Elektrokalorische Wärmepumpen Wie Dünnschichten die Wärmeübertragung effizienter machen

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Für das Erreichen der Klimaziele braucht es alternative Technologien zum Heizen und Kühlen. Gängige Wärmepumpen und Klimaanlagen sind jedoch laut, verbrauchen viel Strom und nutzen klimaschädliche Kühlmittel. Elektrokalorische Wärmepumpen könnten hier eine Alternative sein.

Wissenschaftler entwickeln weltweit elektrokalorische Wärmepumpen – sie nutzen Materialien, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Temperatur verändern können und dadurch Wärme oder Kälte erzeugen. Innerhalb des Fraunhofer-Leitprojektes ElKaWe hat das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Dünnschichten zur Verbesserung der Wärmeübertragung in elektrokalorischen Wärmepumpen erzielt. Die neuesten Forschungsergebnisse werden während der Konferenz und Ausstellung PSE 2024 vom 2. - 5. September 2024 in Erfurt vorgestellt.

Elektrokalorische Wärmepumpen als Alternative

Angesichts der ehrgeizigen Klimaziele Deutschlands, die eine Reduktion der Treibhausgasemissionen um 65 Prozent bis 2030 im Vergleich zu 1990 vorsehen, und des geplanten Ausstiegs aus fossilen Energien zu Heizzwecken steigt der Bedarf an alternativen Technologien zum Heizen und Kühlen. Wärmepumpen bieten hier bereits gute Alternativen, um im Winter heizen und im Sommer kühlen zu können. Allerdings sind herkömmliche Wärmepumpen und Klimaanlagen laut, haben einen hohen Stromverbrauch und nutzen klimaschädliche Kältemittel.

Aus diesem Grund entwickeln Wissenschaftler weltweit elektrokalorische Wärmepumpen. Auch sechs Fraunhofer-Institute bearbeiten verschiedene Forschungsschwerpunkte dazu innerhalb des Leitprojektes ElKaWe. Diese innovativen Wärmepumpen nutzen Materialien, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Temperatur verändern können, und dadurch Wärme oder Kälte erzeugen. Außerdem kommen sie ohne schädliche Kältemittel aus und zeichnen sich durch eine höhere Energieeffizienz aus, was zu einer Reduktion des Energieverbrauchs und somit der CO₂-Emissionen führt. Die kompakte Bauweise und die geringere Geräuschentwicklung erhöhen zudem die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie in urbanen und sensiblen Umgebungen.

Oberflächenbenetzbarkeit für optimale Wärmeübertragung

Die Wärmeübertragung in elektrokalorischen Wärmepumpen erfolgt durch latente Wärme, wenn das Arbeitsfluid auf den elektrokalorischen Materialien verdampft bzw. kondensiert. Eine optimale Wärmeübertragung erfordert eine vollständige Benetzung der Oberfläche der elektrokalorischen Komponenten durch das Arbeitsmedium. Da diese Oberflächen zunächst hydrophob, das heißt nicht benetzbar sind, hat das Fraunhofer FEP superhydrophile Metalloxid-Dünnschichten mittels Magnetronsputtern entwickelt, die diese Herausforderung adressieren.

Materialien wie Titandioxid sind bekannt für ihre Eigenschaft der photoinduzierten Hydrophilie. Damit kann man eine benetzbare Oberfläche erreichen, solange sie regelmäßig mit UV-Licht aktiviert wird. Innerhalb einer elektrokalorischen Wärmepumpe ist eine regelmäßige UV-Aktivierung jedoch nicht praktikabel.

Die am Fraunhofer FEP entwickelten Dünnschichten bieten eine dauerhafte Hydrophilie, die nicht nur auf der intrinsischen hydrophilen Natur der Materialien, sondern auch auf ihrer mesoporösen Mikrostruktur basiert. Diese Mikrostruktur besteht aus Poren mit Durchmessern zwischen 2 und 50 nm, die Kapillareffekte auf der Nanometerskala fördern und so die Flüssigkeitsausbreitung auf der Oberfläche verbessern.

Studien zur Tröpfchendynamik

Maria Barrera, Doktorandin und Projektbearbeiterin am Fraunhofer FEP, erläutert weitere positive Effekte: „Wir haben Studien zur Tröpfchendynamik durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die beschichteten elektrokalorischen Komponenten eine höhere Tröpchennukleation und Wachstumsrate aufweisen als unbeschichtete Komponenten. Dies ermöglicht es, innerhalb einer Sekunde mehrere Zyklen von Kondensation und Wiederverdampfung zu durchlaufen. Dank der mesoporösen Beschichtungen bleibt fast die gesamte Fläche während der Kondensationsprozesse aktiv. Das verbessert also die Wärmeübertragungsleistung erheblich.“

Superhydrophilie durch Metalloxid-Dünnschichten mittels Magnetron-Sputtern

Die Untersuchungen zur Tröpfchenkondensation haben gezeigt, dass die neuen Beschichtungen die Wärmeübertragungsrate durch beschleunigtes Tröpfchenwachstum um bis zu zwei Größenordnungen verbessern können. Kondensations- und Verdampfungsprozesse laufen auf superhydrophil beschichteten Oberflächen deutlich schneller ab als auf unbeschichteten.

Das Fraunhofer FEP ist seit Jahrzehnten Experte für die Entwicklung von dünnen, funktionalen Schichten sowie Prozessen zu deren Abscheidung vom Labor- bis zum Pilotmaßstab. Eine der Kernkompetenzen des Institutes liegt in der Realisierung dünnster Schichten mittels Magnetron-Sputter-Verfahren. Die Entwicklung der hydrophilen Metalloxidschichten wurde im Labormaßstab auf der institutseigenen Batchanlage Universa zur Beschichtung von 3D-Substraten durchgeführt.

Geeignet für elektrokalorische Wärmepumpen

Die erreichte dauerhafte Superhydrophilie der Schichten macht diese besonders geeignet für den Einsatz in Festkörperkühlgeräten wie elektrokalorischen Wärmepumpen. Darüber hinaus können diese Dünnschichten in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine schnelle Tröpfchennukleation oder eine vollständige Benetzung der Oberfläche durch eine Flüssigkeit entscheidend sind.

„Die Entwicklung der elektrokalorischen Wärmepumpe hat das Potenzial, ein Game-Changer für nachhaltige Wärmepumpentechnologie zu werden“, meint Maria Barrera weiter. Die Forschenden befinden sich derzeit mit ihren Aktivitäten im Labormaßstab und arbeiten an der Skalierung und Weiterentwicklung der Technologie, sodass eine Marktreife in 5-7 Jahren erwartet werden kann. Ein Fokus in der Weiterentwicklung der vielversprechenden Technologie liegt auf polymer-basierten elektrokalorischen Wärmepumpen der Zukunft. Die Forschenden sind dazu für Folgeprojekte offen und stellen die aktuellen Ergebnisse im Rahmen der Konferenz PSE 2024 vom 2.-5. September 2024 in Erfurt vor.

Weitere Informationen: www.fep.fraunhofer.de

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