Energie
Fortschrittliche HLK-Lösungen mit elektrocalorischen Materialien
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Der massive Energiebedarf von HLK
Die moderne Industriegesellschaft verbraucht viel Energie. Ein Bereich, dessen Energiebedarf häufig unterschätzt wird, ist das Kühlen und Heizen. Darauf entfällt mehr als die Hälfte des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs, noch vor Strom (20 %) und Verkehr (30 %).
Um Energieverbrauch und CO₂-Emissionen zu senken, könnten die Elektrifizierung und Effizienzsteigerung von HLK (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) daher noch wichtiger sein als Elektroautos. Das gilt besonders, weil sich die Nachfrage nach Kühlung bis 2050 voraussichtlich verdreifachen wird, angetrieben durch die wirtschaftliche Entwicklung warmer, bevölkerungsreicher Länder wie Indien und Indonesien.
Quelle: Daikin
Bis jetzt war die bevorzugte Technologie zur Erreichung hocheffizienter HLK-Wärmepumpen die Kompressionskühlung.
Nun könnte eine neue Technologie den bisherigen Stand der Technik herausfordern. Sie beruht auf einem physikalischen Prinzip namens „elektrokalorische Kühlung“.
Wie Wärmepumpen funktionieren
Alle Wärmepumpen, von Kompressionswärmepumpen bis zu künftigen elektrokalorischen Wärmepumpen, folgen einem Grundprinzip: Sie transportieren Wärme, statt sie zu erzeugen.
Dies ist ein völlig anderes Prinzip als bei fossilen Brennstoffen und anderen elektrischen Heizungssystemen, bei denen entweder Strom oder Gas/Kohle/Öl verbraucht wird, um Wärme zu erzeugen.
Eine Wärmepumpe hingegen entnimmt Wärme von einer Seite einer Wand und überträgt sie auf die andere Seite. Im Winter absorbiert sie Wärme von außen und leitet sie ins Gebäude. Im Sommer kehrt sie diesen Prozess um, um das Gebäude zu kühlen und funktioniert wie eine Klimaanlage.
Wärme zu bewegen ist weitaus effizienter als sie zu erzeugen. Das ermöglicht einer kompressionsbasierten Wärmepumpe, für jedes Watt an verbrauchter Leistung 2‑4 W Wärme/Kälte zu erzeugen.
Quelle: RMI
Die Wärme bewegt sich hinein und heraus aus der Umgebung, wobei die beiden Hauptoptionen die Nutzung von Außenluft oder dem umgebenden Boden durch unterirdische Rohrleitungen sind.
Wärmepumpen werden am häufigsten zum Heizen und Kühlen von Gebäuden wie Büros, Gewerbeflächen und Wohnhäusern eingesetzt. Sie können jedoch auch in industriellen Umgebungen verwendet werden, wobei Energiequellen eines industriellen Prozesses in einen anderen wiederverwendet werden, was hier ebenfalls zu enormen Energieeinsparungen führt.
Quelle: Sintef
Elektrokalorische Wärmepumpen, um über die Kompression hinauszugehen
Fortschritte in der elektrokalorischen Technologie
Herkömmliche Wärmepumpen nutzen die thermische Wirkung von Kompression & Dekompression, um Wärme von einem Ort zum anderen zu transportieren. Dafür benötigen sie Kältemittel wie teilfluorierte Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak, die direkte oder indirekte Treibhauseffekte verursachen.
Das elektrokalorische Prinzip ist anders. Ein elektrokalorisches System erwärmt sich, wenn es elektrischen Feldern ausgesetzt wird, da diese die Atome in eine Richtung ausrichten und die Entropie verringern. Das Gegenteil geschieht, wenn die elektrischen Felder abgeschaltet werden, wodurch Kühlung entsteht.
Quelle: Fraunhofer IPM
Elektrokalorische Effekte sind seit den 1960er‑Jahren bekannt, damals konnte jedoch nur ein Temperaturunterschied von maximal 2,5 °C erreicht werden.
Einige Fortschritte wurden 2006 erzielt, als ein Dünnschichtfilm aus Blei‑Titan‑Sauerstoff‑Zirkonium eine Kühlkapazität von 12 °C erreichte.
