Elektrokalorische Wärmepumpen und Kühlanlagen gelten als vielversprechende und effiziente Zukunftstechnologie. Doch noch steckt die dafür nötige Technik in den Kinderschuhen. Deshalb wird weltweit intensiv an solchen Systemen geforscht – auch in Deutschland. Ziel ist es, die drei entscheidenden Parameter elektrokalorischer Systeme, Material, Elektronik und Wärmeableitung, weiter zu optimieren. Erste Fortschritte gibt es bereits.

Effizientere Elektronik
Einen wichtigen Durchbruch bei der Elektronik der elektrokalorischen Systeme meldeten deutsche Forscher im Sommer 2023: Das Team um Kilian Bartholomé vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM hat einen Spannungswandler entwickelt, der die Verluste beim schnellen Wechsel der Ladungszyklen weiter minimiert. Das auf mehrschichtigen Modulen aus Galliumnitrid und siliziumbasierten Feldeffekttransistoren basierende System erreichte erstmals einen rein auf die Elektronik bezogenen Wirkungsgrad von 99,74 Prozent.
Das Entscheidende daran: Mit diesem Wert überschreitet die Elektronik erstmals die Schwelle, die nötig ist, um gängige elektrokalorische Materialien wie Blei-Magnesium-Niobat (PMN) über einen Gesamtwirkungsgrad von 50 Prozent zu bringen. „Ohne Temperatur-Regeneration ist für dieses Material in Carnot-Zyklen eine Ladungseffizienz von mehr als 99,71 Prozent nötig“, erklären Bartholomé und sein Team. Genau diese Schwelle haben sie nun geknackt. Ihren Berechnungen zufolge kann eine elektrokalorische Wärmepumpe mit dieser Elektronik und dem Material PMN einen Carnot-Wirkungsgrad von 52,5 Prozent erreichen.
„Dies ist ein Meilenstein auf dem Weg zu elektrokalorischen Wärmepumpen, denn es macht diese Systeme gegenüber den gängigen Wärmepumpen konkurrenzfähig“, konstatieren die Forscher. Werden diese elektrokalorischen Systeme zusätzlich mit einer effizienten Wärmerückgewinnung gekoppelt, könnten diese Wärmepumpen in der Praxis sogar Wirkungsgrade von rund 75 Prozent erreichen – und damit weit mehr als Kompressor-gestützte Wärme- oder Kühlaggregate.