Abwärme aus Holz: Strom für tragbare Technik

Wenn Sie sich schon einmal mit einer Wärmebildkamera betrachtet haben, wissen Sie: Der menschliche Körper gibt beträchtliche Wärme ab. Tatsächlich handelt es sich dabei um ein Nebenprodukt unseres Stoffwechsels. Je 0,09 m² Körperoberfläche wird pro Stunde ungefähr so viel Wärme freigesetzt wie von 19 Streichhölzern.

Leider geht ein großer Teil dieser Wärme ungenutzt in die Umgebung verloren. Es wäre ideal, sie zur Energiegewinnung einzusetzen – und meine Forschung zeigt, dass dies möglich ist. Gemeinsam mit meinen Kolleginnen und Kollegen entwickle ich Verfahren, um Körperwärme mit umweltfreundlichen Materialien einzufangen, zu speichern und zur Stromerzeugung zu nutzen.

Ziel ist ein Bauteil, das Energie zugleich erzeugen und speichern kann und damit wie eine integrierte Powerbank für tragbare Technik funktioniert. Smartwatches, Fitness-Tracker oder GPS-Tracker könnten durch die Nutzung unserer Körperwärme deutlich länger oder sogar dauerhaft betrieben werden.

Abwärme als ungenutzte Energiequelle

Nicht nur der menschliche Körper setzt Abwärme frei. In unserer technologisch geprägten Welt entsteht täglich große Mengen davon – von Fahrzeugmotoren bis zu Maschinen, die Produkte herstellen.

Üblicherweise wird auch diese Wärme an die Atmosphäre abgegeben. Damit geht ein erhebliches Potenzial zur Energierückgewinnung verloren. Das aufkommende Konzept der „Abwärmerückgewinnung“ soll diese Ineffizienz beheben. Wenn bislang verschwendete Energie genutzt wird, können Unternehmen ihre Betriebsabläufe effizienter gestalten und zugleich zu einer nachhaltigeren Umwelt beitragen.

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

Herkömmliche thermoelektrische Materialien enthalten jedoch häufig Cadmium, Blei oder Quecksilber. Die damit verbundenen Umwelt- und Gesundheitsrisiken schränken ihre praktische Verwendung ein.

Die Kraft des Holzes

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

Holz ist seit Jahrhunderten ein zentraler Werkstoff menschlicher Zivilisationen, sowohl als Baumaterial als auch als Brennstoff. Nun erschließen wir das Potenzial holzbasierter Materialien, um Abwärme aus industriellen Prozessen, die oftmals verloren geht, in wertvollen Strom umzuwandeln.

Dieser Ansatz steigert nicht nur die Energieeffizienz. Er verändert auch die Sicht darauf, dass alltägliche Materialien wichtige Bestandteile nachhaltiger Energielösungen sein können.

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

Unsere Studie belegt, dass Ligninmembranen, die in einer Salzlösung getränkt werden, Niedertemperatur-Abwärme bei weniger als 200 °C effizient in Strom umwandeln können. Der Temperaturunterschied über der Ligninmembran setzt Ionen – elektrisch geladene Atome – in der Salzlösung in Bewegung.

Positive Ionen bewegen sich zur kühleren Seite, negative Ionen dagegen zur wärmeren Seite. Diese Ladungstrennung erzeugt über der Membran eine elektrische Potenzialdifferenz, die als elektrische Energie genutzt werden kann.

Da rund 66 Prozent der industriellen Abwärme in diesem Temperaturbereich liegen, eröffnet diese Innovation erhebliche Möglichkeiten für umweltfreundliche Energielösungen.

Die neue Technologie könnte in vielen Bereichen große Wirkung entfalten. Besonders Produktionsbetriebe, in denen große Mengen Restwärme entstehen, könnten davon profitieren, indem sie Abwärme in Elektrizität umwandeln. Das würde Energie sparen und ihre Umweltbelastung reduzieren.

Auch in unterschiedlichen Einsatzumgebungen ist diese Technik denkbar: von der Stromversorgung abgelegener Gebiete bis zum Betrieb von Sensoren und Geräten in alltäglichen Anwendungen. Aufgrund ihrer Umweltverträglichkeit ist sie zudem eine vielversprechende Lösung für nachhaltige Energieerzeugung in Gebäuden und Infrastruktur.

Das Speicherproblem bei Lignin

Das Gewinnen von Energie aus Abwärme ist nur der erste Schritt; ebenso entscheidend ist ihre wirksame Speicherung. Superkondensatoren sind Energiespeicher, die Elektrizität sehr schnell aufnehmen und wieder abgeben können. Deshalb sind sie für Anwendungen mit kurzfristig hohem Leistungsbedarf besonders wichtig.

Ihre Abhängigkeit von kohlenstoffbasierten Materialien aus fossilen Brennstoffen wirft jedoch Nachhaltigkeitsfragen auf. Das unterstreicht den Bedarf an erneuerbaren Alternativen für ihre Herstellung.

Unsere Forschungsgruppe hat festgestellt, dass poröser Kohlenstoff auf Ligninbasis als Elektrode in Superkondensatoren eingesetzt werden kann. Damit lässt sich Energie speichern, die durch die Gewinnung von Abwärme mit einer Ligninmembran erzeugt wurde.

Dabei fängt die Ligninmembran 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, Energie aus Abwärme zu speichern.

Diese Innovation in der Energiespeichertechnologie könnte alles versorgen – von Unterhaltungselektronik und tragbarer Technik bis hin zu Elektrofahrzeugen.

Muhammad Muddasar, Doktorand, School of Engineering, Universität Limerick

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