Autos, Fabriken, Kraftwerke: Physiker wollen Abwärme zu Strom machen

Autos, Fabriken, Kraftwerke: Physiker wollen Abwärme zu Strom machen

von Wolfgang Kempkens

Abwärme in Fabriken könnte eine riesige Stromquelle sein - Forscher wollen sie nun mit einem neuen Material anzapfen.

Es ist vielleicht eine der größten bisher ungenutzten Energiequellen: Die Wärme, die zum Beispiel bei der Produktion in Fabriken oder in Kraftwerken entsteht. So gehen rund 40 Prozent der Wärmeenergie bei der Herstellung von Baustoffen in Zementwerken verloren. 30 Prozent sind es in der Eisen- und Stahlindustrie. Nur in Ausnahmefällen lässt sich die Abwärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung nutzen.

Die bessere Möglichkeit wäre, die Wärme über sogenannte thermoelektrische Verfahren in Strom umzuwandeln. Startups wie Orcan Energy aus München versuchen das schon. Nun könnte eine weitere Technik dazukommen, die auch schwache Wärmequellen nutzen kann.

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Bekannt ist, dass einige Werkstoffe oder Materialkombinationen wie Tellur und Wismut kleine Temperaturunterschiede in elektrischen Strom umwandeln. Diese sogenannten thermoelektrischen Generatoren sind relativ teuer, weil sie einen niedrigen Wirkungsgrad haben und aus eben diesen seltenen Materialien bestehen.

Die Forscherin Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik an der Technischen Universität Wien hat jetzt eine neue, exotisch anmutende Werkstoffkombination entwickelt, die mindestens 50 Prozent effektiver ist. Sie besteht vor allem aus dem Seltene-Erden-Metall Cer, dessen Atome in einen "Käfig" eingeschlossen sind.

Eine Vielzahl dieser Käfige bildet ein sogenanntes Thermoelektrikum, das Strom erzeugt, wenn es auf einer Seite erwärmt wird, etwa von Abgasen eines Autos oder der warmen Lauge, die aus der Waschmaschine gepumpt wird. Voraussetzung ist, dass die andere Seite des Materials kälter ist.

Rütteln am Käfig erzeugt StromDiese Idee in die Tat umzusetzen, erwies sich allerdings als schwierig. Die Cer-Atome wollten sich einfach nicht einsperren lassen, wie auch immer die Physiker die Käfige aufbauten. Das Atom büxte stets aus, ehe sich ihr Gefängnis schloss.

Professor Andrey Prokofiev, der auch an der TU Wien forscht, hatte schließlich die rettende Idee. Er züchtete mit Hilfe eines so genannten Spiegelofens (siehe Aufmacherbild), der speziell für diesen Zweck entwickelt worden ist, ein Kristallgitter aus Barium, Silizium und Gold. Das Gitter schloss sich um das Cer-Atom, ohne ihm eine Lücke zu lassen.

Und so funktioniert das Material: „Die thermische Bewegung der Elektronen hängt von der Temperatur ab“, sagt Bühler-Paschen. „Auf der heißen Seite des Materials bewegen sich die Elektronen stärker als auf der kalten, wodurch sie zur kalten Seite diffundieren. So entsteht zwischen den beiden Seiten des Thermoelektrikums eine elektrische Spannung.“ Diese lässt einen Strom fließen.

Aber warum genau ihr neues Material so gute Eigenschaften hat, wissen die Forscher nicht genau. Bühler-Paschen hat einen als Kondo-Effekt bekannten Vorgang im Verdacht. Er beschreibt ein auffälliges Verhalten des elektrischen Widerstands in Metallen, in das sich vereinzelte Atome aus einem magnetischen Material  verirrt haben.

Dieser Effekt wurde bisher nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet. Dass er sich jetzt bei Raumtemperatur einstellt, erklärt die Physikerin so: „Das Rütteln des eingesperrten Cer-Atoms am Gitter wird bei hoher Temperatur stärker. Genau dieses Rütteln stabilisiert den Kondo-Effekt.“

Wirtschaftlich nutzbar ist das neue Material noch nicht, weil es wegen der Verwendung von Gold zu teuer ist. Deshalb suchen die Wiener Forscher jetzt nach preiswerten Ersatzmaterialien.

Einsatzfelder gibt es genug. So lassen sich allein im Kühlturm eines großen Braunkohlekraftwerks, das pro Jahr bis zu acht Milliarden Kilowattstunden Strom produziert, mit thermoelektrischen Elementen nebenbei noch 500 Millionen Kilowattstunden erzeugen, genug für 100.000 Durchschnittshaushalte – theoretisch zumindest.

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