TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

WÄrme (VI)

Prof. Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), der auch im Bereich der triboelektrischen Generatoren und der piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähte aktiv ist, stellt im Juni 2012 einen pyroelektrischen Nanogenerator (PENG o. PyNG) vor, der Strom aus zeitlichen Temperaturänderungen gewinnen kann (,Pyroelectric nanogenerators for harvesting thermoelectric energy’).

Dem Team um Wang gelingt es mit einem solchen Gerät, das nur halb so groß ist wie eine Briefmarke, genug Strom zu erzeugen, um kleine Elektronik-Komponenten mit ausreichend Energie zu versorgen. Hierfür reichen schon die Temperaturunterschiede aus, die durch einen Luftzug, durch Sonneneinstrahlung oder durch tages- und jahreszeitbedingte Temperaturschwankungen verursacht werden.

Im Gegensatz zu den bestehenden Konzepten, die zumeist auf der Nutzung örtlicher Temperaturunterschiede an den zwei Enden eines entsprechenden Generators basieren, erlaubt der bisher kaum erforschte pyroelektrische Effekt die Erzeugung von Strom aus zeitlichen Veränderungen der Temperatur, wobei bisherige Generatoren auf dieser Grundlage lediglich Spannungen unter 0,1 V geliefert haben.

Der neue PENG besteht aus einer 175 µm dicken Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat, von dem ein Stück mit den Maßen 21 x 12 mm bei einer Temperaturänderung um 45°C mit einer Geschwindigkeit von 0,2°C pro Sekunde bis zu 22 V Spannung bei 430 nA liefert, was ausreicht, um ein kleines LCD mit Energie zu versorgen. Für den Betrieb größerer Geräte reicht die PENG-Energie aber noch nicht aus.

Kontextbezogen sei hier auf die im Januar 2021 erfolgte Veröffentlichung ,Large Pyroelectric Current Generation Induced by Droplet Cooling’ eines großen Teams um Wanying Zhang an der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) verwiesen, in der ein alternativer Ansatz zur Erzielung einer schnellen Temperaturänderung in einem pyroelektrischen System durch Tröpfchenkühlung vorgestellt wird, der zu einer Verbesserung der pyroelektrischen Stromerzeugung führt.

Das pyroelektrische System des SJTU-Teams besteht aus einer pyroelektrischen Schicht aus Lithiumtantalat (LiTaO₃), die zwischen zwei Schichten aus Gold/Titan (Au/Ti) als obere und untere Elektrode eingebettet ist. Aufgrund des schnellen Wärmeaustauschs während des Abkühlungsprozesses der Tröpfchen unterliegt die pyroelektrische Schicht einer schnellen Temperaturänderung mit einer maximalen Rate von ~725°C/s, was zur einer Stromdichte von ~8,8 μA/cm² führt.

Im Oktober 2021 folgt die Studie ,Highly efficient pyroelectric generator for waste heat recovery without auxiliary device’ eines Teams um Shuhai Jia an der Xi’an Jiaotong University (XJTU) in China, das einen hocheffizienten, die reichlich vorhandene Abwärme nutzenden pyroelektrischen Generator (PEG) aus einem Nanokomposit entwickelt hat.

Das Nanokomposit ist aus P(VDF-TrFE-CFE) und Barium-Strontium-Titanat (BST)-Nanopartikeln sowie Bornitrid (BN)-Nanoblättern hergestellt, die eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und hohe Polarisation aufweisen. Dadurch erreicht die Ausgangsstromdichte des PEG einen Wert von 1,7 μA/cm². Darüber hinaus wird in der Studie eine neue Bewertungsmethode zur Standardisierung der Leistung eines PEG vorgestellt.

Eine weiterführende Recherche in Bezug auf PEGs und PENGs ergibt noch viele weitere Treffer, die hier aber nicht aufgeführt werden sollen. Die Arbeiten beschränken sich bisher ausschließlich auf wissenschaftliche Untersuchungen - über Produktumsetzungen ließ sich hingegen nichts finden.

Weiter in der Chronologie: Ebenfalls im November 2012 erscheint die 3. Version eines Artikels von Xinyong Fu und Zitao Fu von der Shanghai Jiao Tong University, der erstmals im Jahr 2003 veröffentlicht worden ist und mit dem einprägsamen Satz „Energy is immortal“ endet. Eine frühe Annährung an das Thema stammt übrigens schon von 1982.

