Huidige koeltechnieken zijn niet alleen energieslurpend, ze bevatten ook schadelijke gassen. Maar dankzij een inventieve oplossing kunnen bestaande koelmethoden vervangen worden door iets dat veiliger en vriendelijker is voor onze aarde.

Heb je er weleens over nagedacht hoe jouw koelkast werkt? Simpel gezegd pompt een koelkast warme lucht naar buiten. En daarvoor maakt het gebruik van verschillende, vrij milieuonvriendelijke methoden. “Niemand heeft nog met succes een alternatieve oplossing bedacht om op efficiënte en veilige wijze voedsel koud te houden, zonder het milieu te schaden,” zegt onderzoeker Drew Lilley. Tot nu. Want hij heeft samen met zijn collega’s een mogelijk revolutionaire manier bedacht om de koelkast van de toekomst een stuk milieuvriendelijker te maken.

Huidige koelkasten
Even terug naar conventionele koeltechnieken. De koelende werking van huidige koelkasten berust op de verdamping van een vloeistof, een koelmiddel, waarbij verdampingswarmte via de verdamper aan de binnenkant van de koelkast wordt onttrokken. De damp wordt in een compressor weer samengeperst en daarna vloeibaar gemaakt onder het vrijkomen van warmte die aan de achterkant van de koelkast via een buizenstelsel in de vorm van een rooster (de condensor) aan de omgeving wordt afgegeven. Aanvankelijk werd als koelmiddel ammoniak, zwaveldioxide of methylchloride gebruikt, later veelal chloorfluorkoolstofverbindingen (de beruchte CFK’s). Toen men zich bewust werd van de schadelijke werking hiervan op de ozonlaag, is er gezocht naar alternatieven en werden CFK’s onder invloed van het Montreal-protocol uitgefaseerd. Tegenwoordig wordt daarom gebruikgemaakt van andere koelmiddelen, namelijk zogenoemde fluorkoolwaterstoffen (HFK’s).

HFK’s
Toch is het de vraag of deze HFK’s veel beter zijn. “Ook HFK’s warmen de planeet op,” vertelt Lilley in gesprek met Scientias.nl. “Het is zelfs 2000 keer sterker als broeikasgas dan CO2.” Zonder beperking van de uitstoot, zullen HFK’s tegen 2050 een broeikaseffect veroorzaken dat overeenkomt met 20 procent van de mondiale CO2-emissies. Daarom heeft de EU zich voorgenomen om het gebruik van HFK’s uit te faseren. De wereldwijde afbouw is vastgelegd in een amendement op het Montréalprotocol dat werd overeengekomen op 15 oktober 2016 in de Rwandese hoofdstad Kigali. Het doel is om het niveau van HFK’s tegen 2047 met 85 procent te verminderen.

Wat nu?
Maar als HFK’s straks niet meer gebruikt mogen worden, wat kan er dan als koelmiddel worden gebruikt? “De keuze is tussen hydrofluorolefinen (wat ons water onherstelbaar zal verzuren) of natuurlijke koelmiddelen zoals propaan, die explosief zijn,” zegt Lilley. Het is volgens hem kiezen tussen twee kwaden. We zouden dan ook eigenlijk heel anders naar het koelsysteem moeten gaan kijken. “Bijna alle verwarmings- en koeltechnologieën maken gebruik van dampcompressie, wat het gebruik van een koelmiddel vereist dat onder normale atmosferische omstandigheden als damp bestaat. En die damp komt bijna altijd in de atmosfeer terecht. Het betekent dat we de dampcompressie zelf moet veranderen – niet alleen de koelmiddelen.”

“We moeten de dampcompressie zelf veranderen – niet alleen de koelmiddelen”

Ionocalorische koeling
In een nieuwe studie heeft hij nu samen met zijn collega’s een oplossing bedacht die alle huidige en toekomstige koelmiddelen vervangt. Het idee is te vergelijken met het strooien van zout op een autoweg om te voorkomen dat er ijs wordt gevormd, zo schetst Lilley. De nieuwe techniek is ‘ionocalorische koeling’ genoemd en maakt gebruik van de manier waarop energie of warmte wordt opgeslagen of vrijgegeven wanneer een materiaal van fase verandert – denk bijvoorbeeld aan de overgang van vast ijs naar vloeibaar water. “We hebben een manier bedacht om warmte op te wekken of weg te nemen door ionen toe te voegen aan, of te verwijderen uit, een materiaal dat thermisch reageert op ionen,” legt Lilley desgevraagd uit. “In ons systeem kunnen we een materiaal koud maken door het te omringen met ionen, die afkomstig zijn van een zout. We kunnen het weer opwarmen door die ionen te verwijderen.”

