ElKaWe-Projekt: Experimentier-Plattform für elektrokalorische Wärmepumpen. Foto: Fraunhofer IPM
Elektrokalorische Wärmepumpen
Hoch effektive Wärmepumpen ganz ohne klimaschädliche Treibhausgase: Ist so etwas möglich? Offenbar ja. Zumindest arbeiten mehrere Fraunhofer-Institute aktuell an so genannten elektrokalorischen Wärmepumpen, die genau über diese Eigenschaften verfügen sollen. Das Fraunhofer IPM prophezeit der Elektrokalorik schon heute disruptives Potenzial für die Wärme- und Kältetechnik.
Heizen mit Wärmepumpen bedeutet Heizen mit Umweltwärme. Dabei entstehen deutlich weniger klimaschädliche Treibhausgase als bei der Wärmeerzeugung mit Erdgas oder gar Heizöl. Wird die Wärmepumpe auch noch mit Strom aus regenerativen Quellen wie Photovoltaik-Modulen oder Windkraftanlagen betrieben – umso besser. Doch auch bei der nachhaltigsten Wärmepumpen-Technologie war eine Restmenge an schädlichen Emissionen bisher unvermeidbar. Emittiert werden sie durch die bisher notwendigen Kältemittel im Rohrkreislauf der Anlagen.
Projekt „ElKaWe“
Im Beitrag „Klimafreundlichere Wärmepumpe“ sind wir bereits auf eine Alternative eingegangen, die das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme kürzlich entwickelt hat. Deren Wärmepumpen-Prototyp LC150 soll nach Aussagen der Forscher bei gleicher Leistung nur ein Viertel der Kältemittelmenge benötigen wie die bisher marktverfügbaren Systeme.
Nun aber wollen sechs andere Fraunhofer-Institute noch einen Schritt weitergehen. Im gemeinsamen Projekt „ElKaWe“, das im Oktober 2019 gestartet ist, arbeiten sie die nächsten vier Jahre an der Entwicklung so genannter elektrokalorischer Wärmepumpen – eine Technologie, die ganz ohne schädliche Kältemittel auskommen würde.
Die Koordination des von der Fraunhofer-Gesellschaft mit insgesamt 8 Mio. Euro geförderten Projekts hat das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM übernommen. Weitere Projektbeteiligte sind die Fraunhofer-Institute IKTS (Keramische Technologien und Systeme), IAF (Angewandte Festkörperphysik), IAP (Angewandte Polymerforschung), LBF (Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit) sowie das Fraunhofer-Institut FEP (Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik).
Unbedenkliche Technologie
Bei einer herkömmlichen Wärmepumpe wird die in Wasser gespeicherte Umweltwärme über einen Wärmetauscher an einen zweiten Rohrkreislauf übertragen, in dem sich das Kältemittel befindet. Durch die Wärmezufuhr verdampft das Kältemittel und wird dann im Verdichter – auch Kompressor genannt – stark verdichtet. Als Folge erhöht sich die Temperatur des mittlerweile gasförmigen Kältemittels, wodurch der zentrale Zweck der Wärmepumpe erfüllt ist.
Heutige Wärmepumpen arbeiten nahezu ausschließlich auf Basis dieser Kompressor-Technologie und benötigen daher flüssige Kältemittel, die in einem Kreislaufsystem immer wieder verdampfen und sich dann erneut verflüssigen lassen, wobei das System aber leider Treibhausgase absondert. Bei elektrokalorischen Wärmepumpen wäre das anders. Nach Aussagen der Fraunhofer-Forscher arbeiten sie mit unbedenklichen Fluiden wie zum Beispiel Wasser.
Was ist Elektrokalorik?
Magnetokalorik funktioniert genauso wie Elektrokalorik – nur mit magnetischem statt elektrischem Feld. Grafik: Fraunhofer IPM
Elektrokalorische Wärmepumpen funktionieren nicht mit der oben beschriebenen Kompressor-Technologie. Stattdessen handelt es sich um festkörperbasierte Systeme. Sie enthalten spezielle Materialien, die die Eigenschaft haben, sich zu erwärmen, wenn man ein elektrisches Feld an sie anlegt. Diese Eigenschaft findet man zum Beispiel bei manchen keramischen Materialien und bei bestimmten Kunststoffen.
Befinden sich solche elektrokalorischen Materialien in einem elektrischen Feld, so entsteht Wärme, die man abführen kann, bis das Material wieder seine Ausgangstemperatur erreicht. Schaltet man im Anschluss an die Wärmeabfuhr das elektrische Feld ab, kommt es zu einer weiteren Abkühlung, wodurch das Material besonders gut in der Lage ist, thermische Energie aus einer Wärmequelle aufzunehmen. Bei der Anwendung in einer Wärmepumpe dient hier natürlich die Umwelt als Wärmequelle.
Wird im Anschluss das elektrische Feld erneut aktiviert, kommt es wieder zu einer Temperaturerhöhung. Aufgrund dieser Eigenschaften lässt sich mithilfe elektrokalorischer Materialien ein effizienter Wärmepumpenkreislauf aufbauen. Da der Effekt umkehrbar ist, könnten solche Systeme sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden. Das oben beschriebene Prinzip funktioniert übrigens genauso, wenn man statt des elektrischen Feldes ein Magnetfeld und statt der elektrokalorischen Materialien magnetokalorische verwendet.
Disruptives Potenzial
Die Wärmeabfuhr wollen die Fraunhofer-Institute im Projekt ElKaWe durch eine Kombination aus Verdampfen und Kondensieren eines unschädlichen Fluids in Wärmerohren (Heatpipes) mit thermischer Diode 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. In vier Jahren will das Fraunhofer-Team einen Demonstrator mit einer Leistung von 100 Watt und einem Temperaturhub von 30 K präsentieren.
Aufgrund ihrer bisherigen Erkenntnisse gehen die Forscher davon aus, dass elektrokalorische Wärmepumpen der Kompressor-Technologie auch in Sachen Effizienz überlegen sein werden. „Wir sehen die Chance, kompressorbasierte Wärmepumpen langfristig vollständig abzulösen“, sagt Prof. Karsten Buse, Institutsleiter am Fraunhofer IPM, der das Projekt leitet. „Nach den Erkenntnissen, die wir bisher auf dem Gebiet gewinnen konnten, kann die Elektrokalorik disruptives Potenzial für die Wärme- und Kältetechnik haben.“
Über den Autor
Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für
BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin
BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift
baustoffpraxis.
Kontakt:
freierjournalist@rolandgrimm.com
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