Clevere Strukturen für saubere Wärme – ein Blick hinter die Fraunhofer ISE-Weihnachtskarte

Auf den ersten Blick wirkt das Motiv der diesjährigen Fraunhofer ISE-Weihnachtskarte typisch weihnachtlich: ein goldener und blauer Stern  funkeln uns feierlich an. Doch auf den zweiten Blick fallen merkwürdige Strukturen in den Sternen auf, die Fragen aufwerfen: Metallgeflechte und bläuliche Röhren. Was verbirgt sich dahinter? Und was hat das Ganze mit der Winterzeit zu tun?

Beide Strukturen wurden am Fraunhofer ISE entwickelt und kommen in Wärmepumpen zum Einsatz. Diese nutzen die Umweltwärme (sowie Strom als Antriebsenergie) für Heizzwecke und sind damit eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Schließlich wenden deutsche Haushalte 80 Prozent ihres Endenergieverbrauchs für Heizung und Warmwasser auf. Experten des Fraunhofer ISE schätzen, dass Wärmepumpen 2050 zwischen 65 und 90 Prozent der Niedertemperatur in Gebäuden bereitstellen und sich so zur wichtigsten Heiztechnik in Deutschland entwickeln.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank: das von der Wärme der Umwelt (Erde, Außenluft, Grundwasser) erwärmte, dampfförmige Kältemittel wird verdichtet, wodurch sich dessen Temperatur und Druck erhöhen. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme in einem Wärmeübertrager an Wasser ab und kondensiert im Verflüssiger. Das warme Wasser strömt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher, während das abgekühlte, flüssige Kältemittel wieder zurück in den Verdampfer fließt.

Hinter dem goldenen Stern verbirgt sich ein Kupferrundrohr, auf dessen Oberfläche aus Kupferdraht bestehende Gewebe- und Gestrickstrukturen verlötet wurden. Die aus der Textiltechnik bekannte  Fertigungstechnik ermöglicht eine gezielte Anpassung der Metalloberfläche an die Anforderungen. So kann man beispielsweise gerichtete Strukturen oder Bereiche mit unterschiedlicher Dichte erzeugen. Die am Fraunhofer ISE entwickelte Struktur sorgt mit ihrer großen Oberfläche dafür, dass die Verdampfung von Wasser als umweltfreundliches, natürliches Kältemittel in Wärmepumpen deutlich effizienter verläuft. Die volumenspezifische Leistung konnte mit der Technologie gegenüber herkömmlichen Verdampfern verdreifacht werden und der Energieeinsatz in Adsorptionswärmepumpen wurde verringert.

Die blauen Strukturen im Hintergrund der Weihnachtskarte zeigen einen neuartigen Fluidverteiler. Damit das Kältemittel in einer Wärmepumpe vollständig verdampft oder kondensiert, muss in allen Kanälen des Wärmeübertragers das gleiche Dampfflüssigkeitsverhältnis herrschen, was nicht so einfach ist. Ein Team des Fraunhofer ISE hat daher auf ein Vorbild aus der Natur zurückgegriffen: der bionische Fluidverteiler verzweigt sich wie die Äste und Zweige eines Baums kontinuierlich, wodurch das Kältemittel in den einzelnen Kanälen gleichmäßig verteilt wird. Die gesamte Oberfläche des Wärmeübertragers wird so effizient genutzt und Kältemittel kann eingespart werden.

So halten beide Technologien unsere Wohnungen im Winter effizient und nachhaltig warm. Und sehen dabei auch noch chic aus.