum Klimawandel bei als die Steuerung der Temperatur. Es wird erwartet, dass sich das Problem verschärfen wird, da die Verbraucher in immer mehr Ländern – insbesondere in Indien, China und Indonesien – rasch viel mehr Klimaanlagen installieren.

„Das ist eine gute und eine schlechte Sache“, so Woods. „Es ist gut, dass mehr Menschen von dem verbesserten Komfort profitieren können, aber es bedeutet auch, dass viel mehr Energie verbraucht wird und die Kohlenstoffemissionen steigen.

Um die Emissionen für die Steuerung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu berechnen, teilten die Forscher den Globus in ein feines Gitter ein, das 1 Grad Breitengrad und 1 Grad Längengrad misst. Innerhalb jeder Gitterzelle wurden die folgenden Merkmale berücksichtigt: Bevölkerung, Bruttoinlandsprodukt, geschätzter Besitz von Klimaanlagen pro Kopf, Kohlenstoffintensität des Netzes und stündliches Wetter. Weltweit wurden fast 27.000 Simulationen für repräsentative Geschäfts- und Wohngebäude durchgeführt.

Der Klimawandel wirkt sich auf die Umgebungstemperaturen und die Luftfeuchtigkeit rund um den Globus aus, wodurch es wärmer und feuchter wird. Im Rahmen der Studie untersuchten die Forscher die Auswirkungen des Klimawandels auf den Energieverbrauch von Klimaanlagen im Jahr 2050. So geht die Studie davon aus, dass der Energieverbrauch von Klimaanlagen bis 2050 im wärmsten untersuchten Klima (Chennai, Indien) um 14 % und im mildesten (Mailand, Italien) um 41 % steigen wird. Der Anstieg der globalen Luftfeuchtigkeit wird sich voraussichtlich stärker auf die Emissionen auswirken als der Anstieg der globalen Temperaturen.

„Wir haben die bestehende, jahrhundertealte Technologie bereits fast so effizient wie möglich gemacht“, so Woods. „Um eine grundlegende Veränderung der Effizienz zu erreichen, müssen wir andere Ansätze in Betracht ziehen, ohne die Einschränkungen der bestehenden Technologie.

Die bestehende Dampfkompressionstechnologie ist für die Kühlung unserer Gebäude mit Hilfe eines „Dampfkompressionszyklus“ optimiert. Bei diesem Zyklus werden schädliche Kältemittel verwendet, um die Luft so weit abzukühlen, dass ihre Feuchtigkeit entzogen wird, wodurch die Luft oft zu stark abgekühlt wird und Energie verschwendet wird. Die Verbesserung des Dampfkompressionskreislaufs stößt an praktische und theoretische Grenzen, was darauf hindeutet, dass eine völlig neue Methode zur Kühlung und Entfeuchtung von Gebäuden gefunden werden muss. Neue Technologien, die das Problem der Kühlung und Feuchtigkeitskontrolle in zwei Prozesse aufteilen, haben das Potenzial, die Effizienz um 40 % oder mehr zu verbessern. Eine solche Technologie ist der Einsatz von Kühlkreisläufen auf der Basis von Flüssigtrockenmitteln, wie z. B. die vielen Flüssigtrockenmittel-Klimatechnologien, die das NREL derzeit mit zahlreichen Partnern wie Emerson und Blue Frontier entwickelt.

Die Forscher weisen darauf hin, dass der Einsatz von Flüssigtrockenmitteln die Art und Weise, wie die Luftfeuchtigkeit kontrolliert wird, grundlegend verändert und einen theoretischen Wirkungsgrad hat, der zehnmal höher ist als der des Dampfkompressionszyklus allein. Eine hypothetische Technologie – mit nur der Hälfte dieses neuen Grenzwerts – würde die Kühlenergie-Emissionen im Jahr 2050 um 42 % reduzieren, was einer Vermeidung von 2.460 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr entspricht.

Das Amt für Gebäudetechnologien des Energieministeriums finanzierte die in Joule veröffentlichten Forschungsarbeiten.

Datum: März 15, 2022
Quelle: DOE/National Renewable Energy Laboratory


Journal Reference:

  1. Jason Woods, Nelson James, Eric Kozubal, Eric Bonnema, Kristin Brief, Liz Voeller, Jessy Rivest. Humidity’s impact on greenhouse gas emissions from air conditioningJoule, 2022; DOI: 10.1016/j.joule.2022.02.013