Industrielle Erprobung in der Stahlindustrie / 03.02.2015

Thermoelektrische Generatoren zur Stromerzeugung

Rollgang der Stranggießanlage bei Salzgitter Flachstahl © Salzgitter Flachstahl GmbH
Prinzip eines thermoelektrischen Generators (TEG) © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Prinzip eines TEG-Moduls © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Bei Salzgitter Flachstahl soll der Demonstrator-TEG in die Haube des Rollgangs der Stranggießanlagen integriert werden. © Salzgitter Flachstahl GmbH
BFI-Laborversuchsstand zur Erprobung der TEG-Module © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
Simulationsergebnisse zur Verformung unter ungleichförmiger thermischer Belastung von einem TEG-Modul © Gentherm Europe GmbH

Bei industriellen Hochtemperaturprozessen fallen prozessbedingt große Abwärmemengen an. Für die Nutzung  der Abwärme gilt im allgemeinen folgende Reihenfolge: 

  1. Minimierung der Abwärme
  2. Rückführung der Abwärme in den Prozess
  3. Betriebsinterne Verwendung der Abwärme
  4. Umwandlung der Abwärme in andere Energieformen
  5. Externe Verwendung der Abwärme


Die Punkte 1 bis 3 sind Stand der Technik. Dennoch stehen teilweise Abwärmeströme mit Temperaturen von über 500°C zur Verfügung. Eine Möglichkeit, diese Abwärme zu nutzen, ist die Stromerzeugung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG). TEG arbeiten nach dem Seebeck-Effekt, das heißt, in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern entsteht bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung, unter anderem in Abhängigkeit von der Höhe der Temperaturdifferenz.
In einzelnen Applikationen haben sich TEG eine Marktlücke erobert, zum Beispiel bei autarken Sensoren. Die Nutzung der Technologie im industriellen Großeinsatz ist jedoch noch nicht untersucht worden.

TEG-Großmodul für industrielle Abwärmenutzung

Das Forschungsvorhaben hat das Ziel, den Einsatz von Hochtemperatur-TEG zur Verstromung von Strahlungsabwärme zu demonstrieren und daraus eine optimierte Anwendung für die Industrie abzuleiten.
Dazu wird ein kompaktes und robustes Großmodul zur dezentralen Erzeugung von Strom aus Abwärme mittels TEG entwickelt. Dieses wird von der Firma Gentherm hergestellt und im Technikum beim Betriebsforschungsinstitut sowie im industriellen Umfeld bei Salzgitter Flachstahl getestet und optimiert.
Durch den vorgesehenen Dauereinsatz am Rollgang der Stranggießanlagen bei Salzgitter Flachstahl sind weitreichende Erkenntnisse zu den betrieblichen Einsatzbedingungen zu erwarten. Die Wärmeübertragung auf das thermoelektrische System ist besonders wichtig, um die größtmögliche Effizienz der TEG zu gewährleisten. Darüber hinaus werden durch den Langzeiteinsatz die Einflüsse von Einbauort, Kühlung und Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel staubigen Atmosphären, erfasst, bewertet und gegebenenfalls minimiert.

Thermische Optimierung der Module im Labor

Zurzeit werden die TEG Module am Laborversuchsstand (Bild 3) untersucht, um den Wärmübergang und die Temperaturwechselbeständigkeit der Module zu optimieren. Diese Arbeiten werden durch CFD (Computational Fluid Dynamics) -Simulationen unterstützt (Bild 4). Die mechanische Einfassung der TEG-Module muss thermische Dehnungen erlauben. In der Simulation wurden dabei sowohl symmetrische wie auch asymmetrische Wärmeeinträge berücksichtigt. Es zeigt sich, dass auch bei stark asymmetrischem Wärmeeintrag nur eine axiale Dehnung zu erwarten ist, die im Wesentlichen nur von der Temperatur des Kühlmitteldurchflusses abhängt.
Das BFI wird im weiteren Projektverlauf in einer Versuchsanlage das Betriebsverhalten der Module unter industrienahen Bedingungen weiter untersuchen. Danach soll der Langzeiteinsatz bei Salzgitter Flachstahl die Betriebstauglichkeit demonstrieren.
Es wird erwartet, dass mit dem Verfahren 4 bis 6 Prozent der anfallenden Abwärmeenergie in Strom umgewandelt werden können.

Mehr zum Projekt

Industrielle Erprobung von thermoelektrischen Generatoren zur Stromerzeugung aus Abwärme INTEGA

Projektbeteiligte:
VDEh- Betriebsforschungsinstitut
Gentherm Europe
Salzgitter Flachstahl

Förderkennzeichen:
03ET1164

Laufzeit:
2013 – 2017

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.