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Kalorische Wärmepumpen-Systeme im Überblick

Festkörperbasierte kalorische Wärmepumpen-Systeme auf Basis magneto-, elektro- oder elastokalorischer Materialien werden seit einigen Jahren als eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen Kompressions-Wärmepumpen gehandelt. Hier stellen wir Ihnen die wichtigsten Fakten zu elektrokalorischen, elastokalorischen und magnetokalorischen Wärmepumpen vor.

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Elektrokalorische Wärmepumpen

Elektrokalorische Wärmepumpen zählen zu den festkörperbasierten Wärmepumpen und weisen entscheidende Vorteile gegenüber Wärmepumpen auf Basis von Kompressoren auf.

  • Elektrokalorische Systeme arbeiten mit unbedenklichen Fluiden wie zum Beispiel Wasser.
  • Kalorische Systeme sind zudem geräuschlos, was beispielsweise für die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen von Bedeutung ist.
  • Zudem weisen Forschungen darauf hin, dass elektrokalorische Wärmepumpen effizienter sind als kompressorbasierte Wärmepumpen.

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?

Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Momente im Feld aus – das Material erwärmt sich. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun das elektrische Feld entfernt, so verringert sich die Ordnung der elektrischen Momente, und das Material kühlt ab. Jetzt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Der Effekt ist reversibel. So kann ein Zyklus aufgebaut werden, der als effiziente Wärmepumpe zum Kühlen oder Heizen funktioniert.

Potenzial für elektrokalorische Wärmepumpen versprechen sich Forscher vor allem im Einsatz in der Gebäudeklimatisierung wie der industriellen Kühltechnik, Fahrzeugklimatisierung, Server- und Schaltschrankkühlungen und Laborkühlschränken. Grundsätzlich eignet sich die Technologie auch für die Haushaltskühltechnik. Hier weichen die meisten Hersteller inzwischen auf natürliche Kältemittel wie Isobutan oder Propan aus. Letztere sind zwar nicht klimaschädlich, jedoch hochexplosiv, weshalb sie für sicherheitskritische Anwendungen – wie zum Beispiel in der Industrie oder im Automobil – nicht infrage kommen.

Fraunhofer-Leitprojekt "Elektrokalorische Wärmepumpen (ElKaWe)"

Im Fraunhofer-Leitprojekt "Elektrokalorische Wärmepumpen (ElKaWe)" entwickeln sechs Fraunhofer-Institute hocheffiziente elektrokalorische Wärmepumpen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten seit 1. Oktober 2019 vier Jahre am Material- und Systemaufbau, um das disruptive Potenzial der elektrokalorischen Wärmepumpen-Technologie zu demonstrieren.

Das Fraunhofer IKTS verfügt über umfassende Erfahrung mit keramischen elektrokalorischen Materialien und Beschichtungen. Fraunhofer IAP und LBF bringen Know-how zur Entwicklung von Polymermaterialien ein, die für den Einsatz in elektrokalorischen Wärmepumpen weiterentwickelt werden. Spezielle Beschichtungen zur Isolierung und Funktionalisierung der Komponenten entwickelt das Fraunhofer FEP. Das Fraunhofer LBF wird neben den Funktionspolymeren auch Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Materialien und Systeme untersuchen. Das Fraunhofer IAF wird die elektrische Ansteuerung für die Wärmepumpen entwickeln. Material und Komponenten müssen langzeitstabil, ausreichend verfügbar, kostengünstig und nicht zuletzt unbedenklich sein.

All diese Kompetenzen werden zur Umsetzung eines vollkommen neuartigen, vom Fraunhofer IPM patentierten Systemansatzes zusammengebracht: Dieser sieht vor, den Wärmeübertrag durch eine Kombination aus Verdampfen und Kondensieren eines unschädlichen Fluids in sogenannten Heatpipes mit einer thermischen Diode zu realisieren.

Die Wärmeabfuhr erwies sich bisher als Nadelöhr im Hinblick auf die Effizienz elektrokalorischer Wärmepumpensysteme: Je schneller sie erfolgt, desto leistungsfähiger ist die Wärmepumpe. Vorstudien zeigen, dass dies mit dem neuen Konzept um sehr viel schneller gelingt. Die Systeme arbeiten ohne aktives Pumpen und erreichen dadurch eine um ein Vielfaches höhere Zyklusfrequenz als bisherige Systeme. In vier Jahren, so das Ziel des Teams, soll ein Demonstrator mit einer Leistung von 100 Watt und einem Temperaturhub von 30 K stehen.

