31. Januar 2025

Freiburg.  Zu Wärmepumpen, die ohne schädliche Kältemittel auskommen und effizienter arbeiten als Systeme mit Kompressor, forschten sechs Fraunhofer-Institute fünf Jahre lang im Leitprojekt ElKaWe (Elektrokalorische Wärmepumpen), das im Januar dieses Jahres abgeschlossen wurde. „Leitprojekt“ bedeutet, es werden Lösungen zu Erfordernissen der Wirtschaft entwickelt. Bezogen auf die neuartige Wärmepumpen-Technologie hätten die Forschenden „beim Material, bei der Elektronik und beim Wärmeübertrag“ sehr große Fortschritte gemacht, sagte Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, an dem ElKaWe koordiniert wurde.
 
Funktionsweise
Eine elektrokalorische Wärmepumpe funktioniert laut IPM so: „Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Dipolmomente im Feld aus – diese zusätzliche Ordnung geht nach Gesetzen der Thermodynamik einher mit einer Erwärmung des Materials. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun das elektrische Feld entfernt, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt – ebenfalls den Gesetzen der Thermodynamik folgend – 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.“
 
Entwicklungen und Fortschritte
Im Rahmen von ElKaWe seien Polymere, Keramiken und Hybridmaterialien entwickelt und getestet worden. U.a. sei bei einer bleihaltigen keramischen Mehrlagenkomponente im Langzeittest nach über 70 Mio. Zyklen keine Veränderung des elektrokalorischen Effekts aufgetreten. Vor dem Hintergrund der geltenden RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) sei ein weiterer, bleifreier Werkstoff vielversprechend. Auch hinsichtlich der Wärmeabfuhr, die unter Effizienzerfordernissen möglichst schnell erfolgen muss, sowie der Leistungsfähigkeit der Ansteuerungselektronik, hätten die Forschenden Durchbrüche erzielt.