Leitprojekt »ElKaWe«

Elektrokalorische Wärmepumpen

Im Leitprojekt »ElKaWe« arbeiten sechs Fraunhofer-Institute unter der Leitung des Fraunhofer IPM an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen. Wärmepumpen arbeiten heute nahezu ausschließlich auf Basis von Kompressor-Technologie. Elektrokalorische Wärmepumpen versprechen einen deutlich höheren Wirkungsgrad und kommen ohne schädliche Kältemittel aus. Im Rahmen des Projekts entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler keramische und polymerbasierte elektrokalorische Materialien und arbeiten an einem innovativen Systemansatz, der eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht. Die Arbeiten im Projekt sollen zeigen, dass elektrokalorische Wärmepumpen das Potenzial besitzen, Kompressoren langfristig abzulösen. Wärmepumpen sind ein wichtiger Baustein für die Wärmewende. Betrieben mit regenerativ erzeugtem Strom bilden sie das fehlende Bindeglied zwischen Strom- und Wärmeerzeugung. Der Zuwachs an Wärmepumpen für die Gebäudeklimatisierung verläuft jedoch zögerlich; Grund ist die mangelnde Wirtschaftlichkeit kompressorbasierter Wärmepumpen. In der Kühltechnik macht zusätzlich das schrittweise Verbot von Kältemitteln im Rahmen der europäischen F-Gase-Verordnung alternative kältemittelfreie Technologien wünschenswert.

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?

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.