Fortschritt Wärmewende: Neue Wärmepumpen-Technologie in der Entwicklung

26.07.2023 – Wärmepumpen sind äußerst effiziente Systeme zur Wärmeerzeugung und gelten als zentraler Bestandteil der Wärmewende. Mit dem neuen Gebäudeenergiegesetz und dem Ziel einer zukünftig möglichst fossilfreien Wärmeversorgung rücken sie verstärkt in den Fokus. Dabei ist die Technologie noch entwicklungswürdig. Beispielsweise beim Einsatz klimaschädlicher Kältemittel wird nach Alternativen gesucht, aber auch die Effizienz ist noch nicht zufriedenstellend.

Um die Effizienz und Nachhaltigkeit von Wärmepumpen zu steigern, arbeiten Forschende im Fraunhofer-Leitprojekt Elektrokalorische Wärmepumpen (ElKaWe) an neuartigen Wärmepumpen, die ohne Kompressoren auskommen und zukünftig höhere Effizienzen erzielen sollen. Ihnen ist nun ein Meilenstein in der Leistungselektronik gelungen: Sie haben eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler mit 99,74 Prozent elektrischem Wirkungsgrad realisiert. Dieses Ergebnis setze weltweit Maßstäbe und sei ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu effizienteren Festkörper-Wärmepumpen, berichtet das Institut.

Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85 Prozent schaffen kann. Der Carnot-Wirkungsgrad ist der höchste theoretisch mögliche Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Doch wie effizient elektrokalorische Wärmepumpen letztendlich sind, hängt auch zum großen Teil vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab.

Ultra-effiziente Leistungselektronik dank Galliumnitrid

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 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.

Effizientere Elektronik sorgt für effizientere Wärmepumpen

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“, erläutert 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 Kilian Bartholomé, Projektleiter von ElKaWe und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. Die Ergebnisse wurden bereits teilweise im IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics veröffentlicht.

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.

Mehr Tempo bei der Wärmewende

Da die ökologischen Alternativen zu fossilen Heizsystemen rar sind, ist die Weiterentwicklung der Wärmepumpen-Technologie ein wichtiger Baustein für das Erreichen der Klimaziele im Wärmeenergiebereich. Das Ziel des Projekts bestehe denn auch darin, berichtet das Fraunhofer-Institut, das Potenzial der Technologien für zukünftige effiziente und emissionsfreie Heiz- und Kühlanwendungen aufzuzeigen – und möglichst bald in die breite Anwendung zu bringen. na