Energie aus der Umwelt

Forscher konstruieren einen Akku, der sich durch Wärmeunterschiede seiner Umwelt selbst lädt

Eines der möglichen Szenarien für das Ende des Universums ist der Wärmetod: Weil alle Energie freisetzenden Prozesse so ablaufen, dass die Entropie zunimmt, wird das gesamte Weltall irgendwann so gleichförmig warm sein, dass Leben (das stets auf Energieunterschieden basiert) nicht mehr möglich ist. Bereits heute stehen die Ingenieurwissenschaftler aber vor dem Problem, dass bei vielen Prozessen Abwärme in nur schwer nutzbarer Qualität entsteht.

Während sich heißer Wasserdampf prima in Turbinen zur Energieerzeugung nutzen lässt, gelten Wärmequellen mit weniger als 100 Grad Unterschied als (im Sinne der Energiegewinnung) minderwertig.

Eine Option, selbst daraus noch Strom zu gewinnen, bieten - Überraschung ! - Akkus. Akkus speichern Energie auf chemische Weise. Sie nutzen aus, dass sich Metallionen in unterschiedlichem Maß in eine Lösung begeben. Deshalb teilt man Akkumulatoren üblicherweise in zwei Halbzellen, zwischen denen sich wegen der unterschiedlichen Konzentration der Metallionen ein Potenzial aufbaut. Nun braucht man die beiden Metallelektroden nur noch elektrisch zu verbinden, und ein Stromfluss ist die Folge.

Gestaltet man die Reaktion umkehrbar, lässt sich der Akku nach dem Entladen auch wieder mit frischer Energie befüllen. Dazu lässt man den Strom einfach in umgekehrter Richtung fließen. Natürlich muss man den Akku dazu mit einer Stromquelle verbinden. Will man diesen Schritt umgehen, muss man dem Prozess die Möglichkeit verschaffen, sich auf andere Weise mit Energie zu versorgen.

An dieser Stelle bieten thermodynamische Reaktionszyklen eine spannende Option. Es ist schon länger bekannt, dass sich das elektrochemische Verhalten mancher Stoffe mit der Temperatur ändert - man spricht auch vom thermogalvanischen Effekt. Erfolgreich konnte man diesen Effekt jedoch bisher nur für hohe Temperaturen verwenden - wo eigentlich genügend Möglichkeiten der Energiegewinnung bereitstehen. Ein amerikanisches Forscherteam beschreibt nun in den Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS) erstmals einen Akku, der dieses Prinzip bei Temperaturen deutlich unter 100 Grad Celsius nutzt und dabei auch keine externe Energiezufuhr benötigt.

Das System der Forscher besteht dabei aus günstig herstellbaren und ungiftigen Stoffen. Vor allem aber nutzt es einen Trick. Frühere Vorschläge gingen nämlich davon aus, dass der Akku bei niedriger Temperatur T1 entladen und bei höherer Temperatur T2 geladen wurde. Das funktionierte jedoch nur, wenn zusätzlich elektrische Energie zugeführt wurde.

Beim neuen System kehren sich bei den Temperaturen T1 und T2 die elektrochemischen Eigenschaften von Anode und Kathode um. Der Akku wird dadurch sowohl bei T1 als auch bei T2 entladen (nur mit umgekehrter Polarität). Stellt man Ladung und Akkuspannung im Diagramm dar, ergibt sich die Fläche innerhalb des Zyklus als Energiezuwachs aus der Umgebung.

Der komplette Prozess erreicht dabei eine Effizienz von zwei Prozent, wenn er zwischen 20 und 60 Grad Celsius abläuft. Zwei Prozent scheinen wenig - sind aber spannend, weil es sich um ansonsten kaum nutzbare Abwärme speist. Bedingung für den Einsatz des Akkus ist allerdings, dass sich seine Umgebungsverhältnisse zyklisch ändern. Das ist tatsächlich durchaus bei vielen industriellen Prozessen der Fall - aber ebenso auch in der freien Natur.