Berichte

Strom aus Abwärme - thermoelektrische Generatoren

  • Ende des 19. Jahrhunderts stellte die Erfindung der Glühbirne eine bahnbrechende technische Neuerung dar. Doch bereits etwas über ein Jahrhundert später, nämlich im Februar 2009, wurde das Verbot der Glühlampe in der EU beschlossen, um die Treibhausgas-Emissionen durch den Einsatz effizienterer Beleuchtungsmittel zu reduzieren. Eine Glühbirne wandelt nämlich lediglich 5% der aufgewendeten Energie in Licht um, wobei die restlichen 95% ungenutzt als Wärme verloren gehen.

    Doch auch bei vielen anderen Prozessen beispielsweise in Industrie, Haushalt und Verkehr sieht es bisher noch sehr ähnlich aus wie bei der Glühbirne - ein großer Teil der vor allem in technischen Prozessen eingesetzten Energie wird nicht genutzt, sondern geht in Form von Abwärme verloren. Diese Energiemenge, das sogenannte Abwärmepotenzial, beläuft sich alleine in Deutschland auf 300TWh pro Jahr, was knapp der Hälfte des gesamten Energieverbrauchs der deutschen Industrie entspricht.

    Ein Lösungsansatz, um diese Energie nicht „zu verschwenden“, ist der sogenannte thermoelektrische Generator, welcher Abwärme in elektrische Energie umwandelt und somit diese „Abfallenergie“ wieder für uns nutzbar macht.

     

    Das Prinzip dieser Generatoren beruht auf dem sogenannten Seebeck-Effekt. Dieser besagt, dass in einem Leiterkreis aus zwei unterschiedlichen leitfähigen Materialien (in der Abb. A und B) durch eine Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen der beiden Materialien (T2-T1) eine elektrische Spannung erzeugt wird, was in einem geschlossenen Stromkreis zu einem Stromfluss führt.

    Aufbau eines Thermoelements

    In ihrer einfachsten Form bestehen solche Generatoren aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen. Durch bereits winzig kleine Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Seiten dieses so entstandenen thermoelektrischen Moduls wird durch den Seebeck-Effekt eine Spannung induziert. Die Höhe dieser Spannung ist abhängig von der Materialkombination und der Anzahl an in Reihe geschalteten Thermoelementen. Durch den so entstehenden Stromfluss wird also aus Abwärme für uns nutzbare Energie in Form von Strom zurückgewonnen.

    Der Ansatz Wärme in Strom umzuwandeln ist kein neuartiger, doch die thermoelektrischen Generatoren haben den bisher eingesetzten mechanischen Anlagen wie beispielsweise Turbinen gegenüber große Vorteile. Zum einen arbeiten die Generatoren dadurch, dass sie keine beweglichen Teile besitzen, geräusch- und reibungslos und haben eine sehr lange Lebensdauer, während welcher kaum Wartung nötig ist. Dies ist in der Technik äußerst selten und spart Kosten und Aufwand. Zum anderen sind die thermoelektrischen Module klein und kompakt, wodurch sie sich gut in bereits bestehende Systeme integrieren lassen, was insbesondere bei der Nutzung industrieller Abwärme eine entscheidende Rolle spielt. Des Weiteren können diese Generatoren im Gegensatz zu anderen Arten der Umwandlung von Wärme, bei welchen große Temperaturdifferenzen nötig sind, bereits sehr geringe Wärmeunterschiede nutzen, um Strom zu erzeugen.

    Bis jetzt sind die thermoelektrischen Generatoren jedoch wegen ihres geringen Wirkungsgrades und der hohen Herstellungskosten relativ unbekannt und hauptsächlich in Nischenanwendungen, wie beispielsweise bei der Stromversorgung von Raumsonden oder in energieautarken Sensorsystemen, zu finden.

    Mit dem Ziel eine breitere Anwendung der Thermoelektrik zu erreichen, arbeitet die Forschung momentan daran, die thermoelektrischen Generatoren effizienter und kostengünstiger zu machen. Dies kann dadurch erreicht werden, indem beispielsweise die thermoelektrischen Materialeigenschaften, der Aufbau oder die thermische/elektrische Integration der Module in Gesamtsysteme verbessert beziehungsweise für die Massenproduktion geeignete Herstellungsverfahren entwickelt werden.

    Die Entwicklung des richtigen Materials gestaltet sich jedoch als sehr schwer, da neben den technischen Aspekten wie einer guten elektrischen und einer geringen thermischen Leitfähigkeit auch andere ökonomische sowie ökologische Faktoren wie dessen Preis, Verfügbarkeit oder Recyclingmöglichkeiten berücksichtigt werden müssen.

    Nachdem im Labor in der letzten Zeit jedoch bereits erhebliche Steigerungen des Wirkungsgrades erreicht wurden, gehen Schätzungen und Marktanalysen von einem sehr hohen Wachstumspotenzial aus und sehen zukünftige Märkte, insbesondere bei der Nutzung industrieller Abwärme, beispielsweise in Blockheizkraftwerken oder auch im Bereich der Automobilität. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren verwerten derzeit nur knapp ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie zur Fortbewegung, wobei der Rest als Abwärme über die Abgasanlage und das Kühlsystem verloren geht. Insbesondere die im heißen Abgas enthaltene Energie könnte durch thermoelektrische Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden, um die Lichtmaschine zu entlasten oder Batterien aufzuladen. Dadurch könnte der Treibstoffverbrauch der Fahrzeuge schätzungsweise um bis zu 5% zu gesenkt und damit auch der CO2-Ausstoß verringert werden.

    Da sich der Einsatz thermoelektrischer Generatoren insbesondere bei hohen Abwärmetemperaturen sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch lohnt, erwarten viele Forscher, dass diese Form des Energy Harvesting in Zukunft einen sehr wichtigen Beitrag zur effizienten Nutzung von Energie liefern wird.

     

    Lea Gigou

     

    Titelbild: „Innovation“© flick via cc_“Dan Mason“

Kommentare

2 Kommentare
  • JohannaK
    JohannaK Danke für den informativen Artikel- ich hatte davon bis jetzt noch nichts gehört. Das klingt aber nach einer vielversprechenden Technologie!
    31. Mai 2016
  • Ivonne
    Ivonne Danke für den tollen Artikel, Lea!! Abwärme nutzen ist ein riesen Themen. Auch hier geht es mal wieder darum, mehr zu lernen, in Kreisläufen zu denken und Synergien zu nutzen.
    1. Juni 2016