Thermoelektrik

Der Weltklimawandel, der steigende CO²-Gehalt in der Erdatmosphäre und der Rückgang fossiler Brennstoffe sind die treibenden Kräfte für die Entwicklung neuer Technologien, welche Verbrennungssysteme effizienter machen und dadurch CO²- und Kraftstoffeinsparungen ermöglichen.

Eine Technologie, die aktuell in der Isabellenhütte entwickelt wird und diese Effizienzsteigerung verspricht, ist der Thermogenerator.

Was ist ein Thermogenerator?


Der Thermogenerator ist eine Baugruppe, mit der die direkte Umwandlung von Abwärme in elektrischen Strom ermöglicht wird. Der große Vorteil dieser Technologie gegenüber herkömmlichen Systemen ist die hohe Langlebigkeit und Wartungsfreiheit, welche daraus resultiert, dass der Thermogenerator für die Umwandlung keine beweglichen Komponenten benötigt. 

Eingesetzt wird der Thermogenerator für das sogenannte energy harvesting, bei dem ungenutzte Verlustwärme aus energiereichen Prozessen aufgefangen, in elektrischen Strom umgewandelt und damit wieder nutzbar gemacht wird.

Das System zur Energierückgewinnung lässt sich in drei Bereiche untergliedern

  • Das thermoelektrische Material
  • Das thermoelektrische Modul
  • Der Thermogenerator / Das Thermogenerator-System

 

Wie arbeiten thermoelektrische Materialien?


Die Energieumwandlung findet in der kleinsten Einheit des Thermogenerators statt - im thermoelektrischen Material.

Thermoelektrische Materialien sind Festkörper, welche unter bestimmten geometrischen und thermischen Bedingungen Wärme in Strom verwandeln. Dazu nutzen sie den im Jahr 1821 entdeckten Seebeck-Effekt, der das Verhalten elektrisch leitfähiger und thermisch widerstandsfähiger Materialien beschreibt, die einem Temperaturgefälle ausgesetzt werden.

Liegt an der einen Seite des säulenförmigen Materials eine hohe Temperatur und an der anderen eine niedrige Temperatur an, diffundieren Elektronen von der einen Seite des Materials auf die andere. Innerhalb dieses Materials entsteht durch den Diffusionsvorgang  eine elektrische Spannung. Um einen möglichst großen Spannungsoutput zu erzielen muss ein hoher thermischer Widerstand vorliegen.

Bislang wurden verschiedene Materialklassen erforscht, die diese Materialeigenschaften erfüllen. Als besonders leistungsstarke „Thermoelektrika“ haben sich dabei die Materialklassen der Halb-Heusler Legierungen (ZrHf; SbSn); Telluride (Bi2Te3; PbTe), Silicide (SiGe) und Skutterudite (CoSb3) herausgestellt.

Die Leistung eines thermoelektrischen Materials wird über wird über die sogenannte thermoelektrische Gütezahl ZT ausgedrückt und bestimmt maßgeblich den Wirkungsgrad der Technologie.

Was ist ein thermoelektrisches Modul?


Im thermoelektrischen Modul werden viele Würfel aus thermoelektrischem Material miteinander verbunden und so angeordnet, dass sie thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Über leitende Kontaktbrücken werden jeweils zwei unterschiedlich dotierte Elemente des Materials miteinander verbunden. Man spricht dabei auch von einem Schenkelpaar (Unicouple).

Im n-dotiertem Material diffundieren Elektronen von der heißen Seite zur kalten Seite und im p-dotiertem Material diffundieren Elektronen von der heißen zur kalten Seite. Wird das erste und letzte Glied der elektrischen Reihenschaltung an einen Verbraucher angeschlossen, erhält man einen elektrisch geschlossenen Stromkreis.

Um diesen Stromkreis auf der heißen als auch auf der kalten Seite des Moduls gegen elektrische Kurzschlüsse zu schützen, wird eine Isolationsschicht (beispielsweise Keramik) aufgetragen. Diese muss trotz der elektrischen Isolierung eine gute Wärmeübertragung gewährleisten.

Eine große Herausforderung bei der Herstellung von thermoelektrischen Modulen ist die enorm hohe Material-Belastung, welche durch die Temperaturdifferenz hervorgerufen wird.

Was ist ein Thermogenerator?


Zu einem Thermogenerator-System zählen alle Bestandteile, die benötigt werden, um dem Modul Wärme auf der Heißseite des Moduls zuzuführen, auf der Kaltseite abzuführen und den erzeugten elektrischen Strom nutzbar zu machen.

Dazu gehört zum einen ein Wärmetauscher, der die Wärme aus einem bestehenden System (beispielsweise die Abgaswärme eines PKW’s) aufnimmt und an die Heißseite des thermoelektrischen Moduls transportiert.

Auf der andern Seite des Moduls befindet sich ebenfalls ein Wärmetauscher, über den die Module (über die Luft oder ein flüssiges Kühlmedium) aktiv oder passiv gekühlt werden. Damit der Thermogenerator elektrisch angebunden werden kann, werden zusätzlich hochtemperaturfeste Kabel und Stecker benötigt.

Um die Module vor Oxidationen durch aggressive Gase zu schützen werden Wärmetauscher, Module und Verbindungskabel durch ein Gehäuse geschützt.

Die Stärke des Gleichstroms, der von den Modulen produziert wird, verändert sich simultan mit der Stärke der Energie der Wärmequelle. Je nach Verwendung muss dieser Gleichstrom über einen Umrichter in einen konstanten Gleichstrom oder in Wechselstrom transformiert werden.

Dadurch wird eine kundenspezifische Leistungselektronik-Einheit benötigt.

Wo wird der Thermogenerator eingesetzt?


Ein Thermogenerator kann überall dort eingesetzt werden, wo Energie in Form von Wärme ungenutzt verloren geht. Dies ist zum einen in PKWs und LKWs der Fall, da hier ca. 30% der zur Verfügung stehenden Energie, ungenutzt durch den Abgasstrang verloren geht. Der Thermogenerator wird im Abgasstrang platziert, wo er die heißen Abgase auffängt und in Strom umwandelt.

Dieser elektrische Strom kann ins Bordnetz des PKW’s wieder eingespeist werden und entlastet damit den Bordnetzgenerator. Das resultiert in einer höheren Ausnutzung des Verbrennungsprozesses, wodurch Kraftstoff- und CO² eingespart werden kann.

Die Isabellenhuette Heusler GmbH & Co. KG erprobt aktuell im Rahmen der EU-Förderprojekte „INTEGRAL“ und „thermoHEUSLER²“ die wirtschaftliche Integration eines Thermogenerators in Fahrzeugen.

Weitere denkbare Anwendungsgebiete sind Effizienzverbesserung von Kraft-Wärme-Kopplungs Anlagen oder die Abwärmeverstromung von Glüh- und Schmelzprozessen.