Thermoakustische Wärmepumpen sind eine innovative Alternative zu herkömmlichen Wärmepumpen. Sie kommen ohne klimaschädliche Kältemittel und anfällige Mechanik aus und können einen größeren Temperaturbereich nutzen. Die Idee dahinter ist, dass Wärmepumpen mit Druckunterschieden arbeiten und Schallwellen ebenfalls Druckunterschiede darstellen. Bisher war die Leistung solcher thermoakustischen Wärmepumpen jedoch für die meisten Anwendungen zu gering. Zwei neue Ansätze sollen das nun ändern.
Inhalt
Schallwellen statt Kältemittel und Kompressor: Die Funktionsweise thermoakustischer Wärmepumpen
Die Funktionsweise der thermoakustischen Wärmepumpe beruht darauf, dass ein Lautsprecher stehende oder wandernde Schallwellen in einer geschlossenen Röhre erzeugt, die mit Gasen wie Stickstoff oder Helium gefüllt ist. Das Gas wechselt dabei zwischen hohem und niedrigem Druck. Bei niedrigem Druck kühlt es ab und nimmt über einen Wärmetauscher Wärme auf. Bei hohem Druck erwärmt es sich und gibt die aufgenommene Wärme über einen weiteren Wärmetauscher an den Heizungskreislauf ab. Durch Veränderungen der Schallwelle lassen sich die Druckspitzen innerhalb der Röhre verschieben, sodass warmes Gas Energie abgeben und abgekühltes Gas neue Wärme aufnehmen kann.
Robuste und vielseitige Wärmepumpen: Die Vorteile thermoakustischer Technologie
Thermoakustische Wärmepumpen haben den Vorteil, dass sie sowohl kühlen als auch heizen können und aufgrund ihrer mechanischen Robustheit beispielsweise in der Raumfahrt einsetzbar sind. Allerdings waren sie bisher für den Einsatz als Wärmepumpe nicht leistungsfähig genug, unter anderem wegen der geringen Druckunterschiede. Das niederländische Start-up Blue Heart will das nun ändern, indem es statt eines Lautsprechers zwei gegeneinander arbeitende Kolben nutzt, die Druckwellen mit einer Frequenz von 100 Hertz bei einem Druck von 50 bar erzeugen. Diese Wärmepumpe kommt ohne Kältemittel aus und ist daher klima- und umweltfreundlich. Sie kann auch über einen größeren Temperaturbereich arbeiten, als herkömmliche Wärmepumpen, die auf speziell auf einen bestimmten Temperaturbereich optimierte Kältemittel angewiesen sind. Das israelische Technion-Forschungsinstitut in Haifa arbeitet ebenfalls an einer thermoakustischen Wärmepumpe und hat ein Prototyp entwickelt, der im Vergleich zu herkömmlichen Wärmepumpen eine um 25 Prozent höhere Leistung erzielt.
Das sagt Blueheart über Thermoakustische Wärmepumpen:
Wärmepumpen sind die nachhaltigsten Heiz- und Kühlgeräte. Sie entziehen einer Quelle, z. B. der Luft oder dem Boden, Wärme und geben sie an das Haus ab. Sie arbeiten dabei sehr effizient, denn mit einer kWh Strom können sie fünf kWh Wärme liefern.
Die Standardtechnik, die in Wärmepumpen zur Übertragung der Wärme verwendet wird, ist der Dampfkompressionszyklus. Er nutzt die Verdampfung und Kondensation eines Kältemittels, um Energie zu transportieren und die Temperatur zu erhöhen. Der Kondensationspunkt eines Kältemittels ist fest und nur durch den Fülldruck einstellbar. Die Technik funktioniert sehr effizient bei Temperaturen um diesen Kondensationspunkt herum, aber je weiter die Eingangstemperatur und die erforderliche Leistung von diesem Kondensationspunkt entfernt sind, desto geringer ist der Wirkungsgrad. Der Dampfkompressionszyklus wurde erstmals vor mehr als 150 Jahren kommerziell genutzt, um Eismaschinen herzustellen.
