WARMTEPOMPEN
Install Magazine 994 – november 2023
Vooruitgang in elektrocalorische warmtepompen
Duitse onderzoeksproject ontwikkelt performante sturing
In het kader van het ElKaWe-project doen diverse instituten binnen de Duitse kennisinstelling Fraunhofer onderzoek naar elektrocalorische warmtepompen als alternatief voor de gangbare compressorcyclus. Elektrocalorische warmtepompen hebben twee belangrijke voordelen ten opzichte van compressoraangedreven varianten: ze kunnen veel hogere rendementen halen, en ze hebben geen koelmiddelen nodig. Het onderzoeksinstituut heeft een belangrijke stap gezet naar een praktische toepassing van het elektrocalorisch principe, namelijk de ontwikkeling van een zeer performante sturingselektronica.
Veelbelovend alternatief
Warmtepompen op basis van het elektrocalorisch effect zijn een veelbelovend alternatief voor de huidige generatie compressoraangedreven toestellen. Waar deze laatste slechts een rendement van 50% kunnen halen te opzichte van de theoretische Carnot-limiet, kunnen elektrocalorische tot 85% gaan. Bovendien is er geen koelmiddel nodig, maar wordt gebruik gemaakt van het elektrocalorisch effect. Dat is een eigenschap van specifieke materialen op basis van keramiek of polymeer, die opwarmen als ze onder elektrische spanning worden gezet. Die warmte kan dan afgevoerd worden naar een afgifte-installatie, waarbij het materiaal afkoelt, terwijl het nog onder elektrische spanning blijft. Als de elektrische spanning dan wordt uitgeschakeld, zal het materiaal verder afkoelen, en dus een lagere temperatuur bereiken dan de starttemperatuur. Dat maakt het mogelijk dat het materiaal warmte onttrekt aan een externe warmtebron, zodat een warmtepompcyclus ontstaat.
Het ElKaWe-project groepeert onderzoekers uit zes Fraunhofer-instituten en heeft tot doel om tot uitstootvrije technieken voor koeling en verwarming te komen. Een sleutelelement in de praktische toepassing van het elektrocalorisch principe is de sturingselektronica, die ervoor moet zorgen dat de elektrocalorische elementen meermaals per seconde op- en ontladen worden, zonder efficiëntieverlies.
Performante sturingselektronica
Fraunhofer IAF werkt in dit kader aan componenten op basis van de halfgeleider galliumnitride (GaN) om de vermogensdichtheid en het rendement te verhogen. De onderzoekers zijn erin geslaagd om een ultra-efficiënte schakeltopologie op basis van GaN-transistoren te realiseren, zodat men een elektrisch rendement in de schakeling van 99,74% bereikt, waar gangbare technieken onder 90% blijven steken.
Deze winst in rendement heeft een grote invloed op de COP van het totale systeem. Tot nu toe waren verliezen in de elektronica een belangrijke rem op een succesvolle toepassing van elektrocalorische warmtepompen. Volgens de onderzoekgroep komt nu een nieuwe generatie toestellen in zicht met een rendement dat duidelijk boven 50% ten opzichte van het theoretische maximum ligt. Er is echter nog verder onderzoek nodig, vooraleer men tot een uitstootvrije manier van koelen en verwarmen kan komen.
Door Alex Baumans
