Nachhaltige Heiz- und Kühllösungen: Fraunhofer-Forschende setzen auf festkörperbasierte Wärmepumpen ohne Kompressoren

Dresden - Forschungsaktivitäten bei der Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnologie adressieren die weitere Steigerung der Effizienz sowie eine Verbesserung der ökologischen Bilanz. Ein Themengebiet aktueller Forschungen sind festkörperbasierte Wärmepumpen, bei denen auf potenziell schädliche Kältemittel verzichtet werden kann.

Im kürzlich abgeschlossenen Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe haben Forschende von sechs Fraunhofer-Instituten wichtige Fortschritte auf diesem Gebiet erzielt.

Festkörperbasierte Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen nutzen den elektrokalorischen Effekt, um Wärme durch Anlegen und Entfernen eines elektrischen Feldes zu transportieren, und kommen daher ohne potenziell schädliche Fluide aus. Sie sind zudem tendenziell energieeffizienter, leiser und erfordern weniger Wartung, da sie keine beweglichen Teile wie Kompressoren besitzen.

Entscheidend für die Effizienz und Langlebigkeit elektrokalorischer Wärmepumpen ist das elektrokalorisch-aktive Material. Im Forschungs-Konsortium wurden daher verschiedene Polymer- und Keramikmaterialien erprobt.

Das Fraunhofer IKTS entwickelte keramische Mehrlagenkomponenten auf Basis von PMN-PT (Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat). Erste Langzeittests bestätigen die hohe Stabilität der keramischen Komponenten: Selbst nach über 70 Millionen Zyklen trat keine Veränderung des elektrokalorischen Effekts auf. Das bleifreie Barium-Strontium-Zinn-Titanat (BSSnT) erwies sich als ein weiterer vielversprechender keramischer Werkstoff, aus dem sich zukünftig elektrokalorische Komponenten im Einklang mit den geltenden RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) herstellen lassen.

Im Rahmen der erfolgreichen Zusammenarbeit im Projekt ElKaWe konnten laut Fraunhofer IKTS mehrere Demonstrator-Systeme entwickelt werden, die das Potenzial der Elektrokalorik für Wärmepumpen demonstrieren. Tests an den elektrokalorischen Materialien haben demnach bestätigt, dass elektrokalorische Wärmepumpen bereits mit aktuellen Materialien die Effizienz herkömmlicher Kompressorsysteme erreichen. Die Fortschritte in der Materialentwicklung und der Systemintegration markieren daher einen wichtigen Schritt in Richtung Marktfähigkeit und könnten aus Sicht von Fraunhofer IKTS die Zukunft der Heiz- und Kühltechnik nachhaltig beeinflussen.