Ohne Kompressor Neuartige Wärmepumpe ist bis zu 90 Prozent effektiver
Forscher des Fraunhofer-Instituts haben eine neuartige Wärmepumpe entwickelt, die ohne Kompressor arbeitet. Die innovative Technik verspricht höchste Effizienz durch elektrische Spannungsanpassung.
Forscher des Fraunhofer-Instituts haben eine Wärmepumpe entwickelt, die ganz ohne Kompressor auskommt und somit wesentlich effizienter und leiser als konventionelle Anlagen ist. Dabei handelt es sich um eine Festkörperwärmepumpe, die ohne einen Energie zehrenden Kompressor sowie umweltschädliche Kältemittel auskommt. Grundlage des Geräts sind elektrokalorische Materialien.
Was ist ein elektrokalorisches System?
Elektrokalorische Systeme nutzen spezielle Materialien, die als elektrokalorische (EK) Materialien bekannt sind. Diese bestehen aus Keramiken oder Polymeren, die sich erhitzen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, und abkühlen, sobald das Feld entfernt wird. Der Prozess ist stark reversibel und ermöglicht die Etablierung eines elektrokalorischen Zyklus.
Wärmepumpen durch Elektrospannung
Für das Forschungsprojekt ElKaWe (Elektrokalorische Wärmepumpe) arbeiteten insgesamt sechs Fraunhofer-Institute zusammen. Herzstück der neuen Wärmepumpen sind elektrokalorische Materialien. Sie reagieren auf elektrische Spannung und erwärmen oder kühlen sich ab. Um herauszufinden, welches Material am besten geeignet ist, haben die Wissenschaftler verschiedene Polymer- und Keramikvarianten untersucht. So etwa das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP). Es entwickelte extrem dünne, widerstandsfähige Polymerfolien.
Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) hingegen untersuchte keramische Mehrschichtbauteile aus Bleimagnesiumniobat-Bleititanat (PMN-PT). Bauteile aus diesem Material erwiesen sich ebenfalls als äußerst stabil und langlebig – im Langzeittest war kein Leistungsverlust erkennbar.
Ein weiteres vielversprechendes Material, das das IKTS untersuchte, ist das bleifreie Barium-Strontium-Stannat-Titanat (BSSnT). Es könnte künftig eine kosteneffiziente Alternative bieten. Zudem entspricht es den strengen RoHS-Richtlinien, wie der EU-Richtlinie 2011/65/EU – sie regelt die Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten zur Reduzierung gefährlicher Stoffe.
Effiziente Wärmeübertragung
Ein weiteres Problemfeld bei Wärmepumpen ist die Wärmeabfuhr. Je schneller diese erfolgt, desto leistungsfähiger ist die Heizung – schließlich geht bei einer schnellen Weiterleitung weniger Wärme verloren. Um das zu erreichen, setzen die Wissenschaftler bei den neuartigen Wärmepumpen auf aktive elastokalorische Wärmerohre (AEH). Sie transportieren die Wärme durch Verdampfung und Kondensation. Diese Methode kommt bereits in Solarkollektoren zum Einsatz.
Was ist elastokalorisches Material?
Wird elastokalorisches Material einem mechanischen Kraftfeld (F) ausgesetzt, erwärmt es sich.
Darüber hinaus wurde von den Forschern zum ersten Mal ein patentiertes AEH-Design des Fraunhofer-Instituts in ein elektrokalorisches System integriert. Das ermöglicht eine Verdampfung und Kondensation der Flüssigkeit bis zu zehnmal pro Sekunde. Unabhängig davon, ob es sich bei der Flüssigkeit um Wasser oder Ethanol handelt. Das wiederum ermöglicht, dass auch mit einem minimalen Materialeinsatz eine hohe Wärmetransportleistung erzielt wird. Und das wiederum senkt die Produktions- und somit auch die Anschaffungskosten.
In diesem Zusammenhang ist auch das Forschungsergebnis des Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) zu erwähnen. Die Forscher dort entwickelten spezielle superhydrophile Beschichtungen, die eine effiziente Verdampfung ermöglichen.
Ein weiteres Team vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) hat ebenfalls an dem Projekt mitgearbeitet. Es integrierte Elektroden in Epoxidharz, um so elektrische Ausfälle bei der Wärmepumpe zu verhindern.
Schließlich sind die Forschungsarbeiten des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) zu nennen. Dort wurde eine hochmoderne Schaltungstopologie entwickelt. Dieser Wandler erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent. Ein Rekord. Denn herkömmliche Systeme erreichen nicht einmal 90 Prozent.
Was heißt Topologie?
Der Begriff Topologie beschreibt die Struktur eines Netzwerks von Buskomponenten, bei welchem mehrere Übertragungsleitungen miteinander verbunden werden.
Vielversprechende Wärmepumpen-Zukunft
Erste Tests im Simulator verliefen erfolgreich. Sie zeigten, dass elektrokalorische Wärmepumpen bereits mit aktuellen Materialien die Effizienz herkömmlicher Kompressorsysteme erreichen. Langfristig könnte die Technologie diese sogar übertreffen.
Interessant dürfte die Entdeckung des Fraunhofer-Instituts vor allem für diejenigen interessant sein, die in einem Altbau oder weniger gut sanierten Gebäude leben. Denn hier könnte sich selbst mit einem geringen Sanierungsaufwand eine Wärmepumpe als Alternative für die Gas- oder Ölheizung lohnen.
Aktuell ist leider noch nicht bekannt, wann diese neuartige Wärmepumpe auf den Markt kommt.
- ipm.fraunofer.de "Heat pumps without compressors: Fraunhofer advances electrocalorics"
- solarserver.de "Technologie mit Disruptionspotenzial: Wärmepumpen ohne Kompressor"
- pro-physik.de "Fortschritte bei Elektrokalorik"
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