Wissenschaftler behaupten bahnbrechende Festkörper-Wärmepumpe

Deutschland: Wissenschaftlern in Deutschland soll ein wichtiger Durchbruch bei der Entwicklung festkörperelektrischer Wärmepumpen gelungen sein.

Elektrische Wärmepumpen gelten als Alternative zur aktuellen kompressorbasierten Technologie, da sie kein Kältemittel benötigen und höhere Wirkungsgrade versprechen.

Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF behaupten, mit der Entwicklung einer hocheffizienten Schaltungstopologie für Spannungswandler mit einem elektrischen Wirkungsgrad von mehr als 99,74 % einen Meilenstein in der Leistungselektronik erreicht zu haben.

Aufgrund ihrer Technologie erreichen aktuelle Wärmepumpen nur etwa 50 % des physikalischen Carnot-Grenzwerts, während eine elektrische Wärmepumpe theoretisch 85 % erreichen könnte, behaupten die Forscher. Das Erreichen dieses Wirkungsgrades hängt jedoch maßgeblich von der Effizienz der integrierten Leistungselektronik ab.

Das Fraunhofer-Projekt Elektrokalorische Wärmepumpen, kurz ElKaWe, sucht nach Bauelementen auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN), um die Energiedichte und Effizienz zu steigern.

Forscher haben nun erstmals Leistungselektronik speziell für kalorischen Strom entwickelt und verbessert. Sie haben erfolgreich eine hocheffiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler auf Basis von GaN-Transistoren implementiert und dabei einen elektrischen Wirkungsgrad von 99,74 % im elektrischen Leistungspfad erreicht.

Laut dem Team des Fraunhofer-Instituts übertrifft der GaN-basierte Multilevel-DC/DC-Wandler den bisherigen Fall der Suche nach Umwandlungswirkungsgraden von weniger als 90 % für die elektrische Steuerung dieser neuen Wärmepumpen bei weitem.

Das Team besteht darauf, dass die deutliche Effizienzsteigerung der Antriebselektronik direkte Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems hat. Bisher waren vollelektrische Wärmepumpensysteme unter anderem durch den Verlust der Elektronik limitiert. Der gesteigerte elektrische Wirkungsgrad führt direkt zu einer höheren Leistungszahl der gesamten Wärmepumpenanlage und ist somit ein wesentlicher Meilenstein auf dem Weg zu effizienteren Wärmepumpen.

sagte Dr. Stefan Mönch, Forscher im Bereich Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.

„Es gibt noch viel Forschungsbedarf, aber in Zukunft könnte diese Technologie eine effizientere und völlig emissionsfreie Heiz- und Kühllösung sein.“

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