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Elastokalorische Wärmepumpen

Der elastokalorische Effekt wurde bereits im frühen 19. Jahrhundert beim schnellen Dehnen und Loslassen von indischem Gummi beobachtet. Etwa fünfzig Jahre später berichtete der Physiker J.P. Joule von kleinen reversiblen Temperaturänderungen in Metallen und Holz, hervorgerufen durch Krafteinwirkung.

Funktionsweise elastokalorischer Wärmepumpen

Elastokalorische (EK)-Materialien können zwei verschiedene Kristallstrukturen annehmen. Unter Druck kommt es zu einer kristallinen Phasenumwandlung, wobei sich das Material von der Ausgangstemperatur T0 auf T0+ΔT erwärmt. Über eine Wärmesenke wird die entstandene Wärme abgeführt und die Temperatur des Materials fällt auf die Temperatur T0 zurück.

Entfernt man die mechanische Spannung, so kühlt sich das Material auf eine Temperatur unterhalb des Ausgangsniveaus (T0–ΔT) ab. Verbindet man das Material mit einer zu kühlenden Stelle, so nimmt es Wärme auf, bis die Ausgangstemperatur erreicht ist. Durch zyklische Be- und Entlastung des Materials und entsprechende Wärmeabfuhr lässt sich ein Kreisprozess herstellen. So entsteht eine effiziente, Wärmepumpe zum Kühlen oder Heizen.

Erst in den 1980er Jahren wurden Studien zu latenter Wärmeentwicklung und damit verbundenen Temperaturänderungen in NiTi und Cu-basierten Materialien durchgeführt. Formgedächtnislegierungen wie etwa die kommerziell verfügbare Nickel-Titan-Legierung Nitinol zählen heute zu den Materialien mit einem ausgeprägten elastokalorischen Effekt, der einen großen Temperaturhub ermöglicht.

Forschung zur elastokalorischen Wärmepumpe

Forscherteams erreichten beim Anlegen eines Drucks an elastokalorische Materialien bislang eine Temperaturdifferenz von rund 15 Kelvin. Da für die Gesamteffizienz einer elastokalorischen Wärmepumpe der Wärmeübertrag zwischen EK-Material und Wärmeübertragereinheit entscheidend ist, realisieren gängige Konzepte diesen durch aktives Pumpen eines Fluids. Der Nachteil: Das Pumpen verringert die Systemeffizienz und limitiert die Zyklusfrequenz des Systems auf wenige Hertz.

Wissenschaftler am Fraunhofer IPM gingen daher einen anderen Weg, den eines latenten Wärmeübertrags: Bei diesem passiven Ansatz, der bereits in Heatpipes oder Thermosiphons genutzt wird, wird der Wärmeübertrag dabei über Verdampfen Kondensieren eines Fluids, z. B. Wasser oder Ethanol, (latent) realisiert. Das Fluid befindet sich in einem hermetisch abgeschlossenen, von allen Fremdgasen befreiten Rohr und liegt sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vor. Der Wärmeübergangskoeffizient beim Verdampfen erreicht Werte bis 100 kW / (m2 K) und ist somit um Größenordnungen höher als bei klassischen Systemen.

Einzelne elastokalorische Segmente werden in Reihe geschaltet und als thermische Dioden konzipiert, sodass Wärme segmentweise in eine Richtung transportiert und jeweils eine Seite des Segments gekühlt und die andere erwärmt wird. Erste Abschätzungen zeigen, dass der Transport von einem Segment zum nächsten innerhalb von Millisekunden erfolgen kann, sodass das System mit einer Frequenz von über 10 Hz betrieben werden kann. Die patentierte Kombination von latentem Wärmeübertrag und thermischer Diode in einer elastokalorischen Wärmepumpe verspricht eine hohe Pumpleistung sowie eine hohe Effizienz.

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Magnetokalorische Wärmepumpen

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.

Schematische Darstellung des magnetokalorischen Effekts (Grafik: energie-experten.org)
Schematische Darstellung des magnetokalorischen Effekts (Grafik: energie-experten.org)

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

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.

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"Kalorische Wärmepumpen-Systeme im Überblick" wurde am 29.01.2020 das letzte Mal aktualisiert.