P2H-Compounds: Polymerbasierte elektrische Heizkomponenten

Mit dem Projekt »Power2Heat-Compounds« wird eine Kernkompetenz von Fraunhofer UMSICHT – die Entwicklung leitfähig eingestellter Polymerfolien basierend auf dem patentierten Pulver-zu-Rolle-Herstellungsprozess – für Wärmeanwendungen erschlossen. Bislang kamen die Materialien in erster Linie bei der Herstellung von Elektroden für elektrochemische Reaktoren zum Einsatz.

Zudem wird ein neuartiger Schrumpfschlauch – basierend auf einem zum Patent angemeldeten Verfahren – weiterentwickelt. Die mittels heißer Luft schrumpfbaren, polymerbasierten, elektrisch leitfähigen Schläuche können bei Anschluss an Strom Rohrleitungen oder andere dreidimensionale Gegenstände aufheizen.

Im Projektvorhaben sollen energie- und ressourceneffiziente sowie kostengünstige und nachhaltige Heizkomponenten anwendungsorientiert entwickelt werden. Neu ist dabei die kontinuierliche Herstellung von zweidimensionalen, kunststoffbasierten, großflächigen und elektrischen Flächenheizelementen mittels Pulver-zu-Rolle-Prozess als auch von extrudierbaren, elektrisch heizfähigen Schrumpfschläuchen. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, die Polymere derart mit Füllstoffen zu kombinieren, dass bestmögliche elektromechanische und thermische Eigenschaften im Endprodukt erzielt werden. Dabei ist die anwendungsspezifische Auswahl des Basispolymers genauso wichtig wie die Auswahl geeigneter Füllstoffe und deren Füllgrade, über die der spezifische Widerstand und somit die Heizleistungen individuell eingestellt werden. Mögliche Anwendungen: Flächenheizelemente, Wearables, Rohrbegleitheizung oder Spezialanwendungen in der Industrie. 

Insbesondere im Kontext der Wärmewende und der Neufassung des Gebäudeenergiegesetzes kommt dem Projekt »Power2Heat-Compounds« eine hohe gesellschaftliche Bedeutung zu. Seit dem 01. Januar 2024 muss jede neu eingebaute Heizung 65 Prozent erneuerbare Energie nutzen. Dabei ist die Nutzung elektrischer Energie aus erneuerbaren Ressourcen sowohl aus ökologischer Sicht als auch aus Gründen der aktuellen Energiekrise attraktiver denn je. Insbesondere dort, wo Wärmepumpen nicht in Frage kommen, sind Elektrodirektheizungen prädestiniert. Beispielsweise im Bereich der Altbausanierung können elektrische Wandheizsysteme bauphysikalisch Vorteile gegenüber herkömmlichen Wärmeübergabesystemen darstellen. Mit den dünnen Folienmaterialien von Fraunhofer UMSICHT können im Vergleich zu konventionellen Flächenheizelementen ressourcenschonende, kosteneffiziente und ausfallsichere Lösungen entwickelt werden. Insbesondere die einstellbare Flexibilität bzw. Steifigkeit qualifiziert das Material für verschiedenste Anwendungen.

Zudem bestehen – bedingt durch einzigartige Produkteigenschaften wie Umformbarkeit, Laminierbarkeit und Verschweißbarkeit – neue Möglichkeiten beim Design. Hierdurch können Endprodukte so gestaltet werden, dass sie die aktuell als EU-Gesetzesentwurf vorliegende Richtlinie zur Förderung der Reparatur von Waren erfüllen.

Last but not least stellen die im Rahmen des Projekts zu entwickelnden heizfähigen Schrumpfschläuche eine innovative Alternative zu den derzeit auf dem Markt erhältlichen Heizbändern und Heizschnüren dar. Insbesondere in der Rohrbegleitheizung zur Wärmehaltung oder im Frostschutz in der Prozess- und Lebensmittelindustrie eröffnen sie neue Möglichkeiten. Dank der formschlüssigen Erfassung des zu beheizenden Mediums ermöglichen sie einen gleichmäßigen Wärmeeintrag, was zu einer erhöhten Energieeffizienz führt. Zudem bieten sie im Vergleich zu Heizschnüren, die in Form eines Widerstandsdrahts als Heizelement ausgeführt sind, eine verbesserte Funktionssicherheit. Selbst bei einem Riss in der Oberfläche bleibt die Beheizung funktionsfähig und ein Totalausfall, wie es bei einem Bruch der Heizschnur der Fall wäre, wird vermieden.

Das Projekt »Power2Heat-Compounds: Anwendungsorientierte Entwicklung neuartiger, elektrischer Heizkomponenten auf Basis leitfähig eingestellter Polymere« wird im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Kennzeichen: SME 40-08036.