Aber Klimaanlagen selbst produzieren genug Wärme, um die Temperaturen in den Städten messbar in die Höhe zu treiben, und sie stoßen auch hochwirksame Treibhausgase aus. Außerdem werden diese Milliarden energiehungriger neuer Geräte eine der größten Quellen für die steigende Stromnachfrage auf der ganzen Welt sein.
Ohne größere Verbesserungen wird sich der Energiebedarf für die Kühlung verdreifachen und bis zum Jahr 2050 6.200 Terawattstunden erreichen – das ist fast ein Viertel des gesamten heutigen Stromverbrauchs der Welt.
Trotz des Ausmaßes der zunehmenden Herausforderungen sind relativ wenig Mittel in den Sektor geflossen, und es gibt nur wenige nennenswerte Fortschritte bei den Produkten auf dem Markt. Abgesehen von langsamen Effizienzsteigerungen funktioniert die Basistechnologie noch genauso wie bei ihrer Einführung vor fast einem Jahrhundert.
„Die Tatsache, dass der Einsatz von Fensterklimageräten weiter zunimmt, während das Produkt weitgehend so aussieht und funktioniert wie seit Jahrzehnten, spricht für sich selbst“, sagt Vince Romanin, Geschäftsführer des in San Francisco ansässigen Unternehmens Treau, das eine neuartige Wärmepumpe entwickelt. „
In den letzten Jahrzehnten gab es bei anderen Energietechnologien – wie Solarzellen, Batterien und Elektrofahrzeugen – weitaus größere Verbesserungen bei den Kosten und der Leistung, die durch die Politik, engagierte Forschungsanstrengungen und die wachsende Nachfrage nach saubereren Alternativen bedingt waren. Treau gehört zu einer Reihe von Start-ups und Forschungsgruppen, die jetzt auf verschiedene Weise versuchen, ähnliche Fortschritte bei der Kühlung zu erzielen.
Aber selbst wenn der weltweite Bestand an Klimageräten viel effizienter wird, sind die prognostizierten Sprünge in der Nutzung so groß, dass die weltweite Stromnachfrage weiter ansteigen wird. Das erschwert die ohnehin schon gewaltige Aufgabe, die Energieversorgung der Welt zu sanieren. Das bedeutet, dass die Länder nicht nur die bestehende Strominfrastruktur überholen müssen, sondern auch weitaus größere Systeme bauen müssen als je zuvor – und das alles mit kohlenstofffreien Quellen.
Milliarden neuer Klimaanlagen
Die ständige Kühlung der riesigen Mengen an heißer Luft, die Häuser, Büros und Fabriken füllen, ist und bleibt ein riesiger Energiefresser.
Das Problem besteht nicht nur darin, dass immer mehr Klimaanlagen immer mehr Strom benötigen, um sie zu betreiben. Das Problem ist auch, dass sie vor allem in den Spitzenzeiten, wenn es richtig heiß wird und alle gleichzeitig ihre Klimaanlagen aufdrehen, den Stromverbrauch in die Höhe treiben werden. Das bedeutet, dass wir die Elektrizitätssysteme überdimensionieren müssen, um die Nachfrage zu decken, die möglicherweise nur für einige Stunden an einigen Tagen im Jahr besteht.
Im Bezirk Los Angeles könnten steigende Temperaturen in Verbindung mit dem Bevölkerungswachstum die Stromnachfrage während der sommerlichen Spitzenzeiten bis 2060 um bis zu 51 % erhöhen, wenn ein Szenario mit hohen Emissionen zugrunde gelegt wird, so eine 2019 durchgeführte Studie von Forschern der Arizona State University und der University of California, Los Angeles.
Das sind etwa 6,5 zusätzliche Gigawatt, die Netzbetreiber auf einmal ans Netz bringen müssten, oder die sofortige Leistung von fast 20 Millionen 300-Watt-Solarzellen an einem sonnigen Tag.
Und das ist nur für einen der 58 Bezirke Kaliforniens. In Ländern, in denen die Mittelschicht schnell wächst und in denen Hitzewellen häufiger und heftiger werden, wird der Bedarf an Wechselstrom weltweit weitaus stärker ansteigen. Die IEA geht davon aus, dass Indien bis 2050 weitere 1,1 Milliarden Geräte installieren wird, wodurch der Anteil der Wechselstromerzeugung am Spitzenstrombedarf des Landes von 10 % auf 45 % steigen wird.