Die Thermoakustik stellt einen völlig anderen Ansatz zur Erzeugung von Wärme und Kälte dar. Dabei wird Helium, das immer gasförmig bleibt, komprimiert und expandiert. Da es keine Phasenveränderung gibt, ist das System nicht an eine (Kondensations-)Temperatur gebunden und kann mit jeder Eingangs- und Ausgangstemperatur effizient arbeiten. Diese Flexibilität erleichtert die Standardisierung von Wärmepumpen, was die Herstellungs- und Installationskosten senkt. Darüber hinaus ermöglicht sie den Einsatz von Wärmepumpen als direkter Ersatz für Gaskessel bei Nachrüstungen, da die hohen Temperaturen, die sie liefern können, ausreichen, um die Heizkörper von bestehenden Häusern zu beheizen, die in der Regel nicht so gut isoliert sind wie neu gebaute Häuser.
BlueHeart Energy ist heute ein weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet der Thermoakustik. BlueHeart Energy nutzt nicht nur das fundierte Fachwissen von TNO, sondern hat auch ein einzigartiges Wissen auf diesem Gebiet entwickelt. Mehrere der weltweit besten Experten arbeiten für BlueHeart. Sie alle teilen unsere Vision, den Planeten zu einem besseren Ort zu machen, indem wir die Thermoakustik zur Standard-Heiz- und Kühltechnik machen. Jeden Tag kommen wir der Verwirklichung unseres Traums ein Stück näher.
Quelle: Bluehart
Häufige Fragen zum Thema Thermoakustische Wärmepumpen
Was sind thermoakustische Wärmepumpen?
Thermoakustische Wärmepumpen sind eine innovative Alternative zu herkömmlichen Wärmepumpen, die ohne klimaschädliche Kältemittel und anfällige Mechanik auskommen. Sie nutzen Schallwellen, die in einer geschlossenen Röhre erzeugt werden, um Wärme aufzunehmen und abzugeben. Dadurch können sie sowohl kühlen als auch heizen und einen größeren Temperaturbereich abdecken als herkömmliche Wärmepumpen.
Wie funktionieren thermoakustische Wärmepumpen?
Die Funktionsweise von thermoakustischen Wärmepumpen beruht darauf, dass ein Lautsprecher oder zwei gegeneinander arbeitende Kolben Schallwellen in einer geschlossenen Röhre erzeugen. Das Gas in der Röhre wechselt dabei zwischen hohem und niedrigem Druck. Bei niedrigem Druck kühlt es ab und nimmt über einen Wärmetauscher Wärme auf. Bei hohem Druck erwärmt es sich und gibt die aufgenommene Wärme über einen weiteren Wärmetauscher an den Heizungskreislauf ab. Durch Veränderungen der Schallwelle lassen sich die Druckspitzen innerhalb der Röhre verschieben, sodass warmes Gas Energie abgeben und abgekühltes Gas neue Wärme aufnehmen kann.
Welche Vorteile haben thermoakustische Wärmepumpen?
Thermoakustische Wärmepumpen haben den Vorteil, dass sie ohne klimaschädliche Kältemittel und anfällige Mechanik auskommen. Sie sind daher klima- und umweltfreundlich und können über einen größeren Temperaturbereich arbeiten als herkömmlicliche Wärmepumpen, die auf speziell auf einen bestimmten Temperaturbereich optimierte Kältemittel angewiesen sind. Zudem sind sie aufgrund ihrer mechanischen Robustheit beispielsweise für den Einsatz in der Raumfahrt geeignet. Ein weiterer Vorteil ist, dass thermoakustische Wärmepumpen keine komplizierte Kompressormechanik benötigen, wodurch sie weniger anfällig für Ausfälle sind.
Ist die Leistung von thermoakustischen Wärmepumpen ausreichend?
Bisher war die Leistung von thermoakustischen Wärmepumpen für den Einsatz als Wärmepumpe nicht ausreichend, unter anderem wegen der geringen Druckunterschiede. Das niederländische Start-up Blue Heart arbeitet jedoch an einem Prototyp, der mithilfe von zwei gegeneinander arbeitenden Kolben Druckwellen mit einer Frequenz von 100 Hertz bei einem Druck von 50 bar erzeugt und damit eine um 25 Prozent höhere Leistung erzielt als herkömmliche Wärmepumpen. Das israelische Technion-Forschungsinstitut in Haifa hat ebenfalls einen Prototyp entwickelt, der eine vergleichbare Leistung aufweist.
