
Hocheffiziente festkörperbasierte Wärmepumpen ohne Verdichter – dieser Vision sind Fraunhofer-Forscher im kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt „ElKaWe“ nach eigener Aussage ein gutes Stück nähergekommen. In einer Mitteilung vom 22. Januar beschreibt Fraunhofer unter anderem „entscheidende Fortschritte beim Material und Systemaufbau“.
Mit einem neuen Konzept wollen Fraunhofer-Forscher die Wärmepumpentechnik revolutionieren. Ihr Ziel sind festkörperbasierte Wärmepumpen auf Basis elektrokalorischer Materialien, die ohne Kältemittel auskommen und laut Fraunhofer effizienter arbeiten als verdichterbasierte Systeme. Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Projekts „Elektrokalorische Wärmepumpen“ (ElKaWe) haben sechs Fraunhofer-Institute an allen Teiltechnologien elektrokalorischer Systeme gearbeitet. „Mit ElKaWe haben wir sehr große Fortschritte beim Material, bei der Elektronik und beim Wärmeübertrag gemacht. Auch wenn es noch viel zu tun gibt – dies waren entscheidende Schritte in Richtung Marktfähigkeit“, sagt Projektleiter Dr. Kilian Bartholomé vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM).
Eine wichtige Rolle für die Effizienz und Langlebigkeit elektrokalorischer Wärmepumpen spiele das elektrokalorisch-aktive Material. Das Konsortium hat verschiedene Polymer- und Keramikmaterialien entwickelt und getestet. Ein Team am Fraunhofer IAP realisierte dünne, durchschlagfeste elektrokalorische Polymerfolien als Komponenten mit bis zu zehn Lagen. Am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) wurden keramische Mehrlagenkomponenten auf Basis von PMN-PT (Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat) entwickelt, die den hohen Anforderungen an Durchschlagfestigkeit und Betriebsfrequenz gerecht werden. In ersten Langzeittests erwiesen sich die keramischen Komponenten als stabil: Über 70 Millionen Zyklen trat keine Veränderung des elektrokalorischen Effekts auf. Weitere Tests von Komponenten mit anderen Materialien laufen noch.
Die Wärmeabfuhr von elektrokalorischen Wärmepumpen erwies sich laut Fraunhofer bisher als Nadelöhr mit Blick auf die Leistung der Wärmepumpen. Je schneller sie erfolgt, desto leistungsfähiger ist das System. Für einen schnellen Wärmeübertrag setzt das Forschungsteam auf aktive kalorische Heatpipes (AEH), bei der der Wärmeübertrag über latente Wärme erfolgt: durch Verdampfen und Kondensieren eines Fluids auf dem kalorischen Material. Eingesetzt wurden Ethanol und Wasser – nach Aussage der Forscher ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen.
Das Fazit von Fraunhofer: Mit drei verschiedenen Demonstrator-Systemen wurde nachgewiesen, dass die Komponenten zusammenarbeiten und die erwartete Systemleistung erreicht wird. Simulationen ergaben, dass die Effizienz elektrokalorischer Wärmepumpen bereits mit den heutigen Materialien ähnlich hoch ist wie die Effizienz von Verdichtersystemen. Eine Analyse verschiedener Materialklassen zeigt, dass das Potenzial für eine weitere Steigerung der Leistungszahl groß ist, sodass der Wirkungsgrad elektrokalorischer Systeme weiter steigen dürfte, so die Einschätzung der Forscher.
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