Thermophotovoltaische Zelle 28.05.2024, 10:28 Uhr

Bald praxistauglich: Wärmebatterie mit Rekord-Wirkungsgrad

Ein Forschungsteam der University of Michigan hat eine Wärmebatterie mit Rekord-Wirkungsgrad entwickelt. Diese nähert sich dem theoretischen Wirkungsgrad und damit der Praxistauglichkeit für den Einsatz im Stromnetz.

Wärmebatterie

Um die den Photovoltaikzellen erzeugte Leistung zu messen, hält ein Wissenschaftler eine Wärmequelle über die Photovoltaikzelle, die Infrarotstrahlung abgibt, welche die Zelle in Strom umwandelt. Drähte, die mit der Zelle verbunden sind, leiten den Strom zu einem Sensor, der die Spannung und Stromstärke misst.

Foto: Brenda Ahearn, Michigan Engineering

Die Speicherung von Energie aus Sonne und Wind ist nach wie vor ein Knackpunkt der Energiewende. Forschungsergebnisse der University of Michigan (U-M) lassen jedoch hoffen, dass sich dies bald ändern könnte. Forschende haben eine thermophotovoltaische Zelle entwickelt, die besser ist als eine Dampfturbine und sich dem theoretischen Wirkungsgrad nähert. Eine solche Thermobatterie könnte schon bald im Stromnetz eingesetzt werden.

Wärmebatterien speichern den Strom aus Spitzenproduktionszeiten

Wärmebatterien könnten intermittierende erneuerbare Energie während der Spitzenproduktionszeiten speichern und auf eine thermische Version von Solarzellen zurückgreifen, um sie später in Strom umzuwandeln.

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„Da wir zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele einen höheren Anteil an erneuerbaren Energien in das Stromnetz einbeziehen, brauchen wir niedrigere Kosten und längere Zeiträume für die Energiespeicherung, da die von Sonne und Wind erzeugte Energie nicht mit dem Zeitpunkt des Verbrauchs übereinstimmt“, erläutert Andrej Lenert, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der U-M.

Funktionsweise der Thermophotovoltaik

Thermophotovoltaische Zellen ähneln Solarzellen, wandeln aber Infrarot-Photonen statt sichtbaren Lichts in Elektrizität um. Bei 1435 °C erreicht ihr neues Gerät einen Wirkungsgrad von 44 %, was besser ist als frühere Modelle, die nur 37 % erreichten.

„Diese Art von Batterie ist sehr passiv. Man muss kein Lithium abbauen und konkurriert nicht mit dem Markt für Elektrofahrzeuge. Im Gegensatz zu hydroelektrischen Energiespeichern benötigt man keine Wasserquelle“, sagt Stephen Forrest, Professor für Elektrotechnik an der University of Michigan.

Eine Wärmebatterie würde die Thermophotovoltaik um einen Block aus erhitztem Material anordnen, das auf mindestens 1000 °C erhitzt wird. Dies könnte durch Strom aus Wind- oder Solarparks oder durch überschüssige Wärme aus industriellen Prozessen erreicht werden.

Vorteile der Wärmebatterien

„Elektrizität zur Erwärmung zu nutzen, ist im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine einfache und kostengünstige Methode zur Energiespeicherung. Viele Materialien eignen sich als Speichermedium“, so Lenert.

Das erhitzte Material emittiert thermische Photonen. Bei 1435 °C haben etwa 20-30 % dieser Photonen genug Energie, um in den Thermophotovoltaikzellen Strom zu erzeugen. Die Optimierung des Halbleitermaterials war entscheidend, um die Photonen effizient einzufangen.

Ein Problem besteht darin, dass Photonen mit nicht nutzbaren Energien verloren gehen könnten. Die Forscher lösten dies, indem sie eine dünne Luftschicht und einen Goldreflektor in die Zelle integrierten. Diese Struktur, genannt Luftbrücke, hilft, die Photonen mit den richtigen Energien einzufangen und die anderen zurück ins Wärmespeichermaterial zu reflektieren.

„Im Gegensatz zu Solarzellen können thermophotovoltaische Zellen nicht nutzbare Photonen zurückgewinnen“, erklärt Bosun Roy-Layinde, Doktorand der Chemietechnik an der University of Michigan.

Zukunftsperspektiven

Das Team fand heraus, dass das Stapeln von zwei Luftbrücken das Design weiter verbessert und den nutzbaren Temperaturbereich für Wärmebatterien erweitert. „Wir haben die Effizienzgrenze dieser Technologie noch nicht erreicht. Ich bin zuversichtlich, dass wir bald einen Wirkungsgrad von über 50 % erreichen werden“, sagt Forrest.

Mit Unterstützung von U-M Innovation Partnerships hat das Team Patentschutz beantragt und sucht nun nach Partnern, um die Technologie auf den Markt zu bringen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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