Netzsanierung
Die wichtigste Maßnahme muss außerhalb der Wechselstromindustrie erfolgen. Die Umstellung des gesamten Stromnetzes auf eine stärkere Nutzung sauberer Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie wird die indirekten Treibhausgasemissionen, die durch die für den Betrieb von Klimaanlagen verbrauchte Energie entstehen, stetig verringern.
Darüber hinaus könnte die Entwicklung zunehmend intelligenter Netze den Elektrizitätssystemen helfen, mit den Nachfragespitzen der Klimaanlagen umzugehen. Das bedeutet, dass Sensoren, Kontrollsysteme und Software eingebaut werden müssen, die den Verbrauch automatisch reduzieren können, wenn die Außentemperaturen sinken, wenn Menschen die Räume für längere Zeit verlassen oder wenn die Nachfrage mit der verfügbaren Stromerzeugung kollidiert.
Die Welt kann auch die direkten Emissionen von Klimaanlagen reduzieren, indem sie auf alternative Kältemittel umsteigt, die kritischen Verbindungen in Kühlgeräten, die Wärme aus der Luft absorbieren. Die Hersteller haben sich weitgehend auf Fluorkohlenwasserstoffe verlassen, bei denen es sich um hochwirksame Treibhausgase handelt, die bei der Herstellung und Reparatur oder am Ende der Lebensdauer eines Geräts austreten können. Nach einer Änderung des Montrealer Protokolls aus dem Jahr 2016 müssen Unternehmen und Länder jedoch zunehmend auf Optionen mit geringeren Erwärmungseffekten umsteigen, wie eine Klasse vielversprechender Verbindungen, die als HFOs bekannt sind, bestimmte Kohlenwasserstoffe wie Propan und sogar Kohlendioxid (das zumindest eine geringere Erwärmungswirkung hat als die bisherigen Kältemittel).
Alternative Kältemittel könnten die Emissionen in den kommenden Jahrzehnten um das Äquivalent von etwa 50 Milliarden Tonnen Kohlendioxid reduzieren, so die höchste Schätzung einer Project Drawdown-Analyse. (Nach Angaben des Global Carbon Project hat die Welt im vergangenen Jahr insgesamt fast 37 Milliarden Tonnen emittiert.)
Es gibt auch klare Möglichkeiten, die für die Kühlung von Gebäuden erforderliche Elektrizitätslast zu verringern, z. B. durch zusätzliche Isolierung, Abdichtung von Luftlecks, Anbringen von Fensterabdeckungen oder -folien und Anbringen reflektierender Farben oder Materialien auf Dächern. Laut einer früheren Studie des Lawrence Berkeley National Lab könnte die Schaffung solcher „kühlen Dächer“ bei 80 % der kommerziellen Gebäude in den USA den jährlichen Energieverbrauch um mehr als 10 Terawattstunden senken und mehr als 700 Millionen Dollar einsparen.
Vermeidung der „Kältekrise“
Aber letztlich muss die wachsende Zahl von Klimaanlagen in Haushalten und Gebäuden auf der ganzen Welt weitaus energieeffizienter werden, um die so genannte „Kältekrise“ zu vermeiden.
Eines der wirksamsten Instrumente, um diese Verbesserungen zu erreichen, ist die Politik. Die IEA stellt fest, dass die beste verfügbare Technologie mehr als doppelt so effizient ist wie der Durchschnitt der weltweit verwendeten Geräte und dreimal besser als die ineffizientesten Produkte auf dem Markt.
Das Problem ist, dass die meisten Menschen und Unternehmen nicht bereit sind, viel mehr für effizientere Systeme zu zahlen, nur um die globalen Klimaziele zu erreichen, insbesondere in den armen Teilen der Welt. Aber mit Vorschriften, Anreizen oder Subventionen können die Staaten dazu beitragen, dass mehr Geräte mit höherem Wirkungsgrad produziert und verkauft werden.
Der prognostizierte Anstieg des Energieverbrauchs im Zusammenhang mit der Kühlung schrumpft bis Mitte des Jahrhunderts um 45 %, wenn man das IEA-Szenario zugrunde legt, das solche Maßnahmen vorsieht (und nicht von technologischen Fortschritten ausgeht).
Aber selbst dann würde der Energiebedarf für Klimaanlagen bis Mitte des Jahrhunderts immer noch um etwa 70 % ansteigen. Das ist mehr als eine Verdreifachung. Aber um signifikante zusätzliche Gewinne zu erzielen, könnten radikalere Veränderungen erforderlich sein.
