Steigender Kühlbedarf und höhere Anforderungen an die Umweltverträglichkeit treiben die Entwicklung neuer Kältetechnologien voran. Aktuelle Forschungsprojekte beschäftigen sich mit Festkörperkühlung, natürlichen Kältemitteln, geringerem Materialeinsatz und passiver Wärmeabfuhr.
Der Energiebedarf für die Kühlung von Gebäuden wächst weltweit. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) ist der Stromverbrauch für die Raumklimatisierung seit 2015 um rund 50 % auf etwa 2.900 TWh gestiegen. Unter den derzeitigen politischen Rahmenbedingungen erwartet die Organisation bis 2035 einen weiteren Zuwachs um rund 1.600 TWh.
Zusätzliche Anforderungen entstehen durch den Ausbau von Rechenzentren, deren leistungsfähige IT-Systeme große Wärmemengen abführen müssen. Gleichzeitig steht die Klimawirkung der eingesetzten Kältemittel im Fokus. Die europäische F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 sieht vor, teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKW) schrittweise aus dem EU-Markt zu nehmen. Bis 2050 soll der Ausstieg abgeschlossen sein. Für zahlreiche Anwendungen gelten bereits gestaffelte Beschränkungen.
Forschungseinrichtungen und Unternehmen verfolgen deshalb unterschiedliche Ansätze, um den Energie- und Ressourcenverbrauch von Kälteanlagen zu reduzieren. Neben der Optimierung bestehender Kältekreisläufe werden Verfahren untersucht, die auf anderen physikalischen Prinzipien beruhen.
Ein KIT-Projekt untersucht, wie sich kalorische Kühlung ohne elektrisch betriebenen mechanischen Aktor realisieren lässt. Gemeinsam mit der japanischen Universität Tsukuba entwickelten Forschende einen Prototyp, bei dem zugeführte Wärme die für den Kühlprozess erforderliche mechanische Bewegung erzeugt.
Das System arbeitet mit zwei dünnen Nickel-Titan-Folien. Die erste Folie nutzt einen Formgedächtniseffekt: Bei Erwärmung zieht sie sich zusammen und erzeugt mechanische Arbeit. Diese Bewegung wird auf eine zweite Folie übertragen, deren wiederholte Be- und Entlastung einen elastokalorischen Kühleffekt hervorruft.
Bei einer Aktortemperatur von 86 °C erreichte der Prototyp eine Temperaturdifferenz von vier Kelvin auf Bauteilebene. Im elastokalorisch wirksamen Material wurden Temperaturänderungen von knapp 13 K gemessen. Auch bei einer externen Wärmequellentemperatur von 130 °C funktionierte der Aufbau.
Die im August 2026 veröffentlichten Ergebnisse belegen die technische Machbarkeit des Prinzips. Der Prototyp ist jedoch noch nicht für eine möglichst hohe Kühlleistung ausgelegt. Als nächsten Entwicklungsschritt wollen die Forschenden mehrere Folien parallel betreiben.
Langfristig könnte das Verfahren beispielsweise für die Kühlung von Prozessoren oder elektronischen Komponenten eingesetzt werden, wobei deren Abwärme als Antriebsenergie dienen würde. Ob sich daraus praxistaugliche Kühlsysteme entwickeln lassen, ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Einen Überblick über den Entwicklungsstand kalorischer Kühltechnologien gibt eine im Oktober 2026 veröffentlichte Studie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Gemeinsam mit internationalen Partnern haben Forschende die Fortschritte bei Kühlsystemen untersucht, die feste Materialien anstelle herkömmlicher gasförmiger Kältemittel verwenden. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Nature Energy.
Kalorische Materialien verändern ihre Temperatur, wenn sie magnetischen oder elektrischen Feldern, mechanischem Druck oder Zug ausgesetzt werden. Durch einen entsprechenden Kühlzyklus lässt sich Wärme aufnehmen und an anderer Stelle abgeben.
