Super-Wärmepumpe ohne Kompressor bricht Leistungsrekord

Wärmepumpen sind gerade beim Haus- und Wohnungsbau sehr gefragt. Werden diese Temperaturumwandler richtig installiert, können sie im Sommer kühlen und im Winter heizen. Sie ersetzen also Klimaanlage und Heizung und sollen dabei auch noch weniger Energie verbrauchen.

Die technologische Weiterentwicklung der klassischen Wärmepumpe ist die Elastokalorik-Wärmepumpe. Dabei werden Kältemittel, Lösungsmittel oder Gase durch Metalle ersetzt, wodurch sie umweltfreundlicher sind und noch energieeffizienter werden. Im Vergleich zur klassischen Wärmepumpe kann man also mit derselben Menge Strom mehr Kühl- bzw. Wärmeleistung erzeugen.

Es gibt aber noch technische Hürden zu bewältigen. Eine davon haben jetzt Forschende der Hong Kong University of Science and Technology genommen und dabei einen neuen Weltrekord aufgestellt.

Legierungen für verschiedene Temperaturbereiche

Wie bei der Elastokalorik üblich, haben die Forschenden Nickel-Titan-Legierungen genutzt. Diese haben die Form von Drähten oder Blechen und sind ein Formgedächtnismaterial. Durch Ziehen und Entlasten nimmt die Legierung Wärme auf und gibt sie wieder ab. Weil diese benötigen Elastokalorik-Wärmepumpen so ohne Kühlmittel und Gas auskommen, benötigen sie auch keinen Kompressor, dessen Lärmpegel von vielen Menschen als störend empfunden wird.

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Das Besondere bei der Rekord-Wärmepumpe: Es wurden Legierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen genutzt, die im kalten, mittleren und heißen Bereich zum Einsatz kommen. Nach der Optimierung dieser Bereiche konnte die neue Wärmepumpe in einem Temperaturbereich von mehr als 100 Grad Celsius arbeiten - zwischen -15 bis etwa 85 Grad Celsius (siehe Diagramm d).

Beim maximalen Temperaturunterschied zwischen kalter und warmer Seite konnten 75 Grad Celsius erreicht werden – was neuer Weltrekord ist. Davor lag er bei 50,6 Grad. Das scheint jetzt ein bisschen viel: Vermutlich wird sich niemand die Wohnung auf -20 Grad Celsius herunterkühlen wollen, wenn es draußen mehr als 30 Grad warm ist. Allerdings sollte eine Wärmepumpe ja auch die Heizung sein. Wenn es im Winter -10 Grad hat und man heißes Wasser haben will, soll das vermutlich mehr als 40 Grad Celsius warm sein.

Außerdem wurden die 75 Grad Celsius wasserseitig erreicht. Das aufgewärmte bzw. gekühlte Wasser wird durch Rohre ins Haus oder die Wohnung gepumpt, um dort zu kühlen oder heizen. Dabei gibt es auch einen Leistungsverlust, bzw. keine sofortige Umwandlung der Lufttemperatur in die Wassertemperatur. Wenn man z. B. nur 30 Grad warmes Wasser in die Heizkörper pumpt, wird es ganz schön lange dauern, bis das Zimmer angenehm warm wird. 

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Für den Einsatz von Wärmepumpen sind daher Fußbodenheizungen empfohlen, die mit geringeren Vorlauftemperaturen arbeiten. Mit einer Elastokalorik-Wärmepumpe könnte Wasser künftig heiß genug gemacht werden, um auch in Heizkörper geleitet zu werden.

COP gibt Effizienz von Wärmepumpe an

Das Forschungsteam will die Arbeit an seinen Legierungen fortsetzen. Das Ziel ist diese weiter für Minustemperaturen zu optimieren, etwa für Tiefkühlgeräte, und für Hochtemperaturanwendungen. Zudem soll die Energieeffizienz weiter gesteigert werden.

Auch in Deutschland wird geforscht, um die Effizienz zu steigern. Diese wird bei Wärmepumpen als COP (Coefficient of Performance) bezeichnet. Der COP beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und der dazu benötigten Energie. Je höher der Wert, desto effizienter arbeitet die Pumpe.

Aktuell haben Wärmepumpen eine COP von 3,5 bis 5. Schon vor 2 Jahren hat die Metaligent GmbH einen Elastokalorik-Prototyp mit einem COP von 10 gezeigt. Theoretisch ließe sich sogar ein COP von 30 erreichen.

Bis Elastokalorik-Wärmepumpen weit genug fortgeschritten sind, um für Wohnräume genutzt zu werden, wird es vermutlich noch etliche Jahre dauern. Voraussichtlich werden sie zuerst in kleinerer Form gebaut werden. Mögliche Anwendungsorte wären etwa Kühlschränke und Pkw.