Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Leistungselektronik für neuartige Wärmepumpen erzielt Wirkungsgrad von über 99,7 Prozent
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Im Fraunhofer-Leitprojekt »ElKaWe« arbeiten Forschende an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen als Alternative zur derzeit vorherrschenden Kompressor-Technologie. Diese neuartigen Wärmepumpen versprechen eine höhere Effizienz und kommen ohne Kältemittel aus. Forschenden des Fraunhofer IAF 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 setzt weltweit Maßstäbe und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu effizienteren Festkörper-Wärmepumpen.
Wärmepumpen sind äußerst effiziente Systeme zur Wärmeerzeugung und ein zentraler Bestandteil der Wärmewende. Um die Effizienz von Wärmepumpen zu steigern, arbeiten Forschende im Fraunhofer-Leitprojekt »Elektrokalorische Wärmepumpen«, kurz »ElKaWe«, an neuartigen Wärmepumpen, die ohne Kompressoren auskommen und zukünftig höhere Effizienzen erzielen sollen.
Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85 Prozent schaffen kann. 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«, sagt Dr. 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 Dr. 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: https://ieeexplore.ieee.org/document/10107998
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.
Fraunhofer-Leitprojekt »ElKaWe«
Die Ergebnisse sind im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »ElKaWe« entstanden. Darin arbeiten Forschende aus sechs Fraunhofer-Instituten an der Erforschung elektrokalorischer Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen. Unter der Leitung des Fraunhofer IPM entwickeln sie elektrokalorische Wärmepumpen, die eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglichen und gleichzeitig ohne Kompressor-Technologie und Kältemittel auskommen. Das Ziel des Projekts besteht darin, das Potenzial der Technologien für zukünftige effiziente und emissionsfreie Heiz- und Kühlanwendungen aufzuzeigen.
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
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