Letzte Aktualisierung: 24.01.2025

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Elektrokalorik: Wärmepumpen ohne Kompressor bald serienreif?

Sechs Fraunhofer-Institute haben im 2024 abgeschlossenen Forschungsprojekt ElKaWe („ElektroKalorische Wärmepumpen“) wichtige Teiltechnologien wie beim Material, bei der Elektronik und beim Wärmeübertrag von festkörperbasierten Wärmepumpen ohne Kompressoren entwickelt. Simulationen ergaben, dass die Effizienz elektrokalorischer Wärmepumpen bereits mit den heutigen Materialien ähnlich hoch ist wie die Effizienz von Kompressor-Wärmepumpen.

Elektrokalorisches Segment: Wärmepumpen auf Basis elektrokalorischer Materialien könnten in Zukunft eine umweltfreundlichere und effizientere Lösung zum Heizen und Kühlen sein. Im Projekt wurden drei Demonstratorsysteme mit bis zu vier Segmenten aufgebaut. (Foto: © Fraunhofer IPM)

Polymere, Keramiken und Hybridmaterialien als elektrokalorisches Material identifiziert

Zur Verbesserung der Effizienz und Langlebigkeit des elektrokalorisch-aktiven Materials wurden dünne, durchschlagfeste elektrokalorische Polymerfolien mit bis zu zehn Lagen und keramische Mehrlagenkomponenten auf Basis von PMN-PT (Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat) entwickelt.

In ersten Langzeittests erwiesen sich die keramischen Komponenten als äußerst stabil: Über 70 Millionen Zyklen trat keine Veränderung des elektrokalorischen Effekts auf.

Darüber hinaus erwies sich das bleifreie Barium-Strontium-Zinn-Titanat (BSSnT) als vielversprechender keramischer Werkstoff, aus dem sich zukünftig elektrokalorische Komponenten im Einklang mit den geltenden RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) herstellen lassen.

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Schneller Wärmeübertrag durch Heatpipes – ohne schädliche Kältemittel

Die Wärmeabfuhr erwies sich bisher als Nadelöhr mit Blick auf die Leistung elektrokalorischer 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 von Ethanol und Wasser auf dem kalorischen Material.

Mit dem auf Heatpipes basierenden Ansatz lassen sich deutlich höhere Zyklusfrequenzen erreichen als durch das bisher übliche aktive Pumpen einer Flüssigkeit. Das Fraunhofer FEP entwickelte dazu langzeitstabile superhydrophile Schichten, die dafür sorgen, dass das Verdampfen von der Oberfläche besonders effizient erfolgt.

Um elektrische Durchschläge zu vermeiden, wurde am Fraunhofer LBF zudem ein Verfahren entwickelt, mit dem die Elektroden der elektrokalorischen Segmente in Epoxidharz eingebettet werden.

Neue Schaltungstopologie sorgt für hohe Effizienz

Entscheidend für eine hohe Leistungszahl kalorischer Wärmepumpen ist auch eine leistungsfähige Ansteuerungselektronik. Forschende des Fraunhofer IAF entwarfen im ElKaWe-Projekt eine Schaltungstopologie speziell für den Einsatz in elektrokalorischen Wärmepumpen.

Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler erzielt einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent – und setzt damit weltweit neue Maßstäbe bei der Umladeeffizienz, die bisher unter 90 Prozent lag.

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Disruptives Potenzial elektrokalorischer Wärmepumpen

Mit drei verschiedenen Demonstrator-Systemen zeigten die Forschenden, dass alle 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 Kompressorsystemen.

Eine Analyse verschiedener Materialklassen zeigt, dass das Potenzial für eine weitere Steigerung der Leistungszahl groß ist, sodass der Wirkungsgrad elektrokalorischer Systeme weiter steigen dürfte.

„Das Team hat im Projekt exzellent interdisziplinär zusammengearbeitet und wichtige Fragestellungen gelöst. Das enorme Potenzial der Elektrokalorik wurde hier eindrucksvoll demonstriert", findet Christan Vogel, der die Forschungsarbeiten im Beirat des Projekts eng begleitete.

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