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Dr. Tom Weier
Magnetohydrodynamik
t.weierAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2226, +49 351 260 2013
Fax: +49 351 260 12226, +49 351 260 12013, +49 351 260 2007

Dr. Clemens Kubeil
Magnetohydrodynamik
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AMTEC-D – Alkali-Metal-Thermo-Electric-Converter - Typ Dresden

AMTEC-Konzept

AMTEC-Konzept

Foto: ©Clemens Kubeil

Hintergrund
Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist ein erfolgversprechender Beitrag zur Bewältigung der Energiewende und Steigerung der Ressourceneffizienz. Alkalimetallgetriebene Konverter (Alkali-Metall-Thermo-Electric-Converter AMTEC) erscheinen hierzu außerordentlich geeignet, da sie ohne bewegte Maschinenteile auskommen und somit praktisch wartungsfrei sind. Die hervorragende Leistungsanpassung an schwankende Lastbedingungen eröffnet sehr flexible stationäre und mobile Einsatzmöglichkeiten, z.B.  bei der Nutzung von Abwärme aus technologischen Prozessen, Wärme aus Solar-Receivern, Abwärme aus Kraftfahrzeugmotoren oder Wärme, die bei der Wasserstoffherstellung entsteht.

Als Herausforderungen gelten jedoch die großen Anforderungen an die verwendeten Materialien und die Konstruktionsauslegung. Hierbei sind vor allem die Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegen die hohe Reaktivität der Alkalimetalle sowie die hohen bestehenden Druck- und  Temperaturdifferenzen von Bedeutung.

Das Projekt
Ziel des Verbundprojekts ist es, unter Nutzung neuartiger keramischer Werkstoffe und innovativer Laserverfahren einen hocheffizienten, umweltfreundlichen und wirtschaftlich wettbewerbsfähigen AMTEC zu entwickeln, als Prototyp (AMTEC-D) zu bauen und diesen unter Praxisbedingungen in verschiedenen Anwendungsfeldern zu testen.

Als Teilprojekt am HZDR, wird das Potenzials eines alternativen AMTEC-Konzeptes basierend auf zwei Flüssigmetall-Elektroden untersucht und analysiert, sowie das thermochemische Konzept erarbeitet. Die Verwendung von ausschließlich flüssigen Metall-Elektroden ist attraktiv, da geringere Kontaktwiderstände bestehen und keine fehleranfällige Kontaktierung des Feststoffelektrolyten erforderlich ist.

Ein Konverter besteht aus zwei Elektrodenräumen, die durch eine keramische Membran (Beta‐Alumina Solid Electrolyte, BASE) getrennt sind. Diese Membran ist ausschließlich für Alkaliionen durchlässig und wirkt gegenüber Elektronen isolierend. Beim konventionellen AMTEC-Konzept liegt das Alkalimetall auf Kathodenseite bei geringen Drücken immer gasförmig vor. Die Wärmezufuhr erfolgt an der Anodenseite (üblicherweise 600 °C bis 1100 °C, 20 bis 100 kPa), wodurch eine Druckdifferenz entsteht, die eine Diffusion des Alkalimetalls von der Anodenseite zur Kathodenseite (120 °C bis 450 °C,  < 100 Pa) durch die BASE fördert. Da das Alkalimetall jedoch nur in ionisiertem Zustand durch die Membran diffundieren kann, gibt es je Atom ein Elektron an der Eintrittsseite der Membran (Anode) ab und nimmt jeweils ein Elektron an der Austrittsseite (Kathode) auf. Die elektronische Leitfähigkeit wird durch eigens auf die Membran aufgebrachte Elektroden gewährleistet. Der Ladungsübergang erfolgt also an einer Drei-Phasen-Grenze. Die Elektronen werden über einen äußeren Stromkreis als elektrische Nutzenergie abgegriffen.

Ein alternatives AMTEC-Konzept sieht die Verwendung von Flüssigmetallelektroden auf beiden Seiten vor, wodurch der Ladungsdurchtritt voraussichtlich vereinfacht wird, so dass die Herstellung, Performance und Lebensdauer begünstigt wird. Die treibende Kraft für den Stromfluss ist die unterschiedliche Aktivität der Alkali-Ionen in beiden Elektrodenräumen und nicht wie zuvor die Druckdifferenz zwischen den Elektrodenräumen. Die Zellen können somit auch bei niedrigeren Temperaturen, isotherm oder mit Temperaturgradient betrieben werden. Die flüssige Legierung wird thermisch aufbereitet und die separierten Metalle zurückgeführt.



Förderung

Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Das Projekt "AMTEC-D - Entwicklung eines Alkalimetall-Konverters
zur hoch effizienten Direktumwandlung von Wärme in elektrischen Strom" wird gefördert durch den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung.

AMTEC-D Logo

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