Schritt zu effizienteren Wärmepumpen: Optimierte Leistungselektronik steigert Wirkungsgrad

Forscher:innen vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM gelang es, effizientere, leisere Wärmepumpen auf Basis elektrokalorischer Materialien zu ermöglichen. Statt auf Kältemittel und Kompressoren setzen derartige Wärmepumpen auf ein Keramik- oder Polymermaterial. Dieses wandelt Strom direkt in Wärme um un umgekehrt. Die Forscher:innen konnten den Wirkungsgrad der Elektronik solcher Systeme auf 99,74 Prozent erhöhen, was sie zu einer guten Alternative zu klassischen Wärmepumpen machen könnte.

Elektrokalorische Wärmepumpen als Alternative

Bereits geringer Temperaturunterschiede lassen sich mit Hilfe von Wärmepumpen nutzen, um Gebäude zu heizen oder zu kühlen. Dabei lässt sich der Untergrund, die Abwärme von Industrieanlagen oder auch die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen. Mithilfe eines Kompressors erhöht die Wärmepumpe dann Druck und Temperatur eines Kältemittels. Diese Wärme wird dann an das genutzte Wasser abgegeben.

Derartige Systeme erreichen einen Wirkungsgrad, der bei etwa 50 Prozent des theoretischen Maximums liegt. Allerdings ist das dafür benötige Kältemittel klimaschädlich. Zudem verbrauchen diese Wärmepumpen viel Strom und sind wegen des Kompressors relativ laut.

Eine Alternative könnten elektrokalorische Wärmepumpen sein. Diese benötigen weder Kältemittel noch Kompressor, sondern nutzen ein thermoelektrisches Material zur Erhöhung oder Senkung der Temperatur. Dieses Material kann Strom direkt in Wärme umwandeln – oder Wärme in Strom.

Der Vorteil dieser Wärmepumpen ist, dass sie effizienter arbeiten als eine Kompressor-Wärmepumpe. Theoretisch können sie einen Wirkungsgrad von 85 Prozent oder mehr erreichen. „Essenziell für die Realisierung einer hohen Leistungszahl elektrokalorischer Wärmepumpen ist eine hohe Effizienz bei den Materialien, der Elektronik und dem Wärmeübertrag. Bekommt man das alles in den Griff, hat die Elektrokalorik ein enormes Potenzial„, so Kilian Bartholomé vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM.

Die entsprechenden elektrokalorischen Materialien sind nicht das Problem. Allerdings hapert es bisher an der nötigen Leistungselektronik. Diese erzeugt beim ständigen Laden und Entladen hohe Verluste, weshalb Prototypen elektrokalorischer Wärmepumpen lediglich Wirkungsgrade von höchstens 20 Prozent erreichen konnten.

Neue Forschungselektronik ebnet den Weg

Den Forscher:innen des Fraunhofer IPM gelang nun ein wichtiger Schritt. Sie konnten eine Leistungselektronik entwickeln, die einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent erreichen kann. Dabei setzen sie auf mehrschichtige Spannungswandler auf der Basis von Galliumnitrid. Dieser wird mit siliziumbasierten Feldeffekttransistoren kombiniert.

So könnte eine elektrokalorische Wärmepumpe einen Gesamtwirkungsgrad von 52,2 Prozent erreichen. „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„, so Stefan Mönch vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Erstautor der Studie.

Die Forscher:innen gehen davon aus, damit einen Meilenstein auf dem Weg zu alltagstauglichen elektrokalorischen Wärmepumpen erreicht zu haben. Die neuen Wärmepumpen könnten dabei Wirkungsgrade von etwa 75 Prozent erreichen und wären auch noch erheblich leiser als Wärmepumpen mit Kompressor. „Es besteht noch viel Forschungsbedarf, aber zukünftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden“, so Mönch.

via Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF