Deutsches Start-up entwickelt kompressorlose elektrokalorische Wärmepumpe

Von pv magazine Global

Das Freiburger Start-up Qurie GmbH, eine Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik (IPM), entwickelt eine Festkörper-Wärmepumpe, die ohne herkömmliche Kompressoren und Kältemittel auskommt. Im Gegensatz zu heutigen Dampfkompressionssystemen, die auf Kältemittelkreisläufen und mechanischen Verdichtern basieren, nutzt die Technologie von Qurie die Temperaturänderung elektro­kalorischer Materialien unter einem angelegten elektrischen Feld zur Erzeugung eines thermischen Kreislaufs. Nach Angaben des Unternehmens könnte dieser Ansatz theoretische Wirkungsgrade von mehr als 70 Prozent erreichen – verglichen mit etwa 50 Prozent bei konventionellen Wärmepumpen. Dadurch ließe sich der Strombedarf potenziell um bis zu 30 Prozent reduzieren.

Eine zentrale Innovation des Systems ist ein patentiertes Wärmemanagementkonzept auf Basis aktiver elektro­kalorischer Heatpipes. Diese ermöglichen einen schnellen latenten Wärmetransport durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums wie Ethanol oder Wasser. Dadurch werden höhere Betriebsfrequenzen und ein verbesserter Wärmetransport ohne komplexe mechanische Komponenten möglich.

„Dampfkompressionssysteme haben eine Reihe von Nachteilen“, sagte Unternehmensmitgründer und Geschäftsführer Christian Vogel gegenüber pv magazine. „Viele der besten Kältemittel sind entweder bereits verboten oder werden schrittweise vom Markt genommen, vor allem weil sie entweder zum Ozonabbau beigetragen haben oder ein hohes Treibhauspotenzial besitzen. Natürliche Kältemittel sind eine gute Alternative, bringen aber eigene Einschränkungen mit sich. Einige sind brennbar und deshalb für bestimmte Anwendungen ungeeignet, während andere wie Kohlendioxid sehr hohe Betriebsdrücke erfordern, was kleine Systeme teuer und komplex macht.“

Das vorgeschlagene Wärmepumpensystem basiert auf einem elektro­kalorischen Kreislauf, bei dem ein Festkörpermaterial zum Einsatz kommt. „Es gibt zwei Hauptgruppen von Materialien, die diesen Effekt zeigen: Keramiken und Polymere“, erläuterte Vogel. „Wir arbeiten sowohl mit keramischen Werkstoffen als auch mit polymerbasierten Systemen, insbesondere mit Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem sogenannten elektroaktiven Polymer.“

Das Grundprinzip besteht darin, dass das Material seine Temperatur verändert, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Typischerweise befindet es sich zwischen zwei Elektroden, ähnlich wie in einem Kondensator. „Wenn das elektrische Feld eingeschaltet wird, ordnen sich die elektrischen Dipole im Inneren des Materials stärker an“, erläuterte der Geschäftsführer. „Diese Zunahme der Ordnung verringert die Entropie des Materials. Da das System dazu neigt, die Gesamtentropie aufrechtzuerhalten, wird die Verringerung der inneren Entropie durch eine Zunahme der thermischen Energie ausgeglichen – das Material erwärmt sich.“

Diese Wärme kann anschließend über einen Wärmetauscher abgeführt werden. Wird das elektrische Feld wieder abgeschaltet, kehren die Dipole in einen ungeordneteren Zustand zurück, die Entropie steigt erneut an und das Material kühlt sich wieder in Richtung seiner ursprünglichen Temperatur ab.

„Besonders interessant an diesem Effekt ist sein hoher Grad an Reversibilität“, sagte Vogel. „Herkömmliche Dampfkompressionssysteme leiden unter Verlusten durch Reibung und andere Effekte. Wird ein Gas komprimiert, erwärmt es sich, und bei der anschließenden Expansion kühlt es wieder ab. Es kehrt jedoch nicht vollständig in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Bei elektro­kalorischen Materialien kann die Reversibilität dagegen in manchen Fällen sehr hoch sein.“

Die zentrale Herausforderung bleibt jedoch der Wärmetransport: Die Zu- und Abfuhr von Wärme zum beziehungsweise vom Material ist typischerweise der langsamste Schritt im Kreislauf. Dadurch wird die erreichbare Betriebsfrequenz begrenzt. Bei konventionellen Systemen mit Flüssigkeitsströmung, den sogenannten aktiven Regeneratoren, stellt der Wärmeaustausch zwischen dem Festkörpermaterial und dem Fluid den Engpass dar. Zahlreiche Start-ups und Forschungsgruppen arbeiten mit diesem Ansatz an magnetischen, elektrischen und anderen kalorischen Systemen.