Einige Prototypen erreichen inzwischen Kühlleistungen, die über kleine Labordemonstrationen hinausgehen. Magnetokalorische Systeme erzielen mehr als drei Kilowatt, mechanisch angetriebene Prototypen überschreiten die Ein-Kilowatt-Marke. Kleinere Systeme auf Basis elektrischer Felder oder elastokalorischer Effekte bleiben bislang unter zehn Watt. Für diese Verfahren kommen beispielsweise Anwendungen in der Elektronikkühlung infrage.
„Kalorische Kühlung bietet gleich zwei Vorteile: Sie kommt ohne klimaschädliche Kältemittel aus und kann dazu beitragen, den Energieverbrauch zu senken“, erklärt Dr. Jingyuan Xu, Leiterin der Forschungsgruppe „Emissionsfreie und umweltfreundliche Heiz- und Kühltechnologien“ am KIT.
Die Forschenden weisen auf erhebliche Unterschiede zwischen den Eigenschaften der verwendeten Materialien und der Leistung vollständiger Kühlsysteme hin. Wärmeverluste, Materialermüdung und eine unvollständige Energierückgewinnung während des Kühlzyklus beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit. Hinzu kommen Anforderungen an die Lebensdauer: Die Materialien müssen viele Millionen Belastungszyklen zuverlässig überstehen.
Eine breite Ablösung konventioneller Kältesysteme ist deshalb derzeit nicht absehbar. Zunächst sehen die Forschenden Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen, in denen beispielsweise besonders leise Kühlsysteme benötigt werden.
Auch am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM wird an kalorischen Kühlverfahren gearbeitet. Aus dem Institut ging Anfang 2026 die Qurie GmbH hervor. Das Freiburger Unternehmen entwickelt festkörperbasierte Wärmepumpen, die den elektrokalorischen Effekt nutzen.
Bei diesem Verfahren wird durch das Anlegen und Entfernen eines elektrischen Feldes eine Temperaturänderung in einem geeigneten Material erzeugt. Durch einen darauf abgestimmten thermischen Kreislauf lässt sich Wärme transportieren.
Qurie konzentriert sich zunächst auf die Entwicklung von Kühlsystemen für die Schaltschrankklimatisierung und die Laserkühlung. Perspektivisch nennt das Unternehmen weitere industrielle und gewerbliche Anwendungen.
Die Ausgründung verfolgt das Ziel, elektrokalorische Technologien aus der Forschung in konkrete Produkte zu überführen. Belastbare Angaben über die Effizienz oder Lebensdauer kommerzieller Anlagen liegen aus der Gründungsmitteilung noch nicht vor.
Während kalorische Verfahren überwiegend noch entwickelt werden, arbeiten Forschungsinstitute auch an der Verbesserung etablierter Kältekreisläufe. Ein Schwerpunkt liegt auf dem natürlichen Kältemittel Propan (R290).
Im Juli 2026 stellte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Ergebnisse des Projekts „LC R290“ vor. Gemeinsam mit 20 Unternehmen aus der Heizungsbranche und der Wohnungswirtschaft untersuchte das Institut Lösungen für Propan-Wärmepumpen in bestehenden Mehrfamilienhäusern.
Bei einem Demonstrator für eine zentral installierte Luft-Wasser-Wärmepumpe gelang es, die Kältemittelfüllmenge gegenüber vergleichbaren Geräten um 20 Prozent zu reduzieren. Gleichzeitig wurde nach Angaben des Instituts eine um 15 Prozent höhere Effizienz erreicht.
Darüber hinaus entwickelte das Forschungsteam das Baumuster einer innen aufgestellten Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 28 kW Heizleistung beim Betriebspunkt B0/W55. Auch bei dieser Entwicklung stand die Verringerung der Propanfüllmenge im Mittelpunkt, um die Anforderungen an das Sicherheitskonzept zu begrenzen.
Die Ergebnisse beziehen sich auf die im Projekt untersuchten Demonstratoren und Baukonzepte. Sie können daher nicht pauschal auf andere Wärmepumpentypen übertragen werden.
Mit dem Materialbedarf von Kältekreisen beschäftigt sich das im Mai 2026 gestartete Fraunhofer-Verbundprojekt „HÄLT – Hocheffiziente Kältekreise mit Propan“. Beteiligt sind die Fraunhofer-Institute ISE, IPT, IWU und IPK.