In dem Bericht geht es um die Verwirklichung des Maxwellschen Dämons (o. Maxwell-Dämon) – ein von dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell im Jahr 1871 veröffentlichtes Gedankenexperiment, mit dem er den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Frage stellt.

Beschrieben wird ein Behälter, der durch eine Trennwand geteilt ist, die eine kleine verschließbare Öffnung enthält. Anfangs enthalten beide Hälften Luft gleicher Temperatur, doch ein Wesen, das die Moleküle ,sehen’ kann, öffnet und schließt die Verbindungsöffnung so, daß die schnelleren (wärmeren) Moleküle in der einen, und die langsameren (kälteren) Moleküle in der anderen Hälfte des Behälters gesammelt werden. Mit der daraus resultierenden Temperaturdifferenz ließe sich dann z.B. eine Wärmekraftmaschine betreiben.

Die Frage lautet also: Gibt es einen Mechanismus, der die Bewegung von energiereichen Teilchen in eine bestimmte Richtung begünstigen würde? Die Arbeit von Fu und Fu wurde bislang entweder belächelt oder ignoriert. Umso wichtiger ist es sie hier aufzuführen, schließlich ist sie auch experimentell belegt, wie dem Bericht zu entnehmen ist.

In der Kurzbeschreibung heißt es: Zwei gleiche und parallel angeordnete Ag-O-Cs Flächen in einer Vakuumröhre emittieren bei Raumtemperatur ununterbrochen Elektronen. Ein statisches Magnetfeld um die Röhre (das keine Energie benötigt) spielt die Rolle des ,Maxwellschen Dämons’, indem es die thermischen Elektronen so steuert, daß sie von einer Ag-O-Cs Oberfläche zur anderen fliegen. Dadurch sammeln sich auf den beiden Oberflächen positive und negative Ladungen, so daß ein elektrisches Potential zwischen den beiden Oberflächen entsteht.

Wird eine Last an die beiden Flächen angelegt, fließt ein kontinuierlicher Strom, wobei die Umgebungsluft den alleinigen Wärmespeicher darstellt und die gesamte Wärme, welche die Röhre aus der Luft extrahiert, in elektrische Energie umgewandelt wird, ohne jegliche anderen Effekt hervorzurufen.

Praktische Umsetzungen sind allerdings noch nicht auszumachen, auch nicht seitens anderer Personen, die sich mit der Thematik befassen, wie der italienische Mathematiker und Physiker Germano D’Abramo oder der amerikanische Anwalt Daniel P. Sheehan.

Im Januar 2013 erscheint ein Bericht des Massachusetts Institute of Technology (MIT) über eine neue Technik, die es ermöglicht, Hitze auf die gleiche Weise zu manipulieren und kontrollieren, wie dies mit Lichtwellen geschieht. Die auf nanostrukturierten Halbleiterlegierungskristallen basierende Technik könnte zu einer Vielzahl sehr interessanter Anwendungen bei thermoelektrischen Vorrichtungen und der Entwicklung von Energieeffizienz-Systemen in Gebäuden resultieren.

Den Wissenschaftlern zufolge ist Hitze eine Schwingung der Materie – technisch gesehen, die Schwingung des Atomgitters eines Materials – genauso wie Schall. Solche Schwingungen können auch als ein Strom von Phononen betrachtet werden – eine Art ,virtueller Teilchen’, das analog zu den Photonen ist, die Licht tragen. Hitze unterscheidet sich vom Schall insofern, daß Schallwellen aus niedrigeren Frequenzen (bis zum Kilohertzbereich bzw. Tausenden von Schwingungen pro Sekunde) bestehen, während Wärme aus höheren Frequenzen (im Terahertzbereich oder Billionen von Schwingungen pro Sekunde) besteht.

Phononen für Schall können sich daher kilometerweit fortbewegen, weshalb es möglich ist, Geräusche aus sehr großer Entfernung zu hören. Phononen von Wärme bewegen sich hingegen nur über Nanometer, was verhindert, daß man Wärme auch mit Ohren, die auf Terahertz-Frequenzen reagieren, nicht hören kann. Außerdem erstreckt sich die Wärme über einen großen Frequenzbereich, während der Schall nur eine einzige Frequenz hat.

Mit dem neuen Ansatz der Forscher um Martin Maldovan wird es möglich, durch die Kontrolle des Abstands der winzigen Lücken, die in den betreffenden Materialien vorhanden sind, diese so abzustimmen, daß sie sich mit der Wellenlänge der Wärmephononen decken. Damit eröffnet sich ein völlig neuer Weg, um Wärme zu manipulieren – vergleichbar mit den erst kürzlich entwickelten photonischen Kristallen, die den Durchgang von Licht kontrollieren können, bzw. phononischen Kristallen, die das gleiche für Schall tun.