„Die Einschränkung besteht darin, dass diese Systeme aufgrund des zu langsamen Wärmetransports häufig auf etwa einen Zyklus pro Sekunde begrenzt sind“, betonte Vogel. „Unser Ansatz ersetzt den kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom durch Verdampfungs- und Kondensationsprozesse. Anstatt Wasser über das Material zirkulieren zu lassen, verwenden wir eine Heatpipe-Kammer. Eine Heatpipe ist im Wesentlichen ein vakuumversiegelter Hohlraum, der ein Arbeitsmedium wie Wasser oder – für niedrigere Temperaturen – Ethanol beziehungsweise andere Alkohole enthält.“

Wird das elektrische Feld angelegt, erwärmt sich das Material und bringt das Arbeitsmedium zum Verdampfen, wodurch der Druck steigt. Der Dampf wird anschließend über ein Druckventil abgeführt. Wird das Feld abgeschaltet, kühlt das Material ab, der Dampf kondensiert wieder auf seiner Oberfläche und frisches Arbeitsmedium strömt von der gegenüberliegenden, kälteren Seite nach.
„Auf diese Weise kann Wärme über kleine Temperaturunterschiede transportiert werden – links etwas kälter, rechts etwas wärmer“, erläuterte Vogel weiter. „Dieser Prozess kann deutlich schneller ablaufen als bei herkömmlichen Systemen. Während flüssigkeitsbasierte Systeme typischerweise mit etwa ein bis zwei Hertz arbeiten, haben wir bereits einen Betrieb mit bis zu 20 Hertz demonstriert – also 20 Verdampfungs- und Kondensationszyklen pro Sekunde.“

Durch die Reihenschaltung mehrerer Stufen, die jeweils durch Rückschlagventile voneinander getrennt sind, lassen sich größere Temperaturhübe erzielen. „Dadurch können wir Temperaturunterschiede von mehreren Grad überbrücken, beispielsweise von 5 bis 40 Grad Celsius in typischen Anwendungen“, sagte Vogel.

Das System besteht aus drei wesentlichen thermodynamischen Komponenten: einem Verdampfer, einem Kondensator und einem Ventil. Das Grundprinzip ähnelt damit konventionellen Kältesystemen, wird jedoch in einem festkörpergestützten Kreislauf umgesetzt. „Das System wird aus modularen Segmenten aufgebaut, einschließlich speziell entwickelter Rückschlagventile, die bereits bei sehr geringen Druckunterschieden öffnen und gleichzeitig zuverlässig schließen“, ergänzte der Geschäftsführer. „Eine vierstufige Kaskade hat bereits eine Kühlleistung von zwei Watt bei einem Temperaturhub von zwei Kelvin demonstriert.“

Darüber hinaus wurde eine spezielle Leistungselektronik entwickelt, um das Material kontinuierlich zu be- und entladen. Da jeweils jedes zweite Element unter Spannung steht, während die übrigen nicht geladen werden, ist eine vergleichsweise anspruchsvolle Ansteuerschaltung erforderlich.

„In den Experimenten ,atmet‘ das System sichtbar, das heißt, in der Kammer laufen wiederholt Verdampfungs- und Kondensationsprozesse ab“, erklärte Vogel weiter. „Dies wurde bereits in Prüfständen mit einzelnen Segmenten nachgewiesen. Vier Segmente wurden zudem kombiniert, um die bislang erreichten Leistungswerte zu erzielen.“

Der Weg zu einem marktreifen Produkt ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Der nächste Prototyp soll aus rund 20 Segmenten bestehen und einen Temperaturhub von 20 Kelvin sowie eine Kühlleistung von etwa 100 Watt erreichen. „Die erste kommerzielle Anwendung wird die Kühlung von Schaltschränken sowie von Photonik- und Lasersystemen sein“, sagte Vogel. „Dabei handelt es sich um Nischenmärkte, in denen herkömmliche Kältemittel aufgrund von Sicherheitsanforderungen, etwa im Zusammenhang mit dem ATEX-Explosionsschutz, häufig nicht geeignet sind.“

„Wir gehen davon aus, dass die Technologie im Leistungsbereich von 100 Watt bis 10 Kilowatt letztlich rund 20 Prozent effizienter sein könnte als heutige Dampfkompressionssysteme. Die Skalierung wird allerdings schwieriger, da unser System linear mit dem Materialeinsatz wächst, während Verdichter von günstigeren Skaleneffekten profitieren“, so Vogel. „Deshalb zielen wir nicht auf sehr große Anwendungen wie die Klimatisierung von Hotels, sondern auf Systeme unterhalb von 10 Kilowatt, einschließlich Wärmepumpen für Wohngebäude.“

Die ersten Kunden erwartet das Unternehmen im Bereich der industriellen Schaltschrankkühlung sowie bei Herstellern von Laserkühlsystemen. Dort kommen derzeit häufig Peltier-Elemente zum Einsatz, die als ineffizient und teuer gelten und einen Leistungskoeffizienten von weniger als eins aufweisen.

Finanziert wird Qurie unter anderem vom High-Tech Gründerfonds, dem European Investment Fund über dessen Technologietransferfonds TT49 sowie der Aepikur GmbH. Die Entwicklungsarbeiten werden zudem durch ein Forschungsprogramm des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.