Mit dem Ausstieg aus fossilen Energien und zur Erreichung der Klimaziele werden alternative Technologien zum Heizen und Kühlen gebraucht. Gängige Wärmepumpen und Klimaanlagen sind jedoch laut, verbrauchen viel Strom und nutzen klimaschädliche Kühlmittel. Deshalb arbeiten Wissenschaftler weltweit an elektrokalorischen Wärmepumpen; sie nutzen Materialien, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Temperatur verändern können und dadurch Wärme oder Kälte erzeugen. Innerhalb des Fraunhofer-Leitprojekts ElKaWe hat das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP nach eigenen Angaben einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung von Dünnschichten zur Verbesserung der Wärmeübertragung in elektrokalorischen Wärmepumpen erzielt.
Angesichts der ehrgeizigen Klimaziele Deutschlands, die Treibhausgasemissionen um 65 Prozent bis 2030 im Vergleich zu 1990 zu reduzieren, und aus den fossilen Energien zu Heizzwecken auszusteigen, 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.
Daher arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen weltweit an der Entwicklung von elektrokalorischen Wärmepumpen. Auch sechs Fraunhofer-Institute bearbeiten verschiedene Forschungsschwerpunkte dazu innerhalb des Leitprojekts ElKaWe, berichtet das Fraunhofer FEP. Elektrokalorische 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 beziehungsweise 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.
Environmental-Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (ESEM) der Benetzungsdynamik einer unbeschichteten (l.) und beschichteten (r.) elektrokalorischen Komponente zum gleichen Zeitpunkt und mit identischen Druck-Zeit-Kurven (© Fraunhofer FEP)
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 nach Mitteilung des Instituts 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 zwei und 50 Nanometer, die Kapillareffekte auf der Nanometerskala fördern und so die Flüssigkeitsausbreitung auf der Oberfläche verbessern.
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 Tröpfchennukleation und Wachstumsrate aufweisen als unbeschichtete Komponenten. Dies ermögliche es, innerhalb einer Sekunde mehrere Zyklen von Kondensation und Wiederverdampfung zu durchlaufen. Dank der mesoporösen Beschichtungen bleibe fast die gesamte Fläche während der Kondensationsprozesse aktiv. Durch diesenEffekt verbesst sich die Wärmeübertragungsleistung erheblich.
Superhydrophilie durch Metalloxid-Dünnschichten mittels Magnetronsputtern
Die Untersuchungen zur Tröpfchenkondensation haben gezeigt, dass die neuen Beschichtungen die Wärmeübertragungsrate durch beschleunigtes Tröpfchenwachstum um bis zu zwei Größenordnungen verbessern können, teilt das Fraunhofer FEP mit. Die 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 und Prozessen zu deren Abscheidung vom Labor- bis zum Pilotmaßstab. Eine der Kernkompetenzen des Instituts liegt in der Realisierung dünnster Schichten mittels Magnetronsputterverfahren. Die Entwicklung der hydrophilen Metalloxidschichten wurde im Labormaßstab auf der institutseigenen Batchanlage UNIVERSA zur Beschichtung von 3D-Substraten durchgeführt.
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 nach Ansicht von Maria Barrera das Potenzial, ein Game-Changer für nachhaltige Wärmepumpentechnologie zu werden. Die Forschenden befinden sich derzeit mit ihren Aktivitäten im Labormaßstab und arbeiten an der Skalierung und Weiterentwicklung der Technologie, sodass eine Marktreife in fünf bis sieben Jahren erwartet werden kann. Ein Fokus in der Weiterentwicklung der vielversprechenden Technologie liegt auf polymerbasierten elektrokalorischen Wärmepumpen der Zukunft..
- www.fep.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Batchanlage UNIVERSA des Fraunhofer FEP, mithilfe derer die magnetron-gesputterten Metalloxidschichten hergestellt wurden(© Fraunhofer FEP)
