Fraunhofer IPM
Wärmepumpen sind im Zuge der Wärmewende verstärkt ins öffentliche Interesse gerückt. Das grundlegende Prinzip der sogenannten Kraftwärmemaschinen wurde bereits in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts erfunden. Seither kühlen oder heizen Wärmepumpen durch Kom-pression und Verdampfen eines Kältemittels in einem geschlossenen Kreislauf. Alle handelsüblichen Kühlschränke funktionieren nach dem Prinzip. Die aus dem Freiburger Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM hervorgegangene Qurie GmbH will mit einem grundsätzlich neuen Konzept die Wärmepumpen-Technologie der Zukunft revolutionieren. Mit kalorischen Materialien lassen sich Wärmepumpen ohne Kompressor realisieren. Das hat viele Vorteile: Während kompressorbasierte Wärmepumpen maximal 50 Prozent des thermo-dynamisch möglichen Wirkungsgrades erreichen, liegt die theoretische Effizienz kalorischer Systeme bei über 80 Prozent. So ergeben sich also potenziell etwa 40 Prozent Ersparnis bei der Antriebsenergie. Kalorische Wärmepumpen benötigen keine schädlichen Kältemittel, sind geräusch- und wartungsarm und können perspektivisch günstiger produziert werden.
Erste Zielmärkte: Schaltschrank- und Laserkühlung
Fraunhofer IPM forscht seit mehr als zehn Jahren zum Thema kalorische Wärmepumpen auf Basis elektro-, magneto- und elastokalorischer Materialien. Nun wagen Forschende des Insti-tuts mit Qurie den Schritt in den Markt und setzen dabei auf elektrokalorische Kühltechnik. Elektrokalorische Wärmepumpen nutzen die Temperaturänderung eines Festkörpermaterials unter Einfluss eines elektrischen Felds, um einen Kühlkreislauf zu etablieren. Der Systemaufbau ist im Vergleich zu magneto- oder elastokalorischen Materialien einfach, da weder Magnete noch Aktorsysteme benötigt werden. Eine der Schlüsselinnovationen, die Fraunhofer IPM in das Start-up einbringt, ist ein weltweit patentiertes Konzept für die Wärmeabfuhr auf Basis aktiver elektrokalorischer Heatpipes (AEH). Die AEH ermöglichen einen schnellen latenten Wärmeübertrag durch Verdampfen und Kondensieren eines Fluids, z. B. Ethanol oder Wasser, auf dem kalorischen Material. »Mit unserem Heatpipe-Ansatz führen wir die Wärme im Sys-tem sehr effizient ab und können so deutlich höhere Pumpfrequenzen realisieren als bisher beim Wärmetransport über Flüssigkeiten«, sagt Dr. Kilian Bartholomé, Gruppenleiter am Fraunhofer IPM und neben Dr. Christian Vogel einer der Qurie-Gründer. Das junge Unternehmen mit zunächst sechs Mitarbeitern sieht sich u. a. dank dieser Kerninnovation gut aufgestellt gegenüber alternativen Systemkonzepten kalorischer Kühlsysteme. Als ersten Markt hat Qurie die Schaltschrankklimatisierung und Laserkühlung im Blick. Ausgehend von diesen Nischenmärkten sollen in der Folge elektrokalorische Systeme für die gewerbliche Küh-lung und später auch für den Konsumentenmarkt entwickelt werden.
Im April fand eine erste Finanzierungsrunde mit dem High-Tech Gründerfonds (HTGF), dem Technologie-Transfer Fonds TT49 des European Investment Fund (EIF) und der Aepikur GmbH statt. Bis Ende 2026 werden die Entwicklungsarbeiten parallel zum Start des Unternehmens im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert Forschungs-programms unterstützt.
Wie funktioniert eine elektrokalorische Wärmepumpe?
Legt man ein elektrisches Feld an elektrokalorische Materialien an, so richten sich die elektrischen
Dipolmomente im Feld aus – diese zusätzliche Ordnung führt nach Gesetzen der Thermodynamik
zu einer 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 ab – ebenfalls den Gesetzen
der Thermodynamik folgend. Jetzt kann es thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen.
Der Effekt ist reversibel. So kann ein Zyklus aufgebaut werden, der als effiziente Wärmepumpe
zum Kühlen oder Heizen funktioniert.
(OB)
