Umweltschonend und effizient: Neuartige Wärmepumpe setzt weltweit Maßstäbe
Im Gegensatz zu Wärmepumpen mit Kompressor-Technologie kommen elektrokalorische Wärmepumpen ohne schädliche Kältemittel aus und ermöglichen einen höheren Wirkungsgrad. Dieser hängt jedoch maßgeblich von der Leistungselektronik ab. Forschenden des Fraunhofer-Instituts ist dahingehend ein Durchbruch gelungen: Sie konnten erstmalig eine elektrokalorische Wärmepumpe mit einem Wirkungsgrad von über 99 Prozent realisieren.
Mehrere Fraunhofer-Institute forschen im Projekt »ElKaWe« gemeinsam an elektrokalorischen Wärmepumpen, die ohne Kompressoren auskommen und höhere Effizienzen erzielen sollen.
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Im Winter heizen und im Sommer kühlen – beides geht mit einer Wärmepumpe. Dazu ist eine Wärmepumpe klimafreundlich, da sie die Umweltenergie aus dem Boden, der Luft oder dem Grundwasser nutzt. Diese wird dann mithilfe elektrischer Energie aufbereitet beziehungsweise umgewandelt. Kommt der Strom dazu noch aus erneuerbaren Energiequellen ist die Wärmepumpe besonders umweltfreundlich. Nur einen Haken gibt es: Die vorherrschenden Wärmepumpen basieren auf der Kompressor-Technologie und der Nutzung von Kältemitteln. Meist handelt es sich dabei um Propan, das aus Kohlen- und Wasserstoff besteht und ein Nebenprodukt der Erdölförderung ist. Dazu erreichen die heutigen Wärmepumpen nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Wirkungsgrads.
Um den Wirkungsgrad zu steigern, arbeiten Forschende im Fraunhofer Leitprojekt „ElKaWe“ an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen, die eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglichen und gleichzeitig ohne Kompressor-Technologie und auch ohne Kältemittel auskommen. Theoretisch können elektrokalorische Wärmepumpen sogar einen Wirkungsgrad von 85 Prozent erreichen. Dies hängt jedoch zum Großteil von der integrierten Leistungselektronik ab. Doch nun ist den Forschenden des Fraunhofer Leitprojekts „ElKaWe“ ein Durchbruch gelungen: Sie konnten eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler mit 99,74 Prozent elektrischem Wirkungsgrad realisieren. Dieses Ergebnis setzt weltweit Maßstäbe und ist ein wichtiger Schritt für das Gelingen der Energiewende.
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So funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe
Das Prinzip einer elektrokalorischen Wärmepumpe beruht nicht wie bei gängigen Wärmepumpen auf der Kompressor-Technologie, sondern auf dem sogenannten elektrokalorischen Effekt: Bestimmte Materialien verändern ihre Temperatur (erwärmen sich zum Beispiel), wenn man ein elektrisches Feld an sie anlegt. Entfernt man das elektrische Feld wieder, kühlt das Material auf einen Wert unterhalb der Ausgangstemperatur ab. Ab diesem Punkt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Dieser Prozess ermöglicht mithilfe elektrokalorischer Materialien einen effizienten Wärmepumpenkreislauf. Da der Effekt umkehrbar ist, kann das System sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden.
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Neue Leistungselektronik ermöglicht einen Wirkungsgrad von über 99,7 Prozent
In dem Projekt „ElKaWe“ übernimmt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF die Entwicklung der Ansteuerungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen. Um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu erhöhen, hat das Team eine Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik entwickelt. So haben es die Forschenden geschafft, einen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent im elektrischen Leistungspfad zu erzielen. Ein Ergebnis, das den bisherigen Forschungsstand von unter 90 Prozent Umladeeffizienz bei Weitem übertrifft. Eine entscheidende Rolle bei der effizienten Leistungselektronik spielen Bauelemente auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN). Für die Forschenden bedeuten die erzielten Ergebnisse einen Durchbruch:
„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 Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.
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Die gesteigerte Effiziente ebnet den Weg für Wärmepumpen
Wärmepumpen sind ein wichtiger Baustein für die Wärmewende. Doch bisher waren elektrokalorische Wärmepumpen durch die Verluste der Elektronik limitiert. Das könnte sich nun ändern. Denn die Effizienzsteigerung der Ansteuerungselektronik führt zugleich zu einer höheren Leistung des gesamten Wärmepumpen-Systems.
„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“, sagt Kilian Bartholomé, Projektleiter von „ElKaWe“ und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM.
Mit den Ergebnissen des Projekts zeigen die Forschenden, dass elektrokalorische Wärmepumpen das Potenzial besitzen, Kompressoren langfristig abzulösen und entsprechend noch eine wichtige Rolle bei der Energiewende einnehmen können.
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