Nieuwe manier om thermische energie te winnen uit afvalwarmtebronnen met een lage temperatuur

Wetenschappers in China hebben een nieuw concept voorgesteld en gerealiseerd: barocalorische thermische batterijen gebaseerd op het unieke omgekeerde barocalorische effect. Hiermee kunnen ze thermische energie onttrekken aan afvalwarmtebronnen met een lage temperatuur en deze op verzoek hergebruiken, simpelweg door de druk te regelen

Een Chinees onderzoeksteam heeft een nieuw concept ontwikkeld om thermische energie te onttrekken aan afvalwarmtebronnen met een lage temperatuur en deze op verzoek te hergebruiken door simpelweg de druk te regelen.

Warmteproductie is goed voor meer dan 50% van ‘s werelds eindenergieverbruik en analyse van afvalwarmtepotentieel laat zien dat 72% van’ s werelds primaire energieverbruik verloren gaat na conversie, voornamelijk in de vorm van warmte. Het is ook verantwoordelijk voor meer dan 30% van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.


Tegen deze achtergrond hebben onderzoekers onder leiding van prof. LI Bing van het Institute of Metal Research van de Chinese Academie van Wetenschappen een nieuw concept voorgesteld en gerealiseerd: barocalorische thermische batterijen gebaseerd op het unieke omgekeerde barocalorische effect.

De studie wordt vandaag (17 februari 2023) gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang.

Barocalorische thermische batterijen: concept en realisatie. Krediet: Instituut voor Metaalonderzoek

Een omgekeerd barocalorisch effect wordt gekenmerkt door een door druk geïnduceerde endotherme respons, in schril contrast met een normaal barocalorisch effect waarbij drukverhoging leidt tot een exotherme respons. « Een barocalorische thermische batterijcyclus bestaat uit drie stappen, waaronder thermisch opladen bij drukverhoging, opslag met druk en thermische ontlading bij drukverlaging », aldus prof. LI, de corresponderende auteur van de studie.

De barocalorische thermische batterij werd gematerialiseerd in ammoniumthiocyanaat (NH₄SCN). Ontlading manifesteerde zich als de warmte van 43 J g^-1 of een temperatuurstijging van ongeveer 15 K. De vrijgekomen warmte was 11 keer groter dan de mechanische energietoevoer.

De fysieke oorsprong begrijpen van het unieke omgekeerde barocalorische effect, het werkmateriaal NH₄SCN is goed gekarakteriseerd met behulp van synchrotron-röntgenstralen en neutronenverstrooiingstechnieken. Het ondergaat een structurele faseovergang van een kristal van een monokliene naar een orthorhombische fase bij 363 K, vergezeld van een volumetrische negatieve thermische uitzetting van ~ 5% en entropieveranderingen van ongeveer 128 J kg^-1 K^-1.

Deze overgang wordt gemakkelijk aangedreven door een druk van slechts 40 MPa, en het is het eerste omgekeerde barocalorische systeem met entropieveranderingen van meer dan 100 J kg^-1K^-1. Drukafhankelijke neutronenverstrooiing en simulaties van moleculaire dynamica toonden aan dat de transversale trillingen van SCN¯-anionen worden versterkt door druk en dat de waterstofbruggen die de langeafstandsorde vormen, vervolgens worden verzwakt.


Als gevolg hiervan raakt het systeem ontregeld als reactie op externe druk en absorbeert het materiaal dus warmte uit de omgeving.

Als een opkomende oplossing voor het manipuleren van warmte, wordt verwacht dat barocalorische thermische batterijen een actieve rol zullen spelen in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals het oogsten en hergebruiken van industriële afvalwarmte bij lage temperatuur, solid-state koelsystemen voor warmteoverdracht, slimme netwerken en warmtebeheer in woningen .

Referentie: « Thermische batterijen gebaseerd op inverse barocalorische effecten » 17 februari 2023, Wetenschappelijke vooruitgang.
DOI: 10.1126/sciadv.add0374

Deze studie werd ondersteund door CAS, het Ministerie van Wetenschap en Technologie van China, en de National Natural Science Foundation of China.