Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAFHocheffiziente festkörperbasierte Wärmepumpen ohne Kompressoren – dieser Vision sind Fraunhofer-Forschende im kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt ElKaWe ein gutes Stück nähergekommen. Sie machten entscheidende Fortschritte beim Material und Systemaufbau und bauten erste elektrokalorische Demonstratoren auf, die das enorme Potenzial der Technologie zeigen.
Fraunhofer startet Entwicklung kältemittelfreier energieeffizienter elektrokalorischer Wärmepumpen.
© Fraunhofer IPM
Wärmepumpen ohne Kompressoren: Fraunhofer erzielt Fortschritte in der Elektrokalorik
23.1.2025 / Projektabschluss Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe
Am Fraunhofer IAF wurde im Rahmen des Leitprojekts eine Schaltungstopologie speziell für den Einsatz in elektrokalorischen Wärmepumpen entworfen.
Weltweit steigt der Bedarf an Kühl- und Klimatechnik rasant an. Heutige Wärmepumpen arbeiten auf Basis von Kompressoren und werden sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eingesetzt. Betrieben mit regenerativ erzeugtem Strom sind sie ein wichtiger Baustein für die Energiewende. Mit einem grundsätzlich neuen Konzept wollen Fraunhofer-Forschende die Wärmepumpen-Technologie revolutionieren: Ihr Ziel sind festkörperbasierte Wärmepumpen auf Basis elektrokalorischer Materialien, die ohne schädliche Kältemittel auskommen und potenziell effizienter arbeiten als kompressorbasierte Systeme. Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Projekts ElKaWe (Elektrokalorische Wärmepumpen) forschten sechs Fraunhofer-Institute an allen wichtigen Teiltechnologien elektrokalorischer Systeme. »Mit ElKaWe haben wir sehr große Fortschritte beim Material, bei der Elektronik und beim Wärmeübertrag gemacht. Auch wenn es noch viel zu tun gibt – dies waren entscheidende Schritte in Richtung Marktfähigkeit«, sagt Projektleiter Dr. Kilian Bartholomé vom Fraunhofer IPM.
Elektrokalorisches Material, schneller Wärmeübertrag und leistungsstarke Elektronik
Eine wichtige Rolle für die Effizienz und Langlebigkeit elektrokalorischer Wärmepumpen spielt das elektrokalorisch-aktive Material. Das Konsortium hat verschiedene Polymer- und Keramikmaterialien entwickelt und getestet. Die Wärmeabfuhr erwies sich bisher als Nadelöhr mit Blick auf die Leistung elektrokalorischer Wärmepumpen. Deshalb setzte das Forschungsteam für einen schnellen Wärmeübertrag auf aktive kalorische Heatpipes (AEH), bei der der Wärmeübertrag über latente Wärme erfolgt.
Eine leistungsstarke Ansteuerungselektronik ist essenziell für eine hohe Leistungszahl kalorischer Wärmepumpen. Dieser Aufgabe haben sich Forschende des Fraunhofer IAF angenommen und eine Schaltungstopologie speziell für den Einsatz in elektrokalorischen Wärmepumpen entworfen. Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler erzielt einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent – und setzt damit weltweit neue Maßstäbe bei der Umladeeffizienz, die bisher unter 90 Prozent lag.