Druckgetriebene Erwärmungs- und Kühlwirkung mit einem MOF-beschichteten Wärmetauscher demonstrieren

Druck in Wärme und Kälte verwandeln

Gebäude komfortabel zu halten, ohne das Klima zusätzlich zu belasten, wird zu einer wachsenden Herausforderung. Viele gängige Wärmepumpen arbeiten weiterhin mit hohen Drücken und Kältemitteln, die dem Klima schaden können. Diese Studie untersucht einen anderen Weg: harmloses Kohlendioxid (CO₂) und ein schwammartiges Material zu nutzen, um durch Druckänderung – nicht durch Verdampfen und Kondensieren einer Flüssigkeit – Heizen und Kühlen zu erzeugen. Die Arbeit zeigt im Labor, dass diese Idee nicht nur Theorie ist: Sie kann fließendes Wasser innerhalb von Minuten um mehrere Grad erwärmen oder kühlen, und das mit vergleichsweise moderaten Drücken.

Eine neue Art, Wärme zu bewegen

Konventionelle CO₂-Wärmepumpen laufen meist bei sehr hohen Drücken und überkritischen Bedingungen, was die Anlagen dicker, schwerer und komplexer macht. Die Forschenden testen stattdessen ein Konzept, das als hybrides Kompressions–Adsorptions-System bezeichnet wird. Im Kern steht ein spezieller Wärmetauscher: ein Metallrohr mit Lamellen, beschichtet mit einem porösen Material, bekannt als metall–organisches Gerüst oder MOF. Dieser MOF (genannt MIL-101(Cr)) wirkt wie ein nanoskaliger Schwamm, der große Mengen CO₂ auf seinen inneren Flächen aufnehmen kann. Wenn CO₂ bei höherem Druck am MOF haftet, wird Wärme freigesetzt; bei Drucksenkung und Desorption nimmt es Wärme auf. Fließt währenddessen Wasser durch das Rohr, kann dieses Wasser erwärmt oder gekühlt werden, ohne sich mit dem Gas zu vermischen.

Wie das Versuchssystem funktioniert

Das Team baute eine Chargen-Anordnung: Der MOF-beschichtete Wärmetauscher sitzt in einem abgedichteten Druckbehälter, verbunden mit einem Kompressor und einem separaten Gastank. Durch rasches Anheben des CO₂-Drucks von 0,8 auf 3,0 Megapascal treiben sie CO₂ in den MOF, der sich erwärmt und dann das durch das Rohr fließende Wasser erhitzt. Das Absenken des Drucks lässt CO₂ den MOF verlassen, wodurch dieser abkühlt und das Wasser gekühlt wird. Unter typischen Testbedingungen – Wasser bei Raumtemperatur und moderatem Volumenstrom – änderte sich die Austrittstemperatur des Wassers um etwa plus oder minus 9 Kelvin (etwa plus oder minus 9 °C), und nahezu die gesamte CO₂-Aufnahme bzw. -Freisetzung erfolgte innerhalb von zwei Minuten. Jeder Zyklus transportierte etwa 20 Kilojoule Wärme, wobei rund 81 % dieser Energie erfolgreich an das Wasser abgegeben wurden.

Was die Leistung bestimmt

Um zu verstehen, wie man dieses Prinzip optimal nutzt, variierten die Forschenden mehrere Betriebsbedingungen. Die Größe der Druckschwankung erwies sich als der wichtigste Faktor für die Gesamtheiz- und -kühlwirkung: Größere Schwankungen und niedrigere absolute Drücke führten zu mehr CO₂, das in den MOF ein- und ausging, und damit zu stärkeren thermischen Effekten. Die Geschwindigkeit, mit der der Druck anstieg oder sank, beeinflusste hauptsächlich die Schärfe des Temperaturgipfels, nicht aber die pro Zyklus verschobene Gesamtenergie. Ebenso hatte die Eintrittstemperatur des Wassers nur einen geringen Einfluss, was bestätigt, dass die wesentliche Wärmequelle das Anlagern und Freisetzen von CO₂ am MOF ist und nicht das einfache Erwärmen oder Abkühlen des Gases selbst. Dagegen wirkte sich die Wasserflussrate stark auf die Leistung (Leistung im Sinne von Wärme pro Zeit) aus: Schnellere Ströme machten das Wasser an seinem Peak nicht deutlich heißer oder kälter, verkürzten aber die Zyklusdauer und erhöhten die mittlere Heiz‑ und Kühlleistung.

Ein Blick in den Wärmetauscher

Weil sich sowohl die MOF-Schicht als auch das Wasser zeitlich verändern, reichen Standardformeln für stationäre Wärmetauscher nicht aus, um das Verhalten vorherzusagen. Die Autor:innen erstellten daher ein detailliertes Computermodell, das Masse-, Impuls- und Energietransport im MOF-Bett, Metallrohr und Wasser simuliert. Sie kalibrierten das Modell mit bekannten Eigenschaften von CO₂ in MIL-101(Cr) und verglichen die Vorhersagen mit ihren Messungen. Die Übereinstimmung war gut: Die Simulationen reproduzierten, wie sich MOF‑ und Wassertemperaturen entlang des Rohrs entwickelten und wie verschiedene Wasserströmungen die Heizleistung veränderten. Das gibt Vertrauen, dass das Modell genutzt werden kann, um zukünftige Geräte zu entwerfen und zu optimieren, ohne jede Variante physisch bauen und testen zu müssen.

Warum das für künftige Wärmepumpen wichtig ist

Experimente und Simulationen zusammen zeigen, dass druckgetriebene CO₂-Adsorption verlässlich nützliche Heiz- und Kühlleistungen unterhalb des kritischen Punkts von CO₂ liefern kann und damit einige Sicherheits- und Konstruktionsprobleme heutiger Hochdruck‑CO₂‑Systeme vermeidet. Der Prototyp arbeitet im Chargenbetrieb statt kontinuierlich, beweist aber die physikalische Grundlage und beschreibt praktische Grenzen – insbesondere die Notwendigkeit, den Wärmetransfer auf der Wasserseite zu verbessern. Mit besseren Tauscherdesigns, mehreren in Reihe arbeitenden Betten und Integration mit thermischer Speicherung könnte dieses Konzept zu neuen Klassen von Wärmepumpen führen, die klimafreundliches CO₂ und fortschrittliche poröse Materialien nutzen, um Häuser und Gebäude sicherer und effizienter zu heizen und zu kühlen.

Zitation: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

Schlüsselwörter: Wärmepumpe mit Kohlendioxid, Adsorptionskühlung, metall-organisches Gerüst, Niederdruck-Kühlung, nachhaltige HLK