Wissenschaftler behaupten, dass die Festkörperwärmepumpe ein Durchbruch sei

DEUTSCHLAND: Wissenschaftlern in Deutschland soll ein wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung festkörperelektrokalorischer Wärmepumpen gelungen sein.

Elektrokalorische Wärmepumpen gelten als Alternative zur aktuellen kompressorbasierten Technologie, da sie keine Kältemittel benötigen und eine höhere Effizienz versprechen.

Forscher am deutschen Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF behaupten, mit der Entwicklung einer hocheffizienten Schaltungstopologie für Spannungswandler mit einem elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 99,74 % einen Meilenstein in der Leistungselektronik erreicht zu haben.

Aufgrund ihrer Technologie erreichen heutige Wärmepumpen nur etwa 50 % der physikalischen Carnot-Grenze, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85 % erreichen kann, behaupten Forscher. Allerdings hängt die Erreichung dieses Wirkungsgrades maßgeblich von der Effizienz der integrierten Leistungselektronik ab.

Das Fraunhofer-Projekt Elektrokalorische Wärmepumpen, kurz ElKaWe, untersucht Geräte auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) zur Steigerung der Leistungsdichte und Effizienz.

Die Forscher haben nun erstmals Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik entwickelt und optimiert. Es gelang ihnen, eine hocheffiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler auf Basis von GaN-Transistoren zu implementieren und einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 % im elektrischen Leistungspfad zu erreichen.

Nach Angaben des Teams des Fraunhofer-Instituts übertrifft der GaN-basierte Multilayer-DC/DC-Wandler den bisherigen Forschungsstand von weniger als 90 % Wandlungswirkungsgrad für die elektrische Steuerung dieser neuen Wärmepumpen.

Die deutliche Effizienzsteigerung der Antriebselektronik habe direkte Auswirkungen auf den Leistungskoeffizienten des gesamten Systems, betont das Team. Bisher waren elektrokalorische Wärmepumpensysteme unter anderem durch die Verluste der Elektronik limitiert. Der gesteigerte elektrische Wirkungsgrad führt unmittelbar zu einer höheren Leistungszahl der gesamten Wärmepumpenanlage und ist somit ein Meilenstein auf dem Weg zu effizienteren Wärmepumpen.

„Unsere hocheffiziente Leistungselektronik macht es erstmals realistisch, mit elektrokalorischen Wärmepumpen auch auf Systemebene mehr als 50 % der maximalen theoretischen Leistungszahl zu erreichen“, sagt Dr. Stefan Mönch, Forscher auf diesem Gebiet der Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.

„Es gibt noch viel Forschungsbedarf, aber in Zukunft könnte diese Technologie eine effizientere und völlig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden.“

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