Strom aus Wärme Thermogenerator ohne bewegliche Teile ist effizienter als eine Dampfturbine

Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) haben einen Thermogenerator auf Basis einer thermophotovoltaischen Zelle entwickelt, der Hitze direkt in Strom umwandelt.

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Massachusetts Institute of Technology

Die MIT-Forscher haben gezeigt, dass ihre TPV-Zelle Wärme mit einem Wirkungsgrad von über 40 Prozent in Strom umwandelt – ein Wirkungsgrad, der besser ist als die von herkömmlichen Dampfturbinen.

Die TPV-Zelle funktioniert ähnlich wie die Solarzellen eines PV-Panels, die passiv hochenergetische Photonen aus einer weißglühenden Wärmequelle einfängt und in Strom umwandelt. Der Entwurf des Teams kann Strom aus einer Wärmequelle mit einer Temperatur von 1.900 bis 2.400 °C erzeugen.

Ziel der Forscher ist es, die TPV-Zelle in eine thermische Batterie im Netzmaßstab einzubauen. Das System würde überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen wie der Sonne aufnehmen und diese Energie in stark isolierten Bänken aus heißem Graphit speichern. Wenn die Energie benötigt wird, z. B. an bewölkten Tagen, würden die TPV-Zellen die Wärme in Strom umwandeln und die Energie in ein Stromnetz einspeisen.

Es funktioniert im kleinen Maßstab

Mit seiner TPV-Zelle hat das Team nun die Hauptbestandteile des Systems in separaten Experimenten im kleinen Maßstab erfolgreich demonstriert. Die Forscher arbeiten daran, die Teile zu integrieren, um ein voll funktionsfähiges System zu demonstrieren. Das Team hofft, das System in größerem Maßstab einsetzen zu können, um Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, zu ersetzen und ein vollständig dekarbonisiertes Stromnetz zu schaffen, das ausschließlich durch erneuerbare Energien versorgt wird.

„Thermophotovoltaikzellen waren der letzte wichtige Schritt, um zu zeigen, dass thermische Batterien ein praktikables Konzept sind“, erklärt Asegun Henry, Robert N. Noyce Career Development Professor am MIT Department of Mechanical Engineering. „Dies ist ein absolut entscheidender Schritt auf dem Weg zur Verbreitung erneuerbarer Energien und zu einem vollständig dekarbonisierten Netz.“

Bewegliche Teile der Dampfturbinen bergen Nachteile

Mehr als 90 Prozent des weltweit erzeugten Stroms stammen aus Wärmequellen wie Kohle, Erdgas, Kernenergie und konzentrierter Sonnenenergie. Seit einem Jahrhundert sind Dampfturbinen der Industriestandard für die Umwandlung solcher Wärmequellen in Strom.

Im Durchschnitt wandeln Dampfturbinen etwa 35 Prozent einer Wärmequelle zuverlässig in Strom um, wobei etwa 60 Prozent den höchsten Wirkungsgrad aller bisherigen Thermogeneratoren darstellen. Die Maschinen sind jedoch auf bewegliche Teile angewiesen, die temperaturbegrenzt sind. Wärmequellen mit mehr als 2.000 °C, wie das von Henry vorgeschlagene thermische Batteriesystem, wären für Turbinen zu heiß.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Alternativen in Form von Festkörpern erforscht - Thermogeneratoren ohne bewegliche Teile, die bei höheren Temperaturen effizient arbeiten könnten.

Höhere Temperaturen und geringere Wartungskosten

„Einer der Vorteile von Festkörper-Energiewandlern ist, dass sie bei höheren Temperaturen mit geringeren Wartungskosten arbeiten können, weil sie keine beweglichen Teile haben“, so Henry. „Sie sitzen einfach da und erzeugen zuverlässig Strom.“

Thermophotovoltaische Zellen boten eine Möglichkeit zur Erforschung von Festkörper-Wärmemaschinen. Ähnlich wie Solarzellen könnten TPV-Zellen aus Halbleitermaterialien mit einer bestimmten Bandlücke hergestellt werden - der Lücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband eines Materials. Wenn ein Photon mit einer ausreichend hohen Energie vom Material absorbiert wird, kann es ein Elektron über die Bandlücke schleudern, wo das Elektron dann leiten und so Strom erzeugen kann – und zwar ohne Rotoren oder Flügel zu bewegen.

