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Fraunhofer: Entwicklung kältemittelfreier elektrokalorischer Wärmepumpen

Der Bitzer-Kältemittelschieber enthält Daten und Informationen zu mehr als 100 Kältemitteln.

Wärmepumpen arbeiten heute nahezu ausschließlich auf Basis von Kompressortechnik mit oft umweltschädlichen Kältemitteln. Vor diesem Hintergrund entwickeln sechs Fraunhofer-Institute im Leit­projekt ElKaWe hocheffiziente elektrokalorische Wärmepumpen, die ohne Kältemittel auskommen.

 

Festkörperbasierte Wärmepumpen, zu denen elektrokalori­sche Systeme zählen, arbeiten mit unbedenklichen Fluiden wie zum Beispiel Wasser. Kalorische Systeme sind zudem geräuschlos. Bisherige Erkenntnisse geben zudem Grund zur Annahme, dass elektrokalorische Wärmepumpen der Kompressortechnik auch im Hinblick auf die Effizienz überlegen sein werden.

In der Kältetechnik hat das Forschungsteam vor allem die industrielle Kühltechnik, Fahrzeugklimatisierung, Server- und Schaltschrankkühlungen und Laborkühlschränke im Blick. Grundsätzlich eignet sich die Technik auch für die Haushaltskühltechnik. Hier weichen die meisten Hersteller inzwischen auf natürliche Kältemittel wie Isobutan oder Propan aus. Letztere sind zwar nicht klimaschädlich, jedoch hochexplosiv, weshalb sie für sicherheitskritische Anwendungen - wie zum Beispiel in der Industrie oder im Automobil – nicht infrage kommen.

Das Fraunho­fer IKTS verfügt über umfassende Erfahrung mit keramischen elektrokalorischen Materi­alien und Beschichtungen. Fraunhofer IAP und LBF bringen Know-how zur Entwicklung von Polymermaterialien ein, die für den Einsatz in elektrokalorischen Wärmepumpen weiterentwickelt werden. Spezielle Beschichtungen zur Isolierung und Funktionalisie­rung der Komponenten entwickelt das Fraunhofer FEP. Das Fraunhofer LBF wird neben den Funktionspolymeren auch Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Materialien und Systeme untersuchen. Das Fraunhofer IAF wird die elektrische Ansteuerung für die Wärmepumpen entwickeln.

Material und Komponenten müssen langzeitstabil, ausrei­chend verfügbar, kostengünstig und nicht zuletzt unbedenklich sein. All diese Kompe­tenzen werden zur Umsetzung eines vollkommen neuartigen, vom Fraunhofer IPM patentierten Systemansatzes zusammengebracht: Dieser sieht vor, den Wärmeübertrag durch eine Kombination aus Verdampfen und Kondensieren eines unschädlichen Fluids in sogenannten Heatpipes mit einer thermischen Diode zu realisieren.

Die Wärmeabfuhr erwies sich bisher als Nadelöhr im Hinblick auf die Effizienz elektrokalorischer Systeme: Je schneller sie erfolgt, desto leistungsfähiger ist die Pumpe. Vorstudien zeigen, dass dies mit dem neuen Konzept sehr viel schneller gelingt. Die Systeme arbeiten ohne aktives Pumpen und erreichen dadurch eine um ein Vielfaches höhere Zyklusfrequenz als bisherige Systeme. In vier Jahren, so das Ziel des Teams, soll ein Demonstrator mit einer Leistung von 100 Watt und einem Temperaturhub von 30 K stehen.

Das Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe startete am 1. Oktober 2019 und hat eine Laufzeit von vier Jahren. Das Projekt wird von der Fraunhofer-Gesellschaft mit insgesamt 8 Millionen Euro gefördert. Am Projekt beteiligt sind folgende Fraunhofer-Institute:

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM (Projektkoordination)

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?

Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Momente im Feld aus – das Material erwärmt sich. 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 der elektrischen Momente, und das Material kühlt 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. 

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