Der Gesamtprozeß (der etwas komplexer ist als hier beschrieben) basiert im Wesentlichen darauf, die Wärmephononen soweit zu ,reduzieren’, bis sie Schallwellen ähneln, um den resultierenden verengten Strahl der ,Hyperschall-Hitze’ dann durch phononische Kristalle zu manipulieren, die von den Forschern deshalb auch als Thermokristalle bezeichnet werden und eine neue Kategorie von Materialien bilden.

Eine mögliche Anwendung dieser Thermokristalle sind die abgebildeten Thermischen Gitter. Dies sind Strukturen, in denen Luftspalte (dunkle Kreise) mit präzisem Abstand den Wärmefluß steuern und durch in die Struktur eingeführte Defekte (farbige Bereiche) erlauben, Wärmeenergie an Ort und Stelle zu ,fixieren’.

Zu den weiteren angedachten Verwendungen gehören bessere thermoelektrische Vorrichtungen, thermische Dioden, die für die Energieeffizienz sehr nützlich wären, sowie das ,thermische Tarnen’, um Gegenstände vor der Detektion durch sichtbares Licht oder Mikrowellen abzuschirmen. Andere Variationen des Materials könnten verwendet werden, um die Hitze zu fokussieren und in einem kleinen Bereich zu konzentrieren - ähnlich dem Fokussieren von Licht mit einer Linse.

Einen Heißluft-Stirling-Motor verwendet auch der onE Puck der Epiphany Laboratories aus Pittsburgh, Pennsylvania, der im Februar 2013 bekannt wird, als die Firma eine Kickstarter-Kampagne startet, um nach Investoren Ausschau zu halten.

Das Team hatte zuvor im Rahmen der Schwestergesellschaft Epiphany Solar Water Systems (SWS) drei Jahre damit verbracht, ein solarbetriebenes Wasseraufbereitungs-Gerät zu optimieren, das Millionen von Leben retten soll.

Bei dem aktuellen Projekt handelt es sich um einen tragbarern Stromerzeuger, der auf eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen der roten und blauen Platte (bzw. Seite) setzt, um umweltfreundliche Energie für Smartphones und ähnliche Geräte bereitzustellen. Wird heißer Kaffee auf die rote Seite - oder aber ein eiskaltes Getränk auf die blaue Seite des oneE Puck gestellt, beginnt nach wenigen Augenblicken der Ladevorgang. Der maximale Output des Geräts soll bei 5 W liegen.

Der zu einem Preis ab 99 $ plus Versand angebotene oneE Puck, über dessen technische Details aber nichts gesagt wird, wird von den Konsumenten angenommen: Bereits Anfang April sind von 1.175 Unterstützern insgesamt 132,739 $ zusammengekommen, um das Projekt zu verwirklichen.

Nach der letzten Meldung im August 2015, in der im Grunde nur von Problemen berichtet wird, ist jedoch überhaupt nichts mehr über den oneE Puck zu hören. Ebenso unklar ist, was derweil mit den eingesammelten Geldern passiert ist. Entsprechend verärgert reagieren die Unterstützer.

Eine weitere Crowdfunding-Kampagne geht schon zu Beginn baden: Ebenfalls im Februar 2013 will eine Gruppe von Designern um Ryan Johnstone in Nairobi, Kenia, via IndieGogo Geld sammeln, um aus gebrauchten Kunststoff-Flaschen 5 W Ladegeräte zu konstruieren, mit denen Handys und Smartphones mit Strom versorgt werden können.

Der sogenannte Bottle Charger soll mittels der Miniaturausführung einer Blackbeard unidirektional Constant Turbine (BUCT) funktionieren, von der man bislang allerdings noch nie etwas gehört hat - und auch später nicht. Johnstone behauptet, damit würde es ausreichen, eine Tasse kochendes Wasser in die Flasche zu füllen, so daß mit dem Anstieg und Fall der Temperatur genügend Strom erzeugt wird, um ein Handy in nur 15 – 30 Minuten vollständig aufzuladen.

