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thermoelektrischer Generator

Akronym: TEG

Definition: ein Gerät, welches mithilfe des thermoelektrischen Effekts elektrische Energie aus Wärme erzeugen kann

Alternativer Begriff: TE-Generator

Englisch: thermoelectric generator

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 04.11.2014; letzte Änderung: 27.08.2023

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Ein thermoelektrischer Generator (auch TE-Generator) ist ein Gerät, welches elektrische Energie aus Wärme gewinnen kann. Anders als übliche Wärmekraftmaschinen enthält es keinerlei bewegliche Teile. Es basiert auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) in Halbleitern. Hierbei müssen zwei unterschiedlich dotierte (n-dotierte bzw. p-dotierte) Versionen eines Halbleitermaterials (z. B. Bismuttellurit, Bismutantimonit, Bleitellurit oder Eisendisilizid) mit möglichst hohem Seebeck-Koeffizienten verwendet werden (siehe Abbildung 1).

thermoelektrischer Generator
Abbildung 1: Aufbau eines thermoelektrische Generators. Kernstück sind die "Schenkel" aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien, die in der Zeichnung rot bzw. grün gekennzeichnet und über metallische elektrische Kontakte miteinander verbunden sind. Wenn sich die Temperatur der oberen und unteren Seiten erheblich unterscheidet, entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Stromanschlüssen links und rechts. Dabei findet ein Wärmefluss von der heißen zur kalten Seite statt, der von der genannten Temperaturdifferenz angetrieben wird.

Die mit einem TE-Generator erzielte elektrische Spannung hängt von der genutzten Temperaturdifferenz, der Auswahl der thermoelektrischen Materialien (TE-Materialien) und der Anzahl der Elemente (bei Reihenschaltung) ab. Sie kann beispielsweise bei einigen Volt liegen. Um die maximale elektrische Leistung entnehmen zu können, wird die elektrische Stromstärke so hoch gewählt, dass die erzeugte Spannung deutlich, aber nicht dramatisch reduziert wird. In diesem Sinne werden TE-Generatoren ähnlich wie Solarzellen betrieben. In Analogie zur Photovoltaik spricht man hier von der Thermovoltaik.

Der thermoelektrische Effekt wird sonst auch in Thermoelementen verwendet und in Thermosäulen, die jeweils viele Thermoelemente enthalten. Diese dienen der Messung von Temperaturen bzw. Temperaturunterschieden. Hier wird das gleiche physikalische Prinzip ausgenutzt, jedoch in der Regel nicht mit Halbleitern, sondern mit Metallen. Die erzeugten elektrischen Leistungen sind sehr klein, aber ausreichend für Messungen.

Die gleiche Art von Anordnung kann auch als Peltier-Element arbeiten, also quasi in umgekehrter Richtung: Mithilfe elektrischer Energie wird Wärme von der kalten auf die warme Seite "gepumpt". Es liegt also eine Art von Wärmepumpe ohne bewegliche Teile vor.

Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren

Der Wirkungsgrad eines TE-Generators ist prinzipiell begrenzt auf den Carnot-Wirkungsgrad, der auch für Wärmekraftmaschinen gilt. Jedoch werden in der Praxis nur Wirkungsgrade erreicht, die massiv unterhalb des Carnot-Wirkungsgrads liegen, nämlich bei nur einigen Prozent auch bei hohen Temperaturdifferenzen. Dies liegt hauptsächlich daran, dass in den Halbleitermaterialien eine unerwünschte Wärmeleitung stattfindet, die nicht zur Stromerzeugung beiträgt. Idealerweise würde in den Halbleitern gar keine Wärmeleitung stattfinden, und ein Wärmestrom käme nur dadurch zustande, dass die den Strom tragenden elektrischen Ladungsträger Wärme transportieren. Man sucht also nach Materialien, die eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit, gleichzeitig aber eine möglichst hohe elektrische Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Hier zeigen Halbleiter einen wesentlich besseren Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften als beispielsweise Metalle, sind aber trotzdem bei Weitem nicht ideal.

