Elektrokalorische Systeme

Festkörperbasierte Wärmepumpen und Kühlsysteme auf Basis elektrokalorischer Materialien könnten sich zu einer umweltfreundliche Alternative zur Kompressor-Technologie entwickeln.

Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?

Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische (EK) Materialien an, so richten sich die elektrischen Dipolmomente im Feld aus und es kommt zur Erwärmung des Materials. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun das elektrische Feld entfernt, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt auf einen Wert unterhalb der Ausgangstemperatur ab. Jetzt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Dieser Effekt ist zu einem sehr hohen Grad reversibel und lässt sich zyklisch nutzen. So lassen sich potenziell sehr energieeffiziente Kühlsysteme und Wärmepumpen realisieren.

Zentrale Innovation: neuartiges Konzept zum Wärmeübertrag

Fraunhofer IPM setzt beim Aufbau elektrokalorischer Systeme auf ein patentiertes Systemkonzept. Grundlage des Konzepts ist die schnelle Wärmeübertragung mittels latenter Wärme innerhalb einer gesättigten Dampfatmosphäre (Heatpipe-Bedingung). Durch Verdampfen und Kondensieren eines Fluides wird Wärme effektiv auf das EK-Material übertragen und wieder abgegeben. Dadurch werden um eine Größenordnung höhere Wärmeleistungsdichten möglich als in alternativen Systemansätzen. Perspektivisch lassen sich auf diese Weise kostengünstige Systeme mit einem geringeren Bauraumbedarf realisieren.

Im Speziellen arbeitet Fraunhofer IPM an:

• Entwicklung und Bau von Messplätzen zur direkten Messung des elektrokalorischen Effekts von EK-Materialien
• Kollaboration zur Entwicklung verbesserter EK-Komponenten
• Simulation elektrokalorischer Materialien (z. B. thermische FE-Simulation zur Optimierung des Aufbaus von EK-Komponenten) und Systeme
• Bau und Charakterisierung elektrokalorischer Systeme

Wir unterstützen unsere Kunden aus der Industrie bei der Konzeptionierung und Entwicklung kalorischer Systeme – bis hin zum Bau fertiger Systeme für spezifische Anwendungen. Dabei greifen wir zurück auf langjährige Technologieerfahrung, etablierte Lieferantenkontakte sowie auf die Kapazität unserer hochspezialisierten Werkstätten und Labore.