Neue Konzepte für die Energiewende
Der weltweite Bedarf an Kühl- und Klimatechnik steigt rasant an. Bisherige Wärmepumpen nutzen vorwiegend Kompressoren zum Heizen und Kühlen. Wenn diese mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden, stellen sie einen wichtigen Baustein für die Energiewende dar. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) berichtet jedoch, dass ein neues Konzept die Technologie grundlegend verändern könnte: festkörperbasierte Wärmepumpen auf Basis elektrokalorischer Materialien.
Diese Systeme könnten potenziell effizienter arbeiten als herkömmliche kompressorbasierte Modelle und kommen ohne schädliche Kältemittel aus. Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekts ElKaWe (Elektrokalorische Wärmepumpen) haben sechs Fraunhofer-Institute an den entscheidenden Teiltechnologien gearbeitet.
wp:quote
»Mit ElKaWe haben wir sehr große Fortschritte beim Material, bei der Elektronik und beim Wärmeübertrag gemacht. Auch wenn es noch viel zu tun gibt – dies waren entscheidende Schritte in Richtung Marktfähigkeit«. Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter am Fraunhofer IPM
Entwicklung hochstabiler Komponenten
Die Effizienz und Langlebigkeit dieser neuen Wärmepumpen hängen maßgeblich vom elektrokalorisch-aktiven Material ab. Das Forschungskonsortium hat verschiedene Polymere und Keramiken getestet und entwickelt, um den Anforderungen an die Leistung gerecht zu werden.
Ein Team am Fraunhofer IAP konzentrierte sich auf die Herstellung dünner, durchschlagfester elektrokalorischer Polymerfolien. Diese Komponenten bestehen aus bis zu zehn Lagen und sollen international neue Standards setzen.
Parallel dazu entwickelten Forschende am Fraunhofer IKTS keramische Mehrlagenkomponenten auf Basis von PMN-PT (Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat). Diese Materialien müssen sowohl eine hohe Durchschlagfestigkeit als auch eine entsprechende Betriebsfrequenz aufweisen. In ersten Langzeittests zeigten sich die keramischen Komponenten als äußerst stabil. Laut Angaben des Fraunhofer IPM trat über 70 Millionen Zyklen hinweg keine Veränderung des elektrokalorischen Effekts auf.
Nachhaltige, bleifreie Werkstoffe für die Produktion
Für eine umweltfreundlichere Produktion bietet sich zudem das bleifreie Barium-Strontium-Zinn-Titanat (BSSnT) an. Dieser keramische Werkstoff gilt als vielversprechend, um elektrokalorische Komponenten im Einklang mit den geltenden RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) herzustellen.
Lösung für das Wärmeübertragungs-Problem
Bisher stellte die Wärmeabfuhr ein Hindernis für die Leistung elektrokalorischer Wärmepumpen dar. Die Leistungsfähigkeit des Systems steigt mit der Geschwindigkeit des Wärmeübertrags. Um dieses Nadelöhr zu überwinden, setzt das Forschungsteam auf aktive kalorische Heatpipes (AEH).
Bei diesem Verfahren erfolgt der Wärmeübertrag über latente Wärme, indem ein Fluid auf dem kalorischen Material verdampft und wieder kondensiert. Im Rahmen des ElKaWe-Projekts wurden hierfür Ethanol und Wasser eingesetzt. Die Verwendung dieser Stoffe stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen dar.
Das Konzept der AEH wurde vom Fraunhofer IPM patentiert und wurde im Zuge des Projekts erstmals erfolgreich in einem elektrokalorischen System angewendet. Durch den Einsatz dieser Heatpipes lassen sich deutlich höhere Zyklusfrequenzen erreichen als durch das bisher übliche aktive Pumpen einer Flüssigkeit.
