TEG zur Optimierung von Heiz- und Kältesystemen

von Raffael Zwicky, a.k.a Christioph Blogger

(Begriffserläuterung: Wärme als Energieform wird im folgenden Text im thermodynamischen Sinn verstandnen – die Sichtweise ist also makroskopisch. Die Unterscheidung in kinetische und thermische Energie vernachlässigt die Teilchenphysik.)

Einleitung

Thermoelektrische Generatoren (kurz TEG) erzeugen Strom aus einem Themperaturpotential. Das bemerkenswerte dabei ist, das die TEG's nicht den Umweg über die mechanische Energie benötigen, sondern diese Umwandlung „direkt“ vollziehen. Atom-, Kohle- und Gaskraftwerke funktionieren ebenso durch Wärmeumwandlung. Nur wird hier durch die Wärmeenergie eine Dampfturbine betrieben (kinetische Energie), welche in elektrischen Strom umgesetzt wird. Aufwindkraftwerke erzeugen durch ein Themperaturpotential kinetische Energie (vertikaler Luftstrom), der durch die Turbine in Strom umgesetzt wird. Die Stromgewinnung aus einem Themperaturpotenzial ist im Gebäude von Interesse, da als „Abfallprodukt“ von hochwertiger Energie immer Wärmeenergie zurückbleibt. In der Winterzeit ein angenehmer Nebeneffekt, kann der Wärmestau im Sommer zu einem Problem werden. Hier sind auch die Chancen der TEG-Technologie zu suchen.

Funktionsweise

Der physikalische Effekt, dessen sich die TEG's bedienen, heisst Seebeck-Effekt und wurde von Jean Peltier um 1834 entdeckt. Grundsätzlich findet dieser in jedem Material statt. Er beschreibt die Wechselwirkung von Stromfluss und Temperatur eines Werkstücks. Wird ein Material von Wärme durchströhmt entsteht ein elektrisches Potential. Wird ein Material unter Strom gesetzt, entsteht ein Temperaturpotential. Dieser Effekt funktioniert also in beide Richtungen. Im Normalfall ist dieser verschwindend klein. Für einen guten Wirkungsgrad bei der Umwandlung muss die thermische Leitfähigkeit klein sein, die elektrische gross – beide Grössen sind aber eng miteinander verkoppelt. Daher war seit 50 Jahren der Wirkungsgrad beim ZT-Wert 1 (equivalent zu Carnot-Wikungsgrades von ca. 17%) stagniert. Bis an hin wurde der Seebeck-Effekt durch die Reihenschaltung zweier verschiedener Metalle erzielt (siehe Schema). Einsatz fand die Technologie lediglich für „Thermoelectric Cooler“ (also Kühleinheiten, kurz TEC) in Elektrogeräten wie z.B. zur Kühlung von CPU's, in der Messtechnik und für Digitalkameras der Astrofotografie. Hier ist nicht der Wirkungsgrad entscheidend sondern die Bauteilgrösse, Lebensdauer und Zuverlässigkeit. In diesen Bereichen sind die TEG's den anderen Technologien weit voraus.

Höhere Effizienz Dank neuer Technik

Der Abteilung für thermoelektrische Systeme des Frauenhofer-Institut gelang es aber vor kurzem ein TEG herzustellen, das einen ZT-Wert von 3,5 (Labor-Wert) erreicht. Dieser riesen Schritt in der Effizienz verdankt man der Nanotechnologie. Selbst bei einem effektiven ZT-Wert von 1,5 gehen Spezialisten davon aus, dass eine wirtschaftliche Nutzung rentabel wird (z.B. Autoindustrie). Dazu kommt, das diese Technologie an ihren Anfängen steht. Man darf also für die Zukunft noch weitere Verbesserungen erwarten. Dabei gibt es zwei Ansätze. Zum einen können durch aufeinander gelegte, nanometerdünne Lagen aus thermoelektisch unterschiedlich aktiven Materialien effiziente TEG's erzeugt werden. Die dadurch entstandenen Grenzflächen zwischen den Materialübergängen behindern den Wärmefluss, nicht aber den Strom. Durch die tausendfachen Materialwechsel mit minimaler Bauteildicke, wird der TEG so effizient Die zweite Strategie ist, dass anstatt Schichten gebilden werden, ein gemisch aus reiner Thermoelektrika verpresst wird. Das Material geht keine gemeinsame Kristallbildung ein, sondern ist eine gepresstes Gefüge von Nanokristallen. Es entsteht so zwar ein homogener "Block", der Wärmefluss erfährt aber von Nanokristall zu Nanokristall einen deutlich höheren Widerstand als der Stromfluss. Der Effekt, der bei der ersten Variante durch den Materialwechsel erzeugt wird, entsteht hier im Material, von Nanokristall zu Nanokristall.

