Wärmepumpen-Leitprojekt „ElKaWe“ Festkörper-Wärmepumpe: DC/DC-Wandler mit 99,74 % Wirkungsgrad

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Das Fraunhofer Institut forscht an neuartigen Wärmepumpen, die ohne Kompressoren und Kältemittel auskommen und effizienter sein sollen. Ein Meilenstein haben die Forscher nun erreicht: Eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler mit 99,74 Prozent elektrischem Wirkungsgrad.

Im Fraunhofer-Leitprojekt „ElKaWe“ arbeiten Forschende an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen als Alternative zur derzeit vorherrschenden Kompressor-Technologie. Diese neuartigen Wärmepumpen versprechen laut Institut eine höhere Effizienz und kommen ohne Kältemittel aus. Forschenden des Fraunhofer IAF ist nun nach eigenen Angaben ein Meilenstein in der Leistungselektronik gelungen: Demnach haben sie eine überaus effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler realisiert, die einen elektrischem Wirkungsgrad von 99,74 Prozent erreicht. Dieses Ergebnis setze weltweit Maßstäbe und sei ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu effizienteren Festkörper-Wärmepumpen.

Heutige Wärmepumpen erreichen technologiebedingt nur etwa 50 Prozent des physikalischen Carnot-Limits – dem größten theoretisch möglichen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Elektrokalorische Wärmepumpe können theoretisch 85 Prozent schaffen. Doch wie effizient diese letztendlich sind, hängt zum großen Teil vom Wirkungsgrad der integrierten Leistungselektronik ab.

Ultra-effiziente Leistungselektronik 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.

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Nun haben die Forschenden erstmals eine Leistungselektronik speziell für die Elektrokalorik entwickelt und optimiert. Nach eigenen Angaben ist es ihnen gelungen, eine ultra-effiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler basierend auf GaN-Transistoren zu realisieren und damit einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent im elektrischen Leistungspfad zu erzielen. Der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler übertrifft laut Institut den bisherigen Forschungsstand von unter 90 Prozent Umlade-Effizienz zur elektrischen Ansteuerung dieser neuartigen Wärmepumpen bei Weitem.

Effizientere Elektronik sorgt für effizientere Wärmepumpen

Die deutliche Effizienzsteigerung der Ansteuerungselektronik wirkt sich unmittelbar 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 wäre somit 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 Prozent der maximalen theoretischen Leistungszahl zu erreichen“, sagt Dr. Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. Es bestehe noch viel Forschungsbedarf, doch zukünftig könnte diese Technologie eine effizientere und vollständig emissionsfreie Lösung zum Heizen und Kühlen werden.

„Essenziell für die Realisierung einer hohen Leistungszahl elektrokalorischer Wärmepumpen ist eine sehr hohe Effizienz bei den Materialien, der Elektronik und dem Wärmeübertrag“, ergänzt Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter von „ElKaWe“ und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. „Bekommt man das alles in den Griff, hat die Elektrokalorik ein enormes Potenzial.“ (me)

Die Ergebnisse wurden bereits teilweise im IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics veröffentlicht.

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