Statt der erhofften 25.000 $ legen jedoch nur fünf Unterstützer magere 160 $ auf den Tisch – womit sich die Angelegenheit erst einmal erübrigt, auch wenn davon gesprochen wird, daß man nach der Prototyp-Phase bereits mit der Entwicklung der zweiten Generation beschäftigt sei. Tatsächlich ist danach nie wieder etwas von dem Ladegrät oder der BUCT zu hören.

Im April 2014 berichten die Fachblogs über eine neue Methode, um Solarenergie auch im Dunkeln zu gewinnen - was im ersten Moment absurd erscheint. Die Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University um Prof. Jeffrey C. Grossman und den Postdoktoranden Timothy J. Kucharski realisieren diesen Durchbruch mit Materialien, die sie Photoswitches nennen und die als eigenständige Batterien agieren, indem sie Wärmeenergie absorbieren und bei Bedarf wieder freigeben (,Templated assembly of photoswitches significantly increases the energy-storage capacity of solar thermal fuels’).

Einige Moleküle, die als Photoschalter bekannt sind, können eine von zwei unterschiedlichen Formen annehmen, als ob sie ein Scharnier in der Mitte hätten. Werden sie der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt, bewirkt dies, daß sie Energie absorbieren und von einer Konfiguration zur anderen springen, die dann für lange Zeiträume stabil bleibt.

Um diese Energie wieder freizusetzen reicht es, die Moleküle einer geringen Menge Licht, Wärme oder Elektrizität auszusetzen. Dabei wechseln sie wieder in die andere Form und geben die vormals gespeicherte Wärme ab. Die Moleküle können die Wärme im Prinzip für immer speichern und zudem endlos wiederverwendet werden. 

Den Wissenschaftler gelingt es, die Funktionsfähigkeit des Phänomens namens Photoschaltbarkeit im Labor zu demonstrieren, indem sie Azobenzol-Moleküle auf einem Substrat aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen anbringen. Die Herausforderung dabei besteht darin, die Moleküle eng genug zusammenzupacken, um eine ausreichende Energiedichte für die Erzeugung nutzbarer Wärme zu erreichen.

Nachdem es anfänglich danach aussieht, daß die Forscher versagt hätten, als sie nur in der Lage waren, weniger als die Hälfte der benötigten Anzahl der Moleküle zusammenzupacken, die in einer früheren Computersimulation des Experiments festgelegt worden war, stellt sich bald darauf heraus, daß der Schlüssel nicht darin besteht, so viel Azobenzol-Moleküle wie möglich fest auf einzelne Kohlenstoff-Nanoröhren zu packen, sondern die Nanoröhrchen selbst dicht zusammenzupacken. Damit erreichen sie eine 200 %-ige Steigerung der Energiedichte.

Die Erklärung dafür besteht darin, daß die Azobenzol-Moleküle auf den Kohlenstoff- Nanoröhrchen ,Zähne’ bilden, wobei die Zähne benachbarter Nanoröhrchen ineinander greifen. Als Ergebnis wird die Masse erreicht, die für eine brauchbare Menge an Energiespeicherleistung benötigt wird. Nach Ansicht der Forscher bedeutet dies, daß verschiedene Kombinationen von Photoschaltungs-Molekülen und Substraten die gleiche oder eine noch höhere Energiespeicherfägigkeit erreichen könnten.

Der Bau einer praktikablen und skalierbaren ,ewigen Wärmemaschine’ steht allerdings noch bevor. Falls die Technologie schließlich vermarktet wird, dann am ehesten in einer leicht zu transportierenden flüssigen Form. Damit wäre auch eine Aufladung möglich, indem das Material aus einem Vorratsbehälter vor dem Fenster einen durchsichtigen Schlauch entlang fließt und dabei der Sonne ausgesetzt wird, um dann in einem anderen Vorratsbehälter zu bleiben, bis es gebraucht wird.

Einen Einsatzbereich sehen die Wissenschaftler beim solaren Kochen, wo das Gerät während des Tages einfach in der Sonne stehen bleibt. Einer der Entwürfe für eine solche Anwendung ist rein Schwerkraft-betrieben. Dabei wird die Strömungsrate von einem Tank zum anderen so eingeschränkt, daß das Material lange genug der Sonne ausgesetzt ist, um sich vollständig aufzuladen.

Um dann nach Sonnenuntergang das Abendessen zu kochen, wird die Strömungsrichtung – wieder durch die Schwerkraft angetrieben – umgekehrt und die gegenüberliegende Seite der Vorrichtung als Kochfläche verwendet. Während das Material in den ersten Behälter zurückfließt, passiert es einen immobilisierten Katalysator, der den Energie-Freigabevorgang auslöst und damit die Kochfläche aufheizt.

