16.04.2018

Mehr Strom aus pyroelektrischen Modulen

Prototyp eines Abwärme-Kraftwerks nutzt bereits geringe Temperatur­änderungen.

Um aus Abwärme elektrischen Strom zu gewinnen, arbeitet man heute meist an Modulen aus thermo­elektrischen Materialien. Für die Strom­erzeugung über den Seebeck-Effekt sind jedoch hohe Temperatur­unterschiede von einigen hundert Grad nötig. Mit deutlich geringeren Temperatur­differenzen kommen dagegen pyro­elektrische Mini­kraft­werke aus, die nun Wissen­schaftler der University of California in Berkeley entwickelt haben. Ihre ersten Proto­typen erreichten dabei Leistungs­dichten, die mit denen von thermo­elektrischen Modulen vergleich­bar waren.

Abb.: Aufbau eines pyroelektrischen Minikraftwerks mit einer ferroelektrischen Heterostruktur auf Bleititanat-Basis, das aus Abwärme Strom erzeugt. (Bild: S. Pandya et al., UC Berkeley)

Heute wird der pyroelektrische Effekt für empfindliche Wärme­sensoren etwa in Bewegungs­meldern genutzt. Shishir Pandya und seine Kollegen von der Prometheus-Arbeits­gruppe an der UC Berkeley gingen einen Schritt weiter und fertigten ein pyro­elektrisches Mini­kraft­­werk aus einer nur 150 Nano­meter dünnen Hetero­struktur aus Blei­titanats versetzt mit Magnesium und Niob. Über Laser­deposition ließen sie die pyro­elektrische Schicht auf einer Elektrode aus Barium­strontium­ruthenium­oxid wachsen. Als zweite Elektrode diente Platin. Auf dieses Modul legten sie eine kleine Heiz­wendel, mit der sie die Umwandlung von Wärme in Strom unter wechselnden Rand­bedingungen systematisch analysieren konnten.

Wurde nun die pyro­elektrische Schicht ein wenig erwärmt, trennten sich elektrische Ladungen auf und an der Ober­fläche der kristallinen Substanzen wurde eine elektrische Spannung messbar. Der pyro­elektrische Effekt führte zu einer Polarisation der Ladungen auf den sich gegen­über­liegenden Seiten der Kristall­schicht. Verantwortlich dafür waren kleine Veränderungen im Kristall­aufbau des pyro­elektrischen Kristalls. Diesen wieder­holbaren Ablauf beschrieben die Forscher in einem thermo­dynamischen Ericsson-Kreis­prozess, der im bisher besten Fall sogar eine Effizienz von 19 Prozent erreichte.

Für ihre Versuche heizten die Wissenschaftler ihr Mini­kraft­werk kontrolliert auf bis zu 125 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 Milli­sekunden wieder auf Raum­temperatur abkühlte. Die größte Leistung­dichte mit 526 Watt pro Kubik­zentimeter zeigte der Proto­typ bei ein­tausend Heiz­zyklen pro Sekunde, einer Temperatur­differenz von 56 Kelvin und einem wirkenden Gleich­spannungs­feld von 267 Kilo­volt pro Zenti­meter. Die größte Energie­dichte mit gut einem Joule pro Kubik­zentimeter ergab sich bei 40 Heiz­zyklen pro Sekunde, einem Auf­heizen um 90 Kelvin und identischem Gleich­spannungs­feld.

Dieses Grundlagenexperiment zeigt, dass schon relativ geringe Temperatur­unterschiede für eine pyro­elektrische Strom­erzeugung ausreichen. Die Ausbeute war zwar gering, genügte aber prinzipiell zum Betrieb von Sensoren oder elektronischen Uhren. Für die weitere Entwicklung betonen die Forscher den geringen Material­aufwand für die dünnen, pyro­elektrischen Schichten im Vergleich zu mehr block­artigen Modulen thermo­elektrischer Mini­kraft­werke.

In Zukunft könnten sowohl thermo- als auch pyro­elektrische Mini­kraft­werke Strom aus Abwärme gewinnen. Da bei fast jeder technischen Energie­umwandlung – sei es die Verbrennung von Treibstoff in einem Motor oder der Strom­fluss durch einen Mikro­prozessor – geht ein Groß­teil der eingesetzten Primär­energie als Abwärme verloren. Insgesamt sind diese Verluste mit fast siebzig Prozent alles andere als gering. Liegen hohe Temperatur­unterschiede wie etwa am Auspuff eines Autos vor, empfehlen sich thermo­elektrische Mini­kraft­werke. Schnell getaktete Heiz­phasen mit geringerem Temperatur­anstieg, wie sie beispiels­weise bei Computer­chips auftreten, ließen sich dagegen mit pyro­elektrischen Modulen effizienter nutzen.

Jan Oliver Löfken

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