Die Entwicklung von Maßnahmen gegen die globale Erwärmung ist zu einer drängenden Aufgabe geworden. Eine der größten Herausforderungen bei der Verwirklichung einer nachhaltigen Gesellschaft ist das Finden von Wegen, um Abwärme besser zu nutzen. Allerdings war es bislang schwierig, Abwärme mit Temperaturen unter 300 Grad Celsius zu verwerten. Nun aber hat ein japanisches Startup-Unternehmen eine Technologie entwickelt, die eine Lösung dieses Problems verspricht.
Fabrikanlagen, Kraftwerke, Müllverbrennungsanlagen, Kraftfahrzeuge und Schiffe emittieren ständig Abwärme. Könnte diese ungenutzte Wärmeenergie zurückgewonnen und in Kombination mit anderen Energietechnologien wie etwa Solarenergie genutzt werden, wäre eine Reduzierung der Verwendung fossiler Kraftstoffe und damit eine Senkung des Ausstoßes von Kohlendioxyd möglich.
Derzeit erfolgt die Nutzung von Abwärme mit hohen Temperaturen ab 300 Grad Celsius durch Verfahren wie z.B. die Umwandlung in Dampf, der dann mittels Turbinen zur Stromerzeugung verwendet wird. Abwärme unter 300 Grad Celsius wird hingegen einfach in die Atmosphäre abgelassen.
Die E-ThermoGentek Co., Ltd., ein Unternehmen aus dem Umwelttechnologie-Bereich in der Präfektur Kyoto, hat sich auf die Suche nach Lösungen gemacht, um diese bislang verschwendete Energie zu nutzen. NAMBU Shutaro, der Geschäftsführende Vorsitzende, erklärt: „Etwa 75 Prozent der Wärmeenergie, die in die Atmosphäre abgegeben wird, ist Abwärme unter 300 Grad Celsius. Wir meinten, es sollte doch möglich sein, diese Wärme in elektrische Energie umzuwandeln und diesen Strom dann in den Anlagen zu nutzen, in denen er seinen Ursprung hat.“
Thermoelektrische Stromerzeugung unter Verwendung thermoelektrischer Elemente ist eine seit langem etablierte Technologie, die elektrische Spannung erzeugt, indem sie den Temperaturunterschied zwischen den Elementen nutzt. Allerdings stellte die niedrige Effizienz dieser Art der Stromerzeugung bislang ein Hindernis für eine rasche Amortisation der Kosten bei großformatigen Anwendungen dar, beispielsweise bei der Nutzung von Abwärme in Fabrikanlagen. Seit rund dreißig Jahren suchen Forscher überall auf der Welt nach Materialien, die eine hohe Effizienz bei der Stromerzeugung zu niedrigen Kosten besitzen. Jedoch fehlte es bislang an Chancen für eine praktische Anwendung.
Die Lösung, die Nambus Unternehmen für dieses Problem fand, besteht in der Steigerung der Effizienz der Wärmerückgewinnung durch eine veränderte Konfiguration der Module zur thermoelektrischen Stromerzeugung. Konventionelle Module sind so konstruiert, dass die thermoelektrischen Elemente auf Keramiksubstraten mit hoher Härte angebracht werden. Wurden sie z.B. auf Abluftrohre für Warmluft montiert, konnten diese Elemente nicht direkt auf der Oberfläche eines Rohrs angebracht werden. Nambu entwickelte daher als Lösung eine „Flexiina“ genannte Folie als Modul zur thermoelektrischen Stromerzeugung, die auch auf abgerundeten Oberflächen montiert werden kann. Dies wird erreicht, indem die thermoelektrischen Elemente auf Substrate platziert werden, die aus dünnen und flexiblen isolierenden Materialien bestehen, wie sie beispielsweise in Mobiltelefonen und anderen Geräten verwendet werden. Flexiinas Effizienz bei der Wärmerückgewinnung übertrifft die Effizienz konventioneller Module um das Zwei- bis Dreifache. Dies erlaubt die Umwandlung von Wärme in Elektrizität mit einer hohen Anlagenrendite, wie sie von der Wirtschaft gefordert wird.
