Wärmepumpen sind äußerst effiziente Systeme zur Wärmeerzeugung und ein zentraler Bestandteil der Wärmewende. Um die Effizienz von Wärmepumpen zu steigern, arbeiten Forschende im Fraunhofer-Leitprojekt „Elektrokalorische Wärmepumpen“, kurz ElKaWe, an neuartigen Wärmepumpen, die ohne Kompressoren auskommen und zukünftig höhere Effizienzen erzielen sollen.
Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85 Prozent schaffen kann. Doch wie effizient elektrokalorische Wärmepumpen letztendlich sind, hängt auch zum großen Teil vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab. Technologisch steckt hier noch viel Leistungspotenzial drin.
Ultra-effiziente Leistungselektronik durch GaN
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist im Projekt ElKaWe für die Entwicklung der Ansteuerungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen zuständig. Dafür erforscht es Bauelemente auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN), um die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad signifikant zu erhöhen.
Nun haben die Forschenden erstmals eine Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik entwickelt und optimiert. So ist es ihnen gelungen, eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler basierend auf GaN-Transistoren zu realisieren und damit einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent im elektrischen Leistungspfad zu erzielen. Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler setzt weltweit Maßstäbe und übertrifft den bisherigen Forschungsstand von unter 90 Prozent Umladeeffizienz zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen bei Weitem.
Effiziente Wärmepumpen durch Elektronik
Die deutliche Effizienzsteigerung der Ansteuerungselektronik wirkt sich unmittelbar auf die Leistungszahl des gesamten Systems aus. Bislang waren elektrokalorische Wärmepumpen-Systeme unter anderem durch die Verluste der Elektronik limitiert. Die gesteigerte elektrische Effizienz führt direkt zu einer höheren Leistungszahl des gesamten Wärmepumpen-Systems und ist damit ein Meilenstein auf dem Weg zu effizienteren Wärmepumpen.
„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. Es besteht noch viel Forschungsbedarf, aber zukünftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden“, sagt Dr. Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.
„Essenziell für die Realisierung einer hohen Leistungszahl elektrokalorischer Wärmepumpen ist eine sehr hohe Effizienz bei den Materialien, der Elektronik und dem Wärmeübertrag. Bekommt man das alles in den Griff, hat die Elektrokalorik ein enormes Potenzial“, ergänzt Herr Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter von ElKaWe und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM.
Der elektrokalorische Effekt
Das Prinzip hinter der elektrokalorischen Wärmepumpe bildet der elektrokalorische Effekt: Wird an einem elektrokalorischen Material aus speziellen Keramiken oder Polymeren eine elektrische Spannung angelegt, erwärmt sich das Material. Sobald die Spannung entfernt wird, kühlt das Material wieder ab, wobei der gesamte Vorgang nahezu vollständig reversibel ist.
Da die elektrokalorischen Materialien eine elektrische Kapazität bilden, kommt der Leistungselektronik in dem System die Aufgabe zu, die elektrokalorischen Kapazitäten mehrmals pro Sekunde möglichst hocheffizient und damit so verlustfrei wie möglich elektrisch zu laden und wieder zu entladen, wobei in jedem Zyklus Wärme gepumpt wird.
