Strom aus heißer Luft: Forscher machen Abwärme elektrisch nutzbar

Die Energiesysteme, die unser Leben antreiben, produzieren Abwärme, so zum Beispiel auch Warmwasserleitungen in Gebäuden und Auspuffrohre von Fahrzeugen. Ein neuer, flexibler thermoelektrischer Generator kann sich um Rohre und andere heiße Oberflächen wickeln, um die verschwendete Wärme effizient zu nutzen und in Strom umwandeln. Dieses Verfahren entwickelten Wissenschaftler der Penn State Universität und des National Renewable Energy Laboratory.

„Eine große Menge an Wärme aus der von uns verbrauchten Energie wird im Wesentlichen weggeworfen und oft direkt in die Atmosphäre abgegeben“, sagte Shashank Priya, Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der Penn State Universität. „Wir hatten bisher keine kosteneffektiven Möglichkeiten, diese Abwärme mit entsprechenden Formen einzufangen und in nutzbare Energie umzuwandeln. Diese Forschung öffnet diese Tür“.

Mit Strom aus Abwärme kochen

Die Forscher arbeiteten daran, die Leistung thermoelektrischer Generatoren (also Geräte, die Temperaturunterschiede in Strom umwandeln können) zu verbessern. In früheren Arbeiten hat das Team starre Geräte entwickelt, die bei Hochtemperaturanwendungen effizienter waren als kommerzielle Geräte. Jetzt hat das Team ein neues Herstellungsverfahren entwickelt, um flexible Geräte herzustellen. Diese bieten eine höhere Leistung und Effizienz, so die Wissenschaftler.

„Diese Ergebnisse bieten einen vielversprechenden Weg zu einer weitverbreiteten Anwendung der thermoelektrischen Technologie in der Abwärmerückgewinnung“, erklärt Wenjie Li, Assistenzprofessor an der Penn State Universität. „Dies könnte einen bedeutenden Einfluss auf die Entwicklung praktischer thermisch-elektrischer Generatoren haben.“

Flexible Geräte eignen sich besser für die attraktivsten Abwärmequellen, wie Rohre in Industrie- und Wohngebäuden und in Fahrzeugen, so die Wissenschaftler. Außerdem müssen sie nicht wie herkömmliche, starre Geräte auf Oberflächen geklebt werden, was die Effizienz weiter verringert.

In Tests wies das neue Gerät eine um 150 Prozent höhere Leistungsdichte auf, als andere Geräte nach dem Stand der Technik, berichten die Wissenschaftler in Applied Materials & Interfaces.¹ Eine verkleinerte Version mit einer Fläche von etwa acht mal acht Zentimeter, platziert auf einer mehrere Hundert Grad heißen Oberfläche, bringe laut den Forschern eine Gesamtleistung von 56,6 Watt. Damit könnte man zum Beispiel einen kleinen Laptop betreiben. Mit einer Wirkfläche von einem Quadratmeter könnte man bereits 30 kW generieren und damit nicht nur einen Elektro-Herd betreiben.

„Stellen Sie sich ein Industriekraftwerk mit Hunderten von Metern langen Rohren vor“, sagte Priya. „Wenn man diese Geräte um einen so großen Bereich wickeln kann, könnte man aus der Abfall-Wärme Kilowatt an Energie erzeugen. Man könnte weggeworfene Wärme in etwas Nützliches umwandeln.“

Ungeahnte Anpassungsfähigkeit

Die thermoelektrischen Geräte bestehen aus kleinen Paaren, die jeweils einem Tisch mit zwei Beinen ähneln. Viele dieser zweibeinigen Paare sind miteinander verbunden und bilden normalerweise ein flaches, quadratisches Gerät.

Bei der Entwicklung des neuen Geräts platzierten die Wissenschaftler jedoch sechs Paare entlang eines dünnen Streifens. Anschließend verbanden sie 12 dieser Streifen mit einer flexiblen Metallfolie, sodass eine Vorrichtung mit 72 Paaren entstand. Zwischen den Schichten der einzelnen Streifen befindet sich Flüssigmetall, um die Leistung des Geräts zu verbessern.

„Wenn man diese Geräte vergrößert, verliert man oft an Leistungsdichte, was die Herstellung großer thermoelektrischer Generatoren schwierig macht“, sagte Bed Poudel, ebenfalls Professor an der Penn State. „Dies verdeutlicht die außergewöhnliche Leistung unseres 72-Koppel-Bauelements. Diese 72-Koppel-Vorrichtung weise die höchste gemeldete Ausgangsleistung und Leistungsdichte eines einzelnen thermoelektrischen Generators auf“, so die Wissenschaftler.

Die Lücken zwischen den Streifen bieten die Flexibilität, sich an Formen wie Rohre anzupassen. Die Lücken ermöglichen auch eine flexible Änderung des Füllfaktors, d. h. des Verhältnisses zwischen der Fläche des thermoelektrischen Materials und der Fläche des Geräts. Laut den Forschern können thermoelektrische Geräte dadurch für verschiedene Wärmequellen optimiert werden.

Suche nach alternativen Methoden laufen weltweit

Weltweit laufen die Forschungen rund um alternative Stromerzeugung sowie neue Möglichkeiten der Stromversorgung und -speicherung auf Hochtouren. So gibt es bereits Verfahren zur Stromerzeugung mithilfe von Licht und Schatten (Helligkeitsunterschied), Mikroorganismen aus der Erde oder Luftfeuchtigkeit. Zudem bieten Gezeitenkraftwerke und Geothermie weitere Möglichkeiten zur Erzeugung von Energie.

Außerdem gibt es Fortschritte zur Stromspeicherung für groß und klein. So planen dänische Forscher, überschüssige Windenergie in unterirdische Wasserballons zu speichern, welche nach Bedarf bis zu 230 Megawattstunden Strom liefern können. Für Forscher aus Wien bieten zudem saisonale Wasserkraft-Speicher großes Potenzial, da diese 80 Prozent des weltweiten Strombedarfs speichern könnten. Weiterhin wird die Forschung an kleineren Speichereinheiten wie Batterien mit Solarzellen oder nachhaltigen organischen Batterien vorangetrieben.

Eine weitere Alternative bildet die Herstellung von Wasserstoff aus Solaranlagen. So gebe es bereits erste Anlagen in nordafrikanischen Wüsten, die gewonnenen Solarstrom in Wasserstoff oder Methan umwandeln. Dieser könne anschließend über Pipelines oder mit Tankschiffen weiter geleitet beziehungsweise transportiert werden.

Inwieweit diese Methoden und Verfahren kommerziell tragfähig sind und genügend Strom erzeugen können, um den täglichen Bedarf von mehr rund 1.500 Gigawattstunden decken zu können, bleibt vorerst offen. Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung könnten dieser Bedarf jedoch künftig weiter ansteigen.

Quellen:

(1) Li et al. (2021); doi.org/10.1021/acsami.1c16117

Dieser Artikel erschien zuerst in der Epoch Times Wochenzeitung, Ausgabe Nr. 32, vom 19. Februar 2022.