Energie durch Hitze: Das Konzept der Thermophotovoltaik

Erneuerbare Energiequellen wie Wind, Sonne und Wasser sind allen bekannt. Doch auf der Suche nach weiteren Möglichkeiten, Energie möglichst CO2-neutral und ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe zu erzeugen, entstehen ständig neue Theorien und Technologien – wie z.B. Thermophotovoltaik. Wie das Konzept „Energie durch Hitze“ funktioniert, erklären wir in diesem Beitrag.

Von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien

Noch immer wird ein großer Teil unseres Energiebedarfs mit fossilen Brennstoffen gedeckt. Diese Form der Energieversorgung ist endlich und hat ein Ablaufdatum. Zusätzlich werden durch Verbrennung sehr große Mengen an umweltschädlichen CO2-Emissionen ausgestoßen. So hat sich Deutschland mit dem neuen Klimaschutzgesetz zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2045 die Energiewende geschafft zu haben und klimaneutral zu sein. Mit dem Ziel, komplett auf erneuerbare Energien umzusteigen.

Dieses Ziel setzt auch Maßstäbe für die Energieversorgung, die ein wesentlicher Teil der Energiewende ist. So wurden in Deutschland in 2020 fast die Hälfte des gesamten Stromverbrauchs über erneuerbare Ressourcen erzeugt. Wie z.B. Wind, Wasser und Sonne.

Energie aus Abwärme – wie geht das?

Das Ziel, die Welt unabhängig vom Verbrauch fossiler Energie zu machen, teilen weltweit immer mehr Länder. Die Wissenschaft erforscht neue Wege zur erneuerbaren Energiegewinnung und entwickelt neben den herkömmlichen Methoden auch neue, innovative Ideen zur Reduzierung der CO2-Emissionen. Eine dieser zusätzlichen, umweltfreundlichen Energiequellen soll die Thermophotovoltaik darstellen.

Was ist die Idee hinter der Thermophotovoltaik? Mittels eines Infrarotumwandlers kann Energie aus Hitze – beispielsweise als Abfallprodukt von Maschinen oder Motoren – gesammelt und die Abfallwärme als regenerative Energiequelle genutzt werden.

Motoren und Maschinen verbrauchen Energie – und liefern Energie!

Analog zur solaren Energieerzeugung mittels Solarzellen wird in der Thermophotovoltaik (TPV) Strahlungsenergie mittels Photovoltaikzellen in Elektrizität gewandelt. Allerdings wird hier – im Unterschied zur Solarenergie – nicht das sichtbare Licht der Sonne, sondern die unsichtbaren Infrarotstrahlen mittels geeigneter Halbleiter in elektrische Energie umgewandelt. Die Thermophotovoltaik kann in einem Energiesystem eine wichtige Rolle bei der Speicherung von überschüssiger Energie spielen. So kann z.B. Wärme bei hohen Temperaturen gespeichert und später mittels Thermophotovoltaik-Module verwendet werden.

Das Konzept der Thermophotovoltaik wurde bereits einen Schritt weiterentwickelt und auf Automotoren oder industrielle Maschinen übertragen.

Bei der Nutzung von Maschinen werden durch die Hitzeentwicklung Infrarotstrahlen abgestrahlt, welche durch eine weitere Maschine aufgefangen und in elektrischen Strom umgewandelt werden könnten. Vorstellbar wäre dadurch beispielsweise, bei industriellen Großmaschinen ein Teil des benötigten Stroms über Thermophotovoltaik zu gewinnen.

Weiterhin noch Zukunftsmusik, aber ein Schritt in die richtige Richtung

Das Prinzip der Thermophotovoltaik wird bereits seit der Mitte der 1950er-Jahre erforscht, bisher war der Wirkungsgrad der Umwandlung allerdings zu gering, um eine wirkliche Alternative darzustellen. Aber ein Team der Duke University in Durham, North Carolina hat es in den letzten Jahren geschafft, ein kleines Gerät zu entwickeln, welches in einer Laborumgebung einen recht hohen Wirkungsgrad aufweisen konnte. Dieses kleine Gerät weist eine Fläche von 8 x 8 Pixeln auf und soll aus einem Material bestehen, welches mit besonders hoher Effizienz Infrarotstrahlen aufnehmen und absondern kann. Bei der Absorbierung von Hitzeenergie hält es seine Temperatur, was einen Einsatz auch bei Raumtemperatur ermöglichen würde.

Von der marktreifen Einsetzbarkeit dieser Technologie im Alltag sind wir leider nach wie vor weit entfernt, aber die Entwicklung in diesem Sektor geht rasch voran. Thermophotovoltaik ist eine Technologie mit sehr viel Potential und wir können mit ziemlicher Sicherheit davon ausgehen, dass sie mittelfristig einen wichtigen Beitrag zur Rückgewinnung von Energie und damit zu deren Einsparung leisten wird.

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