Weitere Forschung könnte durchaus thermoelektrische Materialien (Thermoelektrika) mit verbesserten Eigenschaften finden, die wesentlich höhere Wirkungsgrade als bisher erlauben würden – womöglich über 15 % bei Verwendung von Hochtemperaturwärme. Gleichzeitig müssen allerdings diverse andere Aspekte beachtet werden, beispielsweise die Temperaturfestigkeit, die chemische Stabilität, die Giftigkeit, der Preis der verwendeten Materialien, etc. Deswegen sind solche Entwicklungen relativ schwierig und langwierig. Im Erfolgsfall könnten sie allerdings zu einer Vielzahl neuer Anwendungen führen.

Anwendungen thermoelektrischer Generatoren

Transportable Stromerzeuger

Es gibt kompakte TE-Generatoren, die als transportable Stromerzeuger dienen können. Sie nutzen beispielsweise Wärme aus der Verbrennung eines Brennstoffs wie Flüssiggas, und die Abwärme wird durch Wärmestrahlung oder Luftkonvektion (evtl. verstärkt mithilfe eines Ventilators und Kühlrippen) abgeführt. Zwar ist der Wirkungsgrad (wenige Prozent) deutlich tiefer, als er bei der Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem elektrischen Generator sein könnte. Jedoch bietet das Prinzip des thermoelektrischen Generators mehrere Vorteile:

  • Das Gerät arbeitet weitgehend geräusch- und vibrationslos.
  • Verschleiß tritt praktisch nicht auf, Wartung ist kaum nötig, und die Zuverlässigkeit ist hoch.
  • Die kontinuierliche Verbrennung mit einem Brenner kann wesentlich schadstoffärmer erfolgen als diejenige in einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung. Somit erübrigen sich zusätzliche Einrichtungen zur Reinigung der Abgase.
  • Die Konstruktion kann kostengünstiger sein, vor allem bei kleinen Leistungen.
  • Das Prinzip funktioniert auch bei recht kleinen elektrischen Leistungen, bei denen ein Verbrennungsmotor schwer realisierbar oder zumindest ebenfalls sehr wenig effizient wäre. Eine Skalierung zu hohen Leistungen ist aber ebenfalls möglich.

Kleine Stromerzeuger an Gaspipelines

Thermoelektrische Generatoren werden z. B. in abgelegenen Regionen von Russland und Kanada entlang von Erdgas-Pipelines eingesetzt, um relativ geringe elektrische Leistungen für Kommunikations- und Überwachungsaufgaben zur Verfügung zu stellen, soweit ein Anschluss an ein Stromnetz nicht praktikabel ist. Der robuste, wartungsarme Aufbau eines solchen Geräts ist hier wichtiger als seine Energieeffizienz.

Stromerzeugung in Heizungsanlagen und Geothermieanlagen

Zukünftige Heizungsanlagen (beispielsweise Gasheizungen) könnten mit TE-Generatoren ausgerüstet werden, um wenigstens einen kleinen Teil der erzeugten Energie in Form elektrischer Energie zu gewinnen. Zwar wäre der damit mögliche elektrische Wirkungsgrad weitaus tiefer als der bei der Kraft-Wärme-Kopplung mithilfe von Motoren, jedoch könnte immerhin eine gewisse Stromerzeugung erfolgen mit einem robusten, verschleißfreien Gerät, welches bei Anwendung von Massenfertigung womöglich recht kostengünstig sein könnte. Es wurde bereits ein Holzofen vorgestellt, der nebst 10 bis 20 kW Heizleistung ca. 250 W elektrisch liefert.

Auch in Verbindung mit der tiefen Geothermie könnten thermoelektrische Generatoren genutzt werden, beispielsweise wenn die geothermische Wärmequelle eine Temperatur liefert, die einerseits zu niedrig ist für die effiziente Stromerzeugung mit Dampfturbinen, Kalina-Kreisprozess o. ä., andererseits aber höher als nötig für die Wärmenutzung. Auch wenn der Generator nur wenige Prozent der Energie als elektrische Energie gewinnen würde, würde dies eine nennenswerte Aufwertung der Gesamtenergieerzeugung bedeuten.

