Aktuell / 10.02.2016

Thermoelektrik: Abwärme in Strom wandeln

Mit dem Mars-Roboter Curiosity erkundet die NASA die Marsoberfläche. Ein thermoelektrischer Generator versorgt ihn mit Energie. Q: NASA/JPL-Caltech/MalinSpaceScienceSystem

Abwärme entsteht in allen Bereichen des täglichen Lebens: in Industrie, Haushalt und Verkehr. Allein in Deutschland summiert sich das auf ein Abwärmepotenzial von 300 TWh pro Jahr. Diese Energiemenge entspricht knapp der Hälfte des gesamten Energieverbrauchs der deutschen Industrie. Sogenannte thermoelektrische Generatoren (TEG) können dieses riesige Energie-Reservoir anzapfen und die „Abfallenergie“ ohne bewegliche Teile in eine höherwertige Energieform überführen. Sie nutzen Abwärme und erzeugen bereits aus kleinen Temperaturdifferenzen elektrischen Strom.

 

Thermoelektrik kann sowohl zur Energierückgewinnung aus Abwärme als auch zur Kühlung und Temperaturregulierung genutzt werden. Die direkte Energieumwandlung kommt ohne bewegliche Teile aus und funktioniert in beide Richtungen: Thermoelektrik kann Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln oder elektrische Energie zur Kühlung nutzen.

Hauptsächlich werden Thermoelemente eingesetzt als Temperatursensoren, als sogenannte Peltier-Elemente zur Temperaturregelung sowie als Thermogeneratoren zur Abwärmerückgewinnung. Mit dem Ziel, eine breitere Anwendung der Thermoelektrik zu ermöglichen, arbeiten Forscher daran, den Systemwirkungsgrad der Energiewandlung von thermischer zu elektrischer Energie zu verbessern; dieser beträgt aktuell je nach Temperaturbereich zwischen 2 und 7%. Dies ist einerseits durch eine verbesserte Qualität der kommerziell verwendeten Materialien aber auch durch eine Minimierung der Verluste im Modul und im System zu erzielen. Viele technische Prozesse nutzen die eingesetzte Energie nur zu 30 bis 40%. Der große Rest geht meist als Abwärme verloren. Bei hohen Abwärmetemperaturen lohnt es sich wirtschaftlich und ökologisch, diese zu nutzen. Bisher werden dazu meist mechanische Anlagen wie Turbinen oder Stirling-Motoren eingesetzt. Nachteile dieser Technologien sind die beweglichen Komponenten und die damit verbundene beschränkte Lebensdauer sowie die anfallenden Wartungskosten. Thermoelektrische Wandler arbeiten dagegen vibrationsfrei und geräuschlos ohne bewegliche Teile. Sie wandeln Wärme direkt in elektrische Energie um und lassen sich in bestehende Wärmetauscher integrieren. Trotz der vielen Vorteile ist die Energierückgewinnung mit Thermogeneratoren noch weitgehend unbekannt. Dies liegt daran, dass solche Generatoren aufgrund ihres relativ geringen Wirkungsgrades bisher hauptsächlich in Nischenanwendungen eingesetzt werden.

Langlebig und wartungsfrei

Thermoelektrische Generatoren sind langlebig und funktionieren wartungsfrei. Seit mehr als fünf Jahrzehnten nutzt die Raumfahrttechnik sie zur Stromversorgung von Raumsonden. Die Voyager-Sonden funktionieren seit dem Start im Jahr 1977 fehlerfrei. Derart lange Zeiträume ununterbrochenen und wartungsfreien Betriebs sind allgemein für technische Anwendungen äußerst selten und somit eine herausstechende Eigenschaft der Thermoelektrik. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der Restwärmeverwertung niedrige Temperaturdifferenzen genutzt werden können, die für andere Arten der Umwandlung von Wärme in nutzbare Energieformen nicht in Frage kommen. Da sie sehr klein und kompakt sind, lassen sich thermoelektrische Module sehr gut in bereits bestehende Systeme integrieren. Bisher bremsten hohe Herstellungskosten und ein niedriger Gesamtwirkungsgrad die weitere Verbreitung der Technologie.

