ThermalForce.de
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About ThermalForce.de
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Wie sinnvoll ist der Einsatz von Thermogeneratoren
Thermogeneratoren gleichen in ihrem Aufbau Peltie
relementen. Während diese jedoch dem Herstellen
einer Temperaturdifferenz dienen, wandeln Thermogeneratoren dank des Seebeck-Effekts eine
vorhandene Temperaturdifferenz direkt in elektrische Energie um.
Nach der Entdeckung des Seebeck-Effekts 1822 fand dessen praktische Nutzung
wegen des geringen Wirkungsgrades viele Jahrzehnte nur wenig Beachtung. Lediglich in der
Raumfahrt, zur Versorgung von Satelliten und zu militärischen Zwecken, etwa der Versorgung
entlegener Stationen, fanden Thermogeneratoren, oder thermoelectric generators, kurz TEG genannt,
eine exklusive Anwendung.
Erst durch den Einsatz von Halbleiterlegierungen konnte in den 50er Jahren ihr Wirkungsgrad
erheblich verbessert werden.
Schon 1958 beschrieb A. F. Joffe, ein Pionier in der Forschung und Anwendung thermoelektischer
Effekte, ihre Einsatzmöglichkeit zur Umwandlung z.B. von Lampenabwärme in Elektrizität, und
bereits Anfang der 50 Jahre hat man im russischen Kernreaktor Romoschka Strom im Kilowattbereich
aus Thermogeneratoren gewonnen.
Bislang scheiterte die breite Anwendung der TEGs jedoch an deren hohen Herstellungskosten, die
wiederum aufgrund der kleinen Stückzahlen entstehen. Wer aber hätte vor 20 Jahren geglaubt, dass
Solarzellen derart kostengünstig und für eine so breite Anwendung produziert werden können?
In Raumfahrtmissionen haben TEGs ihre Langlebigkeit und hohe Zuverlässigkeit in mehr als 30
Jahren störungs- und wartungsfreiem Betrieb unter Beweis gestellt. Alle sonnenfernen Raumsonden,
wie Pioneer 10 und 11, Voyager I und II, Galileo, Ulysses, Cassini, und New Horizons wurden mit
Thermogeneratoren, den sogenannten RTGs (Radioisotope Thermoelectric Generators) bestückt, die
ihre benötigte Betriebswärme aus Radioisotopen beziehen. Jedoch zu Recht sind solche Anwendungen,
wie auch der Einsatz von RTGs in den Herzschrittmachern der ersten Generation, heute sehr
umstritten.
Indes ist kaum eine technische Anwendung zur Energiegewinnung bekannt, die über einen so langen
Zeitraum ununterbrochenen Betriebs störungssfrei funktioniert. Die lange Lebensdauer und der
wartungsfreie Betrieb sind deshalb starke Argumente für die Stromerzeugung mit Thermogeneratoren.
Nur sollte bei terrestrischen Anwendungen die Wärmezufuhr auf ökologisch sinnvolle Weise erfolgen,
denn Abfallwärme steht in urbanen Gebieten oft hinreichend zur Verfügung, und auch Sonnenwärme
kann z. B. mit Vakuum-Röhrenkollektoren, die heute einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % erreichen,
sehr effizient geerntet werden. Diese liefern auch im Winter noch Temperaturen von etwa 50 °C -
ausreichend für die Warmseite eines TEG, wenn eine Wärmesenke, z. B. in Form eines kalten
Gewässers zur Verfügung steht.
Aus dem zunehmenden Interesse an erneuerbaren Energien erwuchsen deshalb auch den
Thermogeneratoren in den letzten Jahren neue und vielfältige Anwendungsgebiete.
Ein amerikanisches Konzept der Firma Amerigon (BSST) favorisiert bereits die Ersetzung der
Lichtmaschine in KFZ durch Thermogeneratoren.
Infineon hat einen neuen Silizium-basierten Thermogenerator-Chip entwickelt, der eine elektrische
Ausgangsleistung von einigen Mikrowatt/cm2 erreicht. Untersuchungen von Infineon haben gezeigt,
dass unter moderaten Umgebungsbedingungen Temperaturunterschiede von mindestes 5°C zwischen
der Kleidung und der Hautoberfläche genügen, um eine Spannung von 5V/cm2 bereitzustellen,
ausreichend für den Betrieb von medizinischen Sensoren oder Mikroelektronik-Chips. Auch eine
Anwendung in modernen Hörgeräten ist denkbar. Durch die von Infineon entwickelte
Dünnschichttechnologie könnten auf den vorhandenen Waver-Produktionsanlagen unter Verwendung
polykristallinen Siliziums als thermoelektrischem Material die Herstellungskosten der TEGs erheblich
reduziert werden, dies steigerte die Wirtschaftlichkeit praktischer Anwendungen enorm, ähnlich wie
vor 25 Jahren bei den Solarzellen.
Die isländische Firma Varmaraf ehf entwickelt thermoelektrische Anwendungen für den Bereich
geothermischer Energie mit einer höheren Effizienz als etwa Solargeneratoren, da eine konstant zur
Verfügung stehende Wärmequelle genutzt werden kann. Die kanadische Firma Global Thermoelectric
Inc. installierte in Indien zur Überwachung einer 1.200 Kilometer langen Flüssiggaspipeline 69
wartungsfreie Thermogeneratoren-Einheiten mit der Leistung von bis zu je einem Kilowatt, deren
Zweck es ist, die Stationen entlang der Pipeline mit Elektrizität zu versorgen. Besonders in China und
Japan wird zur Zeit sehr viel Geld in die Forschung an thermoelektrischen Wandlern investiert.
Interssant auch das Philips woodstove Projekt, das Haushalten in entlegenen indischen Dörfern
erstmals erstmals eine Elektrizitätsversorgung verschafft.
Durch die fortschreitende Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften der verwendeten
Halbleitermaterialien und durch den sinkenden Energiebedarf der Mikroelektronik eröffnen sich
zunehmend auch neue Einsatzmöglichkeiten gerade im kleinen und mittleren Leistungsbereich wie für
mobile elektronische Anwendungen, ebenso zur Eigenversorgung von Mikro-Sensoren („self-powered
sensors“) oder zur netzautarken Versorgung in sogenannten Inselanlagen, zur Versorgung netzferner
Telekommunikations-Stationen, aber auch in Hybridsystemen mit photovoltaischen Generatoren sowie
zur Erzeugung von zusätzlicher elektrischer Leistung in Booten, Wohnwagen oder in Kraftfahrzeugen.
Selbst Leistungsmodule bis in den Kilowatt-Bereich sind möglich. Insbesondere kommt dabei die
Rückgewinnung von Energie aus Abfallwärme in Betracht.
Prinzipiell sind Thermogeneratoren in jeder technischen Anlage einsetzbar, in der Wärmeströme von
einem Reservoir hoher Temperatur zu einem Reservoir niedriger Temperatur fließen, so in der
Schwerindustrie und Chemie, in Heizungs- und Kraftwerksanlagen, bei der Müllverbrennung u. ä.. Für
hohe Wirkungsgrade sind zwar möglichst große Temperaturdifferenzen von mindestens 100 K
erforderlich, aber wenn Abfallwärme in ausreichender Menge auch bei niederer Temperatur, etwa bei
50 °C über der Umgebungstemperatur, ohnehin zur Verfügung steht, kann es auch sinnvoll sein, diese
mit zwar schlechterem Wirkungsgrad, aber mit einer größeren Zahl preiswerterer Module ebenso