Andere Versionen solcher Vorrichtungen könnten verwendet werden, Gebäude zu beheizen. Wann es denn soweit sein wird, können die Forscher allerdings noch nicht sagen.

Grossman hatte gemeinsam mit E. Durgun schon im März 2013 den Artikel ,Photoswitchable Molecular Rings for Solar-Thermal Energy Storage’) publiziert, der aber leider ebenfalls nicht öffentlich einsehbar ist. Im März 2015 erscheint dann die Studie ,Designing photoswitches for molecular solar thermal energy storage’ von Wissenschaftlern der schwedischen Chalmers University of Technology um Kasper Moth-Poulsen, die hingegen im Netz abrufbar ist.

Von Grossman und Sophia Robin Sklan folgt im Oktober 2015 die ebenfalls abrufbare Studie ,Sound and noisy light: Optical control of phonons in photoswitchable structures’, in der eine Möglichkeit vorgestellt wird, Phononen durch optische Abstimmung zu kontrollieren. Ebenso einsehbar ist die Arbeit ,Optically-controlled long-term storage and release of thermal energy in phase-change materials’, die im November 2017 erscheint und neben Grossman noch Grace G. D. Han und Huashan Li als Autoren nennt.

Vom Mai 2019 ist die Studie ,Applications of Photoswitches in the Storage of Solar Energy’ zu nennen, die von einem Team der University of Liverpool um Prof. Roman Boulatov stammt und eine Übersicht über die Fortschritte auf der Grundlage empirischer, rechnerischer oder theoretischer Forschungsarbeiten bietet, die auf dem Weg zum Einsatz der molekularen solarthermischen Energiespeicherung seit 2011 veröffentlicht wurden.

Und auch hier ergibt die weiterführende Recherche viele weitere Treffer, die hier aber nicht aufgeführt werden sollen, da es noch diverse andere Technologien gibt, die zu erwähnen sind.

Ein Team um Gang Chen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), an dem auch Kollegen der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory beteiligt sind, berichtet im November 2014 darüber, daß es den Prototyp eines Akkus entwickelt habe, dessen Ladung sich erhöht, wenn die Temperatur steigt – aber auch wenn sie fällt. Damit könnte eines Tages alleine der Wärmeunterschied zwischen Tag und Nacht ausreichen, um eine Batterie aufzuladen (,Charging-free electrochemical system for harvesting low-grade thermal energy’).

Das neue Akku-Prinzip beruht auf den sogenannten Thermodynamischen Reaktionszyklen (Thermally regenerative electrochemical cycle, TREC). Es ist schon länger bekannt, daß sich das elektrochemische Verhalten mancher Stoffe mit der Temperatur ändert (thermogalvanischer Effekt). Bislang konnte man diesen Effekt jedoch nur für hohe Temperaturen verwenden, während der Akku des MIT-Teams dieses Prinzip bei Temperaturen deutlich unter 100°C nutzt und dabei auch keine externe Energiezufuhr benötigt.

Im Gegensatz zu früheren Vorschlägen, bei denen der Akku bei niedriger Temperatur T1 entladen und bei höherer Temperatur T2 geladen wurde, was nur mit der Zufuhr zusätzlicher elektrischer Energie funktionierte, kehren sich bei dem neuen System bei den Temperaturen T1 und T2 die elektrochemischen Eigenschaften von Anode und Kathode um. Dadurch wird der Akku sowohl bei T1 als auch bei T2 entladen (nur mit umgekehrter Polarität).

Der Ladeprozeß wird hingegen durch vorsichtiges Abstimmen der Zusammensetzung der Elektroden rein durch Wärmeenergie angetrieben, zusätzliche Elektrizität wird keine benötigt. Als aktive Elektroden-Materialien werden günstig herstellbare und ungiftige Stoffe gewählt: einerseits gelbes und rotes Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat) und andererseits der Farbstoff Preußisch Blau in Form von Nanokugeln. Der Elektrolyt besteht aus einer wäßrigen Lösung von Salpeter (Kaliumnitrat), während die beiden Kammern der Batterie durch eine Nafionmembran voneinander getrennt sind.