Alternative oder Ergänzung zur Photovoltaik

Im Prinzip wäre es auch denkbar, Sonnenenergie mithilfe von thermoelektrischen Generatoren zu nutzen. Hier würde die Sonnenstrahlung z. B. mithilfe von Parabolspiegeln auf Absorber konzentriert, die dann recht hohe Temperaturen erreichen. Zwischen einem Absorber und einer Kühleinrichtung läge jeweils ein TE-Generator. Auch flache thermoelektrische Energiewandler ohne Konzentration der Strahlung sind möglich [1]. Allerdings wurden auf diese Weise noch lange nicht zu hohe Wirkungsgrade erzielt, wie sie bei der Photovoltaik mittlerweile Standard sind.

Ein anderer technischer Ansatz wäre, die Wärme zunächst auf ein flüssiges Wärmeüberträgermedium (beispielsweise ein Öl) zu übertragen und dieses dann einem thermoelektrischen Generator zuzuführen. Der Vorteil wäre, dass die Wärme dabei auch leicht zwischengespeichert werden könnte. Damit würde gegenüber der Photovoltaik der große Vorteil erreicht, dass die Stromproduktion zeitlich nicht zwangsläufig der Sonneneinstrahlung folgt, sondern beispielsweise auch in die Nachtzeiten verschoben werden kann – ähnlich wie bei solarthermischen Kraftwerken. Allerdings würde dies erst dann konkurrenzfähig mit der Nutzung von Dampfturbinen in den bisher üblichen solarthermischen Kraftwerken, wenn TE-Generatoren mit wesentlich höheren Wirkungsgraden entwickelt sind, und auch dann eher im niedrigen Leistungsbereich.

Auch Parabolrinnenkollektoren, wie sie in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt werden, könnten zusätzlich mit TE-Generatoren zwischen Absorber und Wärmeübertrager ausgerüstet werden, um einen Teil der gewonnenen Wärme gleich dort in elektrische Energie umzuwandeln. Dies ist von Interesse, weil die Temperatur des Wärmeüberträgermediums häufig durch dessen Temperaturbelastbarkeit begrenzt ist, während ein Absorber durchaus bei noch höheren Temperaturen arbeiten könnte. Allerdings würden erhöhte Temperaturen des Absorbers dessen Wirkungsgrad vermindern.

Es wurden auch schon gasbefeuerte thermoelektrische Systeme als Ergänzung für Photovoltaikanlagen diskutiert. Hier ist allerdings der niedrige Wirkungsgrad gegenüber dem Einsatz von Gasmotoren oder Gasturbinen ein großer Nachteil.

Der Ansatz mit thermoelektrischem Generator darf nicht verwechselt werden mit der Thermophotovoltaik, die auf der Kombination eines thermischen Emitters (zur Erzeugung von Wärmestrahlung) mit einer speziellen Solarzelle basiert.

Nutzung von Abwärme

Eine andere, bisher noch wenig verbreitete Anwendung ist die Nutzung von Abwärme, wenn diese ein ausreichend hohes Temperaturniveau aufweist. Beispielsweise treten im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren relativ hohe Temperaturen (weit über der Umgebungstemperatur) auf. Einige Hersteller entwickeln derzeit thermoelektrische Generatoren, mit denen die sonst nicht nutzbare Abwärme wenigstens teilweise zur Herstellung elektrischer Energie genutzt werden könnte. Dieser scheint besonders interessant bei stationären Motoren mit langen Laufzeiten, käme aber evtl. auch für Fahrzeuge infrage. Hier könnten sich zumindest bei schneller Autobahnfahrt einige 100 Watt erzeugen lassen, und der Kraftstoffverbrauch ließe sich um einige Prozent senken, weil die Lichtmaschine entsprechend entlastet würde.

Auch diverse industrielle Abwärmequellen kämen für diese Nutzung infrage, nicht jedoch das Abgas von Heizkesseln, obwohl dies gelegentlich behauptet wird. Bei einem Heizkessel ist es nämlich günstiger, die Verbrennungsgase im Kessel sehr stark abzukühlen, sodass kaum mehr Abgasverluste entstehen. Wenn ein thermoelektrischer Generator mit einem Heizkessel kombiniert wird, dann auf der "heißen Seite", also zwischen Flamme und Heizflächen. Man nutzt dann nicht etwa Abwärme, sondern wandelt einen kleinen Teil der erzeugten Wärme in elektrische Energie um, der dann nicht mehr als Heizwärme zur Verfügung steht.