Radikale Veränderungen
Eine Reihe von Start-ups versucht, die Dinge weiter voranzutreiben.
Transaera, das von MIT-Energieprofessor Mircea Dincă mitbegründet wurde, versucht, die Effizienz erheblich zu verbessern, indem es die Luftfeuchtigkeit in einem separaten Schritt angeht.
Herkömmliche Klimaanlagen müssen zusätzlich zur Kühlung der Umgebungsluft große Mengen an Energie aufwenden, um mit dem Wasserdampf fertig zu werden, der eine beträchtliche Menge an Wärme speichert und das Gefühl von Unbehagen verstärkt. Dazu muss die Temperatur weit über die Anzeige hinaus gesenkt werden, um den Wasserdampf in eine Flüssigkeit umzuwandeln und ihn aus der Luft zu entfernen.
„Das ist einfach unglaublich ineffizient“, sagt Dincă. „
Transaeras Ansatz beruht auf einer Klasse hochporöser Materialien, die als metallorganische Gerüste bekannt sind und so angepasst werden können, dass sie bestimmte Verbindungen, einschließlich Wasser, einfangen und festhalten. Das Unternehmen hat einen Aufsatz für Klimaanlagen entwickelt, der diese Materialien nutzt, um die Luftfeuchtigkeit zu reduzieren, bevor sie in ein Standardgerät gelangt. Er schätzt, dass dadurch die Gesamtenergieeffizienz um mehr als 25 % verbessert werden kann.
Transaera ist Finalist beim mit 3 Millionen Dollar dotierten Global Cooling Prize, einem Wettbewerb, der darauf abzielt, Fortschritte bei der Klimatisierung zu beschleunigen, um die Auswirkungen auf das Klima zu verringern. Das Unternehmen testet derzeit in Zusammenarbeit mit einer Abteilung des chinesischen Haushaltsgeräteriesen Haier Prototypen in Indien.
Das Unternehmen SkyCool Systems aus Mountain View, Kalifornien, hat derweil Hightech-Spiegel entwickelt, die Wärme in die kalten Weiten des Weltraums abgeben können und sich dabei ein natürliches Phänomen zunutze machen, das als Strahlungskühlung bekannt ist.
Die Materialien sind so konzipiert, dass sie Strahlung in einem schmalen Band des Lichtspektrums aussenden, die an Wassermolekülen und anderen atmosphärischen Verbindungen vorbeigehen kann, die sonst Wärme zurück in Richtung Erde abstrahlen.
Auf Dächern angebracht, können die Materialien herkömmliche Gebäudekühlsysteme ersetzen oder ergänzen. Das Unternehmen schätzt, dass die Technologie den Energieverbrauch zur Kühlung von Gebäuden je nach Konfiguration und Klima um 10 bis 70 % senken kann. SkyCool ist dabei, die Materialien an seinem vierten kommerziellen Standort zu installieren.
Andere Start-ups erforschen Ideen wie geothermische Wärmepumpen, Festkörpertechnologie, die den Bedarf an Kühlgasen vermeidet, und neue Varianten der Verdunstungskühlung, die normalerweise auf wassergetränkten Pads beruht, um die Lufttemperaturen zu senken.
Die gute Nachricht ist, dass allmählich etwas Geld in die Bereiche Heizung, Lüftung und Klimatisierung fließt. Das Marktforschungsunternehmen CB Insights hat im Jahr 2015 nur acht Finanzierungen im Wert von fast 40 Mio. USD gezählt, im vergangenen Jahr jedoch 35 im Gesamtwert von rund 350 Mio. USD. (Darin enthalten sind Darlehen, Risikokapitalinvestitionen und Übernahmen.) Und in diesem Jahr gab es bereits 39 Abschlüsse im Wert von rund 200 Millionen Dollar.
Die schlechte Nachricht ist jedoch, dass der Anstieg der Finanzmittel im Vergleich zu den zweistelligen Milliardenbeträgen, die in andere Energie- und Technologiesektoren fließen, winzig ist – und winzig im Vergleich zum Ausmaß der anstehenden Probleme.
Dieser Artikel wurde aktualisiert, um aktuelle Informationen über SkyCool Systems hinzuzufügen und die Stadt zu korrigieren, in der das Unternehmen jetzt seinen Sitz hat.
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