Leitprojekt ElKaWe

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

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.

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.

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.

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.

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.