Der elektrochemische Ansatz hat das Potenzial, minderwertige Wärme effizient in Elektrizität umzuwandeln

Der elektrochemische Ansatz hat das Potenzial, minderwertige Wärme effizient in Elektrizität umzuwandeln
Anonim

von David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology

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Enorme Mengen an überschüssiger Wärme werden durch industrielle Prozesse und durch elektrische Kraftwerke erzeugt. Forscher auf der ganzen Welt haben jahrzehntelang nach Wegen gesucht, um einen Teil dieser verschwendeten Energie zu nutzen. Die meisten derartigen Bemühungen konzentrierten sich auf thermoelektrische Vorrichtungen, Festkörpermaterialien, die Elektrizität aus einem Temperaturgradienten erzeugen können, aber die Effizienz solcher Vorrichtungen ist durch die Verfügbarkeit von Materialien begrenzt.

Jetzt haben Forscher des MIT und der Stanford University eine neue Alternative für die Umwandlung von Abwärme bei niedrigen Temperaturen in Elektrizität gefunden - also für Fälle, in denen die Temperaturunterschiede unter 100 Grad Celsius liegen.

Der neue Ansatz, der auf einem Phänomen basiert, das als thermogalvanischer Effekt bezeichnet wird, wird in einem Artikel beschrieben, der in der Zeitschrift Nature Communications von Postdoc Yuan Yang und Professor Gang Chen am MIT, Postdoc Seok Woo Lee und Professor Yi Cui in Stanford und drei weiteren veröffentlicht wurde.

Da die Spannung von Akkus temperaturabhängig ist, kombiniert das neue System die Lade- / Entladezyklen dieser Akkus mit Heizen und Kühlen, so dass die Entladespannung höher ist als die Ladespannung. Das System kann auch relativ kleine Temperaturunterschiede, wie z. B. einen Unterschied von 50 ° C, effizient nutzen

Zunächst wird der ungeladene Akku durch die Abwärme erwärmt. Bei höherer Temperatur wird der Akku aufgeladen. Sobald es voll aufgeladen ist, darf es abkühlen. Da die Ladespannung bei hohen Temperaturen niedriger ist als bei niedrigen Temperaturen, kann der Akku nach dem Abkühlen tatsächlich mehr Strom liefern, als zum Laden verwendet wurde. Diese zusätzliche Energie kommt natürlich nicht von ungefähr, sondern von der Wärme, die dem System zugeführt wurde.

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Das System zielt darauf ab, Wärme von weniger als 100 ° C zu gewinnen, was einen großen Teil der potenziell erneuerbaren Abwärme ausmacht. Bei einer Demonstration mit Abwärme von 60 C hat das neue System einen geschätzten Wirkungsgrad von 5, 7 Prozent.

Das grundlegende Konzept für diesen Ansatz wurde ursprünglich in den 1950er Jahren vorgeschlagen, sagt Chen, aber "ein wesentlicher Fortschritt ist die Verwendung von Material, das es zu diesem Zeitpunkt noch nicht gab", für die Batterieelektroden sowie Fortschritte bei der Entwicklung des Systems.

Diese frühere Arbeit beruhte auf Temperaturen von 500 ° C oder mehr, fügt Yang hinzu; Die meisten aktuellen Wärmerückgewinnungssysteme funktionieren am besten bei höheren Temperaturunterschieden.

Während das neue System einen signifikanten Vorteil in Bezug auf die Energieumwandlungseffizienz hat, hat es derzeit eine viel geringere Leistungsdichte - die Menge an Leistung, die für ein bestimmtes Gewicht geliefert werden kann - als die thermoelektrische. Um die Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum zu gewährleisten und die Lade- und Entladegeschwindigkeit des Akkus zu verbessern, sind weitere Untersuchungen erforderlich, so Chen. "Es wird viel Arbeit erfordern, um den nächsten Schritt zu tun", warnt er.

Chen, der Carl Richard Soderberg-Professor für Energietechnik und Leiter der Abteilung für Maschinenbau des MIT, sagt, dass es derzeit keine gute Technologie gibt, die die relativ niedrigen Temperaturunterschiede, die dieses System nutzen kann, effektiv nutzen kann. "Das hat eine Effizienz, die wir für sehr attraktiv halten", sagt er. "Es gibt so viel von dieser Niedertemperatur-Abwärme, wenn eine Technologie dafür geschaffen und eingesetzt werden kann."

Cui sagt: "Praktisch alle Kraftwerke und Herstellungsprozesse, wie die Stahlherstellung und -veredelung, setzen enorme Mengen an geringer Wärme für die Umgebungstemperatur frei. Unsere neue Batterietechnologie wurde entwickelt, um diesen Temperaturgradienten im industriellen Maßstab auszunutzen."

Lee fügt hinzu: "Diese Technologie hat den zusätzlichen Vorteil, dass kostengünstige, reichlich vorhandene Materialien und Herstellungsverfahren verwendet werden, die in der Batterieindustrie bereits weit verbreitet sind."

Peidong Yang, ein Professor für Chemie an der Universität von Kalifornien in Berkeley, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war, sagt: "Durch die Erforschung des thermogalvanischen Effekts konnten [die MIT- und Stanford-Forscher] minderwertige Wärme mit anständiger Energie in Elektrizität umwandeln Effizienz: Eine vielversprechende Technologie.

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Das ist eine clevere Idee, und überall ist minderwertige Abwärme. "

Yang vom MIT unterstreicht diesen Punkt: "Ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs in den Vereinigten Staaten endet als minderwertige Wärme."