Wärmebatterie liefert Rekord-Wirkungsgrad
Neue photovoltaische Zelle der University of Michigan ist deutlich besser als eine Dampfturbine
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Test der Infrarotzelle im Forschungslabor (Foto: Brenda Ahearn, engin.umich.edu) |
Ann Arbor (pte020/27.05.2024/13:00)
Die Wärmebatterie von Antora Energy bekommt Konkurrenz, denn Forscher der University of Michigan haben mit einem Wirkungsgrad von 44 Prozent weltweit die Nase vorn. Dies ist jedoch noch nicht das Ende der Fahnenstange. Beide Entwickler streben die 50-Prozent-Marke an.
Verluste bei Wärmenutzung
Wärmebatterien oder Thermophotovoltaische Speicher puffern überschüssigen Wind- und Solarstrom nicht in Lithium-Ionen-Akkus oder Pumpspeicherkraftwerken, sondern in Form von Hochtemperaturwärme. Thermoelemente heizen ein Speichermaterial, im Fall der Universität in Ann Arbor Siliziumkarbid, auf eine Temperatur von bis zu 1.500 Grad Celsius auf. Sie ließen sich, wenn es im Netz an Strom fehlt, direkt nutzen, indem die Höllenhitze in Dampf umwandelt wird, um eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Doch dabei geht eine große Menge an Energie verloren.
Antora und die Entwickler der Hochschule nutzen deshalb die Infrarotstrahlung des Speichermediums, um mit einer dafür optimierten photovoltaischen Zelle Strom zu erzeugen, ähnlich wie mit einer Solarzelle. Bei 1.435 Grad haben etwa 20 bis 30 Prozent der Infrarot-Photonen genug Energie, um in den Thermophotovoltaikzellen Strom zu erzeugen. Das gelingt durch Optimierung des Halbleitermaterials, das die Photonen einfängt.
Ungenutzte Photonen recycelt
Die Wärmequelle erzeugt jedoch auch Photonen oberhalb und unterhalb der Energien, die der Halbleiter in Strom umwandeln kann. Ohne eine neue Technik würden diese verloren gehen. Also bauten die Forscher eine dünne Luftschicht in die Thermophotovoltaikzelle direkt hinter dem Halbleiter ein und fügten einen Goldreflektor hinter dem Luftspalt hinzu - eine Anordnung, die sie Luftbrücke nennen. Dieser Hohlraum hilft dabei, Photonen mit den richtigen Energien einzufangen, sodass sie in den Halbleiter eindringen und Strom erzeugen. Den Rest schicken sie zurück in das Wärmespeichermaterial, wo sie die Temperaturabsenkung reduziert. Letztlich haben sie erneut die Chance, in den Zellen mit der "richtigen" Energie Strom zu erzeugen.
"Da wir zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele höhere Anteile an erneuerbaren Energien in das Netz einbinden müssen, brauchen wir niedrigere Kosten und längere Energiespeicherzeiten, da die durch Sonne und Wind erzeugte Energie nicht mit dem Zeitpunkt der Nutzung übereinstimmt. Die Nutzung von Strom zur Erwärmung eines Mediums ist eine sehr einfache und kostengünstige Methode im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien", unterstreicht Andrej Lenert von der University of Michigan.
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