Mehr Strom aus Abwärme

Die gigantische Energiemenge von mehreren Milliarden Gigajoule geht in industriellen Prozessen jedes Jahr über Abwärme verloren. Für hohe Temperaturen über sechshundert Grad gibt es bereits thermoelektrische Verfahren, um aus einem kleinen Teil der Abwärme wieder elektrischen Strom zu erzeugen. Nun könnte mit einer neuen Methode auch weniger heiße Abwärme mit Temperaturen unter hundert Grad effizient genutzt werden. Wie eine Forschergruppe in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichtet, können diese neuartigen Stromgeneratoren relativ kühle Abwärme mit Wirkungsgraden von bis zu sieben Prozent in elektrischen Strom umwandeln.

Schlauch mit hellen Punkten, der von zwei unterschiedlich farbigen Flächen umgeben ist.
Thermoosmotischer Effekt

„Das Verfahren nutzt nur Wasser als Arbeitsmedium und ist daher kosteneffizient und umweltfreundlich“, sagt Anthony Straub von der Yale University in New Haven, USA. Zusammen mit Kollegen der Columbia und der Vanderbuilt University entwickelte er eine nanoporöse Membran aus einem stark wasserabstoßenden Kunststoff. Diese Nanomembran stabilisierten die Forscher mit einem Netz aus Polyester. Mit dieser nur etwa ein Zehntel Millimeter dünnen Membran trennten sie eine Kammer mit zwanzig Grad warmem Wasser von einem unter Hochdruck stehenden und mit sechzig Grad etwas wärmeren Reservoir ab.

Trotz des geringen Temperaturunterschieds von nur vierzig Grad konnten durch die winzigen Poren der Nanomembran Wassermoleküle in die Kammer mit dem kälteren Wasser wandern. Dort kondensierte der Wasserdampf und der Druck in der Kammer erhöhte sich auf bis zu 13 bar. Von diesem hydraulischen Druck angetrieben konnte das Wasser durch einen Kanal gepresst werden. Wenn man nun eine kleine Turbine in diesen Wasserstrom setzt, ließe sich die Rotation der Turbine über einen Generator zur Stromerzeugung nutzen.

Bei diesem thermoosmotischen Prozess erreichten die Forscher relativ hohe Leistungsdichten von 3,5 Watt pro Quadratmeter. Detaillierte Berechnungen zeigten, dass mit Wasser als Arbeitsmedium und optimierter Porengröße Wirkungsgrade von bis zu sieben Prozent erreichbar wären. Wird das Wasser noch gegen spezielle organische Flüssigkeiten mit besseren Verdampfungseigenschaften ersetzt, ließe sich die Stromausbeute weiter steigern.

Diese neue Methode zur Nutzung von relativ kühler Abwärme ist eine Alternative zu anderen Verfahren, in denen über den thermoelektrischen Effekt heiße Abwärme direkt in Strom umgewandelt werden kann. Mit Wasser und gut verfügbaren Kunststoffen könnten sich diese Thermoosmose-Generatoren auch im großen Maßstab günstig herstellen lassen. Gelingt die Entwicklung von Generatoren über den Labormaßstab hinaus, könnte dann erstmals die bisher ungenutzte Abwärme mit Temperaturen unter hundert Grad zur Stromgewinnung verwendet werden.