Sie sollten fünfmal effizienter sein als Wärmepumpen. Die Begeisterung übertraf die Realität

In den Medien erschienen Veröffentlichungen, in denen behauptet wurde, dass elastokalorische Wärmepumpen eine fünfmal höhere Effizienz als moderne Kompressor-Wärmepumpen erreichen und diese in Kürze ersetzen würden. Ein Fachportal erklärt, inwiefern diese Informationen mit wissenschaftlichen Ergebnissen übereinstimmen. Die Wahrheit ist, dass die Forschung im Bereich der Elastokalorik vielversprechend ist, aber in der aktuellen Laborphase noch nichts mit Technologien zur Beheizung von Gebäuden zu tun hat. Das Prinzip ihrer Funktionsweise ist völlig anders.

Es handelt sich um Prototypen, die nur die Größe eines kleinen Ventilators haben.

Das Funktionsprinzip elastokalorischer Wärmepumpen basiert auf der zyklischen Verformung von Nickel-Titan-Legierungen (NiTi), die dadurch ihre Temperatur geringfügig verändern und Wärmeenergie aufnehmen oder abgeben. Verschiedene europäische Forschungsinstitute, darunter auch deutsche, arbeiten bereits seit langem an dieser Technologie, jedoch erreichen die verfügbaren Prototypen nur eine Wärmeleistung von wenigen Watt. Das bedeutet, dass ihre Leistungsfähigkeit um ein Vielfaches geringer ist als die moderner Kompressor-Wärmepumpen. Geräte, die in Wohngebäuden eingesetzt werden, müssen eine Leistung von mehreren bis zu mehreren Dutzend Kilowatt haben, um einen stabilen Betrieb über viele tausend Stunden im Jahr zu gewährleisten. Der Unterschied zwischen diesen beiden Technologien ist also erheblich und lässt derzeit keine Wettbewerbsfähigkeit erkennen.

« Alle Pressemitteilungen, in denen behauptet wird, dass elastokalorische Wärmepumpen die derzeit verwendeten Geräte ersetzen können, sind ein Missverständnis. Die heutigen Prototypen elastokalorischer Geräte haben eine Leistung, die mit einem Computerlüfter vergleichbar ist, während Pumpen, die Häuser beheizen, mit einer Leistung von Tausenden von Watt arbeiten. Der Unterschied im Umfang ist enorm„, betont der Experte auf dem Portal.

Elastokalorik ist weit entfernt von bestehenden Wärmepumpen

Ein Überblick über die Möglichkeiten der Elastokalorik wird in einer Metaanalyse mit dem Titel „Überblick über die Leistung von kalorischen Wärmepumpen: Aktualisierung 2024“ gegeben, die von der Universität Aalborg veröffentlicht wurde. Es handelt sich um die umfangreichste wissenschaftliche Studie in diesem Bereich, die mehr als 160 wissenschaftliche Publikationen und über 300 Versuchsergebnisse umfasst. Daraus geht eindeutig hervor, dass moderne Prototypen elastokalorischer Geräte nach wie vor deutlich hinter den aktuellen Marktanforderungen zurückbleiben, insbesondere im Bereich der Gebäudeheizung.

Insbesondere:

• Der Leistungskoeffizient COP der untersuchten Prototypen beträgt bei Temperaturunterschieden, wie sie für die Beheizung von Gebäuden typisch sind (20–35 K), etwa 1–2.
• Die Effizienz im Vergleich zum idealen Carnot-Umkehrzyklus beträgt nicht mehr als 20 Prozent.
• Die Wärmeleistung der Geräte erreicht in der Regel 1 bis 30 W, in Ausnahmefällen etwa 100 W.

Zum Vergleich: Moderne Kompressor-Wärmepumpen, die unter den gleichen Temperaturbedingungen arbeiten, erreichen einen COP-Wirkungsgrad von 3–6 und ihre Effizienz im Vergleich zum idealen Carnot-Zyklus beträgt 40–60 Prozent. Gleichzeitig bieten sie eine hohe Betriebsstabilität und eine Lebensdauer von 20–25 Jahren. Das Marktangebot umfasst Modelle mit einem sehr breiten Leistungsspektrum: von einigen Kilowatt bis zu mehreren Dutzend Megawatt.

„Dies zeigt deutlich, dass die Elastokalorik nicht als Alternative zu den derzeit in Gebäuden verwendeten Wärmepumpen angesehen werden kann. Die Ergebnisse der bisher durchgeführten Untersuchungen zur Elastokalorik zeigen, dass der Einsatz dieser Technologie zum Heizen von Gebäuden zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht möglich ist. In Zukunft könnte sie konkrete Anwendung im Bereich der Gebäudekühlung finden, dafür sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich“, sagt der Experte.

