Schluss mit Energieverlust: So wollen Forscher Abwärme in Strom verwandeln
Bis zu 50 % der Industrieenergie verpufft als Wärme. Ein Team der Universität Tokio hat ein Material gefunden, das diese Energie zurückholen könnte – indem es sie in Strom umwandelt.
Schon heute wird Abwärme genutzt, allerdings vor allem in Form von Wärme wie am Kohlekraftwerk Neurath in NRW. Die Abwärme aus dem Kraftwerk dient hier zur Beheizung von Gurken und Tomaten im Treibhaus.
Foto: picture alliance / Jochen Tack | Jochen Tack
Fast jede Branche kennt das Problem: 20 bis 50 % der eingesetzten Energie verpuffen, meist ungenutzt, in Form von Abwärme. Bei bestimmten Technologien wie dem Verbrennungsmotor ist die Bilanz noch schlechter.
Theoretisch lässt sich diese Wärme schon jetzt mit thermoelektrischen Generatoren in Strom umwandeln. Praktisch gibt es aber einen Haken: Der Wirkungsgrad ist zu gering, um wirtschaftlich zu sein. Forscher aus Tokio wollen nun einen Trick gefunden haben, der dieses Problem lösen könnte.
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Warum Generatoren heute an ihre Grenzen stoßen
In ihrer Pressemitteilung vom 3. Februar skizzieren die Forscher die Herausforderung: Heute nutzen thermoelektrische Generatoren den sogenannten longitudinalen Effekt. Dabei entsteht die Spannung in der gleichen Richtung, in der die Wärme fließt.
Dafür werden abwechselnd zwei verschiedene Halbleitermaterialien gestapelt und miteinander verbunden. Eines gehört zum p-Typ, das andere zum n-Typ. Wird eine Seite erhitzt, wandern Ladungsträger zur kälteren Seite und erzeugen eine Spannung.
Bloß: Je mehr Schichten gestapelt werden, desto mehr Grenzflächen entstehen. Jede davon bremst den Stromfluss. Dadurch steigt der elektrische Kontaktwiderstand und der Wirkungsgrad sinkt.
Der Trick: Strom und Wärme fließen in verschiedene Richtungen
Die Physiker der Tokyo University of Science um Ryuji Okazaki gehen daher einen umgekehrten Weg: Sie setzen auf den transversalen thermoelektrischen Effekt. Dabei entsteht die Spannung nach Angaben der Forscher senkrecht zum Wärmefluss, also um 90° versetzt.
Anders als beim longitudinalen Effekt genügt hier ein einziges Halbleitermaterial. Dementsprechend entfallen die Nahtstellen, die durch die Schichtung zweier Materialien entstehen – und damit auch der Kontaktwiderstand, der den Wirkungsgrad drückt. Zudem ist die Herstellung deutlich einfacher.
Diese Idee gab es bereits, jedoch keine passenden Materialien. Bisherige Kandidaten erzeugten zu wenig Spannung für den transversalen Effekt.
Molybdändisilizid übertrifft bisherige Kandidaten
Die Forscher setzen auf Molybdändisilizid (MoSi₂), eine Verbindung aus Molybdän und Silizium. Laut der Pressemitteilung konnten sie zeigen, dass das Material eine achsenabhängige Leitungspolarität besitzt: Je nach Kristallrichtung leitet es den Strom mit unterschiedlicher Polarität. Diese Eigenschaft gilt als Voraussetzung für einen starken transversalen thermoelektrischen Effekt.
Die Messungen bestätigten das, so das Okazaki-Team. MoSi₂ erzeugte demnach ein deutlich stärkeres transversales Signal als Wolframdisilizid (WSi₂), das die Forscher zuvor untersucht hatten. Die Leistung sei sogar mit sogenannten anomalen Nernst-Materialien vergleichbar gewesen. Dabei handelt es sich um magnetische Werkstoffe, die bisher als die stärksten Kandidaten für transversale Thermoelektrik galten.
Die Ursache für die gute Leistung liegt in der elektronischen Struktur des Materials. Mithilfe quantenmechanischer Berechnungen konnten die Forscher zeigen, dass MoSi₂ über eine gemischt-dimensionale Fermi-Oberfläche verfügt. Vereinfacht gesagt verhalten sich die Elektronen je nach Raumrichtung unterschiedlich. Und das begünstigt den transversalen Effekt.
Was das für die Praxis bedeuten könnte
In der Anwendung könnte MoSi₂ laut den Forschern als dünner Film eingesetzt werden, der auf einer Seite durch Abwärme erhitzt wird. Weil ein einziges Material ausreicht und keine aufwändige Schichtung nötig ist, ließen sich damit größere Flächen abdecken, etwa an Industrieanlagen, Abgasleitungen oder Motoren.
Allerdings handelt es sich um Grundlagenforschung. Bis aus dem Laborfund ein marktfähiger Generator wird, sind noch viele Entwicklungsschritte nötig. Ryuji Okazaki sieht in den Ergebnissen daher vor allem einen neuen Suchansatz: Materialien mit gemischt-dimensionalen Fermi-Oberflächen könnten systematisch auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften untersucht werden. Die Liste der Kandidaten für effiziente Abwärme-Generatoren wäre damit deutlich länger als bisher.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Communications Materials erschienen.
Abwärme nutzen – bisher nur als Wärme
Dass industrielle Abwärme nicht einfach verpuffen muss, zeigen viele Projekte weltweit. Am europäischen Kernforschungszentrum CERN fließt etwa seit Januar Wärme aus dem Kühlsystem des Teilchenbeschleunigers LHC in ein Fernwärmenetz der französischen Nachbarstadt Ferney-Voltaire. Dabei erreicht die Anlage bis zu 10 MW für tausende Haushalte. Und in Gelsenkirchen hat die Steag-Tochter Iqony im Dezember das nach eigenen Angaben größte Abwärmeprojekt Nordrhein-Westfalens gestartet: Acht Wärmetauscher zapfen die Abwärme einer BP-Raffinerie an und heizen damit bis zu 30.000 Wohnungen.
Doch all diese Projekte verwandeln Wärme in Wärme – sie nutzen die Energie thermisch weiter, zum Heizen. Die direkte Umwandlung von Abwärme in Strom bleibt eine offene Baustelle
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