Elektrokalorische Wärmepumpen: Forscher brechen Rekord-Wirkungsgrad!

Wärmepumpen sind äußerst effiziente Systeme zur Wärmeerzeugung und ein zentraler Bestandteil der Wärmewende. Um die Effizienz von Wärmepumpen zu steigern, arbeiten Forschende im Fraunhofer-Leitprojekt „Elektrokalorische Wärmepumpen“, kurz „ElKaWe“, an neuartigen Wärmepumpen, die ohne Kompressoren auskommen und zukünftig höhere Effizienzen erzielen sollen.

Die Funktionsweise elektrokalorischer Wärmepumpen klingt dabei zunächst erstmal recht simpel: Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Dipolmomente im Feld aus – diese zusätzliche Ordnung geht nach Gesetzen der Thermodynamik einher mit einer Erwärmung des Materials. 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 und das Material kühlt – ebenfalls den Gesetzen der Thermodynamik folgend – 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.

Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85 Prozent schaffen kann. Doch wie effizient elektrokalorische Wärmepumpen letztendlich sind, hängt auch zum großen Teil vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab.

Denn da die elektrokalorischen 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. Und in diesem Bereich gibt es nun bedeutende Fortschritte.

Im Projekt „ElKaWe“ hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF erstmals eine Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik entwickelt und optimiert. So ist es 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 setzt weltweit Maßstäbe und übertrifft den bisherigen Forschungsstand von unter 90 Prozent Umladeeffizienz zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen bei Weitem.

Die deutliche Effizienzsteigerung der Ansteuerungselektronik wirkt sich unmittelbar auf die Leistungszahl des gesamten Systems aus. Bislang waren elektrokalorische Wärmepumpen-Systeme unter anderem durch die Verluste der Elektronik limitiert. Die gesteigerte elektrische Effizienz führt direkt zu einer höheren Leistungszahl des gesamten Wärmepumpen-Systems und ist damit ein Meilenstein auf dem Weg zu effizienteren Wärmepumpen.

„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. Es besteht noch viel Forschungsbedarf, aber zukünftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden“, sagt Dr. Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.

„Essenziell für die Realisierung einer hohen Leistungszahl elektrokalorischer Wärmepumpen ist eine sehr hohe Effizienz bei den Materialien, der Elektronik und dem Wärmeübertrag. Bekommt man das alles in den Griff, hat die Elektrokalorik ein enormes Potenzial“, ergänzt Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter von „ElKaWe“ und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM.