Leitprojekt ElKaWe

Elektrokalorische Wärmepumpen

Im Leitprojekt »ElKaWe« arbeiten sechs Fraunhofer-Institute unter der Leitung des Fraunhofer IPM an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen. Wärmepumpen arbeiten heute nahezu ausschließlich auf Basis von Kompressor-Technologie. Elektrokalorische Wärmepumpen versprechen einen deutlich höheren Wirkungsgrad und kommen ohne schädliche Kältemittel aus. Im Rahmen des Projekts entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler keramische und polymerbasierte elektrokalorische Materialien und arbeiten an einem innovativen Systemansatz, der eine besonders effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht. Die Arbeiten im Projekt sollen zeigen, dass elektrokalorische Wärmepumpen das Potenzial besitzen, Kompressoren langfristig abzulösen. Wärmepumpen sind ein wichtiger Baustein für die Wärmewende. Betrieben mit regenerativ erzeugtem Strom bilden sie das fehlende Bindeglied zwischen Strom- und Wärmeerzeugung. Der Zuwachs an Wärmepumpen für die Gebäudeklimatisierung verläuft jedoch zögerlich; Grund ist die mangelnde Wirtschaftlichkeit kompressorbasierter Wärmepumpen. In der Kühltechnik macht zusätzlich das schrittweise Verbot von Kältemitteln im Rahmen der europäischen F-Gase-Verordnung alternative Technologien wünschenswert.

Forschungsfelder

Elektrokalorische Materialien
Herstellung und Optimierung von Keramiken und Polymeren

Beschichtungen
Elektroden, Isolation, und hydrophile/-phobe Schichten

Elektrische Ansteuerung
schnelles Schalten + Energie-Rekuperation

Systembau
Integration von Komponenten in Heatpipes

Systemoptimierung
Simulation und Zuverlässigkeit

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?

Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen Dipolmomente im Feld aus – diese zusätzliche Ordnung geht nach Gesetzen der Thermodynamik einher mit einer Erwärmung des Materials. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun das elektrische Feld entfernt, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt – ebenfalls den Gesetzen der Thermodynamik folgend – ab. Jetzt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Der Effekt ist reversibel. So kann ein Zyklus aufgebaut werden, der als effiziente Wärmepumpe zum Kühlen oder Heizen funktioniert.

Fakten zum Projekt

Projektbeginn
1. Oktober 2019

Projektende
30.09.2023 (ursprünglich). Für das Projekt wurden aufgrund der wissenschaftlichen Erfolge weitere Projektmitteln in Höhe von ca. 980 Tsd. Euro freigegeben. Die Projektlaufzeit wurde um 15 Monate verlänger. Das Projekt endet am 31. Dezember 2024.

Koordination
Fraunhofer IPM

Finanzierung
Fraunhofer-Leitprojekt

Deutschlandfunk: Forschung kompakt / 29.11.2023

»Kühlen ohne Reue: Luxemburger Forschungsteam präsentiert neuartige Wärmepumpe«

 

Es tut sich einiges in der Elektrokalorik: Im Deutschlandfunk-Interview kommentiert Dr. Kilian Bartholomé das viel versprechende Forschungsergebnis eines Luxemburger Teams auf dem Gebiet der Elektrokalorik.

 

Green ICT Award 2023 der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)

Masterarbeit
ausgezeichnet

Kareem Mansour, Masterand am Fraunhofer IAF, erhielt den Green ICT Award 2023 für seine Masterarbeit

»Design and Implementation of a Highly Efficient Bidirectional DC-DC Converter for Multi-Phase Control of Capacitive Loads«.

Die Arbeit ist im Rahmen des ElKaWe-Projekts entstanden.

Herzlichen Glückwunsch vom gesamten ElKaWe-Team!

 

Presseinformation Fraunhofer IPM / 20.7.2023

Leistungselektronik erzielt Wirkungsgrad von über 99,7 Prozent

Im Rahmen des ElKaWe-Projekts haben Forschende des Fraunhofer IAF eine Schaltungstopologie für Spannungswandler mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent realisiert. Die Leistungselektronik soll in elektrokalorischen Wärmepunpen zum Einsatz kommen.

 

 

Deutschlandfunk-Interview / 4.4.2023

»Forscher wollen
Wärmepumpen besser
machen«

Im Interview mit Deutschlandfunk-Redakteur Frank Grotelüschen skizziert Kilian Bartholomé das Potenzial elektrokalischer Wärmepumpen für die Wärmewende.

 

Whitepapier / 2.5.2022

Womit heizen wir
morgen?

 

 

Im Whitepaper »Materials for the European Green Deal« des hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Wohnen berichtet Dr. Kilian Bartholomé über die Forschung zu elektrokalorischen Wärmepumpen im Rahmen von ElKaWe. (S. 28)

Wisenschaftliche Publikationen im Projekt

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2023 A 99.74% Efficient Capacitor-Charging Converter using Partial Power Processing for Electrocalorics
Mönch, Stefan; Reiner, Richard; Mansour, Kareem; Waltereit, Patrick; Basler, Michael; Quay, Rüdiger; Molin, Christian; Gebhardt, Sylvia; Bach, David; Binninger, Roland; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 On the efficiency of caloric materials in direct comparison with exergetic grades of compressors
Schipper, Jan; Bach, David; Mönch, Stefan; Molin, Christian; Gebhardt, Sylvia; Wöllenstein, Jürgen; Schäfer-Welsen, Olaf; Vogel, Christian; Langebach, Robin; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 How highly efficient power electronics transfers high electrocaloric material performance to heat pump systems
Mönch, Stefan; Reiner, Richard; Waltereit, Patrick; Basler, Michael; Quay, Rüdiger; Gebhardt, Sylvia; Molin, Christian; Bach, David; Binninger, Roland; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Spatio-temporal solid-state electrocaloric effect exceeding twice the adiabatic temperature change
Mönch, Stefan; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2023 Phenomenological Material Model for First-Order Electrocaloric Material
Unmüßig, Sabrina; Bach, David; Nouchokgwe Kamgue, Youri Dilan; Defay, Emmanuel; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 A GaN-based DC-DC Converter with Zero Voltage Switching and Hysteretic Current Control for 99% Efficient Bidirectional Charging of Electrocaloric Capacitive Loads
Mönch, Stefan; Mansour, Kareem; Reiner, Richard; Basler, Michael; Waltereit, Patrick; Quay, Rüdiger; Molin, Christian; Gebhardt, Sylvia; Bach, David; Binninger, Roland; Bartholome, Kilian
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2022 Enhancing Electrocaloric Heat Pump Performance by Over 99% Efficient Power Converters and Offset Fields
Mönch, Stefan; Reiner, Richard; Waltereit, Patrick; Molin, Christian; Gebhardt, Sylvia; Bach, David; Binninger, Roland; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 GaN Power Converter Applied to Electrocaloric Heat Pump Prototype and Carnot Cycle
Mönch, Stefan; Reiner, Richard; Mansour, Kareem; Basler, Michael; Waltereit, Patrick; Quay, Rüdiger; Bartholome, Kilian
Konferenzbeitrag
Conference Paper
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

This list has been generated from the publication platform Fraunhofer-Publica

Teilprojekte

Gesamtsystem und Simulation

Das Fraunhofer IPM entwickelt im Rahmen des Projekts einen Systemaufbau für eine effiziente elektrokalorische Wärmepumpe. Der Wärmeübertrag zwischen elektrokalorischem Material und Wärmeübertragereinheit wird nach dem Prinzip einer Heatpipe über eine Kombination aus Verdampfen und Kondensieren eines Fluids (z. B. Wasser) und einer thermischen Diode realisiert. Dabei kommen keine schädlichen Kältemittel zum Einsatz. Dieser neuartige, patentierte Ansatz gewährleistet Wärmeübertragungsraten, die um ein Vielfaches höher sind als jene bei bisher bekannten festkörperbasierten Wärmepumpen.

 

Experimentier-Plattform für den Aufbau elektrokalorischer Wärmepumpen im ElKaWe-Projekt

Projekt ElKaWe: Experimentier-Plattform für den Aufbau elektrokalorischer Wärmepumpen
© Fraunhofer IPM
Messplatz zur Charakterisierung elektrokalorischer Segmente.
Projekt ElKaWe: Experimentier-Plattform für den Aufbau elektrokalorischer Wärmepumpen
© Fraunhofer IPM
Elektrokalorisches Segment integriert in Systemmessplatz.
Projekt ElKaWe: Experimentier-Plattform für den Aufbau elektrokalorischer Wärmepumpen
© Fraunhofer IPM
Elektrokalorisches Segment

Keramische Materialien und Komponenten

Das Fraunhofer IKTS entwickelt im Rahmen des Projekts elektrokalorische Materialien und Komponenten auf Basis keramischer Werkstoffe und Technologien. Im Vordergrund steht die Synthese und gezielte Modifikation funktionskeramischer Materialien für hohe reversible Temperaturänderungen im Bereich der Anwendungstemperatur. Über Foliengießen und keramische Mehrlagentechnologie werden robuste elektrokalorische Komponenten mit hoher Durchschlagfestigkeit gefertigt. Der in der Mikroelektronik etablierte Herstellungsprozess von Multilayerkeramikkondensatoren (MLCC) erlaubt dabei eine serientaugliche Fertigung von Bauteilen zur Integration in festkörperbasierte Wärmepumpen.

Hybrid-Materialien

Das Fraunhofer IAP entwickelt im Rahmen des Projekts elektrokalorische Materialien und Komponenten auf Basis von Polymeren sowie in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS auch auf Basis von Hybrid-Materialien. Im Rahmen der Entwicklung elektrokalorisch-aktiver Polymere untersucht das Fraunhofer IAP die Prozessierung verschiedener Terpolymere mit Relaxor-ferroelektrischen Eigenschaften in unterschiedlichen Schichtdicken. Darüber hinaus soll die Optimierung der intrinsischen Materialeigenschaften im Hinblick auf hohe elektrokalorische Effekte erforscht werden. Auf Basis dieser optimierten Polymermaterialien erfolgt anschließend die Entwicklung von elektrokalorisch-aktiven Komponenten u.a. über Schicht- bzw. Stapelprozesse und deren Bereitstellung für die Integration in das Gesamtsystem. Alternativ werden zudem aus elektrokalorisch-aktiven keramischen Partikeln, dispergiert in einer elektrokalorischen Polymermatrix, Hybrid-Materialen mit ebenfalls elektrokalorischem Effekt entwickelt.

Beschichtungen

Das Fraunhofer FEP entwickelt und appliziert alle Oberflächenbeschichtungen, die für die Funktion der elektrokalorischen Wärmepumpe notwendig sind. Ungeachtet ihrer geringen Dicke von nur wenigen Mikrometern sind sie in der Lage, das Eigenschaftsprofil der betreffenden Bauteiloberfläche grundlegend zu verändern und an den Einsatzfall anzupassen. Im Einzelnen handelt es sich dabei um Schichten zur elektrischen Isolation der aktiven Komponenten, zur Einstellung des Benetzungsverhaltens der mit dem Arbeitsfluid im Kontakt stehenden Oberflächen sowie zum Schutz der eingesetzten Materialien vor dem Eindringen von Fremdgasen und vor Korrosion. Alle Schichten werden mittels vakuumbasierter Verfahren (PVD, CVD) aufgebracht.

Elektrische Ansteuerung

Fraunhofer IAF entwickelt die elektrische Ansteuerung der elektrokalorischen Zellen. Dafür werden zunächst umfassend die dielektrischen Verlusteigenschaften der Zellen messtechnisch in Abhängigkeit von Spannung, Temperatur und Frequenz erfasst und ein Simulationsmodell erstellt. Basierend darauf wird die Ansteuerung der Zellen in einem zweiten Schritt möglichst energieeffizient ausgelegt. Dabei sollen maßgeschneiderte innovative Halbleiterbauelemente den Wirkungsgrad maximieren.

Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität

Das Fraunhofer LBF bringt im Rahmen des Projekts seine langjährigen Erfahrungen in der Materialforschung polymerbasierter elektroaktiver Materialien ein. Die Charakterisierung und Zuverlässigkeitsanalyse dieser Materialien, die Simulation ihres Verhaltens sowie die Entwicklung systemtheoretischer Zuverlässigkeitsmodelle der Komponenten und des Gesamtsystems stehen im Fokus der Forschungen.

 

Weitere Informationen

Magneto-, elektro- und elastokalorische Systeme

Wir forschen seit einigen Jahren in verschiedenen Projekten an kalorischen Systemen zum Kühlen und Heizen.