Eine Wärmepumpe, die komplett ohne Kompressor und Kältemittel auskommt: Das klingt nach Zukunftsmusik, wird aber gerade in Freiburg Realität. Das Start-up Qurie hat eine Festkörper-Wärmepumpe entwickelt, die auf elektrokalorischen Materialien basiert und den Energieverbrauch um bis zu 30 Prozent senken soll.
Bisherige Kompressionswärmepumpen belasten die Umwelt durch klimaschädliche Kältemittel oder erfordern hohe Betriebsdrücke. Eine neue Wärmepumpe des Freiburger Unternehmens Qurie basiert stattdessen auf einem elektrokalorischen Kreislauf mit Festkörpermaterialien wie Keramiken oder Polymeren.
Bei einem angelegten elektrischen Feld ordnen sich die Dipole im Material an, wodurch es sich erwärmt. Nach dem Abschalten der Spannung kühlt der Stoff wieder ab, was einen thermischen Kreislauf erzeugt. Der langsame Wärmetransport begrenzte die Betriebsfrequenz solcher Anlagen meist auf einen Zyklus pro Sekunde.
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Das Start-up will dieses Problem durch eine Kammer mit speziellen Heatpipes lösen. In diesen Vakuum-versiegelten Hohlräumen verdampft und kondensiert ein Arbeitsmedium wie Wasser oder Ethanol sehr schnell. Dadurch demonstrierten die Entwickler bereits eine Betriebsfrequenz von bis zu 20 Hertz.
Wärmepumpe ohne Kompressor: Wie erzeugt ein elektrisches Feld Wärme und Kälte?
Die Wärmepumpe besteht aus mehreren modularen Segmenten. Spezielle Rückschlagventile trennen die Bauteile in der Anlage voneinander. Eine vierstufige Kaskade lieferte laut Tests bereits eine Kühlleistung von zwei Watt bei zwei Kelvin Temperaturhub. Für eine kontinuierliche Be- und Entladung sorgt eine eigens dafür entwickelte Leistungselektronik.
Der nächste Prototyp soll aus 20 Segmenten bestehen und eine Leistung von 100 Watt erzielen. Die erste kommerzielle Anwendung der Technologie dürfte in der Kühlung von Schaltschränken sowie von Laser- und Photoniksystemen liegen. In diesen Nischenmärkten scheiden konventionelle Kältemittel wegen strenger Explosionsschutz-Anforderungen häufig aus. Dort kommen derzeit häufig Peltierelemente zum Einsatz, die als ineffizient und teuer gelten.
Warum herkömmliche Kältemittel vor dem Aus stehen
Die Vermeidung herkömmlicher Kältemittel löst ein zentrales Problem der Klimatechnik. Viele genutzte Substanzen dürften schrittweise vom Markt verschwinden. Qurie-Mitgründer Christian Vogel erklärte gegenüber dem PV Magazine:
Viele der besten Kältemittel sind entweder bereits verboten oder werden schrittweise vom Markt genommen, vor allem weil sie entweder zum Ozonabbau beigetragen haben oder ein hohes Treibhauspotenzial besitzen. Natürliche Kältemittel sind eine gute Alternative, bringen aber eigene Einschränkungen mit sich. Einige sind brennbar und deshalb für bestimmte Anwendungen ungeeignet, während andere wie Kohlendioxid sehr hohe Betriebsdrücke erfordern, was kleine Systeme teuer und komplex macht.
Langfristig strebt das Unternehmen einen breiteren Einsatz im Leistungsbereich unter zehn Kilowatt an. Das Ziel seien effiziente Wärmepumpen für Wohngebäude. Ein Hightech-Gründerfonds sowie ein Forschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unterstützen die Ausgründung finanziell. Obwohl die Skalierung eine Herausforderung bleibt, könnten Wärmepumpen ohne Kompressor und Kältemittel für Wohngebäude den Markt verändern.
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