Aus der Nische in den Massenmarkt

Noch ist die Thermoelektrik eine Nischentechnik; Schätzungen und Marktanalysen gehen von einem hohen Wachstumspotenzial aus, doch die Zahlen gehen noch weit auseinander. Während eine Marktanalyse im Jahr 2003 von einem weltweiten Marktvolumen von 160 Mio. Euro mit stark steigender Tendenz ausgeht, kommt eine Schätzung im Jahr 2008 auf 500 Mio. Euro. Eine vorsichtigere Schätzung erwartet, dass 2016 annähernd 100 Mio US-Dollar erreicht werden. Experten gehen davon aus, dass sich das Marktvolumen verzehnfachen könnte, wenn es gelänge, die thermoelektrische Gütezahl kommerzieller Module zu verdoppeln. Forscher und Entwickler arbeiten daran, thermoelektrische Materialien und Generatoren effizienter und kostengünstiger zu machen. In naher Zukunft erwarten sie deutlich höhere Wirkungsgrade; im Labor wurden bereits erhebliche Steigerungen erzielt.

Wichtige Ansatzpunkte dafür sind Verbesserungen bei den thermoelektrischen Materialeigenschaften, der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie der thermischen und elektrischen Integration in das Gesamtsystem. Zukünftige Märkte im Bereich der Thermoelektrik werden sein: dezentrale Energieversorgung von Sensorsystemen, dezentrale Energierückgewinnung aus Abwärme in Automobil und Industrie, Energierückgewinnung in energieintensiven technologischen Prozessen sowie Temperaturregulierung und Klimatisierung, beispielsweise in der E-Mobilität. Thermoelektrizität gilt mittlerweile als eine mögliche Schlüsseltechnologie für Energierückgewinnung aus Abwärme.

Präzisionskühlung mit Peltier-Elementen

Peltierelement (Hersteller: Peltron) neben Centmünze. Q: Fraunhofer IFAM

Traditionell wird die Thermoelektrik neben der Temperaturmessung mittels Thermoelementen hauptsächlich zur Kühlung eingesetzt (ca. 70 – 80% Marktanteil). Peltier-Elemente arbeiten in mobilen Kühlboxen und geräuschlosen Hotelkühlschränken, im Auto klimatisieren sie Sitze und kühlen Getränkebehälter. In Elektrofahrzeugen kann die Temperierung der Batterie einen optimalen Betrieb und Ladevorgang gewährleisten.

Peltierkühler ermöglichen in der Laser-, Computer- und Medizintechnik eine sehr effektive Kühlung auf kleinstem Raum. Sie reagieren sehr schnell und erreichen eine sehr hohe Leistungsdichte. Das ermöglicht exaktes thermisches Management von Präzisionsgeräten wie Halbleiter-Lasern und Prozessen, beispielsweise zur Anwendung in der Biomedizin: Dort werden kleine Kühlflächen unter 1 mm² für das extrem schnelle Temperaturzyklieren von kleinen Proben gebraucht. So können z. B. bei der Polymerase-Kettenreaktion-Untersuchung Temperaturrampen mit Werten von 15 K pro Sekunde gefahren werden. Dies führt zu nebenproduktfreieren Reaktionsprodukten und damit zu einer genaueren Auswertung.

Wartungsfreie Versorgung von Sensoren

Besondere Bedeutung hat die Thermoelektrik für die Versorgung energieautarker Sensor- und Sendesysteme mit Leistungen im Milliwatt-Bereich. Da deren Leistungsaufnahme immer geringer wird, eignen sich Thermogeneratoren mit ihrem geringen Gewicht und schnellen Schaltzeiten immer besser zur Versorgung. Das macht Kabel oder Batterien zur Versorgung der Sensoren oder zum Senden der Daten überflüssig – die benötigte Energie kann direkt aus der Umgebungswärme gewonnen werden. Dafür reichen Temperaturunterschiede von wenigen Grad Celsius aus. Mit solchen energieautarken drahtlosen Sensoren ist es möglich, vor allem unzugängliche Stellen in Automobil und Flugzeug sowie in der Prozess- und Anlagentechnik zuverlässig zu überwachen.

Verknüpfte Projekte

  • Bei industriellen Hochtemperaturprozessen fallen prozessbedingt große Abwärmemengen an. Eine Möglichkeit, diese Abwärme zu nutzen, ist die Stromerzeugung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG). ... mehr

Service

BINE-Projektinfo 01/2016
(PDF, 24 Seiten, 2,7 MB)

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu den Projekten