Leistungs­elek­tro­nik für neu­artige 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% des physikalischen Carnot-Limits, während die elektrokalorische Wärmepumpe theoretisch 85% schaffen kann. Doch wie effizient elektrokalorische Wärmepumpen schliesslich sind, hängt auch vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab.

Ultra-effiziente Elektronik 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% im elektrischen Leistungspfad zu erzielen. Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler setzt weltweit Massstäbe und übertrifft den bisherigen Forschungsstand von unter 90% Umladeeffizienz zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen deutlich.

Effizientere Wärmepumpen

Die Effizienz­stei­gerung der Ansteuerungs­elektronik wirkt sich 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% 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.

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.