Laut einem Bericht des Lawrence Livermore National Laboratory wird mehr als die Hälfte unserer Ausgaben für Energie verschwendet.
Einer der Haupttäter ist Hitze. Fabriken wie Stahlwerke geben eine enorme Menge an Energie in Form von Wärme ab - aber diese Wärme entweicht fast immer in die Atmosphäre, wo sie nicht viel Gutes bewirken kann.
Ein Team von Wissenschaftlern, das mit dem Massachusetts Institute of Technology und der Stanford University zusammenarbeitet, hat jedoch einen neuen Batterietyp entwickelt, mit dessen Hilfe der Wärmeabzug genutzt und wieder in das Stromnetz eingespeist werden kann. Dabei wird das weniger bekannte Prinzip des thermogalvanischen Effekts genutzt.
Bisher konzentrierte sich der Großteil der Forschung zur Umwandlung von Abwärme auf thermoelektrische Energie. So sind beispielsweise thermoelektrische Generatoren in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Die Systeme bewegen Elektronen von der heißen Seite eines leitfähigen Materials wie Metall zur kühlen Seite. Dort können Elektronen in Strom umgewandelt werden, um Geräte mit Strom zu versorgen oder eine Batterie aufzuladen. Mit den Generatoren werden beispielsweise Funk- und Telemetriesysteme in Gaspipelines, als Ersatzstromquellen für unbemannte Forschungsstandorte und sogar als erneuerbare Stromquelle im Mars Curiosity Rover betrieben.
Das System ist so bekannt und gut erforscht, dass es bereits in verbraucherorientierten Produkten wie dem beliebten BioLite CampStove zum Einsatz kommt.
Laut Yi Cui, einem außerordentlichen Professor in Stanford, der die Entwicklung der neuen Batterie leitete, können thermoelektrische Generatoren jedoch nicht ausreichend Energie aus großen Anlagen und Fabriken gewinnen, die nicht so heiß sind wie beispielsweise ein Lagerfeuer.
Beispielsweise ist die Abwärme eines Stahlwerks nicht heiß genug (oder die Batterie kann nicht ausreichend abgekühlt werden), damit eine thermoelektrische Reaktion einsetzt.
In enger Zusammenarbeit mit einem Team am MIT unter der Leitung von Gang Chen, einem Forscher mit tiefem Hintergrund in der Thermoelektrik, entwickelte Cui stattdessen eine Batterie, die speziell für die sogenannte „geringe“ Wärme entwickelt wurde.
Das neue Konzept basiert auf einer Standardbatterie auf Wasserbasis mit positiver und negativer Elektrode. Das Team stellte eine leere Batterie in einen Bereich mit viel Abwärme und begann sie dann aufzuladen. Sobald der Akku vollständig aufgeladen war, wurde er auf Raumtemperatur abgekühlt und an diesem Punkt entladen - und der abgekühlte Akku kann mehr Energie entladen, als in ihn gesteckt wurde.
Das ist das thermogalvanische Phänomen bei der Arbeit.
"Eine Änderung der Temperatur bewirkt eine Änderung der freien Energie, und die Leistung ändert sich sehr", sagt Cui. Tatsächlich nimmt die Batterie Energie aus der Abwärme auf - ansonsten wird Energie verschwendet, die in das Netz zurückgespeist werden könnte.
Die Batterien können im Gegensatz zu thermoelektrischen Systemen derzeit nicht vollständig vom Netz getrennt werden, da sie zum Laden einen Gleichstrom benötigen. Die Idee ist jedoch, dass Sie weniger Strom aus dem Netz ziehen müssen, um dies zu tun.
Das Team experimentiert immer noch damit, wie schnell sich die Batterien erwärmen und abkühlen lassen und wie oft eine Zelle vor dem Verbrauch in einem Zyklus betrieben werden kann. Im Labor dauert es einige Stunden, bis der Akku einen Lade- / Entladezyklus abgeschlossen hat. Das Team hat keine einzelne Zelle mehr als 50 Zyklen durchlaufen.
Derzeit wissen wir nicht genau, wie viel Strom ein System wie Cui erzeugen kann. Cui stellt sich schließlich eine Schaltung mit mehreren Zellen vor, die in einer Fabrik installiert werden können. Wenn die Temperatur einer Zelle durch Abwärme steigt, geht eine andere Zelle in den Kühlkreislauf über.
„Die Hälfte von ihnen lädt sich bei hohen Temperaturen auf und die andere Hälfte entlädt sich bei niedrigen Temperaturen“, sagt er.
Derzeit ist das primäre Ziel die werksseitig erzeugte Abwärme. Cui ist jedoch der Ansicht, dass das System in Zukunft an anderer Stelle angewendet werden könnte. Das Team kann auch mit anderen Batteriematerialien experimentieren, mit denen der thermogalvanische Effekt auf höhere Wärmewerte angewendet werden kann, z. B. auf solche, die von einem Kamin oder einem Ofen erzeugt werden.
In einer Zeit, in der Energiegewinnungssysteme in Übersee bereits an der Tagesordnung sind, könnten Systeme wie das von Cui von unschätzbarem Wert sein, um neue Energiebereiche in den USA zu erkunden. Mit der Wärme der Londoner U-Bahn werden in den nächsten Jahren rund 1.400 Wohnungen beheizt. Und ein Großteil der Energie Dänemarks stammt aus Abwärme.
Mit solchen Erfindungen könnten wir aufholen.
