Abwärme aus Holz in Strom und Speicher verwandeln

Wenn Sie sich schon einmal mit einer Wärmebildkamera gesehen haben, wissen Sie: Der menschliche Körper erzeugt viel Wärme. Tatsächlich handelt es sich dabei um ein Nebenprodukt unseres Stoffwechsels. Pro Quadratfuß gibt der menschliche Körper stündlich Wärme ab, die ungefähr der von 19 Streichhölzern entspricht.

Leider entweicht ein großer Teil dieser Wärme einfach in die Atmosphäre. Es wäre äußerst nützlich, sie zur Energieerzeugung einzusetzen. Meine Forschung zeigt, dass dies tatsächlich möglich ist. Gemeinsam mit meinen Kolleginnen und Kollegen erforsche ich umweltfreundliche Materialien, mit denen sich Körperwärme auffangen und für die Energiegewinnung speichern lässt.

Ziel ist ein Bauteil, das Energie sowohl erzeugt als auch speichert und damit wie eine integrierte Powerbank für Wearable-Technologie funktioniert. So könnten Geräte wie Smartwatches, Fitness-Tracker oder GPS-Tracker durch die Nutzung unserer Körperwärme deutlich länger oder sogar unbegrenzt laufen.

Nicht nur der menschliche Körper erzeugt Abwärme. In unserer technologisch fortgeschrittenen Welt entsteht jeden Tag erhebliche Abwärme – von Fahrzeugmotoren bis zu Maschinen, die Waren produzieren.

Meist wird auch diese Wärme in die Atmosphäre abgegeben, wodurch eine große Chance zur Energierückgewinnung verloren geht. Das aufkommende Konzept der „Abwärmerückgewinnung“ soll diese Ineffizienz verringern. Wenn diese bislang ungenutzte Energie nutzbar gemacht wird, können Industrieunternehmen ihre Betriebseffizienz steigern und zugleich zu einer nachhaltigeren Umwelt beitragen.

Der thermoelektrische Effekt ist ein Phänomen, mit dem sich Wärme in Elektrizität umwandeln lässt. Dabei erzeugt ein Temperaturunterschied eine elektrische Spannung: Elektronen fließen von der warmen zur kühlen Seite und liefern nutzbare elektrische Energie.

Herkömmliche thermoelektrische Materialien bestehen allerdings häufig aus Cadmium, Blei oder Quecksilber. Diese Stoffe bergen Umwelt- und Gesundheitsrisiken, die ihren praktischen Einsatz einschränken.

Die Kraft des Holzes

Wir haben jedoch herausgefunden, dass sich thermoelektrische Materialien auch aus Holz herstellen lassen – als sicherere und nachhaltige Alternative.

Holz ist für menschliche Zivilisationen seit Jahrhunderten unverzichtbar, ob als Bauwerkstoff oder Brennstoff. Nun erschließen wir das Potenzial holzbasierter Materialien, um Abwärme, die bei industriellen Prozessen oft verloren geht, in wertvollen Strom umzuwandeln.

Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Energieeffizienz, sondern verändert auch unseren Blick auf Alltagsmaterialien als wesentliche Bestandteile nachhaltiger Energielösungen.

Unser Team an der University of Limerick hat gemeinsam mit der University of Valencia ein nachhaltiges Verfahren entwickelt, das Abwärme mithilfe irischer Holzprodukte in Strom umwandelt. Im Mittelpunkt steht dabei insbesondere Lignin, ein Nebenprodukt der Papierindustrie.

Unsere Studie belegt, dass Lignin-Membranen nach dem Einweichen in einer Salzlösung Niedertemperatur-Abwärme unter 200 °C effizient in Elektrizität umwandeln können. Der Temperaturunterschied über der Lignin-Membran hinweg setzt Ionen – also geladene Atome – in der Salzlösung in Bewegung.

Positive Ionen wandern zur kühleren Seite, negative Ionen dagegen zur wärmeren Seite. Durch diese Ladungstrennung entsteht über der Membran eine elektrische Potenzialdifferenz, die als elektrische Energie genutzt werden kann.

Da etwa 66 Prozent der industriellen Abwärme in diesen Temperaturbereich fallen, eröffnet diese Innovation bedeutende Möglichkeiten für umweltfreundliche Energielösungen.

Lignin-Membranen für industrielle Abwärme

Die neue Technologie könnte in zahlreichen Bereichen einen großen Unterschied machen. Branchen wie die Fertigungsindustrie, in denen große Mengen an Restwärme entstehen, könnten erheblich davon profitieren, diese Abwärme in Elektrizität umzuwandeln. Das würde Energie sparen und ihre Umweltbelastung reduzieren.

Die Technologie könnte in unterschiedlichsten Umgebungen eingesetzt werden: von der Stromversorgung abgelegener Gebiete bis zum Betrieb von Sensoren und Geräten im Alltag. Aufgrund ihrer Umweltverträglichkeit ist sie außerdem eine vielversprechende Lösung für nachhaltige Energieerzeugung in Gebäuden und Infrastruktur.

Die Herausforderung der Speicherung

Abwärme einzufangen ist nur der erste Schritt; ebenso entscheidend ist ihre wirksame Speicherung. Superkondensatoren sind Energiespeicher, die elektrische Energie sehr schnell laden und entladen können. Deshalb sind sie für Anwendungen unverzichtbar, die eine rasche Leistungsabgabe benötigen.

Ihre Abhängigkeit von kohlenstoffbasierten Materialien aus fossilen Brennstoffen wirft jedoch Fragen zur Nachhaltigkeit auf und unterstreicht den Bedarf an erneuerbaren Alternativen für ihre Herstellung.

Unsere Forschungsgruppe hat festgestellt, dass poröser Kohlenstoff auf Ligninbasis als Elektrode in Superkondensatoren dienen kann, um Energie zu speichern, die durch die Nutzung von Abwärme mit einer Lignin-Membran gewonnen wurde.

Dabei fängt die Lignin-Membran Abwärme auf und wandelt sie in elektrische Energie um, während die poröse Kohlenstoffstruktur die schnelle Bewegung und Speicherung von Ionen ermöglicht. Als umweltfreundliche Alternative ohne schädliche Chemikalien und ohne Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bietet dieser Ansatz eine nachhaltige Möglichkeit, aus Abwärme gewonnene Energie zu speichern.

Diese Innovation in der Energiespeichertechnologie könnte alles versorgen – von Unterhaltungselektronik und Wearable-Technologie bis hin zu Elektrofahrzeugen.

Muhammad Muddasar, Doktorand, School of Engineering, University of Limerick

Dieser Artikel wird unter einer Creative-Commons-Lizenz erneut aus The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.