Energiewandlung mit pyroelektrischen Materialien

Demonstrator
Demonstrator zur pyroelektrischen Wasserstofferzeugung, © TU Freiberg

Die Wandlung von Abwärme in elektrische Energie besitzt ein großes Potenzial, wichtige Beiträge zur Reduzierung der CO2– und Treibhausgasemissionen zu leisten und auch die Energienutzung effizienter zu gestalten. Gängige Ansätze dafür sind thermische Kreisprozesse, sei es der organische Rankine-Zyklus, der Stirling-Motor oder auch der thermoelektrische Generator. Ein vergleichsweise junges Verfahren ist die Nutzung der Pyroelektrizität, einer bisher kaum beachteten Materialeigenschaft, mit dem Ziel, – zusätzlich zur Stromerzeugung – auch die Elektrolyse von Wasser anzutreiben. Diese Technologie steckt allerdings noch in den Kinderschuhen, könnte aber insbesondere im Hinblick auf die weltweiten Energiewendeaktivitäten von Bedeutung werden.

Die Pyroelektrizität ist eine kristallphysikalische Eigenschaft, die ausschließlich bei Materialien, die ein permanentes elektrisches Dipolmoment besitzen, auftritt. Bekannte Beispiele sind Bariumtitanat (BaTiO3), Lithiumniobat (LiNbO3) oder auch das Polymer Polyvinylidenfluorid (PVDF). Durch eine zeitliche Temperaturänderung des Materials, beispielsweise durch zugeführte Abwärme, kommt es zu einer Ladungstrennung. Dabei entstehen auf gegenüberliegenden Oberflächen des Materials unterschiedliche Potentiale, so dass eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Genutzt wird dies beispielsweise zur berührungslosen Temperaturmessung bei Infrarotthermometern oder zur Bewegungserkennung, also zur Detektion der Wärmestrahlung von Objekten oder Personen.

Funktionsweise

Ein Demonstrator, der basierend auf diesem Phänomen auch Wasserstoff pyroelektrisch erzeugen kann, wurde unter der Leitung von Dr. Tilmann Leisegang und Dr. Hartmut Stöcker am Institut für Experimentelle Physik an der TU Bergakademie Freiberg entwickelt und erstmals auf der Hannover Messe 2016 öffentlich präsentiert (s. Abb. 1). In diesem Demonstrator, der im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte entstanden ist, kommt pyroelektrisches Bariumtitanat in Pulverform zum Einsatz, um mittels Niedertemperaturabwärme Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dafür wird die von außen zugeführte Abwärme durch einen Wärmetauscher in einen Sekundärkreislauf überführt. Das darin zirkulierende Wasser wird durch einen Reaktor geleitet, in dem sich das pyroelektrische Material befindet.

Durch den zyklischen Wechsel von kaltem und warmem Zustrom wird das pyroelektrische Material aktiv und die Moleküle des Wassers reagieren an dessen Oberfläche. Dort werden sie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Die gelösten Gase werden vom Medium abgeführt, durch eine Membran abgetrennt und anschließend für die weitere Verwendung gespeichert. Mittels des pyroelektrischen Effekts lässt sich also zuvor ungenutzte Abwärme (thermische Energie) in elektrische beziehungsweise chemische Energie wandeln. Der erzeugte Wasserstoff ist seinerseits für vielfältige Formen der Energiebereitstellung einsetzbar, beispielsweise für die Umwandlung in Kohlenwasserstoffe oder die Stromerzeugung mittels einer Brennstoffzelle.

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Alternative zu bekannten Verfahren

Zur Umwandlung von Restwärme in elektrische Energie sind bereits seit mehreren Jahrzehnten verschiedenste Möglichkeiten bekannt. Der organische Rankine-Zyklus der Firma Ormat nutzt beispielsweise anstelle von Wasser organische Flüssigkeiten als wärmetragendes Medium. Der Vorteil ist, dass dadurch die Wärmeabgabe bei niedrigeren Temperaturen als bei einem Wasser/Dampf-Zyklus erfolgt, womit insgesamt niedrigere Temperaturniveaus möglich sind.

Besonderheiten

Auch pyroelektrische Materialien lassen sich zur Wandlung von Wärme in Elektrizität nutzen. Um diese Umwandlung energieeffizient zu gestalten, sind sogenannte elektrische Kreisprozesse entwickelt worden [2]. Diese sind mit den thermischen Kreisprozessen verwandt, nutzen aber Festkörper, die elektrisch kontaktiert sind und deren elektrische Polarisation darüber abgegriffen werden kann. Im Kreisprozess ändern sich periodisch Temperatur und elektrische Polarisation, was über verschiedene technische Umsetzungen möglich ist. Die erhaltene elektrische Leistung kann gespeichert oder per Elektrolyseur wiederum in Wasserstoff umgewandelt werden [3].

Autoren: Dr. Hartmut Stöcker, Prof. Dr. Dirk C. Meyer, beide TU Bergakademie Freiberg, Institut für Experimentelle Physik

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