Neue effizientere Wärmpumpen für die Zukunft

Statt der heute noch üblichen Kompressor-Technologie könnte in einigen Jahren innovative Wärmepumpen den Markt beherrschen, die auf dem elektrokalorischen Prinzip beruhen. Diese versprechen eine höhere Effizienz und kommen ohne Kältemittel aus.

Werden die üblichen Kompressor-Wärmepumpen bald durch elektrokalorische ersetzt?

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Wärmepumpen gelten als zentraler Bestandteil der Wärmewende. Um die Effizienz von Wärmepumpen zu steigern, arbeiten Forschende von sechs Fraunhofer-Instituten im Leitprojekt "Elektrokalorische Wärmepumpen" − kurz "ElKaWe" − an neuartigen Wärmepumpen, die eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglichen sollen und gleichzeitig weder Kompressor noch Kältemittel benötigen. Die Leitung des Projektes obliegt dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM.

Zum Status quo: Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits, das heißt des theoretisch höchstmöglichen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Elektrokalorische Wärmepumpe schaffen hingegen − zumindest in der Theorie − 85 Prozent. Doch wie effizient elektrokalorische Wärmepumpen letztendlich sind, hängt auch zum großen Teil vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab.

Für die Optimierung der Leistungselektronik ist im Rahmen des Elkawe-Projektes das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF zuständig. Es erforscht Bauelemente auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN), um Leistungsdichte und Wirkungsgrad zu erhöhen. Nun haben die Forschenden erstmals eine Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik erarbeitet. Es ist ihnen gelungen, eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler basierend auf GaN-Transistoren zu realisieren und damit einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent im elektrischen Leistungspfad zu erzielen. Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler übertrifft, wie sie nun bekanntgeben, den bisherigen Forschungsstand von unter 90 Prozent Umladeeffizienz zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen bei Weitem.

Der elektrokalorische Effekt

Das Prinzip hinter der elektrokalorischen Wärmepumpe bildet der elektrokalorische Effekt: Wird an einem elektrokalorischen Material aus speziellen Keramiken oder Polymeren eine elektrische Spannung angelegt, erwärmt sich das Material. Sobald die Spannung entfernt wird, kühlt das Material wieder ab, wobei der gesamte Vorgang nahezu vollständig reversibel ist.

Da elektrokalorische Materialien eine elektrische Kapazität bilden, kommt der Leistungselektronik in dem System die Aufgabe zu, die elektrokalorischen Kapazitäten mehrmals pro Sekunde möglichst hocheffizient und damit so verlustfrei wie möglich elektrisch zu laden und wieder zu entladen, wobei in jedem Zyklus Wärme gepumpt wird.

Bislang waren, so schreiben die Wissenschaftler, elektrokalorische Wärmepumpen-Systeme etwa durch die Verluste der Elektronik limitiert. Die durch ihre Entwicklung gesteigerte elektrische Effizienz führe direkt zu einer höheren Leistungszahl des gesamten Wärmepumpen-Systems.

"Durch unsere ultra-effiziente Leistungselektronik ist es erstmals realistisch, mit elektrokalorischen Wärmepumpen auch auf Systemebene deutlich über 50 Prozent der maximalen theoretischen Leistungszahl zu erreichen", erklärt Dr. Stefan Mönch vom Fraunhofer IAF. Zwar bestehe noch viel Forschungsbedarf, aber künftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden

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