Stromversorgung von Satelliten

In der Raumfahrt dient als Stromquelle manchmal eine Radionuklidbatterie, in der Wärme durch den radioaktiven Zerfall von relativ kurzlebigen radioaktiven Nukliden wie Plutonium 238 entsteht. Die Abfuhr der Abwärme erfolgt in Form von Wärmestrahlung.

Mit solch einem Generator kann beispielsweise ein Satellit, der sonnenferne Planeten erkundet, über lange Zeit mit elektrischer Energie versorgt werden, auch wo Photovoltaik wegen der geringen Beleuchtungsstärke weitab von der Sonne nicht infrage käme. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür waren die beiden Voyager-Sonden, die auf ihrer langen Reise für mehrere Jahrzehnte mit Strom versorgt werden mussten. Auch bei Spionagesatelliten wird diese Technik oft verwendet, da diese relativ tief fliegen müssen und der Luftwiderstand großer Solarmodule dort zu groß wäre.

Literatur

[1]D. Kraemer et al., "High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration", Nature Materials 2011, doi:10.1038/nmat3013

Siehe auch: Wärmekraftmaschine, Carnot-Wirkungsgrad, Radionuklidbatterie, Peltier-Element

Fragen und Kommentare von Lesern

29.05.2017

Ich suche nach einer Möglichkeit, die erzeugte Energie der Solarthermieanlage, nach dem die Puffer durchgeladen sind, anderweitig zu nutzen. Ich habe zusätzlich eine PV-Anlage und bin mit den Wechselrichtern vertraut.

Antwort vom Autor:

Das wird mit einem thermoelektrische Generator leider nicht funktionieren. Ein solcher bräuchte viel größere Temperaturunterschiede, um einen nennenswerten elektrischen Wirkungsgrad zu erreichen. Generell sind so geringe Temperaturunterschiede für die Stromerzeugung nicht geeignet. Selbst eine ideale Maschine, die den Carnot-Wirkungsgrad erreichen würde, würde damit kaum Strom erzeugen.

15.12.2018

Ich frage mich, ob der Einsatz in Hybridfahrzeugen sinnvoll wäre. Bei langen Autobahnfahrten mit Nutzung des Verbrennungsmotors könnten so vielleicht ein paar elektrische Kilometer für das Fahren am städtischen Zielort gewonnen werden. Autoabgase sind ja bis zu 500 Grad heiß. Oder ist der Wirkungsgrad auch hierfür zu gering?

Antwort vom Autor:

Selbst eine normale Autobatterie könnte einiges an Leistung aufnehmen, und ohnehin kann der laufende Verbrauch im Fahrzeug gedeckt werden. Ich meine also, dass diese Technik für Nicht-Hybrid-Antriebe ähnlich interessant wäre.

23.07.2019

Ich würde gerne meine Holzhackschnitzelheizung mit einem Thermogenerator im kW-Bereich aufrüsten zu einem bezahlbaren Preis. Der Wirkungsgrad ist zweitrangig. In meinem sterbenden Wald gibt es Holz genug.

Holzvergasung ist mir zu teuer und aufwändig.

Antwort vom Autor:

Zunächst einmal ist es sehr traurig, dass Ihr Wald in einem so schlechten Zustand ist. Liegt das vielleicht an der Trockenheit aufgrund der Klimaveränderung?

Ich fürchte, dass Sie keine solche Anlage kaufen können. Übrigens fände ich den Wirkungsgrad auch dann nicht zweitrangig, wenn es genug Holz gibt, daher immer die Frage ist, wie viel man aus den gegebenen Ressourcen herausholen kann.

Die wohl sinnvollste Lösung wäre die energetische Verwertung in einer größeren Anlage (mit guter Abgasreinigung und möglichst auch Kraft-Wärme-Kopplung), soweit eine stoffliche Nutzung nicht möglich ist.

