Neuer Weg zur Gewinnung thermischer Energie aus Niedertemperatur-Abwärmequellen

Energie – Wissenschaftler in China haben ein neues Konzept vorgeschlagen und umgesetzt: barokalorische Wärmebatterien, die auf dem einzigartigen inversen barokalorischen Effekt basieren. Damit können sie Wärmeenergie aus Niedertemperatur-Abwärmequellen gewinnen und diese bei Bedarf wiederverwenden, indem sie einfach den Druck steuern

Ein chinesisches Forschungsteam hat ein neues Konzept entwickelt, um thermische Energie aus Niedertemperatur-Abwärmequellen zu extrahieren und bei Bedarf wiederzuverwenden, indem einfach der Druck gesteuert wird.

Die Wärmeerzeugung macht mehr als 50 % des weltweiten Endenergieverbrauchs aus, und die Analyse des Abwärmepotenzials zeigt, dass 72 % des weltweiten Primärenergieverbrauchs nach der Umwandlung verloren gehen, hauptsächlich in Form von Wärme. Es ist auch für mehr als 30 % der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich.


Vor diesem Hintergrund haben Forscher unter der Leitung von Prof. LI Bing vom Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein neues Konzept vorgeschlagen und umgesetzt – barokalorische thermische Batterien, die auf dem einzigartigen inversen barokalorischen Effekt basieren.

Die Studie wird heute (17. Februar 2023) im Journal veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte.

Barokalorische thermische Batterien: Konzept und Realisierung. Kredit: Institut für Metallforschung

Ein inverser barokalorischer Effekt ist durch eine druckinduzierte endotherme Reaktion gekennzeichnet, im scharfen Gegensatz zu einem normalen barokalorischen Effekt, bei dem Druckbeaufschlagung zu einer exothermen Reaktion führt. „Ein barokalorischer thermischer Batteriezyklus besteht aus drei Schritten, einschließlich thermischer Ladung bei Druckbeaufschlagung, Speicherung mit Druck und thermischer Entladung bei Druckentlastung“, sagte Prof. LI, korrespondierender Autor der Studie.

Die barokalorische thermische Batterie wurde in Ammoniumthiocyanat (NH₄SCN). Die Entladung manifestierte sich als Wärme von 43 J g^-1 oder einem Temperaturanstieg von etwa 15 K. Die freigesetzte Wärme war 11-mal größer als der mechanische Energieeintrag.

Um den physikalischen Ursprung des einzigartigen inversen barokalorischen Effekts zu verstehen, wird der Arbeitsstoff NH₄SCN wurde unter Verwendung von Synchrotron-Röntgen- und Neutronenstreutechniken gut charakterisiert. Es durchläuft bei 363 K einen kristallstrukturellen Phasenübergang von einer monoklinen zu einer orthorhombischen Phase, begleitet von einer volumetrischen negativen Wärmeausdehnung von ~5% und Entropieänderungen von etwa 128 J kg^-1 K^-1.

Dieser Übergang wird leicht durch einen Druck von nur 40 MPa angetrieben, und es ist das erste inverse barokalorische System mit Entropieänderungen von mehr als 100 J kg^-1K^-1. Druckabhängige Neutronenstreuung und Molekulardynamiksimulationen zeigten, dass die transversalen Schwingungen von SCN¯-Anionen durch Druck verstärkt und die Wasserstoffbrückenbindungen, die die Fernordnung bilden, dadurch geschwächt werden.


Infolgedessen wird das System als Reaktion auf äußeren Druck ungeordnet und das Material nimmt somit Wärme aus der Umgebung auf.

Als aufkommende Lösung zur Manipulation von Wärme wird erwartet, dass barokalorische Wärmebatterien eine aktive Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen spielen werden, wie z. B. industrielle Abwärmenutzung und -wiederverwendung bei niedrigen Temperaturen, Wärmeübertragungssysteme für Festkörperkälte, intelligente Netze und Wärmemanagement in Wohngebäuden .

Referenz: „Thermische Batterien basierend auf inversen barokalorischen Effekten“ 17. Februar 2023, Wissenschaft Fortschritte.
DOI: 10.1126/sciadv.add0374

Diese Studie wurde von CAS, dem chinesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie und der National Natural Science Foundation of China unterstützt.