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Thermoelektrischer Generator

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Akronym: TEG, TE-Generator

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

Englisch: thermoelectric generator

Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 04.11.2014; letzte Änderung: 28.09.2015

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 alle anderen Arten von 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

Eine stromerzeugende Heizungsanlage wäre mit einem TE-Generator realisierbar – wobei dies die wohl robusteste Lösung wäre.

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.

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

Könnten thermoelektrische Geräte zukünftig die Photovoltaik ersetzen?

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.

Parabolantennen mit TE-Generatoren könnten die Sonnenenergie eventuell effizienter nutzen.

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

Könnten TE-Generatoren in Autos die Effizienz des Antriebssystems erhöhen?

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

Auch eine Radionuklidbatterie enthält einen TE-Generator.

In der Raumfahrt dient als Stromquelle manchmal eine Radionuklidbatterie, in der Wärme durch den radioaktiven Zerfall von relativ kurzlebigen radioaktiven Isotopen 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

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wärmekraftmaschine, Carnot-Wirkungsgrad, Radionuklidbatterie, Peltier-Element
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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