Wärmepumpe mit neuer Technik und mehr Effizienz - wissenschaft.de

Bisherige Klimaanlagen und Wärmepumpen benötigen üblicherweise umweltschädliche Kältemittel. Nun haben Forschende eine mögliche Alternative ausgetestet: eine sogenannte elektrokalorische Wärmepumpe, deren Material in einem elektrischen Feld seine Temperatur ändert. Mit einer Temperaturspanne von bis zu 20,9 Grad Celsius und einer Kühlleistung von 4,2 Watt erreicht die Festkörper-Wärmepumpe eine hohe Effizienz, wie das Team berichtet. Bevor sie kommerziell wettbewerbsfähig wird, sind allerdings weitere Verbesserungen erforderlich.

Kühlgeräte wie Gefrierschränke, Klimaanlagen und Wärmepumpen verbrauchen rund 20 Prozent des weltweiten Stroms. Fast alle bisherigen Systeme beruhen auf dem sogenannten Dampfkompressionsverfahren, das zum einen relativ ineffizient ist und zum anderen ein umweltschädliches fluoriertes Kältemittel erfordert. Durch ihren hohen Stromverbrauch sowie durch austretende Kältemittel sind Kühlgeräte für fast zehn Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich.

Alternative zu herkömmlichen Systemen?

Als umweltfreundlichere Alternativ gelten Festkörper-Wärmepumpen, die weder einen Kompressor noch flüssige Kältemittel benötigen. Stattdessen beruhen sie auf sogenannten kalorischen Materialien. Dabei handelt es sich um bestimmte Metallverbindungen, die in einem magnetischen oder elektrischen Feld oder durch mechanische Verformung ihre Temperatur ändern. Obwohl solche Festkörper-Wärmepumpen physikalisch in der Lage sind, deutlich höhere Wirkungsgrade zu erreichen als Kompressions-Wärmepumpen, gibt es bisher noch kein kommerziell wettbewerbsfähiges Modell.

Nun hat ein Team um Junning Li vom Luxemburger Institut für Wissenschaft und Technologie in Belvaux eine elektrokalorische Wärmepumpe mit bisher unerreichter Leistung und Effizienz erstellt. „Unser elektrokalorischer Kühler erreicht eine maximale Temperaturspanne von 20,9 Kelvin und eine maximale Kühlleistung von 4,2 Watt bei einem moderaten elektrischen Feld von 10 Volt pro Mikrometer“, berichten sie. Ähnliche Systeme brachten es bislang auf Temperaturdifferenzen von bis zu 13 Kelvin und eine maximale Kühlleistung von 0,26 Watt.

Zwei Kreisläufe für Wärme und Kälte

Als Material verwendete das Team eine poröse Verbindung aus Blei, Scandium und Tantal. Leitet man elektrischen Strom durch dieses Material, erwärmt es sich. Stoppt der Stromfluss, kühlt es sich wieder ab. In den Tests der Forschenden blieb das Material auch bei zahlreichen Durchläufen stabil. Um die Temperaturänderungen zu nutzen, bauten Li und sein Team die Blei-Scandium-Tantalat-Elemente zwischen zwei Kreisläufe von Flüssigkeit, von denen einer erwärmt und einer abgekühlt wird.

Selbst unter Berücksichtigung der Energie, die für das Pumpen der Flüssigkeit benötigt wird, kommt die auf diese Weise konstruierte Wärmepumpe auf einen Wirkungsgrad von 64 Prozent des theoretisch maximal möglichen Wertes, wie die Wissenschaftler berichten. Systeme, die mit Dampfkompression arbeiten, bringen es dagegen aus technischen Gründen auf nur etwa 50 Prozent Wirkungsgrad, die meisten kommen auf weniger als 30 Prozent. Im Vergleich zu anderen Festkörper-Wärmepumpen, die Magnetfelder oder mechanische Verformung nutzen, bietet das elektrokalorische System zudem den Vorteil, dass es kompakter ist, da der elektrische Strom direkt durch das Material geleitet werden kann und keine weiteren Geräte benötigt werden, die ein Magnetfeld erzeugen oder mechanische Kraft ausüben.

Weitere Forschung erforderlich

„Wir glauben, dass diese Demonstration zeigt, dass die elektrokalorische Kühlung eine vielversprechende Alternative zur Dampfkompressionskühlung ist“, schreibt das Forschungsteam. Bevor das System allerdings marktreif ist, sind weitere Verbesserungen erforderlich. In einem begleitenden Kommentar zur Studie, der ebenfalls in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, weist Jaka Tušek von der Universität Ljubljana in Slowenien darauf hin, dass weitere Forschungen erforderlich sind, um zum einen die Kühlleistung elektrokalorischer Geräte weiter zu erhöhen und zum anderen an der Skalierung zu arbeiten.

Denkbar sei zum einen eine Miniaturisierung, die das System zur Kühlung von elektronischen Geräten interessant machen könnte. „Zum anderen zeigt der Prototyp von Li et al. ein erhebliches Potenzial für die Skalierung auf größere Kühl- und Heizleistungen“, so Tušek. „Obwohl die Leistung dieses Systems bisher hinter den Anforderungen vieler praktischer Anwendungen zurückbleibt, die oft Kühlkapazitäten von mindestens mehreren hundert Watt bei Temperaturspannen von über 20 Kelvin erfordern, unterstreicht die Arbeit das immense Zukunftspotenzial der elektrokalorischen Technologie.“

Quelle: Junning Li (Luxembourg Institute of Science and Technology, Belvaux) et al., Science, doi: 10.1126/science.adi5477

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