Ziel des bis April 2029 laufenden Projekts ist es, neue Kältekreisarchitekturen zu entwickeln, die mindestens 50 Prozent weniger Material benötigen, ohne Einbußen bei der Energieeffizienz oder Lebensdauer hinnehmen zu müssen.
Dazu untersuchen die Forschenden unter anderem additive Fertigungsverfahren und die Integration mehrerer Funktionen in einzelne Komponenten. Die verschiedenen Fertigungsansätze sollen in einem modularen Plattformbaukasten zusammengeführt werden.
Hintergrund ist der Materialbedarf bei der Herstellung von Wärmepumpen und Kältemaschinen. Insbesondere Kupfer, Aluminium und weitere industriell benötigte Werkstoffe spielen dabei eine Rolle.
Die angestrebte Materialreduzierung ist bislang ein Forschungsziel. Ob sie in industriell gefertigten Anlagen unter den vorgesehenen Randbedingungen erreicht werden kann, muss sich im weiteren Projektverlauf zeigen.
Einen anderen Ansatz verfolgt eine Forschungsgruppe des KIT mit einem hybriden System zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom, Wärme und Kühlung. Das im August 2026 vorgestellte Konzept kombiniert Photovoltaik und Solarthermie mit passiver Strahlungskühlung.
Kernstück ist eine lichtdurchlässige Schicht, die aus einer Siliziumdioxidplatte mit einer Beschichtung aus Polydimethylsiloxan besteht. Sie lässt Sonnenlicht weitgehend passieren und gibt gleichzeitig Wärmestrahlung über einen für Infrarotstrahlung durchlässigen Bereich der Atmosphäre ab. Unterhalb der Schicht wird das Sonnenlicht mithilfe einer Fresnel-Linse auf einen kleineren photovoltaisch-thermischen Kollektor konzentriert.
In Freilandversuchen erreichte der Prototyp gleichzeitig eine Kühlung auf bis zu 6,5 °C unter Umgebungstemperatur, eine elektrische Leistungsdichte von 60,6 W/m² und Temperaturen von bis zu 110,8 °C für die Wärmenutzung.
Mit dem Aufbau demonstrierten die Forschenden, dass sich die drei Funktionen auf derselben Fläche miteinander verbinden lassen. Als mögliche Einsatzgebiete nennen sie multifunktionale Gebäudehüllen sowie Anwendungen mit gleichzeitigem Strom- und Kühlbedarf.
Der Forschungsstand erlaubt jedoch noch keine Aussagen darüber, welchen Anteil des Kühlbedarfs eines Gebäudes eine solche Anlage unter realen Betriebsbedingungen decken könnte. Als nächste Entwicklungsschritte sind unter anderem Verbesserungen bei der Lichtführung, beim Wärmemanagement und bei den Solarzellen vorgesehen.
Die beschriebenen Projekte verfolgen verschiedene Ziele und lassen sich hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit nur eingeschränkt vergleichen. Kalorische Kühlverfahren befinden sich überwiegend noch in der Prototypenentwicklung. Bei Propan-Kältekreisen stehen dagegen Verbesserungen bestehender Wärmepumpentechnik im Vordergrund. Die passive Strahlungskühlung zielt auf eine zusätzliche Möglichkeit zur Wärmeabfuhr über Gebäudeoberflächen.
Für die Bewertung neuer Verfahren sind neben der erreichbaren Kühlleistung insbesondere die Energieeffizienz unter Betriebsbedingungen, die Zuverlässigkeit, die Sicherheit und die Kosten relevant. Hinzu kommt der Ressourcenverbrauch bei Herstellung und Betrieb.
Die KIT-Forschenden empfehlen deshalb für kalorische Technologien standardisierte Tests und anwendungsnahe Demonstratoren. Diese sollen zeigen, welche Verfahren sich für bestimmte Anwendungen eignen und wie sich die im Labor erzielten Ergebnisse auf vollständige Kühlsysteme übertragen lassen.
