Ein Team von Ingenieuren und Materialwissenschaftlern der University of Colorado hat eine neue Technologie entwickelt, mit der Wärmestrahlung in Elektrizität umgewandelt werden kann, und zwar auf eine Weise, die die grundlegenden Gesetze der Wärmephysik buchstäblich außer Kraft setzt. Der Durchbruch wurde von der Cui Research Group unter der Leitung von Assistenzprofessor Longji Cui erzielt.I hre Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und der University of Wisconsin-Madison.
Nach Ansicht der Gruppe hat ihre Forschung das Potenzial, die verarbeitende Industrie zu revolutionieren, indem sie die Stromerzeugung ohne Hochtemperatur-Wärmequellen oder teure Materialien steigert. Sie können saubere Energie speichern, Kohlenstoffemissionen reduzieren und Wärme aus geothermischen, nuklearen und solarthermischen Anlagen auf der ganzen Welt nutzen. Mit anderen Worten: Cui und sein Team haben ein uraltes Rätsel gelöst - wie man aus weniger mehr macht. „Wärme ist eine erneuerbare Energiequelle, die oft übersehen wird“, sagt Cui. „Zwei Drittel der Energie, die wir verbrauchen, wird in Wärme umgewandelt. Denken Sie an Energiespeicherung und Stromerzeugung ohne fossile Brennstoffe. Wir können einen Teil dieser verschwendeten Wärmeenergie zurückgewinnen und sie zur Erzeugung von sauberem Strom nutzen.“
Physikalische Grenzen im Vakuum durchbrechen
Industrielle Hochtemperaturprozesse und Techniken zur Erzeugung erneuerbarer Energie nutzen häufig eine thermische Energieumwandlungsmethode, die Thermophotovoltaik (TPV). Bei dieser Methode wird thermische Energie aus Hochtemperatur-Wärmequellen zur Stromerzeugung genutzt. Bestehende TPV-Anlagen haben jedoch eine Einschränkung: Das Planck'sche Strahlungsgesetz.
„Das Plancksche Gesetz, eines der grundlegendsten Gesetze der Wärmephysik, setzt eine Grenze für die verfügbare Wärmeenergie, die von einer Hochtemperaturquelle bei einer bestimmten Temperatur nutzbar gemacht werden kann“, sagt Cui. „Forscher haben versucht, sich dieser Grenze anzunähern oder sie mit vielen Ideen zu überwinden, aber die derzeitigen Methoden sind zu kompliziert, um das Gerät herzustellen, teuer und nicht skalierbar.“
Hier kommt die Gruppe von Cui ins Spiel. Durch die Entwicklung eines kompakten TPV-Geräts, das in eine menschliche Hand passt, ist es dem Team gelungen, die durch das Plancksche Gesetz definierte Vakuumgrenze zu überwinden und die Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen TPV-Konstruktionen zu verdoppeln. „Als wir diese Technologie erforschten, hatten wir theoretisch ein hohes Maß an Verbesserung vorhergesagt. Aber wir waren uns nicht sicher, wie es in einem realen Experiment aussehen würde“, sagt Mohammad Habibi. „Nachdem wir das Experiment durchgeführt und die Daten verarbeitet hatten, sahen wir die Verbesserung selbst und wussten, dass es etwas Großartiges war.“
Die Nullvakuum-Spaltlösung mit Glas
Die Forschungsarbeit entstand zum Teil aus dem Wunsch der Gruppe, Grenzen zu verschieben. Um erfolgreich zu sein, mussten sie jedoch bestehende TPV-Konstruktionen ändern und einen anderen Ansatz wählen. „Bei TPV-Bauteilen gibt es zwei wichtige Leistungskennzahlen: Effizienz und Leistungsdichte“, so Cui. „Die meisten Leute haben sich auf die Effizienz konzentriert. Unser Ziel war es jedoch, die Leistung zu erhöhen.“
Um dieses Ziel zu erreichen, implementierte das Team eine so genannte „Null-Vakuum-Spalt“-Lösung in das Design ihrer TPV-Vorrichtung. Im Gegensatz zu anderen TPV-Modellen, die einen vakuum- oder gasgefüllten Spalt zwischen der Wärmequelle und der Solarzelle aufweisen, verfügt ihr Design über einen isolierten, hochindizierten und infrarottransparenten Abstandshalter, der nur aus Glas besteht.
Dadurch entsteht ein Kanal mit hoher Leistungsdichte, der es den Wärmewellen ermöglicht, sich ohne Leistungsverlust durch die Vorrichtung zu bewegen, was die Stromerzeugung drastisch verbessert. Das Material ist außerdem sehr preiswert, was einer der Hauptvorteile des Geräts ist.
„Wenn man früher die Leistungsdichte erhöhen wollte, musste man die Temperatur erhöhen. Sagen wir, eine Erhöhung von 1.500 °C auf 2.000 °C. Manchmal sogar noch höher, was schließlich nicht mehr tolerierbar und unsicher für das gesamte Energiesystem ist“, erklärte Cui. „Jetzt können wir bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, die mit den meisten industriellen Prozessen kompatibel sind, und dabei eine ähnliche elektrische Leistung erzeugen wie vorher. Unser Gerät arbeitet bei 1.000 °C und liefert eine Leistung, die der von 1.400 °C in bestehenden spaltintegrierten TPV-Geräten entspricht.“
Die Gruppe sagt auch, dass ihr Glasdesign nur die Spitze des Eisbergs ist. Mit anderen Materialien könnte das Gerät noch mehr Energie erzeugen. Dies ist die erste Demonstration dieses neuen TPV-Konzepts“, erklärt Habibi. „Aber wenn wir ein anderes billiges Material mit denselben Eigenschaften verwenden würden, zum Beispiel amorphes Silizium, könnte die Leistungsdichte sogar noch um fast das Zwanzigfache gesteigert werden. Das wollen wir als nächstes erforschen.“
Kommerzielle Möglichkeiten in der Industrie
Cui geht davon aus, dass ihre neuartigen TPV-Komponenten ihre größte Wirkung entfalten werden, wenn sie tragbare Stromgeneratoren ermöglichen und emissionsintensive Industrien dekarbonisieren. Sobald sie verbessert sind, haben sie das Potenzial, industrielle Hochtemperaturprozesse wie die Glas-, Stahl- und Zementherstellung mit billigerem und saubererem Strom zu verändern.
„Unser Gerät nutzt kommerzielle Technologie, die bereits existiert. Es lässt sich auf natürliche Weise skalieren, um in diesen Branchen eingesetzt zu werden“, so Cui. „Wir können verschwendete Wärme zurückgewinnen und mit diesem Gerät die benötigte Energiespeicherung bei einer niedrigen Arbeitstemperatur bereitstellen. „Wir haben auf der Grundlage dieser Technologie ein Patent angemeldet, und es ist sehr spannend, diese erneuerbare Innovation im Bereich der Stromerzeugung und Wärmerückgewinnung voranzutreiben.“
