Das Freiburger Start-up Qurie GmbH entwickelt eine Wärmepumpe, die weder einen Kompressor noch herkömmliche Kältemittel benötigt. Die Fraunhofer-Ausgründung nutzt elektrokalorische Festkörpermaterialien, die ihre Temperatur unter einem angelegten elektrischen Feld verändern. Theoretische Wirkungsgrade von mehr als 70 Prozent sollen möglich sein – deutlich mehr als bei marktüblichen Dampfkompressionsanlagen.
Technik ohne Kompressor: Der elektrokalorische Kreislauf
Qurie GmbH ist eine Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg. Das Unternehmen hat eine Festkörper-Wärmepumpe entwickelt, deren Arbeitsprinzip von klassischen Heizungsanlagen grundlegend abweicht. Statt eines mechanischen Verdichters und eines zirkulierenden Kältemittels nutzt das System elektrokalorische Materialien, die auf ein angelegtes elektrisches Feld mit einer messbaren Temperaturänderung reagieren.
Das Grundprinzip lässt sich so beschreiben: Wird ein elektrisches Feld angelegt, ordnen sich die elektrischen Dipole im Inneren des Materials neu. Diese erhöhte Ordnung reduziert die innere Entropie des Feststoffs. Das System gleicht diesen Entropieabfall durch Wärmeabgabe aus – das Material erwärmt sich. Wird das Feld abgeschaltet, kehrt der Vorgang um, das Material kühlt ab und nimmt Umgebungswärme auf. Dieser Temperaturhub treibt den Wärmekreislauf an.
„Wenn das elektrische Feld eingeschaltet wird, ordnen sich die elektrischen Dipole im Inneren des Materials stärker an“, erläutert Christian Vogel, Mitgründer und Geschäftsführer von Qurie. „Diese Zunahme der Ordnung verringert die Entropie des Materials. Da das System dazu neigt, die Gesamtentropie aufrechtzuerhalten, wird die Verringerung der inneren Entropie durch eine Zunahme der thermischen Energie ausgeglichen – das Material erwärmt sich.“
Aktive Heatpipes für schnellen Wärmetransport
Eine zentrale Innovation des Systems ist ein patentiertes Wärmemanagementkonzept auf Basis sogenannter aktiver elektrokalorischer Heatpipes. Diese ermöglichen einen schnellen latenten Wärmetransport durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums – Ethanol oder Wasser. Das Konzept erlaubt höhere Betriebsfrequenzen und einen verbesserten Wärmeübergang, ohne mechanisch aufwendige Bauteile zu benötigen.
Nach Unternehmensangaben könnte das System theoretische Wirkungsgrade von mehr als 70 Prozent der Carnot-Grenze erreichen. Konventionelle Dampfkompressionssysteme liegen nach Qurie-Angaben bei rund 50 Prozent. Das entspräche einer potenziellen Stromeinsparung von bis zu 30 Prozent – allerdings beziehen sich diese Zahlen auf theoretische Maximalwerte unter idealisierten Laborbedingungen, nicht auf Messergebnisse aus dem realen Gebäudebetrieb.
Materialien: Keramik und PVDF-Polymer
Für den elektrokalorischen Effekt kommen zwei Materialgruppen infrage: keramische Werkstoffe und Polymere. Qurie arbeitet nach eigenen Angaben mit beiden Varianten. Im Mittelpunkt steht Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein elektroaktives Polymer, das in Sensorik und Aktorik bereits breiten Einsatz findet. Die Materialien befinden sich typischerweise zwischen zwei Elektroden, ähnlich wie in einem Kondensator – ein kompakter Aufbau ohne Hochdruckkomponenten.
Kältemittelausstieg als Innovationstreiber
Der europäische Heizungsmarkt steht unter regulatorischem Druck: Die EU-F-Gas-Verordnung schränkt synthetische Kältemittel wie teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKWs) schrittweise ein. Viele Hersteller suchen nach Alternativen zu etablierten Stoffen wie R32 oder R410A. Natürliche Kältemittel wie Propan (R290) oder CO₂ gelten als umweltfreundlicher, bringen aber eigene Einschränkungen mit sich.
„Einige sind brennbar und deshalb für bestimmte Anwendungen ungeeignet, während andere wie Kohlendioxid sehr hohe Betriebsdrücke erfordern, was kleine Systeme teuer und komplex macht“, erklärt Vogel. Die elektrokalorische Technologie würde diese Probleme grundsätzlich umgehen, da weder Kältemittel noch Kompressor im System vorkommen.
Frühe Forschungsphase – keine Marktreife absehbar
Qurie GmbH befindet sich nach eigenen Angaben noch in einer frühen Entwicklungsphase. Konkrete Angaben zu Leistungsklassen, Systemkosten oder einem geplanten Marktstart hat das Unternehmen bislang nicht veröffentlicht. Ob die Technologie die Anforderungen an Langzeitstabilität, Leistungsdichte und Wirtschaftlichkeit in der Praxis erfüllen kann, bleibt offen.
Ähnliche Ansätze werden weltweit verfolgt: Forschungsgruppen in den USA, China und an europäischen Universitäten arbeiten an elektrokalorischen und magnetokalorischen Feststoffkühlsystemen. Serienreife Produkte hat bisher keiner dieser Ansätze hervorgebracht. Als Fraunhofer-Ausgründung mit patentiertem Wärmemanagementkonzept gilt Qurie dennoch als technisch interessanter Akteur in diesem frühen Marktsegment.
Für Heizungsinstallateure wäre ein kältemittelfreies System langfristig relevant: Aufwendige Kältemittelzertifizierungen und die damit verbundenen Sicherheitsvorschriften würden entfallen. KW Baustoffe GmbH in Drensteinfurt beobachtet die Entwicklung neuartiger Heizungstechnologien und informiert über praxisrelevante Innovationen für Hausbesitzer und Fachbetriebe in Nordrhein-Westfalen.
Hausbesitzer und Installateure aus Drensteinfurt und NRW können sich bei der KW PV Solutions UG zu modernen Wärmepumpen-Technologien beraten lassen.
Quellen: pv-magazine.de
