Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Pyroelektrische Polymerfolie für die Abwärmenutzung (PyroFol)

Zahlreiche industrielle Prozesse erzeugen Abwärme auf einem Temperaturniveau, das sich nicht mehr durch konventionelle Wärmekraftmaschinen in Elektroenergie zurückwandeln lässt. Dieses Temperaturniveau liegt im Bereich von etwa 50–100 °C. Bisher gehen auf diesem Wege insgesamt 50 % der erzeugten Primärenergie verloren. Die Rückgewinnung eines Teils dieser Energie birgt ein großes Potential zur Effizienzsteigerung sowohl großtechnischer Anlagen als auch bei KMU.

Eine vielversprechende und bisher ungenutzte Methode der Energiegewinnung ist der Einsatz pyroelektrischer Funktionsmaterialien. Die Erzeugung elektrischer Felder allein durch äußere Temperaturänderungen ist ein kristallphysikalisches Kopplungsphänomen und wird als pyroelektrischer Effekt bezeichnet. Damit sind durch pyroelektrische Materialien vielfältige neuartige Anwendungen, die auch über die Elektroenergiezeugung hinausgehen, realisierbar.

Die vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten sowie die Skalierbarkeit machen pyroelektrische Polymere attraktiv gegenüber typischen anorganischen Pyroelektrika, wie z. B. Bariumtitanat oder Lithiumniobat. Als zur Marktreife zu entwickelndes Material bietet sich Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Basismaterial an, da es sowohl beständig gegenüber Umwelteinflüssen ist, als auch gute pyroelektrische Eigenschaften besitzt.

Die Problemstellung besteht in der kostengünstigen Herstellung einer PVDF-Folie in der die

β-Phase von PVDF vorliegt, welche gegenüber der unpolaren α-Phase pyroelektrisch ist. Durch Einstellung eines hohen kristallinen Anteils im Polymer werden größere pyroelektrische Koeffizienten erreicht. Die parallele Ausrichtung der pyroelektrischen Domänen durch Polung im elektrischen Feld führt zu einer weiteren Verbesserung der Eigenschaften. Mit einem speziellen Demonstratoraufbau sollen die Funktionalität der Folie und eine technische Umsetzung der Abwärmenutzung zur Energiekonversion mit möglichst hohem Wirkungsgrad gezeigt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt „Pyroelektrische Polymerfolie für die Abwärmenutzung (PyroFol)“ konnte als wesentlicher Meilenstein ein Verfahren zur Herstellung von bahnenförmigem PVDF in der Beta-Phase etabliert werden. Dabei wurde auf die Verwendung von Copolymeren verzichtet, die vielfach in kommerziellen Anwendungen zum Einsatz kommen. Der derzeitige Entwicklungsstand kann als Grundlage zur weiteren Optimierung genutzt werden, um die Technologie in naher Zukunft als transferfähig für die Wirtschaft einzustufen. Eine inlinefähige Untersuchungsmethode zur Bestimmung des Phasenanteils konnte identifiziert werden. Das hergestellte PVDF wurde umfassend charakterisiert und erreicht die Größenordnung der Kennziffern von Referenzmaterialien. Dabei trat unter anderem ein grundlagentaugliches Ergebnis zur Temperaturabhängigkeit des Phasendiagramms in den Vordergrund, dessen Veröffentlichung in Bearbeitung ist. Außerdem konnte die Restwärmenutzung mittels bahnförmigen PVDFs durch einen Demonstrator nachgewiesen werden. Die etablierte inlinefähige Korona-Polungsmethode bedarf einer finalen Optimierung. Des Weiteren wurde eine portable benutzerfreundliche Messtechnik zur Bestimmung pyroelektrischer Koeffizienten entwickelt, deren Technologie zum Transfer in die Wirtschaft bereitsteht.