Kompakt, leicht, leise und umweltfreundlich: V-Research und das Vorarlberger Start-up fautech entwickelten einen neuartigen Kompressor für Kühlanlagen und Wärmepumpen, der mit CO₂ als Kältemittel funktioniert – ein transkritischer CO₂-Kompressor. Der neue Kompressor soll anders als üblich nach dem Rotationskolbenprinzip funktionieren und außerdem kostengünstiger sein als das, was jetzt am Markt ist. Denn es sind in erster Linie die Kosten, die einem verbreiteten Einsatz von Kohlenstoffdioxid als Kältemittel in transkritischen Kompressoren im Weg stehen. Dafür wurden sie mit dem ACR Start-up Preis powered by aws ausgezeichnet.
Das CO₂ ist physikalisch herausfordernd, wenn die Innovation aber gelingt, kann Kohlenstoffdioxid als umweltfreundliche Alternative breit eingesetzt werden.
Florian Ausserer, Gründer von fautech | Foto: Thomas Steinlechner
Gesucht wird daher neben der optimalen Bauweise des Verdichters auch die optimale Materialpaarung von Kolben und Kolbengehäuse. Alle Komponenten müssen besonders hohe Drücke aushalten, Reibungsverluste und Verschleiß sollten so gering wie nur irgend möglich sein. Die Herausforderung dabei: Ein Rotationskolbenverdichter hat eine größere Dichtungsfläche als ein Hubkolbenverdichter, außerdem will fautech auf Schmiermittel verzichten, da diese die Energieeffizienz vermindern würden.
Um das Optimum zu finden, hat V-Research einen digitalen Zwilling des Rotationskolbenverdichters errechnet. In das mathematische Modell, mit dem sich zahllose Varianten virtuell durchspielen lassen, fließen unzählige Parameter ein. Ein digitaler Zwilling setzt physikalische Experimente, genaueste Modellierung und viel Expertise voraus, ist aber letztlich eine der schnelleren und günstigeren Innovationsmethoden.
Transkritische Verdichter und CO₂
Anders als bei herkömmlichen Kältemitteln spielt bei Kohlenstoffdioxid die Thermodynamik eine besondere Rolle: „CO₂ ist als Kältemittel eine physikalische Herausforderung“, sagt Eugen Rigger, gemeinsam mit Joel Voyer Projektleiter bei V-Research. Der transkritische Bereich, wenn also der kritische Punkt des Gleichgewichts von flüssigem, gasförmigem und festem Zustand überschritten ist, ist bei CO₂ durch sehr hohe Drücke gekennzeichnet. Der transkritische Bereich beginnt bei Kohlenstoffdioxid bereits bei 31 Grad Celsius aber erst bei 74 bar. Will man CO₂ als Kältemittel in einem transkritischen Verdichter einsetzen, ist der Druck entsprechend groß, nämlich 125 bar und mehr.
Ökologische Vorteile
Aus ökologischer Sicht sind mit dem Kältemittel Kohlenstoffdioxid viele Vorteile verbunden: Würde man standardmäßig sogenannte transkritische CO₂-Verdichter in den Kühlanlagen und -geräten in der Industrie, im Gewerbe und in Wohngebäuden einsetzen, wären damit zwei Probleme zugleich gelöst. Das natürliche und ungiftige CO₂ würde die üblicherweise verwendeten umweltschädlichen fluorierten Gase ersetzen, und man könnte die Abwärme der Anlagen stark erhöhen, sodass die Wärmeausbeute noch größer wäre. CO₂ hat nämlich bessere Wärmeübertragungseigenschaften als andere Gase. Supermärkte zum Beispiel könnten ihre Kühlmöbel umweltfreundlich kühlen und Büro- und Verkaufsräume beheizen.
Transkritische CO₂-Verdichter haben zudem anders als Kompressoren für fluorierte Gase ein geringeres Volumen, ein geringeres Gewicht und einen geringeren Materialeinsatz. Das verbessert die Umweltbilanz dieser Kompressoren noch weiter, besonders dann, wenn die kompakten Anlagen mobil eingesetzt werden, etwa in Kühltransportern. Rotationskolbenverdichter, wie fautech sie bauen will, sind noch einmal kompakter und leichter. „Im Bereich der Kältetechnik wäre dies eine echte Revolution“, so Florian Ausserer, Gründer von fautech.