Pyroelektrisches Kraftwerk gewinnt Strom aus Abwärme

Jan Oliver Löfken

Zwei quadratische Areale unterschiedlicher Höhe sind über einen schmalen, langgestreckten Quader miteinander verbunden. Geschlängelte Pfeile symbolisieren den Fluss von Abwärme in diesem Modul.

S. Pandya et al./UC Berkeley

Wenn Benzin in einem Motor verbrennt oder Strom durch Computerchips fließt, geht ein Großteil der eingesetzten Energie als Abwärme verloren. Insgesamt sind diese Verluste mit fast siebzig Prozent alles andere als gering. Sogenannte pyroelektrische Stromgeneratoren könnten in Zukunft einen kleinen Teil dieser Abwärme wieder in elektrischen Strom umwandeln. Wissenschaftler stellten in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ nun den Prototyp eines solchen Minikraftwerks vor, der bereits kleine Temperaturunterschiede effizient nutzen kann.

Wird ein pyroelektrisches Material erwärmt, lässt sich an jeweils gegenüberliegenden Seiten der meist kristallinen Struktur eine elektrische Spannung messen. Verantwortlich dafür sind kleine Veränderungen im Aufbau des pyroelektrischen Kristalls. Bereits heute wird dieser Effekt für empfindliche Wärmesensoren, wie etwa in Bewegungsmeldern, genutzt. Lane Martin von der University of California in Berkeley und seine Kollegen gingen nun einen Schritt weiter und fertigten ein pyroelektrisches Minikraftwerk aus einer hauchdünnen Schicht eines speziellen Bleititanats.

Zunächst heizten die Wissenschaftler ihr Minikraftwerk kontrolliert auf bis zu 120 Grad Celsius auf. Dabei entstand ein messbarer Stromfluss von einigen Nanoampere. Um größere Ströme zu erzeugen, wiederholten Martin und sein Team diesen Vorgang bis zu tausend Mal pro Sekunde. Das war möglich, da sich die dünne Bleititanatschicht binnen Millisekunden wieder auf Raumtemperatur abkühlte. Die größte Leistungsdichte – 526 Watt pro Kubikzentimeter – zeigte der Prototyp bei tausend Heizzyklen pro Sekunde und einer Temperaturdifferenz von 56 Grad Celsius. Die größte Energiedichte, gut ein Joule pro Kubikzentimeter, ergab sich bei vierzig Heizzyklen pro Sekunde und einer Temperaturdifferenz von 90 Grad.

Um aus Abwärme elektrischen Strom zu erzeugen, wird bisher meistens mit Modulen aus thermoelektrischen Materialien gearbeitet. Doch diese benötigen im Vergleich zu pyroelektrischen Modulen deutlich höhere Temperaturunterschiede. Die Experimente von Martin und seinen Kollegen zeigen nun, dass schon relativ geringe Temperaturunterschiede für eine pyroelektrische Stromerzeugung ausreichen. Die Ausbeute ist zwar gering, genügt aber zum Betrieb von Sensoren oder elektronischen Uhren. Auch die schnell getakteten Heizphasen von Computerchips ließen sich mit pyroelektrischen Modulen effizienter nutzen.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2018/pyroelektrisches-kraftwerk-gewinnt-strom-aus-abwaerme/