Deze animatie toont de ionocalorische cyclus. Wanneer er een stroom wordt toegevoegd, komen ionen in beweging en veranderen het materiaal van vast naar vloeibaar. Hierdoor absorbeert het materiaal warmte uit de omgeving. Wanneer het proces wordt omgekeerd en ionen worden verwijderd, kristalliseert het materiaal tot een vaste stof, waarbij warmte vrijkomt. Afbeelding: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Kort gezegd komt het erop neer dat stroom in het systeem de ionen laat bewegen. Hierdoor verandert het smeltpunt van het materiaal. Wanneer het smelt, absorbeert het materiaal warmte uit de omgeving. Wanneer de ionen worden verwijderd en het materiaal stolt, geeft het warmte terug. Het eerste experiment toonde een temperatuurverandering van 25 graden Celsius met minder dan één volt. En dat is indrukwekkend. Dit is namelijk een grotere temperatuurstijging dan aangetoond door andere calorische technologieën.

Meer over calorische koeling
De nieuw bedachte oplossing voegt zich bij verschillende andere soorten ‘calorische’ koeltechnieken die momenteel in ontwikkeling zijn. Deze technieken omvatten verschillende methoden – waaronder magnetisme, druk en elektrische velden – om vaste materialen te manipuleren zodat ze warmte absorberen of afgeven. Ionocalorische koeling verschilt van deze methoden door ionen te gebruiken om de faseovergang van vast naar vloeibaar te sturen. Het gebruik van een vloeistof heeft als bijkomend voordeel dat het materiaal verpompbaar wordt, waardoor het gemakkelijker wordt om warmte in of uit het systeem te krijgen.

De inventieve oplossing is baanbrekend. “Ionocalorische koeling en verwarming is een volledig nieuwe methode die milieuvriendelijk, ongevaarlijk, niet-toxisch en niet-ontvlambaar is én bovendien geen aardopwarmingsvermogen heeft,” somt Lilley op.

Koolstofnegatief
Sterker nog, ionocalorische koeling is mogelijk zelfs koolstofnegatief. Dat blijkt uit een experiment dat de onderzoeker uitvoerde, waarbij hij gebruik maakte van een op jodium en natrium gebaseerd zout in combinatie met ethyleencarbonaat – een veelgebruikt organisch oplosmiddel dat wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen. “Onze methode gaat zelfs verder dan koolstofneutraliteit,” zegt Lilley. “Ethyleencarbonaat verkrijg je namelijk door koolstofdioxide als input te gebruiken. Het betekent dat we atmosferische afgevangen CO2 kunnen gebruiken om ethyleencarbonaat te vormen.”

Voordelen
De bevindingen van de onderzoekers zijn veelbelovend. Zo blijkt bijvoorbeeld dat de theoretische efficiëntie van ionocalorische koeling groter is dan de gasvormige koelmiddelen die tegenwoordig in de meeste systemen worden aangetroffen. “Daarnaast maakt het gebruik van extreem lage toegepaste veldsterktes (minder dan 1V), vergeleken met dampcompressie, waarvoor gassen onder hoge druk nodig zijn,” zegt Lilley. “En omdat de uitvoer van onze koelcyclus een vaste stof of vloeistof is, kan deze gemakkelijk worden opgeslagen voor later gebruik. Dit maakt thermische opslag mogelijk, wat kan helpen de elektriciteitskosten met een factor 2 te verlagen.”

Traag
Ondanks de positieve resultaten is er nog genoeg werk te verrichten. “Het proces dat we in het eerste prototype gebruikten, was erg traag,” vertelt Lilley. “Het koelvermogen was veel kleiner dan bij een gelijkwaardig dampcompressiesysteem. Dit betekent dat ons systeem voor hetzelfde koelvermogen veel groter zou moeten zijn dan wat tegenwoordig in de industrie wordt gebruikt.”

Ondanks dat is Lilley optimistisch gestemd. “Alles wijst erop dat we ons idee met succes kunnen commercialiseren,” zegt hij. “We beschikken nu over een levensvatbaar alternatief voor dampcompressie, dat de manier waarop we koelen en verwarmen volledig koolstofarm kan maken. Het enige wat we nu nog nodig hebben is meer onderzoek om dat pad te effenen.”