Maryland heute

Ingenieure entwickeln Heiz- und Kühltechnologie weiter, um eine umweltfreundlichere Zukunft voranzutreiben

Von Maggie Haslam 17. April 2023

Die Forschung am Center for Environmental Energy Engineering der University of Maryland befasst sich mit den Grundlagen von Heiz- und Kühlgeräten, um kohlenstofffreie Technologien der nächsten Generation voranzutreiben und die Effizienz zu verbessern.

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Ah, die Geräusche des Sommers: das beruhigende Summen der Büro-HLK-Anlage; die Symphonie wirbelnder Fensterelemente, die eine Hochhauswohnung schmücken; das Seufzen des Gefrierschranks, während Sie sich das letzte Eis am Stiel schnappen.

An einem schwülen Tag kann das, was in Ihren Ohren Musik ist, Kummer für den Planeten sein. Laut einer Studie des National Renewable Energy Laboratory werden allein durch die Klimaanlage jedes Jahr 1,95 Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, und das Problem wird sich voraussichtlich verschlimmern, wenn die Bevölkerung auf einem sich erwärmenden Planeten wächst und urbanisiert.

Man braucht keinen Ingenieur, um die Mathematik zu verstehen – aber vielleicht braucht man einen, um eine Lösung zu finden. Die laufende Forschung am Center for Environmental Energy Engineering der University of Maryland revolutioniert das energiefressende Innenleben von Druckluft, die zu Treibhausgasemissionen beiträgt – wie Wärmepumpen, Kompressoren, Wärmetauscher und Kältemittel – und macht sie kleiner, leichter, effizienter und effizienter verlängerbar.

„Die meisten Menschen wissen nicht wirklich, wie wichtig Kühl- und Heiztechnologie für den CO2-Ausstoß ist, aber auch, wie wichtig sie für die Erhaltung unserer Lebensweise ist“, sagte Forschungsprofessor Vikrant Aute, der das Zentrum zusammen mit seinen Kollegen aus der Abteilung leitet für Maschinenbau: Minta-Martin-Professor Reinhard Radermacher und Forschungsprofessor Yunho Hwang. „Neue Technologien werden für eine dekarbonisierte Zukunft von entscheidender Bedeutung sein.“

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Die Internationale Energieagentur schätzt, dass es auf der Welt etwas mehr als zwei Milliarden Klimaanlagen gibt. Diese Zahl soll bis 2050 auf 5,5 Milliarden ansteigen, da wir den Thermostat der Erde immer höher stellen. Wie die Gesellschaft sie mit Strom versorgen wird – und gleichzeitig die globale Verpflichtung erfüllt, im gleichen Zeitraum Netto-Treibhausgasemissionen von Null zu erreichen –, ist eine dringende Frage für die Forscher des Zentrums, die daran arbeiten, kohlenstofffreie Technologien der nächsten Generation voranzutreiben und die Effizienz zu verbessern.

„Die Leute geben 1.000 US-Dollar für ein neues iPhone aus, aber es ist schwer, eine solche Begeisterung für eine effizientere Klimaanlage zu wecken, die Hunderte von US-Dollar an Energiekosten einspart“, sagte Aute. „Wir wollen das iPhone aus Klimaanlagen machen.“

Im Laufe seiner 30-jährigen Geschichte war CEEE ein Forschungspartner für führende Kühlgerätehersteller sowie internationale und bundesstaatliche Behörden – einschließlich einer langjährigen Beziehung mit dem US-Energieministerium – und arbeitete gemeinsam an der Entwicklung neuartiger Technologien und der Durchsetzung von Richtlinien für eine globale CO2-Neutralität Ansatz.

„Wenn Sie die Klimaanlage einschalten, um es in Ihrem Haus kalt zu machen, müssen Sie es woanders warm machen“, sagte der Postdoktorand James Tancabel Ph.D. '22, der seit sieben Jahren mit CEEE zusammenarbeitet. „Es braucht Experten auf diesem Gebiet, um den Menschen zu helfen, diese Auswirkungen zu erkennen und für diese Zukunft zu entwerfen.“

UMD-kultivierte Technologien zum Schutz des Erdklimas sind auf dem Weg. Hier ist ein Blick auf das, was auf uns zukommt:

Kältemittel auf Eis legen: Von Häusern bis hin zu Lebensmitteln sind Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel der Schlüssel zur Kühlung, aber wenn sie austreten, fangen sie die erwärmende Hitze in der Atmosphäre ein. Ein jahrzehntelanges Projekt zwischen dem Zentrum und Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessor Ichiro

Takeuchi versucht, auf Kältemittel vollständig zu verzichten, indem es Formgedächtnislegierungen verwendet, die durch Kompression Wärme oder Kälte erzeugen können. Als eines der ersten Forschungsteams, das ein Gerät mit elastokalorischer Kühlung entwickelt hat, und weltweiter Spitzenreiter in dieser Technologie, verfügt das Team über einen aktuellen Prototyp, der eine Kühlleistung von 100 Watt erzeugen kann, genug, um einen Weinkühlschrank anzutreiben; Das Team hofft auf eine Ausweitung auf Fenstereinheiten, Kühlsysteme für das ganze Haus und gewerbliche HLK-Anlagen.

Gitterrelief: Fortschritte bei thermischen Speichereinheiten – den Energiereserven, die von Heiz- und Kühlsystemen genutzt werden – zielen darauf ab, das alternde Stromnetz des Landes durch Phasenwechselmaterialien zu entlasten, die beim Übergang von fest zu flüssig, wie Eis zu Wasser, Energie freisetzen und absorbieren. Forscher experimentieren mit verschiedenen Materialien, die mit deutlich weniger Speicherung mehr Energie liefern könnten: In heißeren Tagesstunden, wenn das Netz belastet ist, greifen die Einheiten auf gespeicherte Energie zurück, die außerhalb der Spitzenzeiten erzeugt wird. Während die Entlastung des Stromnetzes die unmittelbare Priorität hat, besteht das ultimative Ziel in einer erneuerbaren Zukunft, in der erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie genutzt werden, um Gebäude praktisch CO2-frei zu betreiben.

Von der Brennstoffzelle inspirierte Kühlung: CEEE-Forscher arbeiten mit Professor Chunsheng Wang und seinem Team für Materialwissenschaft und -technik sowie Chemie- und Biomolekulartechnik zusammen, um verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Kompressortechnologie und -effizienz zu entwickeln. Hierbei handelt es sich um stromhungrige und schwere Systeme, die kühlendes Kältemittel unter Druck setzen und zirkulieren lassen. Die Gruppe entwickelt jedoch ein äußerst effizientes System ohne bewegliche Teile, das eine clevere Anwendung von Elektrizität und eine Membran nutzt, ähnlich einer Brennstoffzelle, wodurch die Effizienz erheblich verbessert wird und Zuverlässigkeit. Weniger Teile bedeuten auch weniger Gewicht, wodurch der bei Produktion und Versand entstehende Kohlenstoff reduziert wird.

Forschung

Maschinenbauforschung zum Klimawandel

A. James Clark School of Engineering