Doorbraak in elektrocalorische warmtepompen

In het Duitse ElKaWe project werken verschillende Fraunhofer instituten aan de ontwikkeling van een innovatieve warmtepomp die een veel hoger rendement zou kunnen halen dan de huidige warmtepompen die werken met een compressor. Het alternatief is het gebruik van elektrocalorische materialen maar er moeten heel wat technische disciplines samenkomen om daar een succes van te maken.

Er zijn verschillende manieren om naar het rendement van een warmtepomp te kijken maar de meest populaire is allicht de COP (coefficient of performance) die de geleverde warmte uitdrukt in functie van de warmte die overeenkomt met de geleverde arbeid, wat in een klassieke warmtepomp het vermogen is dat de compressor opneemt.

In vergelijking met het gebruik van elektrische weerstanden heeft een warmtepomp uiteraard een veel hoger rendement maar als men het rendement vergelijkt met het rendement dat theoretisch gehaald zou kunnen worden uit de beschikbare warmte die onttrokken kan worden, halen warmtepompen met moeite 50%.

De idee van het Fraunhofer project ElKaWe is dat met elektrocalorische warmtepompen een veel hoger rendement – tot zelfs 85% – gehaald moet kunnen worden. De basis hiervan zijn elektrocalorische materialen. Dat zijn keramische materialen of polymeren die de eigenschap hebben van op te warmen als er een elektrisch veld over aangelegd wordt. De opwarming is het gevolg van de ordening van elektrische dipoolmomenten in het materiaal. Wanneer het elektrisch veld weer verwijderd wordt, koelt het materiaal af.

Dit effect maakt het mogelijk om een cyclus te creëren die zijn omgeving opwarmt en nadien warmte onttrekt, naar analogie met wat in de condensor en de verdamper van een klassieke warmtepomp gebeurt. Alleen wordt hier geen medium gebruikt om de warmte te transporteren tussen beide stadia in de cyclus maar moet er een mechanisme gebouwd worden om in elk stadium het gewenste medium bij het elektrocalorisch materiaal te brengen.

Deel van het onderzoeksproject is om dat op een zo efficiënt mogelijke manier te doen. Een ander aspect waarin al verbluffende resultaten geboekt worden, is het ontwikkelen van energie-efficiënte vermogenselektronica die gebruikt kan worden om het elektrisch veld over het materiaal te schakelen. Door galliumnitride (GaN) als halfgeleider te gebruiken en de topologie van de circuits te optimaliseren is men erin geslaagd om een elektrisch rendement van maar liefst 99,75 procent te realiseren.

Het ElKaWe project werd opgestart in 2019 en loopt in principe nog tot het einde van dit jaar.

© Productivity.be, 23/01/2024