{"id":104991,"date":"2025-02-05T02:30:00","date_gmt":"2025-02-05T01:30:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=104991"},"modified":"2025-02-04T17:31:18","modified_gmt":"2025-02-04T16:31:18","slug":"waermepumpen-ohne-kompressoren-fraunhofer-erzielt-fortschritte-in-der-elektrokalorik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/energie\/waermepumpen-ohne-kompressoren-fraunhofer-erzielt-fortschritte-in-der-elektrokalorik\/","title":{"rendered":"W\u00e4rmepumpen ohne Kompressoren: Fraunhofer erzielt Fortschritte in der Elektrokalorik"},"content":{"rendered":"\n
Hocheffiziente festk\u00f6rperbasierte W\u00e4rmepumpen ohne Kompressoren – dieser Vision sind Fraunhofer-Forschende im k\u00fcrzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt ElKaWe ein gutes St\u00fcck n\u00e4hergekommen. <\/p>\n\n\n\n
Sie machten entscheidende Fortschritte beim Material und Systemaufbau und bauten erste elektrokalorische Demonstratoren auf, die das enorme Potenzial der Technologie zeigen.<\/p>\n\n\n\n
Weltweit steigt der Bedarf an K\u00fchl- und Klimatechnik rasant an. Heutige W\u00e4rmepumpen arbeiten auf Basis von Kompressoren und werden sowohl zum Heizen als auch zum K\u00fchlen eingesetzt. Betrieben mit regenerativ erzeugtem Strom sind sie ein wichtiger Baustein f\u00fcr die Energiewende. Mit einem grunds\u00e4tzlich neuen Konzept wollen Fraunhofer-Forschende die W\u00e4rmepumpen-Technologie revolutionieren: Ihr Ziel sind festk\u00f6rperbasierte W\u00e4rmepumpen auf Basis elektrokalorischer Materialien, die ohne sch\u00e4dliche K\u00e4ltemittel auskommen und potenziell effizienter arbeiten als kompressorbasierte Systeme. Im Rahmen des k\u00fcrzlich abgeschlossenen Projekts ElKaWe (Elektrokalorische W\u00e4rmepumpen) forschten sechs Fraunhofer-Institute an allen wichtigen Teiltechnologien elektrokalorischer Systeme. \u00bbMit ElKaWe haben wir sehr gro\u00dfe Fortschritte beim Material, bei der Elektronik und beim W\u00e4rme\u00fcbertrag gemacht. Auch wenn es noch viel zu tun gibt \u2013 dies waren entscheidende Schritte in Richtung Marktf\u00e4higkeit\u00ab, sagt Projektleiter Dr. Kilian Bartholom\u00e9 vom Fraunhofer IPM.<\/p>\n\n\n\n
Elektrokalorisches Material: vielversprechende Polymere, Keramiken und Hybridmaterialien identifiziert<\/h4>\n\n\n\n
Eine wichtige Rolle f\u00fcr die Effizienz und Langlebigkeit elektrokalorischer W\u00e4rmepumpen spielt das elektrokalorisch-aktive Material. Das Konsortium hat verschiedene Polymer- und Keramikmaterialien entwickelt und getestet. Ein Team am Fraunhofer IAP realisierte d\u00fcnne, durchschlagfeste elektrokalorische Polymerfolien als Komponenten mit bis zu zehn Lagen und setzt damit international neue Standards. Am Fraunhofer IKTS wurden keramische Mehrlagenkomponenten auf Basis von PMN-PT (Blei-Magnesium-Niobat\/Blei-Titanat) entwickelt, die den hohen Anforderungen an Durchschlagfestigkeit und Betriebsfrequenz gerecht werden. In ersten Langzeittests erwiesen sich die keramischen Komponenten als \u00e4u\u00dferst stabil: \u00dcber 70 Millionen Zyklen trat keine Ver\u00e4nderung des elektrokalorischen Effekts auf. Weitere Tests von Komponenten mit anderen Materialien laufen noch. Dar\u00fcber hinaus erwies sich das bleifreie Barium-Strontium-Zinn-Titanat (BSSnT) als vielversprechender keramischer Werkstoff, aus dem sich zuk\u00fcnftig elektrokalorische Komponenten im Einklang mit den geltenden RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) herstellen lassen.<\/p>\n\n\n\n