Hierdurch wird erreicht, daß die Elektroden zwischen 20°C und 60°C ihre Polarität wechseln: Bei 20°C ist die Elektrode mit Preußisch Blau der Minuspol und die Elektrode mit dem Blutlaugensalz der Pluspol - bei 60°C ist es umgekehrt. Mit dem Abkühlen auf 20°C baut sich eine Spannung auf, worauf sich die Batterie anschließend langsam entlädt – und damit ein Strom fließt. Da dasselbe auch beim Erhitzen auf 60°C geschieht, entsteht ein Kreislauf: Sowohl mit dem Erwärmen als auch mit dem Abkühlen wird eine Spannung erzeugt.

Bei dem aktuellen Prototyp erreicht der komplette Prozeß zwar nur eine Effizienz von 2 % Prozent, was aber trotzdem um eine Größenordnung mehr ist als die Ausbeute von thermogalvanischen Zellen, mit denen ebenfalls Strom aus der Umgebungswärme gewonnen werden soll. Zudem gilt das neue Verfahren als attraktiv, da das Gerät keine teuren Materialien benötigt und relativ einfach aufgebaut ist. Außerdem hält die Batterie im Langzeitversuch tausend Ladezyklen mit nur minimalem Spannungsverlust durch.

for Harvesting Low-Grade Thermal Energy’ veröffentlicht, in welchem es über den TREC berichtet hat - in Form einer neuen membranfreien Batterie mit einer Nickelhexacyanoferrat (NiHCF)-Kathode und einer Silber/Silberchlorid-Anode, die neue Möglichkeiten zur Nutzung von Abwärme eröffnet.

Auch an dem Thema TREC wird in den Folgejahren an verschiedenen Orten weitergearbeitet. Als Anregung für weiterführende Recherchen sollen hier einige Beispiele genannt werden: So publizieren Forscher der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur und der Columbia University in New York um Yuan Yang im August 2017 die Studie ,Thermally Regenerative Electrochemical Cycle for Low-Grade Heat Harvesting’, die das TREC-Prinzip und die jüngsten Fortschritte, wie z.B. neue Materialsysteme und Mechanismen, diskutiert.

Im Oktober 2022 ist die Veröffentlichung ,Continuous thermally regenerative electrochemical systems for directly converting low-grade heat to electricity’ zu nennen, die von der NTU gemeinsam mit der chinesischen Hunan University erstellt wird. Hier wird über ein TREC-System berichtet, das im Experiment einen thermischen Wirkungsgrad von 1,76 % und eine Leistungsdichte von 130 mW/m² erreicht. Gemeinsam mit dem Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Korea folgt im Juli 2023 der einsehbare Bericht ,Enhancing Efficiency of Low-Grade Heat Harvesting by Structural Vibration Entropy in Thermally Regenerative Electrochemical Cycles’.

Zeitgleich im Juli veröffentlichen Wissenschaftler der National University of Singapore, der Agency for Science Technology and Research (A*STAR) in Singapur und der chinesischen Sichuan University die ebenfalls im Netz einsehbare Arbeit ,Continuous electricity generation from solar heat and darkness’, in der ein kostengünstiger, kontinuierlicher Stromgenerator zur Umwandlung der täglichen Temperaturschwankungen in Elektrizität demonstriert wird und mit Hilfe von Graphen als bifunktionalem Solarabsorber und Strahlungskühler funktioniert.

Das neue TREC-System mit Lithiumferrocyanid und Lithiumeisenphosphat erreicht einen thermoelektrischen Wirkungsgrad von 19,91 %, was fast das Fünffache des höchsten Wirkungsgrads der bisher bekannten ladungsfreien TRECs ist. Die maximale Leistungsdichte übersteigt sogar das Zehnfache der besten berichteten TRECs. Eine experimentelle Demonstration auf dem Dach zeigt die praktische Eignung des Systems für die Stromversorgung sowohl tagsüber als auch nachts, wobei die Leistungsdichte im Vergleich zu anderen thermoelektrischen Generatoren in der Nacht deutlich höher ist.

Ein weiteres Beispiel ist die Studie ,Elevating Low-Grade Heat Harvesting with Daytime Radiative Cooling and Solar Heating in Thermally Regenerative Electrochemical Cycles’ vom April 2024, in welcher ein Team der University of Illinois Urbana−Champaign um Lili Cat ein neuartiges System beschreibt, das die Strahlungskühlung am Tag und solare Heiztechnologien nutzt, um kontinuierlich ladungsfreie, thermisch regenerative elektrochemische Zyklusgeräte (TREC) zu betreiben, die die allgegenwärtige, schwache Umgebungswärme in Strom umwandeln.

