Nutzung von KNO3, KCl und NaCl als Phasenwechselmaterialien im Kühlschrank zur Energieeinsparung

Warum die versteckte Kälte im Kühlschrank zählt

Haushaltskühlschränke laufen still und dauerhaft, häufig in heißen Küchen, und verbrauchen zusammen einen überraschend großen Anteil des Haushaltsstroms. Diese Studie untersucht eine einfache Idee mit großem Potenzial: ein dünnes Paket aus speziellem Kältematerial unter dem Gefrierfach zu platzieren, damit der Kühlschrank Kälte speichern und Temperaturschwankungen abfedern kann. Durch besseren Einsatz gespeicherter Kälte kann das Innere stabiler bleiben, kurze Stromausfälle besser überstehen und die Stromrechnung sinken, ohne dass sich die Nutzungsgewohnheiten ändern müssen.

Kälte speichern wie eine Batterie

Die Forschenden konzentrierten sich auf „Phasenwechselmaterialien“, Stoffe, die beim Schmelzen und Gefrieren große Wärmemengen aufnehmen oder abgeben, ähnlich wie Eis beim Übergang zu Wasser. Anstatt den Kühlschrank neu zu entwerfen, bauten sie einen flachen Edelstahlbehälter, der unter die Verdampferleitungen des Gefrierfachs passt, ohne Regalfläche zu beanspruchen. Sie füllten dieses Paket mit reinem Wasser oder mit Wasser, dem kleine Mengen (10 Gewichtsprozent) bekannter Salze zugefügt waren: Kaliumnitrat (KNO3), Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumchlorid (KCl). Diese Mischungen wurden ausgewählt, weil sie ein paar Grad unter null schmelzen bzw. gefrieren — nahe der normalen Gefrierfachtemperatur — und so während der Ein-/Ausschaltzyklen des Kühlschranks unauffällig Kälte speichern und abgeben können.

Praxisprüfungen bei hoher Raumtemperatur

Um zu prüfen, welchen Unterschied dieses versteckte Kältespeicher-Element macht, testete das Team einen standardmäßigen Ein-Tür-Kühlschrank mit 289 Litern Fassungsvermögen und einem gängigen Kältemittel (R-134a). Sie stellten ihn in eine gut kontrollierte Kammer bei 32 °C und mäßiger Luftfeuchtigkeit, um eine heiße Sommerküche zu simulieren. Präzisionssensoren verfolgten Temperaturen an zahlreichen Stellen: im Gefrierfach, im Lebensmittelraum, in der Gemüseschublade, an der Tür sowie an den Oberflächen von Kondensator und Kompressor. Außerdem wurden Energieverbrauch und Drücke im Kühlkreislauf gemessen. Acht Szenarien wurden verglichen: ohne Phasenwechselmaterial, nur Wasser und die drei Salz‑Wasser‑Mischungen, je in zwei Volumina (1 Liter und 1,5 Liter) im Behälter.

Kühlere, stabilere Lebensmittel und schonendere Technik

Die Phasenwechselpakete beruhigten die Temperaturschwankungen deutlich. Im Gefrierfach hielten alle Salzlösungen die Luft kälter und stabiler als ohne Paket, während sich im übrigen Kühlschrank die Temperaturen im Mittel um etwa 1–3 °C senkten. Die Gemüseschublade kühlte im Vergleich zur Referenz um bis zu rund 22 Prozent, was die Frische von Produkten unterstützt. Obwohl das Paket unter dem Gefrierfach saß, kühlte es indirekt und glättete auch die Temperaturen im Hauptfach und an der Tür, indem es Wärmeimpulse aufnahm und die Kälte langsam abgab. Gleichzeitig liefen die Mitte des Kondensators und die Oberfläche des Kompressors einige Grad kühler, ein Hinweis darauf, dass das Gerät weniger hart arbeitete und thermisch weniger belastet war.

Energie sparen und Stromausfälle besser überbrücken

Weil die Phasenwechselmaterialien einen Teil der Kühlarbeit übernahmen, konnte der Kompressor öfter abschalten. Im besten Fall reduzierte 1 Liter der KNO3‑Mischung die Betriebszeit des Kompressors pro Tag um 7,1 Prozent. Das führte zu einer Reduktion des elektrischen Energieverbrauchs um 8,6 Prozent verglichen mit dem Betrieb ohne Paket. Die KCl‑ und NaCl‑Mischungen sparten ebenfalls Energie, wenn auch etwas weniger, während reines Wasser nur moderate Vorteile brachte. Während eines simulierten einstündigen Stromausfalls hielten Kühlschränke mit Paketen das Gefrierfach etwa eine halbe Stunde lang unter null und bewahrten das Kühlfach bis zu 2 °C kühler als die unveränderte Einheit — was zusätzliche Zeit gewinnt, bevor Lebensmittel warm werden.

Welche Mischung am besten wirkt und warum das wichtig ist

Unter den getesteten Optionen bot die 1‑Liter‑KNO3‑Lösung insgesamt die beste Balance: Sie erhöhte die Effizienz des Kühlschranks (seinen Leistungskoeffizienten) um etwa 12 Prozent und erzielte die größten Energieeinsparungen. Größere 1,5‑Liter‑Pakete trugen dazu bei, die Temperaturen in den Fächern noch gleichmäßiger zu halten, verbesserten den Energieverbrauch jedoch nicht in gleichem Maße, weil zusätzliches Material nach vollständigem Schmelzen oder Erstarren zur thermischen Belastung werden kann. Für Laien ist die Botschaft klar: Ein dünnes, gut ausgewähltes Kältespeicherpaket in der Nähe des Gefrierfachs kann einen gewöhnlichen Kühlschrank innen kühler machen, Lebensmittel bei Ausfällen besser schützen und die Betriebskosten senken. Die Arbeit legt nahe, dass Hersteller solche Pakete mit kostengünstigen Salzen integrieren könnten, um den Haushaltsenergiebedarf zu senken und breitere Energie‑ und Klimaziele zu unterstützen.

Zitation: Samir, S., Salem, M., Mohamed, A.S.A. et al. Utilizing of KNO₃, KCl, and NaCl as phase change materials within the refrigerator for energy saving. Sci Rep 16, 9815 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41662-5

Schlüsselwörter: energieeffiziente Kühlschränke, Phasenwechselmaterialien, Wärmespeicherung, Haushaltskühlung, Stromersparnis