Wärme 20. Jul 2023 Von Stephan W. Eder

Wärmepumpen: Mit neuer Technik zu mehr Leistung

Festkörper-Wärmepumpen versprechen eine höhere Effizienz und kommen ohne Kältemittel aus. Forschende des Fraunhofer IAF haben jetzt einen neuen Wirkungsgradrekord aufgestellt.

Die Forschenden des Fraunhofer IAF arbeiten bereits an einer Weiterentwicklung der Leistungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen: Der abgebildete Demonstrator erzielt sogar einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,75 %.
Foto: Fraunhofer IAF

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg arbeiten an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen als Alternative zur derzeit vorherrschenden Kompressortechnologie. Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa die Hälfte des physikalischen Carnot-Limits, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85 % schaffen kann. Wie effizient elektrokalorische Wärmepumpen letztendlich sind, hängt zum großen Teil auch vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab.

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„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“, sagt Kilian Bartholomé, Projektleiter des Fraunhofer-Leitprojekts „ElKaWe“, in dem sechs Fraunhofer-Institute elektrokalorische Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen erforschen. Bartholomé forscht am ebenfalls in Freiburg beheimateten Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM).

Effizientere Leistungselektronik pusht Arbeitszahl neuartiger Wärmepumpen

Das IAF ist im Projekt „ElKaWe“ für die Entwicklung der Ansteuerungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen zuständig. Dafür erforscht es Bauelemente auf Basis von Galliumnitrid (GaN), um die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Nun haben die Forschenden erstmals eine GaN-basierte Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik entwickelt und optimiert. Heraus kam hocheffiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 % im elektrischen Leistungspfad. Das übertrifft den bisherigen Forschungsstand von unter 90 % Umladeeffizienz zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen deutlich.

Wärmepumpe halbiert Brennstoffbedarf

Diese Effizienzsteigerung der Ansteuerungselektronik wirkt sich unmittelbar auf die Leistungszahl des gesamten Systems aus. Das IAF spricht daher in einer Mitteilung von einem „Meilenstein auf dem Weg zu effizienteren Wärmepumpen“. „Es besteht noch viel Forschungsbedarf, aber zukünftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden“, sagt Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.

Die Ergebnisse wurden bereits teilweise im „IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics“ veröffentlicht:

https://ieeexplore.ieee.org/document/10107998

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