Neuer Meilenstein der Energiewende: Hoch effiziente Wärmepumpen

Foto: duallogic / envatoelements

Für mehr Effizienz arbeiten Forschende an elektrokalorischen Wärmepumpen. Diese sollen eine Alternative zur Kompressor-Technologie sein. Sie sollen effizienter sein und ohne Kältemittel auskommen. Darüber hinaus erreichen die heutigen Systeme nur 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits, während die neuartige Wärmepumpe bis zu 85 Prozent schaffen kann. Das ist ein wichtiger Meilenstein zu effizienteren Festkörper-Wärmepumpen in die richtige Richtung.

Wärmepumpen sind sehr effizient und derzeit ein fester Bestandteil der Energiewende. Im Fraunhofer-Leitprojekt »ElKaWe« arbeiten Forschende an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen als Alternative zur derzeit vorherrschenden Kompressor-Technologie. Diese neue Technologie soll effizienter sein und völlig ohne Kältemittel auskommen. Die Forscher haben eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler mit 99,74 Prozent elektrischem Wirkungsgrad realisiert. Damit wird ein weltweiter Meilenstein in Richtung Energiewende gesetzt. Bisher erreicht eine Wärmepumpe nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits. Das neue System soll theoretisch bis zu 85 Prozent schaffen. Wie effizient diese Wärmepumpe letztendlich ist, hängt hauptsächlich vom Wirkungsgrad der Leistungselektronik ab, die in den Wärmepumpen integriert ist.

Effizientere Wärmepumpe durch effizientere Elektronik

“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”, freut sich Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF). “Es besteht noch viel Forschungsbedarf, aber zukünftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden.” Die deutliche Effizienzsteigerung der Ansteuerungselektronik wirkt sich positiv auf die gesamte Leistungszahl des Systems aus. Das alte System war bisher durch die Verluste der Elektronik limitiert. Die gesteigerte Effizienz wirkt sich unmittelbar aus und führt zu einer höheren Leistungszahl, was gleichzeitig zu mehr Effizienz führt. “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 Kilian Bartholomé, Projektleiter von “ElKaWe” und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM).

Der elektrokalorische Effekt als neuer Meilenstein der Energiewende

Das Prinzip, das hinter der elektrokalorischen Wärmepumpe steckt, ist der elektrokalorische Effekt. Wird an einem elektrokalorischen Material aus speziellen Keramiken oder Polymeren eine elektrische Spannung angelegt, erwärmt sich das Material. Wird die Spannung entfernt, kühlt sich das Material ab.

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