Wärmepumpen gelten dank ihrer hohen Effizienz beim Heizen als die Hoffnungsträger der Energiewende. Bisher verfügen die Hochleistungsmodelle unabhängig ihrer Wärmepumpen-Art über ein Kältemittel, das für den Wärmetransport dient. Ein Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts verfolgt jedoch einen völlig anderen Ansatz. Indem das Institut auf Kältemittel verzichtet und stattdessen auf den elektrokalorischen Effekt setzt, definiert es die Wärmepumpe neu.
Wärmepume neu gedacht: elektrokalorischer Effekt statt Kältemittel
Klassische Wärmepumpen, wie sie zurzeit in unterschiedlichen Arten in Deutschland verbaut werden, setzen auf ein Kältemittel. Dieses verdampft bei der Aufnahme der Umweltwärme, gibt die Wärme an einen Wärmetauscher ab und steht danach erneut im flüssigen Zustand für die Wiederholung des Kreislaufes zur Verfügung. Das neue Projekt des Fraunhofer-Instituts setzt jedoch auf ein gänzlich anderes Prinzip, um Wärme zu gewinnen. Über den elektrokalorischen Effekt nutzen Forscher besondere Materialien aus speziellen Keramiken oder Polymeren, um damit eine elektrische Spannung anzulegen. Dadurch erwärmt sich das Material, sobald man die Spannung jedoch entfernt, kühlt es wieder ab. Der Effekt ist dadurch nahezu vollständig reversibel, sodass das Prinzip der Verwendung eines Kältemittels für einen dauerhaften Kreislauf ähnelt.
Die neue Wärmepumpe im Fraunhofer-Projekt nutzt diesen Effekt in Kombination mit verbesserter Leistungselektronik aus. Die Leistungselektronik der Wärmepumpe sorgt mehrmals innerhalb einer Sekunde dafür, diese Spannung möglichst verlustfrei herzustellen und wieder aufzulösen. Zeitgleich wird dabei bei jedem Zyklus Wärme gepumpt. Durch diese Abstimmung der Komponenten aufeinander und einem möglichst geringen Verlust erreicht die Wärmepumpe einen Wirkungsgrad von bis zu 99,74 Prozent. Möglich werden diese Ergebnisse dank neuer Bauelemente. Diese basieren auf dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN), die das Fraunhofer-Institut mit dem Ziel einer höheren Leistungsdichte und verbesserter Wirkungsgrade erforscht. Die ultraeffiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler des neuen Wärmepumpen-Prototyps basiert auf GaN-Transistoren. Der bisherige Forschungsstandard für die Umlade-Effizienz zur elektrischen Ansteuerung von Wärmepumpe lag bei unter 90 Prozent.
Effizienzsteigerung der Leistungselektronik steigert das gesamte System
Die Forscher betonen, dass die Effizienzsteigerung in der Leistungselektronik automatisch die Leistungszahl des gesamten Systems steigert. Mit der Hilfe der neuen GaN-Transistoren könnte sich somit die komplette Leistungszahl von Wärmepumpen steigern lassen. Doch noch ist es zu früh, um damit zu rechnen, dass die neue Technologie bald in zahlreichen Wärmepumpen eingebaut wird. Das Fraunhofer-Institut sieht noch viel Forschungsbedarf, um die Feststoff-Wärmepumpen zu einer effizienten und möglichst emissionsfreien Lösung zum Kühlen und Heizen zu gestalten.
Dafür ist vor allem eine hohe Effizienz bei den Materialien, der Elektronik sowie der Wärmeübertragung nötig. Könnten all diese Punkte optimiert werden, besitzt die Elektrokalorik ein großes Potenzial für den kommenden Einsatz in Wärmepumpen. Insgesamt sechs Fraunhofer-Institute arbeiten zurzeit an dem Projekt „ElKAWe“. Die bisherigen Forschungsergebnisse wurden bereits im „IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics“ veröffentlicht. Man darf gespannt sein, mit welchen Einfällen die Forscher die elektrokalorische Wärmepumpe weiter optimieren werden. Ein großer Vorteil für die zukünftige Verwendung könnte in dem Verzicht auf Umweltwärmequellen liegen. Somit müsste man weder aufwendige Bohrungen tief in das Erdreich vornehmen noch die Umgebungsluft nutzen, um Wohngebäude zu heizen. Dadurch könnten die Wärmepumpen zu einer idealen Möglichkeit für Gebiete werden, in denen sich Umgebungsluft oder Bodenwärme nur schwer anzapfen lassen, wie etwa in eng bebauten Städten.