Der jüngste Durchbruch mit einer Temperaturänderung von fast 21 °C, den Forschende des Luxembourg Institute of Science and Technology in Belvaux erzielten, zeigt jedoch, dass die Technologie leistungsfähig genug für kommerzielle Anwendungen wird.
Elektrokalorischer Prototyp
Das Team verwendete ein Polymer und Mehrschichtkondensatoren (MLC) aus Blei-Scandium-Tantal-Sauerstoff (PST).
Quelle: UPCommons
Die luxemburgischen Forschenden entwickelten einen Prototyp, der bei einer elektrischen Feldstärke von weniger als 10 V pro Mikrometer eine maximale Kühlleistung von 4,2 W erreichte.
Quelle: Techspot
Dies ist eine radikale Verbesserung gegenüber allen zuvor entwickelten Methoden, wobei Temperaturspanne und Kühlleistung jeweils um 50 % bzw. das 15‑fache größer sind als bei den bisher besten elektrokalorischen Geräten.
Damit liegt der Prototyp deutlich vor allen bisher getesteten elektrokalorischen Konzepten.
Quelle: UPCommons
Quelle: UPCommons
Das Material wurde zudem bei wiederholten Heiz‑ und Kühlzyklen getestet und zeigte keinerlei Anzeichen von Degradation.
Zu den vielen Vorteilen elektrokalorischer Systeme gehört, dass die direkte Nutzung von Strom die EC‑Kühler kompakt im Volumen macht und für Miniaturisierung geeignet ist. Daher könnten sie neben zukünftigen Wärmepumpen auch in kleinen Elektronikgeräten und Batterien eingesetzt werden.
Die Technologie erreicht außerdem einen sehr hohen Wirkungsgrad, der möglicherweise deutlich über dem liegt, was mit Kompressionswärmepumpen erreichbar ist.
Weitere Verbesserungen
Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Forschungsarbeit beschreibt einen Prototyp. Darin werden auch weitere Verbesserungsmöglichkeiten erörtert.
Zum Beispiel verwendet der aktuelle Prototyp ein Dielektrikfluid anstelle von Wasser, um Kurzschlüsse zu verhindern. Dieses Dielektrikfluid weist jedoch im Vergleich zu Wasser schlechte thermische Eigenschaften auf.
Daher könnte die Entwicklung von wasserdichten Mehrschichtkondensatoren (MLC) die Geschwindigkeit und Kühlkapazität des Systems erheblich verbessern.
Eine Erhöhung der Anzahl und Dichte von MLCs könnte ebenfalls zu einem höheren Kühlpotenzial führen.
Schließlich könnten dünnere und flachere elektrokalorische Module helfen. Noch ist unklar, ob höhere elektrische Feldstärken möglich und sicher wären.
Fortschrittliche Wärmepumpenunternehmen
Derzeit vermarktet noch kein Unternehmen elektrokalorische Wärmepumpen oder Kühlsysteme. Das Gebiet ist weiterhin überwiegend Gegenstand akademischer Forschung und angewandter Physik.
Da die Technologie inzwischen jedoch einen Wirkungsgrad erreicht, der eine wirtschaftliche Vermarktung ermöglicht, werden diese Forschungsinstitute vermutlich versuchen, ihre Patente zu monetarisieren.
Daher könnte sich ein Blick auf die führenden Unternehmen der Wärmepumpenbranche lohnen, die von der Lizenzierung des geistigen Eigentums für elektrokalorische Geräte profitieren könnten.
Auch die Herstellung marktreifer elektrokalorischer Systeme und ihr Vertrieb an Endkunden dürften sehr kapitalintensiv sein, was die größten Unternehmen der Branche begünstigt.
1. Carrier Global
CARR Preisdiagramm
Carrier ist ein führendes Unternehmen im Bereich HLK (gewerblich und privat), Kühlketten und Feuer‑ und Sicherheitstechnik und beschäftigt über 58.000 Mitarbeitende. Obwohl es nicht ausschließlich Wärmepumpen verkauft, ist diese Produktkategorie der Schwerpunkt des Unternehmens und wird als Zukunft der Branche angesehen.
