Pyroelektrisches Kraftwerk gewinnt Strom aus Abwärme

Berkeley (USA) - Wenn Benzin in einem Motor verbrennt oder Strom durch Computerchips fließt, geht ein Großteil der eingesetzten Energie als Abwärme verloren. Insgesamt sind diese Verluste mit fast 70 Prozent alles andere als gering. Pyroelektrische Stromgeneratoren könnten in Zukunft einen kleinen Teil dieser Abwärme wieder in elektrischen Strom verwandeln. Kalifornische Wissenschaftler stellen nun in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ einen Prototypen für ein solches Minikraftwerk vor, der bereits kleine Temperaturunterschiede effizient nutzen kann.

Wird ein pyroelektrisches Material ein wenig erwärmt, trennen sich elektrische Ladungen auf und an der Oberfläche der meist kristallinen Substanzen wird eine elektrische Spannung wird. Dieser Effekt wird heute bereits für empfindliche Wärmesensoren etwa in Bewegungsmeldern genutzt. Lane W. Martin und seine Kollegen von der University of California in Berkeley gingen nun einen Schritt weiter und fertigten ein pyroelektrisches Minikraftwerk aus einer hauchdünnen Schicht eines speziellen Bleititanats. Auf dieses Modul legten sich eine kleine Heizwendel, mit der sie die Umwandlung von Wärme in Strom genau untersuchen konnten.

Kontrolliert heizten die Wissenschaftler ihr Minikraftwerk auf bis zu 120 Grad Celsius auf. Bei jeder Erwärmung entstand ein messbarer Stromfluss von einigen Nanoampere. Um größere Ströme zu erzeugen, wiederholten sie diesen Vorgang bis zu eintausend Mal pro Sekunde. Das war möglich, da sich die dünne Bleititanatschicht binnen weniger Millisekunde wieder auf Raumtemperatur abkühlte. Die größte Leistungsdichte mit 526 Watt pro Kubikzentimeter zeigte der Prototyp bei eintausend Heizzyklen pro Sekunde und einer Temperaturdifferenz von 56 Grad. Die größte Energiedichte mit gut einem Joule pro Kubikzentimeter ergab sich bei 40 Heizzyklen pro Sekunde und einem Aufheizen um 90 Grad.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt, dass schon relativ geringe Temperaturunterschiede für eine pyroelektrische Stromerzeugung ausreichen. Die Ausbeute ist zwar gering, genügt aber zum Betrieb von Sensoren oder elektronischen Uhren. Um aus Abwärme elektrischen Strom zu erzeugen, wird bisher meistens mit Modulen aus thermoelektrischen Materialien gearbeitet. Doch diese benötigen im Vergleich zu pyroelektrischen Modulen deutlich höhere Temperaturunterschiede von einigen hundert Grad, um über die Erzeugung langsamer und schneller Elektronen in dem Material nutzbare Ströme zu erzeugen.

Sowohl thermo- als auch pyroelektrische Substanzen haben das Potenzial, in Zukunft etwas Strom aus Abwärme zurück zu gewinnen. Für hohe Temperaturunterschiede wie etwa am Auspuff eines Autos empfehlen sich thermoelektrische Minikraftwerke. Schnell getaktete Heizphasen mit geringerem Temperaturanstieg wie sie bei Computerchips auftreten könnten mit pyroelektrischen Modulen effizienter genutzt werden.