20.09.2019

Könnte ich damit eine hinterlüftete Fassade von innen verkleiden, welche wärmeleitend ist (z. B. Feinsteinzeug), und damit Strom produzieren?

Antwort vom Autor:

Nein, das macht keinen Sinn. Keinesfalls möchte man derart hohe Energieverluste durch eine Wand, dass ein thermoelektrischer Generator damit arbeiten könnte. Wenn man beispielsweise die so verlorene Wärme mit einer Elektrowärmepumpe wieder aussetzen wollte, bräuchte man dafür ein Vielfaches der elektrischen Energiemengen, die der thermoelektrische Generator erzeugen kann.

21.05.2020

Ein Hersteller bietet einen Thermogenerator mit 200 W Leistung an, um auf Yachten die Verbraucherbatterien (12 V) zu laden. Die thermische Differenz soll durch Verbrennung von Diesel und Kühlung mit Meerwasser erzeugt werden, wobei der Dieselverbrauch bei 0,6 l/h liegen soll. Funktionszeichnungen und Detailangaben sind jedoch nicht erhältlich.

Ist ein solches System effizienter, verglichen mit der Stromerzeugung mit Dieselmotor und Alternator bei der Annahme, dass der Motor pro Stunde ca 3,5 l Diesel konsumiert und einen Alternator mit 65 W Leistung antreibt? Kann eine elektrische Leistung von 200 W mit 0,6 l Diesel pro Stunde und Meerwasserkühlung (ca 20°C) - überschlagsmässig gerechnet – erreicht werden, oder liegen diesen Angaben sehr optimistische Annahmen zugrunde?

Antwort vom Autor:

Die Verbrennung von 0,6 l Diesel pro Stunde bringt eine thermische Leistung von ca. 6 kW. Es ist durchaus plausibel, dass der Generator damit 200 W elektrisch leisten kann. Das entspräche also einem Wirkungsgrad von gerade mal 200 / 6000 = 3,3 %, einschließlich der Abgasverluste u. ä.

Der genannte Dieselmotor wäre natürlich extrem ineffizient, wenn er mit 3,5 l/h (entsprechend rund 35 kW) ganze 65 W elektrisch abgeben könnte. Das ist offenbar ein größerer Antriebsmotor, der im Leerlauf betrieben würde, nur um etwas Strom zu erzeugen.

Vielleicht könnte man eine Lösung mit einer Brennstoffzelle finden, die z. B. mit Ethanol betrieben werden kann. Das wäre sicherlich weitaus effizienter.

14.06.2020

Sie schreiben dass die TEG aus Wärme elektrische Energie erzeugen können –- allerdings mit recht begrenzten Wirkungsgraden. - In einem TEG-WP-System kann der thermische Gesamtwirkungsgrad aber über 80 % liegen, wenn die TEG die Wärmeenergie komplett zu 100 % aufnehmen und umsetzen, die ihnen von einem Wärmepumpensystem (WP) zur Verfügung gestellt wird. Dabei entsteht keine "verlorene" Überschussenergie, die den Wirkungsgrad negativ beeinflussen würde.

Antwort vom Autor:

Das stimmt zwar im Prinzip: Wenn Sie die vom TEG nicht umgesetzte Wärme mit einer Wärmepumpe quasi" recyceln", können Sie im Prinzip alle Wärme in Strom umsetzen. Das hilft aber nichts, da Sie ja gleichzeitig Strom (oder eine andere Form von Exergie) für die Wärmepumpe benötigen.

28.09.2020

Ein Problem der Solarzellen ist deren Erwärmung, welche die erzeugte Leistung reduziert. Könnte man diese Solarzellen-Abwärme auf der Rückseite der Zellen nicht mit einer Schicht aus Peltier-Elementen nutzbar machen und gleichzeitig mehr Energie aus den kühleren Solarzellen gewinnen?

Antwort vom Autor:

Diese Idee scheitert leider daran, dass es nicht möglich ist, eine ausreichend starke Temperaturdifferenz für die Peltier-Elemente zu erzielen, und zwar aus zwei Gründen:

  • Man müsste die Rückseite sehr kalt halten können – aber genau dann wäre ja die Kühlung der Solarzellen ohnehin kein Problem.
  • Die verfügbare Leistungsdichte der Wärme ist deutlich zu gering für eine effektive Funktion der Peltier-Elemente. Damit lässt sich wegen der Wärmeleitung in den Elementen gar kein ausreichender Temperaturgradient erzielen.

