Mehr Strom aus Abwärme

New Haven (USA) - Die gigantische Energiemenge von mehreren Milliarden Gigajoule geht in industriellen Prozessen jedes Jahr als Abwärme verloren. Für hohe Temperaturen über 600 Grad Celsius gibt es bereits thermoelektrische Verfahren, um aus Abwärme wieder elektrischen Strom zu erzeugen. Nun könnte mit einer neuen Methode auch weniger heiße Abwärme mit Temperaturen unter 100 Grad effizient genutzt werden. Wie eine amerikanische Forschergruppe in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ berichtet, können diese neuartige Stromgeneratoren relativ kühle Abwärme mit Wirkungsgraden von bis zu sieben Prozent in elektrischen Strom umwandeln.

„Das Verfahren nutzt nur Wasser als Arbeitsmedium und ist daher kosteneffizient und umweltfreundlich“, sagt Anthony Straub von der Yale University in New Haven. Zusammen mit Kollegen der Columbia University und der Vanderbuilt University entwickelte er eine nanoporöse Membran aus einem stark wasserabstoßenden Kunststoff (Polytetrafluoroethylen). Diese Nanomembran stabilisierten die Forscher mit einem Netz aus Polyester. Mit dieser nur etwa ein Zehntel Millimeter dünnen, flexiblen Membran trennten sie eine Kammer mit 20 Grad warmem Wasser von einem unter Hochdruck stehenden und mit 60 Grad etwas wärmeren Reservoir ab.

Trotz des geringen Temperaturunterschieds von nur 40 Grad konnten durch die winzigen Poren der semipermeablen Nanomembran Wassermoleküle in die Kammer mit dem kälteren Wasser wandern. Dort kondensierte der Wasserdampf und der Druck in der Kammer erhöhte sich auf bis zu 13 bar. Von diesem hydraulischen Druck angetrieben konnte das Wasser durch einen Kanal gepresst werden. Wenn man nun eine kleine Turbine in diesen Wasserstrom setzt, ließe sich die Rotation der Turbine mit einem Generator zur Stromerzeugung nutzen.

Bei diesem thermoosmotischen Prozess erreichten die Forscher relativ hohe Leistungsdichten von 3,5 Watt pro Quadratmeter. Detaillierte Berechnungen zeigten, dass mit Wasser als Arbeitsmedium und optimierter Porengröße Wirkungsgrade von bis zu sieben Prozent erreichbar wären. Würde das Wasser noch gegen spezielle organische Flüssigkeiten mit besseren Verdampfungseigenschaften ersetzt werden, ließe sich die Stromausbeute sogar noch weiter steigern.

Diese neue Methode zur Nutzung von relativ kühler Abwärme ist eine viel versprechende Alternative zu anderen Verfahren, in denen über den thermoelektrischen Effekt heiße Abwärme direkt in Strom umgewandelt werden kann. Mit Wasser und Kunststoff-Membranen ließen sich diese Thermoosmose-Generatoren auch im großen Maßstab sehr günstig herstellen. Gelingt die Entwicklung von Generatoren über den Labormaßstab hinaus, könnte dann erstmals die bisher ungenutzte Abwärme mit Temperaturen unter 100 Grad zur Stromgewinnung verwendet werden.