Anwendung in der Gebäudetechnik

Der Anwendungsbereich ist auf Grund der jungen technischen Entwicklung erst sehr wage ein zu schätzen. Dennoch habe ich mich für dieses Thema entschieden, weil die TEG's ein Mittel darstellen, wie ein niedrige Energieart wie Wärme einfach zu einer hochwertigen Energieform wie Strom umgewandelt werden kann. Man kann sagen, dass die TEG's ein Teil im Energiekreislauf sind. Mit ihnen kommt man dem Perpetuum Mobile um einen Hauch näher. Was allerdings nicht heisst, das die TEG's all unsere Energieprobleme lösen. Folgend möchte ich kurz ausführen, was die Vor- und Nachteile im Vergleich zu einem Stirlingmotor sind, und wo mögliche Einsatzgebiete der TEG's liegen. Der Sterlingmotor soll als Referenz dienen, weil er als Thermisches-“Kraftwerk“ in der gleichen Grössenordnung, also in der Gebäudetechnik, eingesetzt werden kann. Beide Systeme sind unabhängig von der Wärmequelle und funktionieren so lange, dass ein Themperaturpotenzial vorhanden ist. Als Vorteile des Stirlingmotors ist zu nennen, dass er im Gegensatz zu den alten TEG's auch bei kleinen Temperaturpotenzialen effizient Arbeitet (sofern Konstruktion darauf abgestimmt). Leider habe ich keine Informationen über die benötigte Temperaturdifferenz für die neue Generation der TEG's gefunden. Es ist aber an zu nehmen, dass mit Hilfe der Nanotechnik der effiziente Temperaturbereich auch genauer designt werden kann, als dass mit den grobschlächtigen TEG's bis anhin der Fall war. Der Stirlingmotor wurde 1816 erfunden und fand vielseitigen Einsatz (z.B. Als BHKW) – oft aber ohne den grossen Durchbruch zu schaffen. Auf vielen Ebenen wurde am Stirlingmotor geforscht, was uns diverse Bauformen und einen Carnot-Wirkungsgrad von 50% hinterlassen hat. Die Herstellung ist auch bedeutend weniger aufwendig als jene der TEG's mit Nanotechnologie. Klarer Vorteil der TEG's aber ist, dass sie keine mechanischen Teile besitzen, die sich abnützen, Wartung benötigen und Reibungsverluste mit sich ziehen. Das Potenzial in den TEG's stufe ich als sehr gross ein, da kein Umweg über die kinetische Energie benötigt wird. Jede Umformung hat einen begrenzen Wikungsgrad und erreicht nie 100%. Umformungsschritte weg zu lassen macht aus diesem Grund Sinn. Nur schon aus diesem Grund ist zu erwarten, dass die TEG's in den nächsten Jahren den Stirlingmotor übertreffen werden. Durch die beliebige Grösse von TEG's können diese auch als Ergänzung auf bekannte und bewährte Systeme appliziert werden. Somit nähern wir uns dem Einsatzgebiet von TEG's zur Optimierung von Heiz- und Kältesystemen.

Zum Beispiel ist es gut vorstellbar, dass durch den Erhöhten Wirkungsgrad der Einsatz zur Wärme-“Vernichtung“ in einer Kühlanlage interessant wird. Das bedingt lediglich eines geschlossen Kühlsystems mit Primär- und Sekundärkreislauf. Wo heute die sommerliche Wärme einfach verpufft wird, könnte mit praktisch dem selben System Strom gewonnen werden. Der Mehraufwand sollte sich dabei in Grenzen halten. Ob das ein Gangbarer Weg ist, hängt von den Produktionspreisen der TEG's, sowie den benötigten Temperaturdifferenzen ab. Wenn aber ohnehin eine WRG-Anlage vorhanden ist, könnte diese die Temperatur auf ein geeigneteres Niveau heben.

