Wärmepumpen arbeiten heutzutage nach dem gleichen Prinzip, auf das viele unserer Elektrogeräte wie auch unser Kühlschrank setzen. Sie funktionieren mithilfe eines Dampfkompressionsverfahren, das Wärme über einen Wärmetauscher umleitet. Obwohl diese Methode Umweltwärme zu nutzen bei Wärmepumpe viel effizienter arbeitet als fossile Brennstoffe, ist das Verfahren selbst wissenschaftlich betrachtet ineffizient. Eine neue Technologie, die weder Kältemittel noch Kompressor benötigt, könnte daher eine regelrechte Wärmepumpen-Revolution einleiten.
Wärmepumpen-Revolution: Die Festkörper-Wärmepumpe kommt
Bereits seit Längerem arbeiten Forscher daran, eine Wärmepumpe nach einem anderen Prinzip nutzen zu können. Diese sogenannten elektrokalorischen Wärmepumpen werden auch als Festkörper-Wärmepumpen bezeichnet. Sie setzen auf ein festes Material im Inneren, das unter einem elektrischen Feld andere Temperatureigenschaften entwickelt. Wissenschaftlich des Luxembourg Institute of Science and Technology in Belvaux testeten die Eigenschaften einer solchen elektrokalorischen Wärmepumpe ausgiebig. Sie stellten dabei fest, dass großes Potenzial für die Technologie besteht, da sie über eine wesentlich höhere Effizienz, als bisherige Modelle verfügt. Viele Kältemittel in heutigen Wärmepumpen gelten als umweltschädlich. Eine Festkörper-Wärmepumpe benötigt kein Kältemittel und keinen damit verbundenen Kompressor, weshalb sie wesentlich umweltfreundlicher ausfällt.
Da Kühlgeräte wie Gefrierschränke, Kühlschranke, Klimaanlagen und Wärmepumpen heute rund 20 Prozent des weltweiten Stroms verbrauchen, birgt die effizientere Feststoff-Wärmepumpe ein großes Einsparpotenzial. Anstatt eines Kältemittels nutzen sie kalorische Materialien. Dabei handelt es sich um bestimmte Metallverbindungen, die entweder durch ein magnetisches oder elektrisches Feld oder eine Verformung ihre Temperatur ändern. Während der Strom in einer elektrokalorischen Wärmepumpe dafür sorgt, dass sich ein solches Material erhitzt oder abkühlt, wird die Kälte beziehungsweise Wärme in schnellen Intervallen fortgepumpt, um an einen Wärme- oder Kältekreislauf abgegeben zu werden. Da Materialien sich rasant erhitzen oder abkühlen, lässt sich dieser Prozess schnell hintereinander wiederholen und erreicht deutlich höhere Wirkungsgrade als Kompressions-Wärmepumpen. In bisherigen Tests blieben sowohl das für den Kältekreislauf als auch für den Wärmekreislauf genutzt kalorische Material stabil. Das bedeutet, nachdem der Strom es nicht länger beeinflusst, kehrt es in seinen Ursprungszustand zurück und steht für eine Wiederholung des Effektes zur Verfügung.
Wettbewerbsfähige Feststoff-Wärmepumpen in Aussicht?
Trotz der höheren Effizienz der zugrunde liegenden Verfahren galten Feststoff-Wärmepumpen bisher nicht als kommerziell wettbewerbsfähig. Das Team um Junning Li am Luxemburger Institut konnte jedoch jetzt eine elektrokalorische Wärmepumpe mit bisher unerreichter Leistung vorstellen. „Unser elektrokalorischer Kühler erreicht eine maximale Temperaturspanne von 20,9 Kelvin und eine maximale Kühlleistung von 4,2 Watt bei einem moderaten elektrischen Feld von 10 Volt pro Mikrometer“, teilten die Forscher mit. Ähnliche Systeme vollbrachten bislang lediglich Temperaturdifferenzen von bis zu 13 Kelvin und eine maximale Kühlleistung von 0,26 Watt. Während sich die Temperaturspanne dabei fast verdoppelt hat, fällt die Kühlleistung um die 16-mal höher aus als bisher erreicht.
Selbst unter Berücksichtigung der Energie, die für den Pump-Vorgang verloren geht, ist das System der Forscher bisherigen überlegen. Die neu konstruierte Wärmepumpe erreicht einen Wirkungsgrad von 64 Prozent des theoretisch maximal möglichen Wertes. Systeme, die mit Dampfkompression arbeiten, können dank technischen Hürden lediglich die 50 Prozent Wirkungsgrad erreichen. In den meisten Fällen ist der realistische Wert jedoch weit darunter anzusiedeln und erreicht unter 30 Prozent. Elektrokalorische Wärmepumpen sind dabei nicht die einzige Form von Festkörper-Wärmepumpen. Durch ihre kompakte Bauweise und ihre Fähigkeit, den Strom direkt auf das Material leiten können, fallen sie jedoch kompakter als andere Ansätze aus. Zudem benötigen sie keinerlei weiteren Geräte, die ein Magnetfeld erzeugen oder mechanische Kraft ausüben.
Der Prototyp der Forscher hat das Potenzial, eine Wärmepumpe-Revolution einzuleiten. Bis Feststoff-Wärmepumpe jedoch tatsächlich den Heizungsmarkt betreten, dürfte noch einige Zeit vergehen. Insbesondere, wenn damit eine Kombination aus Kühl- und Heiztechnologie erreicht werden soll. Während die Temperaturspanne von bisherigen Geräten auf dem Markt von über 20 Kelvin erfordern, ist vor allem die Kühlleistung bisher unzureichend. Für eine wirklich effiziente Kühlung werden von Kühlsystemen auf dem Markt heute mehrere hundert Watt an Leistung geboten, von denen diese Wärmepumpe noch weit entfernt ist.
