ElKaWe – Langzeitstabilität einer elektrokalorischen Wärmepumpe

Im Rahmen des Leitprojektes »Elektrokalorische Wärmepumpe ElKaWe« entwickelt die Fraunhofer-Gesellschaft eine Wärmepumpe, welche ohne klimaschädliches Kältemittel oder Kompressor auskommt und sich den elektrokalorischen Effekt zu Nutzen macht. Um die Langzeitstabilität einer Wärmepumpe im Betrieb zu gewährleisten, führen wir am Fraunhofer LBF analytische und experimentelle Untersuchungen zur Zuverlässigkeit hochbeanspruchter Bauteile, wie das eigenentwickelte Federmembranventil, durch.

Die Energiewende kann nur gelingen, wenn Effizienz und Klimafreundlichkeit der eingesetzten Systeme optimiert werden. Derzeit bieten Wärmepumpen die besten Heiz- und Kühlmöglichkeiten, wobei die nach dem Stand der Technik üblichen Kompressorwärmepumpen jedoch mit klimaschädlichen Kühlmitteln betrieben werden. Darüber hinaus ist der Optimierungsgrad nahezu ausgeschöpft, weshalb ein anderes Wirkprinzip weitere Steigerungen der Effizienz verspricht.

Hocheffizientes Alternative zur Kompressorwärmepumpe

Im Leitprojektes „Elektrokalorische Wärmepumpe ElKaWe wird ein alternatives Wärmepumpenverfahren, welches auf dem elektrokalorischen Prinzip basiert und mit nur wenigen mechanisch bewegten Bauteilen und ohne klimaschädliches Kühlmittel auskommt entwickelt. Diese hocheffiziente Wärmepumpenprinzip kann die klassische Kompressorwärmepumpe ersetzen.

Wärmepumpen erreichen im Einsatz lange Lebensdauern und dementsprechend hohe Zyklenzahlen, weshalb das Fraunhofer LBF experimentelle und analytische Untersuchungen hinsichtlich deren Zuverlässigkeit im Betrieb durchführt. Unter anderem ist das von Fraunhofer IPM und IKTS eigenentwickelte passive Federmembranventil hohen Zyklenzahlen ausgesetzt und Teil der Lebensdaueruntersuchung. Das Federmembranventil ist eine feine Struktur aus Kupfer-Beryllium (CuBe2) oder Federstahl (1.4310), das selbst bei sehr geringen Druckunterschieden von Δp < 2 mbar (2 hPa) zuverlässig öffnen und schließen muss.

Charakterisierung Federmembranventil

Ein eigens entwickeltes Belastungssystem findet bei der Charakterisierung der verschiedener Membranventilvarianten Verwendung, um deren Optimierung für den Einsatz in der elektrokalorischen Wärmepumpe voranzutreiben. Die Untersuchung umfasst zwei Werkstoffe in unterschiedlichen Stärken. Dabei wird das Öffnungsverhalten, welches durch die anliegenden Druckdifferenz Δp an der Membranoberfläche und dem Öffnungsweg definiert ist, ermittelt. Zudem liegt ein linearer Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Öffnungsweg im Betriebsbereich vor. Ein mechanischer Anschlag begrenzt den Betriebsbereich auf 3 mm Öffnung und schütz die Membranfeder mit Dicken bis 0,05 mm vor Überlasten.

Betriebsfestigkeit Membranventil

Lebensdaueruntersuchungen mit Hilfe des Belastungssystems am Bauteil Membranventil haben im Untersuchungsbereich zu keinem Versagen geführt, obwohl der maximal anliegende Druck im Betrieb mehr als verdoppelt wurde. Auch das Demontieren des mechanischen Anschlags und der damit verbundenen Zunahme des Öffnungswegs hat zu keinem Versagen geführt. Um dennoch eine Aussage zur Lebensdauer im Betrieb treffen zu können, finden zyklische Untersuchungen auf Probenebene statt. Die Übertragung der Probenergebnisse auf das linear-elastisch beanspruchte Bauteil ist durch FE-Simulationen möglich. Erste Erkenntnisse zeigen, dass zwischen der versagenskritischen Beanspruchung und der anliegenden Betriebsbeanspruchung ein Faktor von mindestens 4, extrapoliert auf eine Zyklenzahl von 1⋅10⁹, vorliegt.