Ein änlicher Fall stellt die Sonnenkollektor dar – ein bestehendes System, respektive eine bestehende Infrastruktur, könnte zusätzlich genutzt werden. Die Wärmeenergie im Sommer würde so effizienter verwertet werden. Die Energie, die nicht für die Warmwasseraufbereitung benötigt wird, kann durch TEG's in Strom umgewandelt werden. Der Vorteil hier ist ein systembedingt hoher Temperaturunterscheid (z.B. Kollektor zu Erdreich ca. 80°C).

Ein sehr spannende Kombination ist jene mit einem BHKW, im Speziellen einer Sunmachine (Stirlingmotor). Die Sunmachine wird mit Pellet gefeuert, produziert 20 – 25% Strom und 65 – 70% Wärmeenergie. An sich schon eine wirklich tolle Sache. Die Sunmachine ist als BHKW konzipiert und muss den Spitzenbedarf an Heizleistung decken. Das heisst, dass sie oft nicht auf voller Leistung läuft, auch nicht im Winter. Das wäre anders, wenn das Verhältnis von thermischer und elektrischer Energie-Ausbeute moduliert werden könnte. Diese Funktion könnten die TEG's übernehmen. Die Abwärme würde anstatt in den Heizkreislauf abgegeben durch TEG's zu Strom umgewandelt. Allenfalls kann eine Wärmepumpe die Effizient der TEG's zum Einen (höhere Temperatur auf der warmen Seite), des Stirlingmotors zum Andern (bessere Kühlung der kalten Seite, demnach grösseres thermisches Potential) verbessern. Der Bedarf an kinetischer Energie der Wärmepumpe könnte einfach durch den Stirlingmotor gedecken werden (die Umwandlung von kinetischer Energie in Strom und zurück in kinetische Energie kann man sich getrost ersparen).

Wenn der Wirkungsgrad der TEG's jene des Sterlingmotors übertifft wird seine Existenzberechtigung allgemein in Frage gestellt. Vielleicht trifft das nicht ein, oder die Kombination der beiden Systeme ist noch effizienter. Die TEG's könnte man so aber auch verwenden um Strom aus dem Brennpunkt eines Parabolspiegels zu ziehen (heute ein klassisches Einsatzgebiet von Stirlingmotoren).

Reflexion zum Lernprozess

Mir war von Anfang an klar, dass ein Blogg über dieses Thema schwierig ist, da es sich um eine Zukunftstechnologie handelt. Den TEG's wird eine grosse Zukunft vorausgesagt – ob sie eintrifft, weiss aber niemand. Die Einsatzgebiete sind enorm vielseitig - wo die TEG's Fuss fassen und wo nicht, wird sich zeigen. Die oben aufgeführten Einsatzgebieten sind Spekulationen, die ich auf Grund meiner Recherchen und Quellen gewagt habe. Im Themenbereich von Heizung/Lüftung/Klima/Kälte hat es mich insofern weiter gebracht, als dass ich mich intensiv mit der Sunmachine und somit dem Stirlingmotor auseinander gesetzt habe. Das Stöbern durch die Internetforen zum Thema TEG hat auch gezeigt, dass dieser neue Umgang mit der Energie, im speziellen der Wärmeenergie als „Abfallprodukt“, auch unter Fachkundigen für reichlich Verwirrung sorgt. Das aus Wärme wieder nutzbare Energie werden kann und dabei nicht die Gesetze der Entaphie gebrochen werden, erschliesst sich scheinbar noch nicht allen. Mit effizienten TEG's wird also ein Umdenken möglich und nötig sein. Mit diesem Blog konnte ich für mich einen Schritt in diese Richtung tun.

Quellen

- www.heise.de/newsticker/Strom-aus-Auto-Abwaerme--/meldung/102565/from/rss09

- www.heise.de/newsticker/foren/S-Strom-aus-Auto-Abwaerme/forum-131100/list/e-14317756/hs-0/

- Technology Review

- http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor

- http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrischer_Generator

- http://de.wikipedia.org/wiki/Peltierelement

- http://de.wikipedia.org/wiki/Seebeck-Effekt

- www.sunmachine.com