Effizientes Heizen und Kühlen auch ohne schädliche Kältemittel

Die Kältetechnik ist ein schnell wachsender Markt mit hohem Energiebedarf. Selbst im relativ kühlen Deutschland werden pro Jahr über 73 TWh Strom zur Kälteerzeugung verbraucht. Nahezu alle heute verfügbaren Kältesysteme funktionieren nach dem Kompressor-Prinzip, wobei die Wärme über den veränderten Aggregatzustand eines Kältemittels abgeführt wird. Das Problem: Viele Kältemittel weisen ein mehr oder weniger großes Treibhauspotenzial bzw. sind gesundheitsschädlich und/oder brennbar. Sie werden daher EU-weit immer weiter reglementiert bzw. verboten. Weitere Nachteile: Kompressoren benötigen viel Platz, sind laut und müssen gewartet werden. Genug Gründe für uns, in das aussichtsreiche Forschungsgebiet der alternativen kalorischen Kältetechnik einzusteigen.  

Auf Basis der kalorischen Effekte lassen sich besonders energieeffiziente Kühlsysteme entwickeln, die ganz ohne Kältemittel auskommen. Sie basieren auf sogenannten magneto-, elektro- oder elastokalorischen Materialien. Diese Materialien erwärmen sich unter Einwirkung eines magnetischen oder elektrischen Felds bzw. einer mechanischen Kraft. Wird das Feld oder die Kraft entfernt, kühlen die Materialien wieder ab. So lässt sich ein Kühlzyklus realisieren.

Systemaufbau trägt entscheidend zur Kühlleistung bei

Kalorische Materialien zeigen zum Teil schon sehr gute Eigenschaften bezüglich Temperaturhub, Effizienz und Langzeitstabilität. Für eine Industrialisierung ist es aber essentiell, dass diese sehr guten Materialeigenschaften ohne Einbußen in Systeme übertragen werden. Nur so lassen sich am Ende effiziente und gleichzeitig wirtschaftliche Systeme realisieren. Das grundlegende Systemkonzept, insbesondere die Art der Wärmeübertragung, trägt dazu entscheidend bei. Am Institut erforschen wir in diesem Zusammenhang die Optimierung der Wärmeübertragung vom kalorischen Material an das zu kühlende oder zu erwärmende Medium. Dabei setzen wir auf Konzepte, welche seit langem bei Heatpipes verwendet werden. Dies ermöglicht um Größenordnungen höhere Wärmeübertragungsraten und damit auch um eine Größenordnung höhere Leistungsdichten der kalorischen Systeme.

Medien

 

Magnetokalorische Kühlsysteme

Fraunhofer IPM entwickelt energieeffiziente Kühlsysteme – ganz ohne schädliche Fluide

 

Elastokalorische
Kühlsysteme

Fraunhofer IPM arbeitet an der Kühltechnik der Zukunft – mit Materialien und Systemen, die kalorische Effekte optimal nutzen

Interview

Dr. Jochen Kopitzke von der Phillip Kirsch GmbH über die gemeinsame Entwicklung eines magnetokalorischen Kühlschranks. Das Unternehmen stellt professionelle Kühl- und Gefrierschränke für das Gesundheitswesen und Laboratorien her.

Chemie Technik (Feb. 2020)

»Magnetokalorische Kühlung mit hohem Wirkungsgrad«

Projekte im Bereich »Effizientes Heizen und Kühlen auch ohne schädliche Kältemittel«

 

26./27. Oktober 2021 am Fraunhofer IPM

InnoCool Workshop

Potenziale und Grenzen der
Kalorik ausgelotet

 

Ende Oktober diskutierten Fachleute aus der Industrie mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern über technologische Entwicklungen, mögliche Anwendungen und Marktchancen kalorischer Systeme. Verschiedene kalorische Konzepte und Systeme wurden vorgestellt und diskutiert.

Anfang 2022 wird als Ergebnis eine exklusive Studie für die teilnehmenden Unternehmen und Einrichtungen erscheinen.

 

Leitprojekt ElKaWe

Elektrokalorische Wärmepumpen

Sechs Fraunhofer-Institute entwickeln elektrokalorische Wärmepumpen als Alternative zur Kompressor-Technologie.

Projekt Elasto-Cool

Im Projekt Elastocool werden hocheffiziente elastokalorische Wärmepumpen zum Kühlen und Heizen entwickelt.

Projekt MagCon

Im Projekt MagCon entwickelte Fraunhofer IPM gemeinsam mit Fraunhofer IFAM hocheffiziente magnetokalorische Wärmepumpen als Alternative zu kompressorbasierten Wärmepumpen.

Projekt MagMed

Gemeinsam mit Industriepartnern haben wir im Projekt MagMed effiziente, kältemittelfreie Tiefkühlschränke für Medizinprodukte auf Basis von magnetokalorischer Technologie entwickelt.  

Unsere Kompetenz in Kalorik

Magnetokalorische
Systeme

Magnetokalorische Materialien sind magnetisierbare Materialien, die sich in einem magnetischen Feld erwärmen und beim Entfernen des Feldes entsprechend wieder abkühlen.

Elektrokalorische
Systeme

In elektrokalorischen Materialien wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes Wärme im elektrokalorischen Material erzeugt. Der Effekt lässt sich zum Aufbau eines Zyklus nutzen, auf dessen Basis sich Kühlsysteme bauen lassen.   

Elastokalorische
Systeme

Die spezifischen Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen lassen sich zur Kühlung oder Wärmeerzeugung nutzen.