Bild: Die Grafik zeigt, wie Flexiina Module auf ein Abluftrohr in einer Fabrik installiert werden. Die Wärmeenergie wird durch den Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Flexiina Folie in elektrische Energie umgewandelt. Die flexible Struktur ermöglicht ein direktes Anbringen an Rohre und eine Maximierung der Effizienz bei der Wärmerückgewinnung. Die Module sind sowohl in luft- als auch in wassergekühlten Systemen verwendbar.
Nambu ist ein Veteran auf dem Gebiet der Forschung zu Halbleiter-Bausteinen mit langjähriger Erfahrung, die unmittelbar zu seiner originellen Idee beitrug, thermoelektrische Elemente auf einer flexiblen Folie anzubringen.
Eine der vielversprechendsten potenziellen Anwendungen von Flexiina sind sich selbst mit Strom versorgende Geräte für das Internet der Dinge (IoT). In vielen Fabriken haben die Fortschritte bei der IoT-Adaption sowie die Verwendung kabelloser Sensoren zu erhöhtem Arbeits- und Kostenaufwand geführt, bedingt durch den notwendigen Austausch der Batterien in den installierten Geräten. Darüber hinaus schreibt eine neue EU-Batterieverordnung vor, die Recyclingquote bei Batterien bis 2030 erheblich zu erhöhen, sodass die Nachfrage nach sich selbstversorgenden Geräten rasch zunimmt.
Eine weitere vielversprechende Anwendung ist die Ausweitung des Einsparens von Energie sowie der CO2-Neutralität in Fabriken. Dampf und Gase sind besonders wichtige Quellen für Abwärme mit niedrigen Temperaturen. E-ThermoGentek hat einen Output von 6 kW elektrischer Leistung bei der Nutzung von 175 Grad heißer Abwärme bestätigt. Dem Unternehmen ist es zudem gelungen, einen Prototyp für eine Stromerzeugungseinheit zu entwickeln, die einen Output von 400 W aus 350 Grad Celsius heißer Abwärme erreicht. Kombiniert man mehrere Einheiten miteinander, kann noch mehr Abwärme zurückgewonnen und somit noch mehr Strom erzeugt werden. Bis jetzt hat E-ThermoGentek Anfragen von über tausend Unternehmen erhalten, die Flexiina zur Stromerzeugung nutzen wollen.
Thermoelektrische Energie zieht zunehmend Interesse auf sich als ein Verfahren zur Stromerzeugung, das verspricht, die Energieeffizienz zu verbessern und dass dazu beiträgt, die Dekarbonisierung der Gesellschaft zu verwirklichen. Flexiina befindet sich daher in einer guten Ausgangsposition, um der Welt zu einem wichtigen Zeitpunkt eine bahnbrechende, in Japan entwickelte Technologie anzubieten.
Bild: Die Flexiina Technologie wird entwickelt und angewendet, um in Fabriken eine Vielzahl von Nachfragen zu decken. Zu den Varianten zählen solche, die an ebenflächige Wärmequellen, an Wärmequellen in Röhrenform oder an Abzugshauben angebracht werden können.
Mit Blick auf die Zukunftsaussichten meint Nambu: „Diese Technologie wird enorme Auswirkungen haben, sobald sie in Fabrikanlagen auf der ganzen Welt eingeführt wird. Wir planen zurzeit, Partnerschaften mit führenden Unternehmen in Japan auszubauen und eine ‚Japan-Allianz für thermoelektrische Stromerzeugung‘ zu gründen. Wir möchten Flexiina weltweit verbreiten und auf diese Weise einen Beitrag zum Kampf gegen die globale Erwärmung und zum Einsparen von Energie leisten.“
Bild: NAMBU Shutaro, geschäftsführender Vorsitzender der E-ThermoGentek Co., Ltd.
Das Original dieses Beitrags wurde von KIZUNA, dem offiziellen Online-Magazin der Regierung von Japan, übernommen und für NEUES AUS JAPAN ins Deutsche übersetzt. Den Originalbeitrag (in englischer Sprache) finden Sie hier: https://www.japan.go.jp/kizuna/2025/10/unlocking_potential_low-temperature.html
