Forscherteam entwickelt kältemittelfreie Wärmepumpen

Sechs Fraunhofer-Institute haben sich im Leitprojekt ElKaWe das Ziel gesetzt, hocheffiziente elektrokalorische Wärmepumpen zu entwickeln, die ohne Kompressor und damit ohne Kältemittel auskommen. Zahlreiche Wissenschaftler sind beteiligt, schließlich müssen Materialien und Komponenten langzeitstabil, ausreichend verfügbar, kostengünstig und nicht zuletzt unbedenklich sein. Der vom Fraunhofer IPM patentierte Systemansatz sieht vor, den Wärmeübertrag durch eine Kombination aus Verdampfen und Kondensieren eines unschädlichen Fluids in sogenannten Heatpipes mit einer thermischen Diode zu realisieren (Erläuterung siehe Textkasten). In vier Jahren, so das Ziel des Teams, soll ein Demonstrator mit einer Leistung von 100 Watt und einem Temperaturhub von 30 K stehen.
Laut Umweltbundesamt entfällt mehr als die Hälfte der deutschlandweit eingesetzten Gesamtenergie auf das Heizen und Kühlen. Wärmepumpen, die Umweltwärme für die Heizung und Warmwasserzubereitung in Gebäuden nutzen und mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden, gelten daher als ein wichtiger Baustein für die Wärmewende.

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?
Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Momente im Feld aus – das Material erwärmt sich. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wir nun das elektrische Feld entfernt, so verringert sich die Ordnung der elektrischen Momente, und das Material kühlt ab. Jetzt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Der Effekt ist reversibel. So kann ein Zyklus aufgebaut werden, der als effiziente Wärmepumpe zum Kühlen oder Heizen funktioniert.