Der Fokus liegt hauptsächlich auf den Amerikas, wobei HLK mehr als die Hälfte des Umsatzes ausmacht.
Quelle: Carrier Global
Es verfügt über eine installierte Basis von über 330.000 gewerblichen HLK‑Systemen, 33 Millionen privaten HLK‑Systemen, 1,8 Millionen Kälteanlagen und über 90 Millionen Feuer‑ und Sicherheitssystemen.
Das Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, seine Treibhausgasemissionen (THG) bis 2030 drastisch zu reduzieren.
Da ein großer Teil dieser Emissionen von Ammoniak‑Kältemitteln stammt, bietet die Möglichkeit, künftig auf ein elektrokalorisches System umzusteigen, der Branche einen Weg nach vorn, bei dem die einzigen Emissionen mit dem Energieverbrauch und dem Metallbergbau verbunden sind, die durch erneuerbare Energien betrieben werden.
Quelle: Carrier Global
2. Daikin Industry
Das 1924 gegründete japanische Unternehmen kann sich als weltweit führender Anbieter von Klimaanlagen bezeichnen.
Das Unternehmen ist seit 2006 im Wärmepumpenbereich tätig und ging bereits 2008 eine Geschäftsallianz mit Gree Electric Appliance, Chinas führendem Hersteller von Klimaanlagen, ein.
Es verkauft seine Produkte hauptsächlich auf dem amerikanischen Kontinent, in Europa und in Ostasien, verzeichnete aber auch in Märkten wie Indien ein explosionsartiges Wachstum: Dort stieg der Umsatz zwischen 2009 und 2022 auf das 23-Fache.
Quelle: Daikin
Einer der Wettbewerbsvorteile von Daikin ist sein Kältemittel R32, dessen Beitrag zur globalen Erwärmung im Vergleich zu Konkurrenzprodukten deutlich geringer ist.
Das bedeutet, dass das Aufkommen elektrokalorischer Systeme kurzfristig eine Bedrohung für die Wettbewerbsposition des Unternehmens darstellen könnte.
Quelle: Daikin
Gleichzeitig zeigt dies aber den bestehenden Fokus des Unternehmens auf die Umweltauswirkungen von Kühlsystemen und seine Innovationsfähigkeit (2015 investierte es 300 Mio. $ in ein neues F&E‑Zentrum). Dadurch wäre es ein guter Kandidat für die Entwicklung solcher Systeme im kommerziellen Maßstab.
Ein starkes Zeichen für Daikins Engagement für umweltfreundliche Innovationen ist der weltweite freie Zugang zu grundlegenden Patenten für R32 seit 2015 und seit 2019 der freie Zugang zu allen Gruppenpatenten seit 2011.
3. NIBE Group
Anleger, die sich für die Aussichten von Wärmepumpen und elektrokalorischen Systemen interessieren, könnten ein Unternehmen bevorzugen, das sich vollständig auf diesen Bereich konzentriert und keine Ablenkungen oder Risiken durch andere Technologien mit sich bringt.
In diesem Fall könnten sie an Nibe interessiert sein, einem europäischen Hersteller von Wärmepumpen sowie Holzöfen (eine weitere CO₂‑neutrale Wärmequelle).
Das Unternehmen stammt ursprünglich aus Schweden und tätigt einen großen Teil seines Verkaufs in den nordischen Ländern sowie in Europa. Im Jahr 2022 beschäftigte es 21.333 Mitarbeitende.
Quelle: Nibe
Die Wärmepumpen des Unternehmens haben die Emission von 360.000 Tonnen CO₂ in nur einem Jahr vermieden.
Als stärker fokussiertes Unternehmen ist Nibe bei reinen Wärmepumpen genauso groß wie Daikin oder Carrier.
Da die Forschung zu elektrokalorischen Materialien in Ländern wie Luxemburg und Deutschland bereits vorangeschritten ist, könnte dies europäischen Unternehmen wie Nibe den Weg ebnen, privilegierte Beziehungen zu Forschern aufzubauen und zu den Ersten zu gehören, die ihr Angebot über kompressionsbasierte Wärmepumpen hinaus erweitern.
