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Sind magnetokalorische Wärmepumpen serienreif?

Mit Magneten Heizwärme erzeugen? Was sich nach Esoterik anhört, scheint in der Praxis angekommen: Die ersten magnetokalorischen Wärmepumpen werden jetzt angeboten.

Mit neu entwickelten Legierungen lässt sich der magnetokalorische Effekt nun auch als Heizung einsetzen. Die ersten Magnet-Wärmepumpen werden jetzt angeboten. (Grafik: energie-experten.org)

Mit neu entwickelten Legierungen lässt sich der magnetokalorische Effekt nun auch als Heizung einsetzen. Die ersten Magnet-Wärmepumpen werden jetzt angeboten. (Grafik: energie-experten.org)

Magnetokalorische Wärmepumpen sind geräuscharme Aggregate, die ohne Kompressoren und gasförmige Kältemittel auskommen. Die Wärme wird auf Basis des magnetokalorischen Effekts erzeugt. Das Material erwärmt sich, wenn man es einem starken Magnetfeld aussetzt, und kühlt sich ab, wenn man das Magnetfeld entfernt. Die erzeugte Wärme kann dann zu Heizzwecken, zum Kühlen oder auch für eine Energiekonversion von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie ausgenutzt werden.

So funktioniert der magnetokalorische Effekt

Der magnetokalorische Effekt wurde 1881 von Emil Warburg entdeckt. Er basiert darauf, dass ein in der Regel fester magnetokalorischer Körper, der in das Magnetfeld hinein bewegt wird, sich erhitzt. Wird er dann wieder aus dem magnetischen Feld entfernt, so kühlt er sich wieder ab. Der Effekt entsteht durch die Ausrichtung der magnetischen Momente des Materials durch das Magnetfeld, die mit dem Magnetfeld auch wieder abnimmt. Die Temperatur bei der der Effekt maximal ist, tritt dort auf, wo die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Magnetfeld am größten ist.

Die in früheren Zeiten verwendeten Paramagnete zeigten gute Werte der Änderung der Entropie als Funktion des Magnetfeldes nur bei tiefen Temperaturen. Die heute verwendeten Ferromagnete wie z. B. Gadolinium, das den magnetokalorischen Effekt um 20 °C ausgeprägt zeigt, haben gute Werte auch bei höheren Temperaturen, aber deren Größe ist nur relevant in der Umgebung der Curietemperatur. Für magnetokalorische Wärmepumpen kommen daher nur Materialien mit dem sogenannten “gigantischen magnetokalorischen Effekt” in Frage.

Es gibt aber neue Entwicklungen, die auch das Heizen mit dem magnetokalorischen Effekt möglich erscheinen lassen. So gibt es seit 2013 z. B. von der VACUUMSCHMELZE GmbH & Co. KG die Legierungsfamilie Calorivac. Dies sind Übergangsmetall-Legierungen mit Seltenen Erden. Da eine bestimmte Legierung nur in einem 3 bis 5 K breiten Temperaturfenster optimale Eigenschaften hat, werden mehrere Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung als Kaskade verwendet, um den für die Anwendung gewünschten Temperaturbereich abzudecken.

Entwicklung magnetokalorischer Wärmepumpen

Der magnetokalorische Effekt ist für Wärme- als auch Kühlanwendungen in Klimaanlagen bzw. Wärmepumpen von besonderer energetischer Bedeutung: Der Coefficent of Performance (COP) einer magnetischen Wärmepumpe kann je nach Anwendungsfall höher als jener einer konventionellen Wärmepumpe mit einer entsprechenden Umweltwärmequelle liegen. Auch der konstruktive Aufbau der Wärmepumpe ist grundsätzlich einfacher und leichter als auch deren Betriebsgeräusche sind prinzipbedingt leiser.

Die Entwicklung magnetokalorischer Wärmepumpen kam erst um 2000 auf, da es vorher nur magnetokalorische Magnete gab, die den Effekt nur bei sehr tiefen Temperaturen zeigten. Etwa um 2005 wurde dann an der Fachhochschule der Westschweiz in Yverdon-les-Bains ein erster Prototyp eines rotierenden, magnetokalorischen Kühlaggregates und einer Wärmepumpe entwickelt. In ihrem System wurden die vier thermomagnetischen Prozessschritte (adiabatische Magnetisierung, isomagnetische Wärmeabfuhr, adiabatische Entmagnetisierung, isomagnetische Wärmezufuhr) in einfacher Weise kontinuierlich durchgeführt.

2007 ergab eine theoretische Machbarkeitsstudie "Magnetische Wärmepumpe mit Erdwärme-Quelle" für eine magnetokalorische 8 kW Wärmepumpe mit einer Wärmequelle von 0°C und einer Wärmesenke von 30°C weitere, erfolgversprechende Ergebnisse auf dem Weg zur Serienreife der Magnet-Wärmepumpe. Dabei wurden zwei verschiedene magnetische Wärmepumpen grob entwickelt. Sie enthielten verschiedene Magnetkonfigurationen: Die eine Maschine enthielt eine zweidimensionale Magnet-Konfiguration, während die zweite eine dreidimensionale beinhaltete.

Wirmag Magnet-Wärmepumpe EMI-1 für rund 10.000 Euro

Heute macht die Wirmag GmbH aus Bad Dürkheim von sich Reden, die die Magnet-Wärmepumpe EMI-1 anbietet. Während der Geschäftsführer der Wirmag GmbH Lars Stevenson auf Nachfrage von energie-experten.org keine Details zur eigentlichen Technik preisgeben möchte, so kann man dennoch der Infobroschüre entnehmen, dass die Wärmequelle der Magnet-Wärmepumpe EMI-1 wie auch die ersten schweizer Prototypen durch in Rotation versetzte Magnetpacks erzeugt wird.

Wirmag bietet die EMI-1 aktuell in drei Leistungsgrößen an. Die EMI-1S gibt es mit 5kW, die EMI-1 mit 9 kW und die EMI-1X mit 12 kW Heizleistung. Mit einem Normnutzungsgrad von 180 % soll so Heizwasser bis 90 °C erzeugt werden können. Für rund 10.000 Euro soll die EMI-1 mit 5 Jahren Garantie erhältlich sein. Das kann sich lohnen. Wirmag rechnet im direkten Vergleich mit einer Luft-Wärmepumpe für die EMI-1 bei einer durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von 2,2, einer Heizleistung von 7,5 kW und 1800 Heizstunden mit einem Stromverbrauch von 6136,37 kWh. Bei einem von Wirmag angenommenen Wärmepumpen-Tarif von 19,1 Cents/ kWh entspricht dies 1.172 Euro Heizkosten pro Jahr.

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"Sind magnetokalorische Wärmepumpen serienreif?" wurde am 04.09.2017 verfasst