Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-
Im Leitprojekt ElKaWe arbeiteten sechs Fraunhofer-Institute über mehrere Jahre an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen. Das Fraunhofer FEP war mit benetzungsfördernden Oberflächen auf keramischen und polymeren Komponenten beteiligt.
Wärmepumpen sind ein zentrales Element der Energiewende in Deutschland. Insbesondere für die Versorgung von neu errichteten Einfamilienhäusern stellen sie aktuell den am häufigsten installierten Heizungstyp dar. Die klassische Kompressor-basierte Wärmepumpe weist jedoch eine Reihe von Nachteilen wie die Verwendung potenziell umwelt- oder gesundheitsschädlicher Kältemittel sowie eine erhebliche Geräuschemission auf. Aus diesem Grund haben sich sechs Fraunhofer-Institute – IPM, IKTS, IAP, LBF, IAF und FEP – im Leitprojekt ElKaWe zusammengeschlossen, um einer neuen Technologie zum Durchbruch zu verhelfen. Es handelt sich hierbei um elektrokalorische Wärmepumpen auf der Basis von keramischen oder polymeren Materialien, die elektrische Energie direkt in Wärmeenergie umwandeln können.
In dem zu Grunde liegenden Prinzip des Wärmetransports verdampft bzw. kondensiert das Arbeitsfluid an den aktiven Oberflächen periodisch, um Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Je schneller dieser Prozess abläuft, desto leistungsfähiger ist die Pumpe. Insbesondere für polymere Materialien mit ihrer wasserabweisenden (hydrophoben) Oberfläche ist es jedoch schwer, eine schnelle vollständige Benetzung der Komponenten mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm zu realisieren.
Den Durchbruch brachte hier eine Form der Plasmabehandlung im Vakuum, bei der die Oberfläche eines Polymers mit energiereichen Sauerstoff-Ionen beschossen und gleichzeitig eine dünne, offenporige Schicht aus Titan-Silizium-Oxid abgeschieden wird. Im Ergebnis entsteht eine Nanostruktur, die eine vollflächige Benetzung der Oberfläche (Superhydrophilie) ermöglicht. Der Effekt ist langzeitstabil (Monate bis Jahre) und benötigt keine Reaktivierung.
Da die begrenzte thermische Belastbarkeit des elektrokalorischen Materials eine direkte Plasmabehandlung verbietet, wurde ein alternativer Ansatz gewählt: die Strukturierung einer thermisch beständigen Verkapselungsfolie und die anschließende Vereinigung dieser Folie mit dem elektrokalorischen Material zu einer einsatzfähigen Komponente.
Für die Verwendung in Polymer-basierten elektrokalorischen Wärmepumpen wurden 12,5 µm dünne Polyimidfolien am Fraunhofer FEP nach dem beschriebenen Verfahren behandelt und anschließend am Fraunhofer IAP auf vorprozessierte Mehrlagen-Stapel aus elektrokalorisch aktivem Terpolymer auflaminiert. Durchgeführte Tests bewiesen eine zufriedenstellende Funktion der fertigen Komponenten. Aktuell werden diese zu Demonstrator-Baugruppen zusammengefügt, welche die Leistungsfähigkeit der entstandenen Technologie nachweisen und für die Akquisition neuer Projekte dienen sollen.