Bisher haben die meisten TPV-Zellen nur einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent erreicht, wobei der Rekord bei 32 Prozent lag, da sie aus Materialien mit relativ geringer Bandlücke hergestellt wurden, die Photonen mit niedrigerer Temperatur und geringerer Energie umwandeln und daher die Energie weniger effizient umwandeln.

Energiereiche Photonen aus Wärmequellen mit hoher Temperatur einfangen

Bei ihrem neuen TPV-Design versuchten Henry und seine Kollegen, energiereichere Photonen aus einer Wärmequelle mit höherer Temperatur einzufangen und so die Energie effizienter umzuwandeln. Die neue Zelle des Teams erreicht dies mit Materialien mit höherer Bandlücke und mehreren Übergängen oder Materialschichten im Vergleich zu bestehenden TPV-Designs.

Die Zelle besteht aus drei Hauptbereichen: einer Legierung mit hoher Bandlücke, die über einer Legierung mit etwas geringerer Bandlücke liegt, darunter eine spiegelähnliche Schicht aus Gold. Die erste Schicht fängt die energiereichsten Photonen einer Wärmequelle ein und wandelt sie in Strom um, während Photonen mit niedrigerer Energie, die die erste Schicht passieren, von der zweiten Schicht eingefangen und umgewandelt werden, um die erzeugte Spannung zu erhöhen. Alle Photonen, die diese zweite Schicht passieren, werden dann vom Spiegel zurück zur Wärmequelle reflektiert, anstatt als verschwendete Wärme absorbiert zu werden.

Das Team testete die Effizienz der Zelle, indem es sie über einem Wärmeflusssensor platzierte - einem Gerät, das die von der Zelle absorbierte Wärme direkt misst. Sie setzten die Zelle einer Hochtemperaturlampe aus und konzentrierten das Licht auf die Zelle. Anschließend variierten sie die Intensität bzw. Temperatur der Lampe und beobachteten, wie sich der Wirkungsgrad der Zelle - die von ihr erzeugte Energiemenge im Vergleich zur absorbierten Wärme - mit der Temperatur veränderte. In einem Bereich von 1.900 bis 2.400 °C erreichte die neue TPV-Zelle einen Wirkungsgrad von etwa 40 Prozent.

„Wir können einen hohen Wirkungsgrad über einen breiten Temperaturbereich erzielen, der für thermische Batterien relevant ist“, freut sich Henry.

Das Ziel: von 1 cm² auf etwa 10.000 m² skalieren

Die Zelle in den Experimenten ist etwa 1 cm² groß. Für ein netzweites thermisches Batteriesystem müssten die TPV-Zellen nach Henrys Vorstellung bis zu einer Größe von etwa 10.000 m² skaliert werden und in klimatisierten Lagerhäusern betrieben werden, um Strom aus riesigen Speichern von Sonnenenergie zu beziehen. Er weist darauf hin, dass es eine Infrastruktur für die Herstellung von Photovoltaikzellen in großem Maßstab gibt, die auch für die Herstellung von TPVs angepasst werden könnte.

„Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit gibt es hier definitiv einen großen Vorteil“, so Henry weiter. „Die Technologie ist sicher, in ihrem Lebenszyklus umweltverträglich und kann einen enormen Einfluss auf die Verringerung der Kohlendioxidemissionen bei der Stromerzeugung haben.“

Henry und seine Mitarbeiter haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Zu den Co-Autoren am MIT gehören Alina LaPotin, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf und Evelyn Wang, die Ford-Professorin für Ingenieurwissenschaften und Leiterin der Abteilung für Maschinenbau, sowie Kevin Schulte und Mitarbeiter des NREL in Golden, Colorado.

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