Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFForschende der Institute Fraunhofer IAF, Fraunhofer IPM und Fraunhofer IKTS haben für ihre Arbeit über ultra-effiziente Leistungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen den IEEE JESTPE First Place Prize Paper Award 2023 erhalten. Das Paper ist im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »ElKaWe« (»Elektrokalorische Wärmepumpen«) entstanden.
IEEE JESTPE First Place Prize Paper Award für Fraunhofer-Forschende
13.09.2024 / Auszeichnung für ultra-effiziente Leistungselektronik für neuartige Wärmepumpen
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Mönch und seine Co-Autoren haben den IEEE JESTPE First Place Prize Paper Award 2023 erhalten.
Das IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (JESTPE) hat Jun.-Prof. Dr.-Ing. Stefan Mönch vom Fraunhofer IAF und seine Co-Autorenschaft der Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF, für Physikalische Messtechnik IPM und für Keramische Technologien und Systeme IKTS mit dem First Place Price Paper Award 2023 ausgezeichnet. Prämiert wurden die Forschenden für ihr Paper »A 99.74% Efficient Capacitor-Charging Converter Using Partial Power Processing for Electrocalorics«. Die Arbeit zeigt Ergebnisse aus dem Projekt »ElKaWe« und trägt dazu bei, künftige Festkörper-Wärmepumpen zu realisieren, die hocheffizient und klimafreundlich sind und weder Kältemittel noch einen Kompressor benötigen.
Wärmepumpen sind äußerst effiziente Systeme zur Wärmeerzeugung und ein zentraler Bestandteil der Wärmewende. Im Fraunhofer-Leitprojekt »ElKaWe« arbeiten sechs Fraunhofer-Institute an der Entwicklung neuartiger elektrokalorischer Wärmepumpen als Alternative zur derzeit vorherrschenden Kompressor-Technologie. Sie kommen ohne schädliche Kältemittel aus und sollen zukünftig höhere Effizienzen erzielen. Das Fraunhofer IAF ist im Projekt »ElKaWe« für die Entwicklung der Ansteuerungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen zuständig.
Ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler
Die Forschenden haben im prämierten Paper eine Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik basierend auf keramischen Komponenten entwickelt und optimiert. Dafür haben sie eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler mit 99,74 Prozent elektrischem Wirkungsgrad realisiert. Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler übertrifft den bisherigen Forschungsstand zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen bei Weitem. Dies trägt dazu bei, dass zukünftig auch auf Systemebene eine wettbewerbsfähige Leistungszahl erreicht werden kann.
Die effiziente Elektronik wird zur Ansteuerung eines elektrokalorischen Wärmepumpen-Demonstrators im bald endenden Projekt »ElKaWe« eingesetzt. Die Erforschung von Leistungselektronik für elektrokalorische Wärmepumpen wird von einer neuen Forschungsgruppe an der Universität Stuttgart durch Jun.-Prof. Stefan Mönch in einem gerade gestarteten EIC Pathfinder-Projekt »COOLPOL« über die nächsten vier Jahre weitergeführt.
Die prämierten Forschungsergebnisse sind im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »ElKaWe« (»Elektrokalorische Wärmepumpen«) entstanden. Das Projekttreffen fand am 10. September am Fraunhofer IAF statt.
Im Rahmen des Projekttreffens wurde in einer Laborführung demonstriert, wie die elektrische Ansteuerung ein keramisches und elektrokalorisches Segment umlädt und eine zyklische Temperaturänderung hervorruft.
Wissenschaftliche Veröffentlichung
“A 99.74% Efficient Capacitor-Charging Converter using Partial Power Processing for Electrocalorics” by Stefan Mönch, Richard Reiner, Kareem Mansour, Patrick Waltereit, Michael Basler, Rüdiger Quay, Christian Molin, Sylvia Gebhardt, David Bach, Roland Binninger, and Kilian Bartholomé
(IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 11, Issue 4, pp. 4491-4507, doi: 10.1109/JESTPE.2023.3270375)