Simulationen nicht mit realen Möglichkeiten verwechseln

Die sensationellen Meldungen über die „fünffache Effizienz“ elastokalorischer Pumpen beziehen sich ausschließlich auf die „Ergebnisse“ künstlich erstellter Computermodelle, deren Funktion in sehr engen Temperaturbereichen von Wärmequellen analysiert wurde, oft mit einer Differenz von nur wenigen Kelvin und unter idealen Bedingungen.

„Genau diese Modelle und nicht die Messungen der Leistung realer Geräte und Heizsysteme lieferten die sensationellen Ergebnisse, die in den Pressemitteilungen zitiert werden. Simulationen dieser Art berücksichtigen weder die realen Temperaturbereiche für die Beheizung von Gebäuden noch die tatsächlichen Wärmeverluste, den Strömungswiderstand oder die materiellen Einschränkungen von NiTi-Legierungen”, betont der Experte.

Es sollte auch betont werden, dass es derzeit keinen einzigen elastokalorischen Prototyp gibt, der in Labormessungen Parameter erreicht, die einen breiten Einsatz dieser Technologie in Gebäuden ermöglichen würden. Die in den Medien berichtete Finanzierung betrifft die Grundlagenforschung und die Entwicklung elastokalorischer Materialien und nicht die Entwicklung von Geräten, die für die Markteinführung in Zentralheizungssystemen geeignet sind.

„Im Fall der Elastokalorik wird in Pressemitteilungen von einer fünffachen Steigerung der Effizienz gesprochen, aber – was in den Artikeln nicht hervorgehoben wurde – diese Zahlen basieren auf Simulationen und nicht auf realen Messungen. Unter realen Bedingungen, die dem Einsatz von Wärmepumpen im Haushalt nahekommen, liegt der COP-Wirkungsgrad von Elastokalorik bei etwa 1–2, was bedeutet, dass sie unter diesen Bedingungen sogar dreimal weniger effizient sind als Wärmepumpen. Es gibt keinen einzigen Prototyp dieser Geräte, der auch nur annähernd die Parameter der in Gebäuden verwendeten Pumpen erreicht“, fügt er hinzu.

Nicht heute, nicht morgen und nicht anstelle von Wärmepumpen

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Elastokalorik ist heute ein vielversprechender Forschungsbereich, insbesondere im Zusammenhang mit der Kühlung von Gebäuden. Was ihr Potenzial als Heiztechnologie angeht, müssen für einen breiteren Einsatz zunächst eine Reihe materieller Einschränkungen überwunden, die Lebensdauer von NiTi-Legierungen erhöht und Komponenten entwickelt werden, die einen effizienten Betrieb der Anlagen bei den für Heizungen typischen Temperaturschwankungen gewährleisten. Dies könnte eine Perspektive für mehrere Jahrzehnte sein. Es handelt sich definitiv nicht um eine Technologie, die bereit ist, die derzeit verwendeten Wärmepumpen zu ersetzen.

„Dies ist ein wichtiger und vielversprechender Forschungsbereich, aber Elastokalorik als Alternative zu Wärmepumpen im Jahr 2025 darzustellen, ist für die Öffentlichkeit irreführend. Alle wichtigen Analysen der Europäischen Kommission und der Internationalen Energieagentur (IEA) bestätigen, dass Kompressor-Wärmepumpen in den kommenden Jahrzehnten die Grundlage für die Elektrifizierung der Heizung in Europa bleiben und die beste verfügbare Technologie für die Beheizung und Kühlung von Gebäuden sind“, fügt der Experte hinzu.

Die sensationellen Nachrichten über Elastokalorik reihen sich ein in eine neue Welle von Veröffentlichungen, die auf Vereinfachungen und unvollständigen Informationen basieren und das Vertrauen in Wärmepumpen untergraben.

„In den letzten Jahren war dieses Phänomen sowohl in Deutschland als auch in anderen europäischen Ländern zu beobachten, und in einigen Medien hat es die Form von täglichen Veröffentlichungen mit ähnlichem Inhalt in Form von einzelnen neuen Artikeln angenommen. Veröffentlichungen über sogenannte „alternative Heiztechnologien“ werden zu einem regelmäßigen Bestandteil der öffentlichen Diskussion, auch wenn sie sich auf Lösungen beziehen, die sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden. Daher ruft das Fachportal zu einer Diskussion auf, die auf bewährten wissenschaftlichen Daten und Technologien basiert, die tatsächlich auf dem Markt verfügbar sind und eine Schlüsselrolle bei der Energiewende spielen“, schließt der Experte.