Forscher der Tianjin University und der Harbin Engineering University in China wiederum publizieren im August den Bericht ,A novel high-efficiency integrated system combining a thermally regenerative electrochemical cycle and a flow battery’, in welchem ein integriertes System vorgeschlagen wird, das einen TREC und eine Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRFB) kombiniert, die sowohl Energieumwandlungs- als auch Energiespeicherfunktionen durch abwechselndes Laden und Entladen bei unterschiedlichen Temperaturen hat.

Kommen wir nun zu einer völlig anderen Form der Abwärmenutzung: Prof. Lukas Worschech an der Universität Würzburg in Deutschland, der sich ursprünglich damit beschäftigt hat, Quanteneffekte im Bereich der Informationsverarbeitung zu nutzen, verwendet einem Bericht vom April 2015 zufolge zwei Quantenpunkte (quantum dots), um aus den Spannungsrauschen einen elektrischen Strom zu erzeugen (,Voltage Fluctuation to Current Converter with Coulomb-Coupled Quantum Dots’).

Daß sich diese Energie auf eine spezielle Weise dazu nutzen lassen könnte, Strom zu erzeugen, haben vor ein paar Jahren Physiker der Universität Genf theoretisch vorhergesagt. Die Entwicklung könnte nun zu neuartigen Systemen führen, welche die Abwärme elektronischer Geräte in nutzbare Energie umwandeln.

Zusammen mit Sven Höfling und weiteren Kollegen kann Worschech experimentell nachweisen, daß zufällige Spannungsschwankungen gleichgerichtet werden können, um einen Gleichstrom zu erzeugen. Im Experiment wird ein Spannungsrauschen verwendet, um die heißen und kalten Stellen von Abwärmeemittern zu simulieren, weshalb es keine direkte Demonstration einer Umwandlung von Abwärme in Arbeit darstellt. Trotzdem kann damit gezeigt werden, daß kleine Spannungsschwankungen einen Strom ,antreiben’ können.

Im Prinzip erzeugt das Bauteil aus zufälligen Bewegungen Energie, wobei es im vorliegenden Fall um Bewegungen von Elektronen in Strukturen geht, die nur wenige milliardstel Meter groß sind. Je größer die Fluktuationen in dieser Struktur sind, desto stärker sind die zufälligen Bewegungen – also das Rauschen. Ein hohes Rauschen findet sich dort, wo die Hitze groß ist, während das Rauschen an den kälteren Stellen niedriger ist. Die Kunst ist es nun, aus diesem Unterschied einen gleichgerichteten Strom zu produzieren.

Das Experiment selbst besteht aus zwei Quantenpunkten, die hergestellt werden, indem eine Aluminium/Galliumarsenid-Heterostruktur schichtweise auf einem Trägermaterial aufgebracht wird. Anschließend werden dort spezielle Strukturen hineingeätzt, in denen sich Elektronen bewegen können. Die beiden Halbleiter-Scheiben mit einen Durchmesser von etwa 300 nm sitzen übereinander und sind 150 nm weit voneinander getrennt um sicherzustellen, daß sie Energie über eine Coulomb-Kopplung austauschen – der elektrostatischen Kraft, die Teilchen auflädt, welche sich in einem Abstand voneinander befinden –, im Gegensatz zu Elektronen, die physikalisch zwischen den beiden Subsystemen herumspringen.

Die Forscher schließen dann drei leitende Verbindungen an das System an: zwei an den oberen Quantenpunkt, um dem Strom zu ermöglichen über den Punkt zu fließen, und eine an den unteren Quantenpunkt, um diesen mit einer Spannungsquelle von einigen Volt zu verbinden, die ein darüber gelegtes Rauschen im Millivolt-Bereich aufweist.

Wird die Intensität des Lärms gesteigert, der an dem tieferen Quantenpunkt angelegt wird, können die Forscher über dem oberen Quantenpunkt größere Ströme messen. Dabei folgt die Steigerung einem quadratischen Trend: Wird das Spannungsrauschen verdoppelt, vervierfacht sich der maximale Strom, zumindest bei einem Rauschpegel im Millivolt-Bereich und bei Strömen, die in Nanoampere gemessen werden. Eine obere Grenze, die den Strom des Geräts begrenzt, soll den Wissenschaftlern zufolge zwar existieren, konnte bislang aber noch nicht festgelegt werden.

Die Forscher zeigen auch, daß sich die Richtung des Stroms durch Ändern der Spannungen in den mit dem oberen Quantenpunkt verbundenen Leitungen umkehren läßt. Dadurch ist es für Elektronen energetisch günstig, in Abhängigkeit von der Spannung in die eine oder andere Richtung zu fließen.

