Der Bedarf an effizienter Wärme
Gase werden in etlichen Branchen erhitzt. Bei der Herstellung von Metallen beispielsweise ist das Schmelzen und Wärmebehandeln nur durch hohe Temperaturen möglich. Überall dort, wo Materialien erwärmt werden müssen – in der Zementproduktion, der Lebensmittelverarbeitung oder sogar in der Glasherstellung –, ist der Einsatz von heißem Gas allgegenwärtig. Und hier kommt der Knackpunkt. Bisher erfolgt die industrielle Gasheizung primär durch metallische Spulen.
Die Herausforderungen herkömmlicher Methoden
Die Verwendung von Metallspulen und der Verbrennung anderer Brennstoffe erhöht den CO2-Ausstoß erheblich. Außerdem ist es wichtig, die Heizspiralen direkt im Gasstrom zu platzieren – um eine effiziente Wärmeübertragung zu erreichen. Aber das bringt Probleme mit sich. Es entstehen raue Betriebsbedingungen, die sich negativ auf die Komponenten auswirken können.
Daniel J. Preston, ein Assistenzprofessor an der Rice University, sieht das klar. „Eine Heizung direkt im Gasstrom erhöht die Effizienz, doch gleichzeitig wird die Umgebung extrem herausfordernd“, erklärt er. Geometrie, Stabilität und Leistung sind eng miteinander verknüpft.
Ein neuer Ansatz: Kohlenstoffnanoröhren
Auf der Suche nach Verbesserungen entschloss sich das Team, Kohlenstoffnanoröhren zu nutzen. Sie sind extrem kleine Zylinder aus gerolltem Graphen – einem Material, das komplett aus Kohlenstoffatomen besteht. Diese Nanoröhren sind nicht nur außergewöhnlich stark. Sie leiten Wärme besser und können Elektrizität auch effektiver als Kupfer leiten. So können sie den bisherigen Methoden überlegen sein.
Monisha Vijay Kumar, die erste Autorin der Studie, hebt hervor: „Die Elektrifizierung industrieller Wärme ist eine der wichtigsten, aber auch schwierigsten Herausforderungen der Dekarbonisierung.“ Das Team wollte herausfinden, ob die Verwendung einer komplett neuen Materialklasse die Möglichkeiten der Gasheizung erweitern könnte.
Überlegene Ergebnisse in Tests
Und die Ergebnisse sprechen für sich: In Tests waren die Arrays aus Kohlenstofffäden in der Lage, eine höhere spezifische Leistungsbelastung zu erzielen als vergleichbare Metalllegierungselemente. Das bedeutet, dass sie in ihrer Größe mehr Energie erzeugten, sobald sie elektrifiziert wurden. Sie widerstanden zudem dem konstanten Strom bewegender Gase – die Belastung war ihnen vorbehalten.
Ein weiterer Vorteil – die Fäden können in Stoffe eingewebt werden. Dadurch entsteht eine große Oberfläche, durch die das Gas strömen und erhitzt werden kann. Vanessa Sanchez, Mitautorin der Studie, beschreibt das so: „Textiltechniken bieten uns außergewöhnliche Freiheit, dreidimensionale Strukturen zu schaffen.“
Vorteile bei der Wärmeverteilung
Ein weiteres Plus: Kohlenstoffnanoröhren liefern eine gleichmäßigere Wärmeverteilung. Heiße Stellen, die bei herkömmlichen Heizspulen oft ein Problem darstellen können, treten viel seltener auf. Das hat für zukünftige Komponenten enorme Bedeutung.
Die Zukunft der Industrie – ein umweltfreundlicher Schritt
Sollten sich die Kohlenstoffnanomaterialien weiterhin bewähren, ihren Nutzen beweisen, könnte dies weitreichende Auswirkungen auf die Elektrifizierung der industriellen Wärme haben. Laut einem Bericht der ACEEE könnte die Verwendung sauberer Elektrizität in allen industriellen Prozessen, die unter 300 °C erhitzt werden, bis 2050 zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen um 30 % führen.
Mit dieser neuen Technologie könnte die Industrie auf einen umweltfreundlicheren Kurs kommen. Wir können auf die Entwicklungen gespannt sein – und die Möglichkeiten sind, wie Preston sagt, „enorm“.
Mehr erfahren
Hört euch mehr über die Forschung von Kumar in folgendem Video an.
YouTube-Video
Für weitere Informationen und aktuelle Neuigkeiten besucht die Seite der Rice University.