Im kürzlich abgeschlossenen Fraunhofer-Leitprojekt ElKaWe haben Forschende von sechs Fraunhofer-Instituten bedeutende Fortschritte in der Entwicklung hocheffizienter festkörperbasierter Wärmepumpen erzielt – bei Material, Elektronik und Systemaufbau. Im Fokus stand die Nutzung elektrokalorischer Materialien, die ohne schädliche Kältemittel auskommen und potenziell effizienter arbeiten. Am Fraunhofer IKTS wurde das Potenzial keramischer Materialien untersucht.

Festkörperbasierte Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen nutzen den elektrokalorischen Effekt, um Wärme durch Anlegen und Entfernen eines elektrischen Feldes zu transportieren. Gegenüber heutigen Kompressor-basierten Wärmepumpen arbeiten elektrokalorische Wärmepumpen ohne schädliche Kältemittel. Sie sind zudem potenziell energieeffizienter, leiser und erfordern weniger Wartung, da sie keine beweglichen Teile wie Kompressoren besitzen.

Entscheidend für die Effizienz und Langlebigkeit elektrokalorischer Wärmepumpen ist das elektrokalorisch-aktive Material. Im Konsortium wurden verschiedene Polymer- und Keramikmaterialien erprobt.

Das Fraunhofer IKTS entwickelte hierfür keramische Mehrlagenkomponenten auf Basis von PMN-PT (Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Titanat), die den hohen Anforderungen an Durchschlagfestigkeit und Betriebsfrequenz gerecht wurden. Erste Langzeittests beweisen die hohe Stabilität der keramischen Komponenten: Selbst nach über 70 Millionen Zyklen trat keine Veränderung des elektrokalorischen Effekts auf.

Das bleifreie Barium-Strontium-Zinn-Titanat (BSSnT) erwies sich als ein weiterer vielversprechender keramischer Werkstoff, aus dem sich zukünftig elektrokalorische Komponenten im Einklang mit den geltenden RoHS-Richtlinien (Restriction of Hazardous Substances) herstellen lassen.

Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit im Projekt ElKaWe wurden mehrere Demonstrator-Systeme entwickelt, die das Potenzial der Elektrokalorik für Wärmepumpen aufzeigen. Erste Tests zeigten, dass elektrokalorische Wärmepumpen bereits mit aktuellen Materialien die Effizienz herkömmlicher Kompressorsysteme erreichen. Die Fortschritte in der Materialentwicklung und der Systemintegration markieren einen wichtigen Schritt in Richtung Marktfähigkeit und könnten die Zukunft der Heiz- und Kühltechnik nachhaltig beeinflussen.