Umwandlung von Abwärme in Energie: Erhöhung der Energieeffizienz durch Nutzung ungenutzter Wärme in elektrische oder mechanische Energie mittels Technologien wie TEG, ORC und Kalina-Zyklus.
Umwandlung von Abwärme in Energie
Die Umwandlung von Abwärme in nutzbare Energie ist ein wichtiger Aspekt der thermischen Ingenieurwissenschaft. Abwärme ist die von einem Prozess erzeugte Wärme, die nicht genutzt wird und gewöhnlich in die Umgebung freigesetzt wird. Durch die Umwandlung dieser Abwärme in elektrische oder mechanische Energie kann die Effizienz von Energieverbrauchern erheblich gesteigert und der Gesamtenergieverbrauch reduziert werden.
Die thermodynamischen Grundlagen
Der Prozess der Umwandlung von Abwärme in Energie basiert auf den fundamentalen Prinzipien der Thermodynamik, insbesondere dem zweiten Hauptsatz, der die Unvermeidbarkeit der Entropieproduktion beschreibt. Diese Prozesse werden oft durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt, der die maximale Effizienz eines Umwandlungsprozesses angibt.
\[
\eta_{Carnot} = 1 – \left(\frac{T_{kalt}}{T_{heiß}}\right)
\]
hierbei ist \(T_{kalt}\) die niedrigere Temperatur und \(T_{heiß}\) die höhere Temperatur in Kelvin.
Technologien zur Abwärmeumwandlung
Thermoelektrische Generatoren (TEG)
Thermoelektrische Generatoren nutzen den Seebeck-Effekt, bei dem eine Temperaturdifferenz innerhalb eines Materials ein elektrisches Potential erzeugt. Diese Technologie eignet sich gut für die Umwandlung von geringen Mengen an Abwärme in elektrische Energie.
\( \Delta V = S \Delta T \)
wobei \( \Delta V \) die erzeugte Spannung, \( S \) der Seebeck-Koeffizient und \( \Delta T \) die Temperaturdifferenz ist.
Organischer Rankine-Zyklus (ORC)
Der Organische Rankine-Zyklus ist eine Methode, bei der ein organisches Arbeitsfluid statt Wasser verwendet wird. Der ORC-Prozess ist besonders effizient bei niedrigen Temperaturen und kann in industriellen Anwendungen oder bei der Stromerzeugung aus Geothermie genutzt werden.
Kalina-Zyklus
Der Kalina-Zyklus ähnelt dem Rankine-Zyklus, verwendet aber ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak als Arbeitsmedium. Dies erhöht die Effizienz, vor allem bei variierenden Temperaturen, und ist besonders nützlich bei Abwärme aus industriellen Prozessen.
Fazit
Die Umwandlung von Abwärme in Energie bietet großes Potenzial für die Verbesserung der Energieeffizienz und die Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs. Die Weiterentwicklung und Implementierung dieser Technologien kann zu einer nachhaltigeren und effizienteren Energienutzung führen.