15.01.2021

Da ich noch eine ältere Gasheizung habe, würde ich mir gern einige Peltierelemente zusammenschalten und diese über einen Wechselrichter in den Hausstrom speisen lassen, ähnlich wie Stecker-PV-Anlagen. Mir ist durchaus bewusst, dass der Wirkungsgrad nicht sehr hoch ist, aber ich bin der Meinung, dass es ansonsten ja verschwendete Energie ist. Was halten sie von dieser Idee?

Antwort vom Autor:

Damit werden Sie sicherlich so wenig Energie ernten können, dass sich der Aufwand (allein schon die graue Energie für die benötigte Technik) nicht lohnen wird.

01.05.2021

Ich lebe in Ägypten und habe für den Pool eine Solaranlage zum Heizen. Da wir im Sommer die Heizung nicht benötigen, wollte ich wissen, ob ich diese Energie anders nutzen kann, etwa mit einem thermoelektrischen Generator. Die Kollektoren werden 140 °C heiß.

Antwort vom Autor:

Es ist leider oft schwierig, die im Sommer anfallende große Menge von Wärme zu nutzen, wenn die Anlage für den Bedarf in kälteren Monaten dimensioniert ist. Im Prinzip könnte etwas Strom gewonnen werden mithilfe thermoelektrischer Generatoren, jedoch wird dies vermutlich nicht sehr praktikabel sein. Es dürfte nämlich schwierig sein, solche Generatoren per Sonnenenergie mit einer solchen Temperatur zu versorgen und gleichzeitig auf der anderen Seite effektiv zu kühlen – und das mit einem vertretbaren Kostenaufwand im Vergleich zu der moderaten Stromausbeute. Zusätzliche Photovoltaik dürfte hier die günstigere Lösung sein, selbst wenn thermische Kollektoren ohnehin schon da sind.

16.06.2021

Ich sehe eine Situation, wo eine Menge Wärmeenergie (bei ca. 200°C) an einer Edelstahl-Blechwand (ca. 3 m2) in die Umgebung abgegeben wird. Gibt es eine Möglichkeit, mit Peltier-Elementen damit Strom zu generieren?

Antwort vom Autor:

Im Prinzip ja; man bräuchte dafür erstens eine entsprechend große Lage von Peltier-Elementen und zweitens einen effizienten Kühler auf der anderen Seite, etwa mit Kühlrippen und Ventilator – abhängig von der zur Verfügung stehenden Wärmeleistung.

17.10.2021

Unser Inselstromnetz besteht aus PV-Modulen, diversen Wechselrichtern und einer Batterie, die im Sommer genug Strom speichert um ein Elektroauto über Nacht aufzutanken. Im Winter liefern die PV-Module aber sehr wenig Strom. Ist es realistisch, mit TEG-Elementen am Kaminofen im Winter soviel Strom zu erzeugen, wie die Sonne im Sommer liefert?

Antwort vom Autor:

Das ist wohl annähernd unmöglich. Mir ist nicht bekannt, dass jemand so aus einem Kachelofen eine ordentliche elektrische Leistung bezogen hätte. Die TEG-Module müssten wohl auf der Innenseite angebracht werden, und zwar mit gutem Wärmekontakt.

20.04.2023

Wäre es möglich, mit einem TEG die Temperaturunterschiede von Raumtemperatur zur Außentemperatur im Winter zu nutzen? Hier könnte die Differenz ja zwischen 20 und 30 Grad liegen. Bsp. 20° innen und −10° Außentemperatur.

Laut so mancher Tabelle der TEG's könnte je nach Menge und Kombination der TEG's 10-20 W gewonnen werden. Diese Energie wäre ja nicht unerheblich...

Antwort vom Autor:

Doch, sie wäre unerheblich im Vergleich zum viel größeren Wärmeverlust. Sie würden viel Heizwärme mit sehr schlechtem Wirkungsgrad in sehr wenig elektrische Energie umwandeln.

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