Gibt es bereits kommerziell erhältliche thermoakustische Wärmepumpen auf dem Markt?
Es gibt bisher noch keine kommerziell erhältlichen thermoakustischen Wärmepumpen auf dem Markt. Es gibt jedoch einige Start-ups und Forschungseinrichtungen, die an der Entwicklung solcher Wärmepumpen arbeiten und möglicherweise in Zukunft thermoakustische Wärmepumpen kommerziell anbieten werden.
In Bezug auf die Leistung und Effizienz gibt es bisher noch keine verlässlichen Vergleiche zwischen thermoakustischen Wärmepumpen und herkömmlichen Wärmepumpen, da thermoakustische Wärmepumpen noch in der Entwicklungsphase sind und bisher nur in wenigen Prototypen getestet wurden. Laut einigen Berichten haben thermoakustische Wärmepumpen jedoch das Potential, eine um 25 Prozent höhere Leistung als herkömmliche Wärmepumpen zu erreichen. Es ist jedoch noch unklar, ob diese Leistung auf kommerziell verfügbaren thermoakustischen Wärmepumpen erreicht werden kann und ob sie sich in Bezug auf ihre Effizienz und andere Faktoren mit herkömmlichen Wärmepumpen vergleichen lassen.
Wie ist der Wirkungsgrad von Thermoakustischen Wärmepumpen?
Der Wirkungsgrad von Thermoakustischen Wärmepumpen ist bisher noch nicht genau bekannt, da diese Technologie noch in der Entwicklungsphase ist und bisher nur in wenigen Prototypen getestet wurde. Es gibt jedoch einige Indikatoren, die auf einen hohen Wirkungsgrad hindeuten.
Zunächst einmal arbeiten thermoakustische Wärmepumpen ohne Kältemittel, was bedeutet, dass sie nicht vom Verdampfungs- und Kondensationsprozess abhängig sind, der bei herkömmlichen Wärmepumpen zu Verlusten führen kann. Stattdessen nutzen sie Schallwellen, um Druckunterschiede in einer geschlossenen Röhre zu erzeugen und das darin enthaltene Gas zu kühlen und zu erwärmen. Dieser Prozess ist weniger energieintensiv als der Einsatz von Kältemitteln und könnte zu einem höheren Wirkungsgrad beitragen.
Zweitens können thermoakustische Wärmepumpen auch über einen größeren Temperaturbereich arbeiten als herkömmliche Wärmepumpen, da sie nicht auf speziell auf einen bestimmten Temperaturbereich optimierte Kältemittel angewiesen sind. Das bedeutet, dass sie in der Lage sind, Wärme aus einem breiteren Temperaturbereich aufzunehmen und abzugeben, was wiederum zu einer höheren Effizienz beitragen könnte.
Allerdings ist es wichtig zu beachten, dass thermoakustische Wärmepumpen derzeit noch nicht kommerziell erhältlich sind und daher ihr tatsächlicher Wirkungsgrad und ihre Effizienz bisher nur schwer zu beurteilen sind. Zukünftige Entwicklungen und Tests werden zeigen, ob sie eine wirklich vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Wärmepumpen darstellen.
Fazit: Thermoakustische Wärmepumpen stellen eine innovative Alternative zu herkömmlichen Wärmepumpen dar, da sie ohne klimaschädliche Kältemittel und anfällige Mechanik auskommen und einen größeren Temperaturbereich abdecken können. Sie arbeiten durch Schallwellen, die in einer Röhre erzeugt werden und das Gas zwischen hohem und niedrigem Druck wechseln lassen. Diese Wärmepumpen sind robust und können sowohl heizen als auch kühlen. Das niederländische Start-up Blue Heart hat eine thermoakustische Wärmepumpe entwickelt, die ohne Kältemittel auskommt und einen größeren Temperaturbereich abdeckt als herkömmliche Wärmepumpen. Obwohl die Leistung thermoakustischer Wärmepumpen bisher für die meisten Anwendungen noch nicht ausreichend war, zeigen neue Ansätze wie die Entwicklung von Blue Heart, dass sich dies in Zukunft ändern könnte und damit beim Energie sparen helfen würde.