Thermoelektrische Wandler: Nutzung von Abwärme wird wirtschaftlicher
Ob Stahlhersteller, Brauereien, Zementproduzenten oder Nahrungsmittelhersteller: In vielen Bereichen der Industrie und auch in Autos mit Verbrennungsmotor fällt Abwärme an, die nicht wirtschaftlich genutzt werden kann. Die Temperatur ist zu niedrig, als dass sie für Dampf etwa zur Stromerzeugung reichen könnte. Auch die Einspeisung in Fernwärmenetze ist keineswegs überall möglich. So landet eine Menge wertvolle Energie in der Atmosphäre.
Neuer Rohstoff kommt aus der Natur
Ein eleganter Weg ist der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren, die Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie umwandeln. Heute eher sporadisch eingesetzte Geräte dieser Art verwenden jedoch teure oder toxische Elemente wie Tellur und Blei, weil diese Wärme am effizientesten umwandeln.
Ein Team um Emmanuel Guilmeau, Materialwissenschaftler am CRISMAT-Labor(öffnet im neuen Fenster) im französischen Caen, hat jetzt eine Alternative vorgestellt, die alle Probleme, die den Einsatz von thermoelektrischen Geräten behindern, auf einen Schlag lösen könnte. Das neuartige synthetische Material besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel. Es wird aus natürlichen Sulfidmineralien auf Kupferbasis hergestellt. Diese bestehen hauptsächlich aus den gewünschten ungiftigen Elementen, von denen einige thermoelektrische Eigenschaften haben. Das neue Material ist deutlich billiger als die bisher verwendeten Werkstoffe.
Spezialbehandlung für den Rohstoff
Die natürlichen Mineralien werden fein gemahlen, Fremdmaterialien aussortiert. Zudem wird ein Teil des Mangans durch Kupfer ersetzt. Was übrig bleibt, landet in einer Kugelmühle, einem mit metallischen Kugeln gefüllten Behälter, der schnell rotiert. Die Kugeln prallen mit Wucht aufeinander und treffen natürlich auch die pulverförmigen Partikel, die sich bei dieser groben mechanischen Behandlung zu Clustern zusammenschließen. Diese werden in einer thermischen Behandlung bei 600 Grad Celsius verfestigt.
Stabil bis zu 400 Grad Celsius
So entstanden komplexe Mikrostrukturen, die den Transport von Elektronen und Wärme positiv beeinflussten. "Wir waren sehr überrascht über das Ergebnis", sagt Guilmeau. "Normalerweise hat eine leichte Veränderung der Zusammensetzung nämlich wenig Einfluss auf die Eigenschaften des Materials." Damit steht dem Einsatz in Thermogeneratoren nichts mehr im Weg. Auspuffwärme könnte beispielsweise genutzt werden, um Batterien von Plug-in-Hybriden aufzuladen, und alle Unternehmen, die bisher nutzlos verpuffende Abwärme produzieren, könnten ihre Stromrechnung reduzieren. Das Material ist bis zu einer Temperatur von 400 Grad Celsius stabil. Das Niveau von Abwärme liegt deutlich darunter.
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