Schneller W\u00e4rme\u00fcbertrag durch Heatpipes \u2013 ohne sch\u00e4dliche K\u00e4ltemittel<\/h4>\n\n\n\n
Die W\u00e4rmeabfuhr erwies sich bisher als Nadel\u00f6hr mit Blick auf die Leistung elektrokalorischer W\u00e4rmepumpen: Je schneller sie erfolgt, desto leistungsf\u00e4higer ist das System. F\u00fcr einen schnellen W\u00e4rme\u00fcbertrag setzt das Forschungsteam auf aktive kalorische Heatpipes (AEH), bei der der W\u00e4rme\u00fcbertrag \u00fcber latente W\u00e4rme erfolgt: durch Verdampfen und Kondensieren eines Fluids auf dem kalorischen Material. Eingesetzt wurden Ethanol und Wasser \u2013 ein entscheidender Vorteil gegen\u00fcber herk\u00f6mmlichen W\u00e4rmepumpen. Das von Fraunhofer IPM patentierte Konzept der AEH kam im Rahmen des ElKaWe-Projekts erstmals auch in einem elektrokalorischen System zum Einsatz. Mit dem auf Heatpipes basierenden Ansatz lassen sich deutlich h\u00f6here Zyklusfrequenzen erreichen als durch das bisher \u00fcbliche aktive Pumpen einer Fl\u00fcssigkeit. Das Verdampfen und Kondensieren an der Oberfl\u00e4che des elektrokalorischen Materials sollte bis zu zehnmal pro Sekunde erfolgen. So kann mit wenig Material viel W\u00e4rme transportiert werden, sodass sich perspektivisch besonders g\u00fcnstige Systeme bauen lassen. Das Fraunhofer FEP entwickelte langzeitstabile superhydrophile Schichten, die daf\u00fcr sorgen, dass das Verdampfen von der Oberfl\u00e4che besonders effizient erfolgt. Um elektrische Durchschl\u00e4ge zu vermeiden, wurde am Fraunhofer LBF zudem ein Verfahren entwickelt, mit dem die Elektroden der elektrokalorischen Segmente in Epoxidharz eingebettet werden.
Entscheidend f\u00fcr eine hohe Leistungszahl kalorischer W\u00e4rmepumpen ist auch eine leistungsf\u00e4hige Ansteuerungselektronik. Forschende des Fraunhofer IAF entwarfen im ElKaWe-Projekt eine Schaltungstopologie speziell f\u00fcr den Einsatz in elektrokalorischen W\u00e4rmepumpen. Der GaN-basierte Multilevel-DC\/DC-Wandler erzielt einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent \u2013 und setzt damit weltweit neue Ma\u00dfst\u00e4be bei der Umladeeffizienz, die bisher unter 90 Prozent lag.<\/p>\n\n\n\n
Disruptives Potenzial der Technologie<\/h4>\n\n\n\n
Mit drei verschiedenen Demonstrator-Systemen zeigten die Forschenden, dass alle Komponenten zusammenarbeiten und die erwartete Systemleistung erreicht wird. Simulationen ergaben, dass die Effizienz elektrokalorischer W\u00e4rmepumpen bereits mit den heutigen Materialien \u00e4hnlich hoch ist wie die Effizienz von Kompressorsystemen. Eine Analyse verschiedener Materialklassen zeigt, dass das Potenzial f\u00fcr eine weitere Steigerung der Leistungszahl gro\u00df ist, sodass der Wirkungsgrad elektrokalorischer Systeme weiter steigen d\u00fcrfte. \u00bbDas Team hat im Projekt exzellent interdisziplin\u00e4r zusammengearbeitet und wichtige Fragestellungen gel\u00f6st. Das enorme Potenzial der Elektrokalorik wurde hier eindrucksvoll demonstriert\u00ab, findet Christan Vogel, der die Forschungsarbeiten im Beirat des Projekts eng begleitete. <\/p>\n\n\n