Eine wesentliche Einschränkung bildet die Tatsache, daß die Quantenpunkte in flüssiges Helium eingetaucht sein müssen, was für praktische Umsetzungen ziemlich unhandlich ist. Die größte Herausforderung ist es daher ein Gerät zu bauen, das auch bei Raumtemperatur arbeitet und zudem eine höhere Energieausbeute als die gegenwärtig rund 20 pW erreicht. Darüber hinaus sind weitere Arbeiten erforderlich, um zu zeigen, daß Ströme anstatt durch Spannungsrauschen auch durch thermische Fluktuationen angetrieben werden können. Es läßt sich allerdings nichts über entsprechende Schritte finden.

Im September 2015 präsentiert der französische Automobilzulieferer Faurecia (später: Forvia SE) auf der Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) das laut eigenen Angaben weltweit erste System, das die fahrzeugeigene Abgaswärme direkt in Elektrizität oder mechanische Energie umwandelt.

Das Exhaust Heat Power Generation (EHPG, o. Exhaust Heat Recovery System, EHRS) genannte System erzeugt die Elektrizität ähnlich wie ein Kraftwerk mit Hilfe eines Verdampfer-Wärmetauschers, der in den Abgasstrang eingebaut ist. In dem Wärmetauscher wird die Wärmeenergie aus den Auspuffrohren auf eine Flüssigkeit übertragen, welche die Energie in Druckdampf umwandelt und damit einen Expander bzw. eine Turbine antreibt.

Die Welle des der Turbine kann mit dem Getriebe eines Lastwagens verbunden werden und so die Räder direkt antreiben, während der Expander bei Hybrid-Pkw mit einem Generator gekoppelt werden kann, der Elektrizität erzeugt, die dann in der Batterie des Fahrzeugs gespeichert wird. Der Dampf wird derweil erneut kondensiert und seine Restwärme an das Kühlsystem des Fahrzeugs abgegeben.

Mit dem 10 – 15 kW mechanische Energie erzeugenden EHPG soll sich der Kraftstoffverbrauch bei Lkws um 5 % verringern lassen, und dies trotz des Zusatzgewichts, das dieses System mit sich bringt. Damit soll sich der Preis des Systems  innerhalb von zwei Jahren amortisieren. Bei Pkws mit Hybridmotor generiert der EHPG zusätzlich 1 – 2 kW elektrische Energie, womit der Kraftstoffverbrauch um etwa 7 % gesenkt werden kann. Das erste EHPG-System von Faurecia wird in Lkws des Baujahrs 2020 zu finden sein, danach soll die Produktion von Versionen für neue Hybrid-Pkws beginnen.

Im März 2016 berichtet die Fachpresse, daß Faurecia den neuen Hyundai IONIQ Hybrid und den Plug-In-Hybrid mit einem EHPG-System ausstatten wird, das weniger als 3 kg wiegt. Nun ist auch zu erfahren, daß die erste Generation der Wärmerückgewinnungsgeräte bereits 2006 zum Einsatz kam, die zweite 2013. Im September wird eine Kooperationsvereinbarung mit Renault Trucks (Volvo Group) unterzeichnet, um das EHPG-System in einem Fahrzeug mit Euro VI-Norm zu installieren, dessen Straßentests 2017 beginnen werden.

Im Juni 2018 übernimmt Faurecia das Start-Up Enogia, dessen Mitbegründern, allesamt Ingenieure der Arts et Métiers, nach drei Jahren Arbeit gelungen war, eine Turbine mit organischem Rankine-Zyklus zu miniaturisieren, eine Schlüsseltechnologie, um die Abwärme von Abgasen zu nutzen. Um den patentierten Mechanismus in Gang zu setzen, wird eine organische Flüssigkeit verwendet, die schon bei 15°C kocht.

Die Enogia arbeitet mit Alstom zusammen, um den Kraftstoffverbrauch von Diesellokomotiven zu senken, mit dem Ziel einer Einsparung von 5 - 10 %, und zusammen mit dem französischen Forschungsinstitut IFP Energies nouvelles (IFPEN) wird an einer weiteren Miniaturisierung der Turbine geforscht, um sie unter der Motorhaube von Kraftfahrzeugen zu integrieren. Mit Unterstützung von Faurecia hofft Enogia, bis 2023 ein ausgereiftes Produkt vorstellen zu können.

 

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