Eine autonome Zukunft setzt auf die Wiederverwendung von Abwärme
Das wachsende Interesse an künstlicher Intelligenz hat autonome und energieautarke Elektrogeräte, die Energie sparen, in den Fokus gerückt. Abwärme ist als Nebenprodukt thermodynamischer Prozesse eine wertvolle ungenutzte Energiequelle. Pyroelektrische Materialien können diese Abwärme verwerten und in nutzbare elektrische Energie umwandeln. „Aufgrund der Komplexität bei der Entwicklung neuer pyroelektrischer Niedertemperaturmaterialien zur Energiegewinnung und der schlechten mechanischen Eigenschaften von Einkristallen sind die Anwendungen derzeit begrenzt“, erklärt Professor Chris Bowen, Projektleiter von HEAPP. Die EU-finanzierte Initiative HEAPP hat sich zum Ziel gesetzt, diesen Einschränkungen durch die Entwicklung neuer, hochwertiger pyroelektrischer Materialien mit hoher Betriebstemperatur und guten mechanischen Eigenschaften zu begegnen. Dies gelang den Forschern, indefm sie sich auf einige wichtige physikalische Eigenschaften von pyroelektrischen Materialien konzentrierten. Pyroelektrische Energieernte „Ziel war es, neue Materialien mit einem hohen pyroelektrischen Koeffizienten sowie niedriger Dielektrizitätskonstante und Wärmekapazität zu entwickeln, um eine gute pyroelektrische Energieernte zu erzielen“, so Prof. Bowen. Die Forscher fanden heraus, dass die Porosität bei der Verringerung der Dielektrizitätskonstante und Wärmekapazität eine wichtige Rolle spielt und zur Herabsetzung des pyroelektrischen Koeffizienten führen könnte. „Das Verständnis dieser komplexen Beziehung zwischen diesen Eigenschaften hat es uns ermöglicht, ein neuartiges pyroelektrisches Material zu entwickeln“, bemerkt der Professor. Wichtige Anforderungen bei der pyroelektrischen Energieernte sind ein hoher pyroelektrischer Koeffizient, hohe Festigkeit, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und niedriger dielektrischer Verlust. Das Team verwendete eine Methode namens „Gefriergießen“, um eine kostengünstige und starke, vernetzte Porenstruktur zu erzeugen. Sie stießen auf einige Herausforderungen, einschließlich der vernetzten Porenstruktur, die dazu führte, dass die Eigenschaften des pyroelektrischen Materials sehr unterschiedlich ausgeprägt waren. Die Projektmitglieder, darunter auch Dr. Yan Zhang, entwickelten ein Material, das pyroelektrische Energie im Mikrowattbereich erzeugte, was angesichts der geringen Temperaturschwankungen ein unerwartetes Ergebnis war. „Jetzt versuchen wir diesen Ansatz in Anwendungen zu nutzen, in denen es keine anderen Energiequellen für energiesparende Elektrogeräte gibt“, erklärt Prof. Bowen. Neue Wege zur Wasserstofferzeugung Dieses Material eröffnet zudem auch neue Möglichkeiten zur Erzeugung von Wasserstoff, da der pyroelektrische Effekt bei zeitlichen Temperaturänderungen zur Erzeugung von Wasserstoff aus Abwärme genutzt werden kann. „Da das Koppeln von Energiegeneratoren an elektrochemische Systeme ein brandaktuelles Thema ist, wollen wir die pyroelektrokatalytische Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff untersuchen.“ Prof. Bowen betrachtet die Nutzbarmachung von pyroelektrischer Energie aus der Umgebung als vielversprechende Technologie für die Zukunft autonomer und energieautarker Elektrogeräte. Hier besteht Potenzial, ein aktives Material zur Energiegewinnung mit der Energiespeicherung in Batterien für Anwendungen wie die Abwasserbehandlung zu kombinieren.
Schlüsselbegriffe
HEAPP, Pyroelektrizität, Energie, Abwärme, energieautark, vernetzte Porenstruktur, Energieernte, Elektrogeräte
