Elektrokalorische Wärmepumpe: Heizlösung der Zukunft?

Elektrokalorische Wärmepumpen nutzen physikalischen Effekt

Konventionelle Wärmepumpen übertragen thermische Energie aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser auf ein spezielles Kältemittel. Dieses verdampft. Es wird verdichtet, erhitzt, gibt Wärme ab und entspannt sich anschließend, um den Kreislauf zu schließen. Elektrokalorische Wärmepumpen funktionieren ähnlich, kommen allerdings ohne Kältemittel und Verdichter aus. Möglich ist das durch spezielle Materialien wie Keramik oder bestimmte Kunststoffe. Beaufschlagen Anlagen diese mit einem elektrischen Feld, steigt die Temperatur der Materialien an. Geht das elektrische Feld zurück, kühlen sich die Stoffe wieder ab.

Wärmepumpenkreislauf mit Feststoffen statt Kältemitteln

In der Praxis lässt sich die Funktionsweise einer elektrokalorischen Wärmepumpe in vier Schritten verständlich erklären:

• Schritt 1 – Elektrokalorisches Material nimmt Wärme auf:  Im ersten Schritt geht Wärme aus einer Umweltquelle wie der Erde, der Luft oder dem Grundwasser auf das spezielle Material über.
• Schritt 2  – Elektrisches Feld hebt Temperaturniveau an:  Anschließend legt die elektrokalorische Wärmepumpe ein elektrisches Feld an. Dadurch erwärmt sich das Material auf ein zur Raumheizung nutzbares Maß.
• Schritt 3  – Nutzbare Wärme geht auf das Heizsystem über: Im nächsten Schritt  überträgt die Heizung Wärme auf das Heizungswasser. Das spezielle Speichermaterial kühlt sich dadurch ab.
• Schritt 4  – Ohne elektrisches Feld kühlt das Material ab:  Zusätzlich geht auch das elektrische Feld zurück. Das Material kühlt sich weiter ab und nimmt seinen Ausgangszustand wieder ein. Ist dieser erreicht, beginnt der Prozess von vorn.

Die für den Prozess benötigten Komponenten lassen sich in einer kompakten Hülle unterbringen. Die größten Unterschiede zur Wärmepumpe bestehen daher im Kältemittel und im Verdichter: Beide sind zum Betrieb der elektrokalorischen Wärmepumpen nicht erforderlich.

Vorteile und Einsatzbereiche der modernen Heizungslösung

Elektrokalorische Wärmepumpen haben einige Vorteile gegenüber konventionellen Umweltheizungen. So bestehen sie zum Beispiel aus weniger beweglichen Teilen, was die Anfälligkeit und den Wartungsaufwand reduziert. Die Anlagen arbeiten ohne Verdichter besonders leise und stellen ohne Kältemittel eine deutlich geringere Gefahr für die Umwelt dar.

Hohe Effizienz erwartet

Ein weiterer Vorteil liegt in der Effizienz, die wesentlich höher sein soll als bei einer heute üblichen Wärmepumpe mit elektrischem Kompressor. Experten gehen sogar davon aus, dass die Wärmeerzeuger 85 Prozent des idealen Carnot-Wirkungsgrades erreichen. Konventionelle Wärmepumpenheizungen kommen bedingt durch Ihre Funktion hier auf etwa 50 Prozent. Das heißt: Elektrokalorische Wärmepumpen erreichen höhere COPs und könnten bei gleicher Einbausituation geringere Heizkosten verursachen.

Die folgende Übersicht fasst die größten Vorteile noch einmal zusammen:

• Höhere Effizienz als übliche Wärmepumpenlösungen
• Besonders leiser Betrieb, da kein Verdichter erforderlich ist
• Geringe Umweltgefahr, da kein Kältemittel erforderlich ist
• Zuverlässiger Betrieb mit weniger beweglichen Teilen
• Geringerer Wartungsaufwand durch einfacheren Aufbau

Zum Einsatz komme die Technik dabei grundsätzlich überall dort, wo Wärmepumpen und Klimaanlagen auch heute im Einsatz sind. Also beispielsweise bei der Beheizung und Kühlung von Gebäuden, Räumen, Behältern oder Fahrzeugen.

Aktueller Stand und Rolle der Wärmepumpen in der Zukunft

Derzeit befindet sich die vielversprechende Technik im Entwicklungsstadium. So arbeiten Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute an Demonstratoren mit geringer Leistung, die bereits einen Temperaturhub von 30 Kelvin realisieren sollen. Die Zusammenarbeit läuft dabei im Forschungsprojekt elektrokalorische Wärmepumpen, kurz „ElKaWe“.

Aktuell noch keine Marktreife

Für die Zukunft sehen Forscher hier ein disruptives Potenzial. Sie gehen also davon aus, dass die besondere Technik heute verfügbare Heizlösungen einmal komplett ersetzen kann. Bis die elektrokalorische Wärmepumpe Marktreife erlangt, wird es allerdings noch einige Jahre dauern.