Wissenswertes

Strom aus Wärme

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Wie kann man direkt aus Wärme elektrischen Strom erzeugen? Nun, dies schon vorweg; ganz einfach ist es nicht - leider.

Wer kennt nicht die sog. "Peltier Elemente",  (Sprache: Französisch / gesprochen: Peltjeh) die man z.B. in kleinen 12 V betriebenen Kühltaschen, oder sehr kleinen Kühlschränken findet? Manchmal sind sie auch auf den CPUs mancher "Power Computer" aufgebracht.

Der zugehörige Oberbegriff lautet "Thermoelektrizität", und beschreibt den Zusammenhang zwischen Wärme (Thermie) und elektrischer Spannung, bzw. elekrischen Strom.

Wenn man ein Peltierelement an Gleichspannung (DC) anschliesst, so wird auf der einen Seite des Elementes Wärme, auf der anderen Seite Kälte erzeugt. Doch geht das auch andersrum? Ja, aber dieser "umgekehrte" Prozess liefert leider noch keine nennenswerten Leistungen. Insbesondere ist die Spannung sehr niedrig, so das sehr viele Peltierelemente in Reihe geschaltet werden müssten, um eine "brauchbare" Spannung, also eine angemessene Spannungshöhe zu erreichen. Konkret kann man tatsächlich mit so einem Peltierelement durch eine möglichst große Temperaturdifferenz an den beiden Seiten, Strom erzeugen.

Schon seit sehr vielen Jahren ist in Gasöfen eine sog. Thermosicherung eingebaut. Das ist die sog. Zündsicherung. Dabei handelt es sich um ein Peltierelement, welches aufgrund der heissen (Gas)Flamme eine elektrische Spannung erzeugt. Diese wird verwendet, um ein Brennstoffventil mit elektrischen Strom zu versorgen. Erlischt die Fläche, geht der Stromfluss zurück, das Ventil fällt ab. Eine Fremdenergie ist bei diesem System nicht erforderlich. Die Schutzfunktion (Gas ausströmen) ist sehr zuverlässig.

Was kaum jemand weiss; schon vor Jahrzehnten wurde z.B. in Satelliten mit Hilfe sog. Radioisotopengeneratoren (RTG = für radioisotope thermoelectric generator) zunächst aufgrund Kernzerfalls Wärme erzeugt. Diese Wärme kann zunächst direkt zum beheizen verwendet werden. Hier wurde jedoch in Folge ein Peltierelement mit Wärme (Hitze) versorgt, welches somit in Folge eine nicht unerhebliche Elektrische Energie erzeugte, die leicht im Bereich von einigen hundert Watt, bis hin zu über einem Kilowatt anzusiedeln ist. Alternativ wurde machmal mit der Wärme (Hitze) auch ein Stirlingmotor angetrieben. Wie wir alle Wissen, braucht ein Strlingmotor (aufgebaut wie ein Kolbenmotor) lediglich Wärme (Hitze) als Treibstoff. Er erzeugt daraus eine Drehbewegung, die einen elektrischen Generator antreibt. Dieser erzeugt dann den Elektrischen Strom.

Möglichkeiten, DIREKT Strom aus Wärme (Hitze) zu erzeugen, auch völlig ohne bewegliche Bauteile, gibt es also. Heute (Stand 2012) sind die Möglichkeiten jedoch leider noch begrenzt, bzw. recht teuer. Aber das war bei den PV Zellen (Photovoltaik) ja auch so. Heute sind sie so günstig, dass man damit beinahe den billigsten elektrischen Strom erzeugen kann. Und Gefahren entstehen auch nicht bei der Verwendung von PV Zellen, ebensowenig bei den Peltierelementen. Also, warum kompliziert und gefährlich, wenns auch einfach und ungefährlich geht?

Der Seebeck-Effekt, benannt nach Thomas Johann Seebeck.

Bereits um 1820 hat Herr Seeback (1770 – 1831) festgestellt, dass sich in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern, die unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, an der Kontaktstelle eine (kleine) elektrische Spannung aufbaut.

Welche Materialien werden verwendet?

Häufig wird Eisen oder Kupfer mit einer Nickel Elektrode verwendet. Es gibt aber noch weitere Materialpaarungen.

Wie entsteht die Spannung?

Durch sog. "Thermodiffusionsströme", welche wiederum entstehen, weil Teilchen (z.B. Ladungsträger / Elektronen) in Metallen unterschiedlicher Temperatur auch unterschiedlich schnell für einen Ladungsausgleich sorgen, entsteht diese Spannung. Am heißen Ende eines Leiters gibt es also mehr Elektronen mit hoher Energie, als am kalten Ende (des anderen Leiters).

Wie hoch ist die Spannung, wie hoch ist der Strom?

Leider ist die Spannung nur im Bereich von wenigen Millivolt pro Kelvin Temperaturänderung angesiedelt. Das bedeutet, dass auch sehr große Temperaturdifferenzen nur zu sehr kleinen Spannungen führen. Die Ströme sind jedoch teilweise beachtlich, und können auch bei recht kleinen Elementen schon im Bereich von mehreren Ampere liegen. Da die Spannungen so klein sind, werden sie in vielen Fällen auch nicht zur Energiegewinnung, sondern lediglich zur (genauen) Temperaturmessung eingesetzt.

Wie kann man die Spannung erhöhen?

Wie erwähnt, kann man mehrere Peltierelemente in Reihe schalten. Dann spricht man von einem Peltiergenerator, oder auch von einem Thermo-Elektrischen-Generator (TEG), oder auch kurz Thermogenerator genannt. Wenn man erstmal eine Spannung von wenigstens 2 bis 3 Volt hat (bei entsprechend großer Stromstärke) kann man auch einen DC DC Wandler nachschalten. Es gibt schon seit einigen Jahren sehr effektive DC DC Wandler, welche mit nur 1 Volt Betriebsspannung auskommen, einen Wirkungsgrad von über 90 % haben, und eine Ausgangsleistung von mehreren hundert Watt.

Von LT (Linear Technologie) gibt es seit vielen Jahren z.B. den LT 1073 integrierten Schaltkreis (IC). Er benötigt nur wenige externe Bauteile (Spule, Widerstände, Elkos, Dioden) kommt mit 1 Volt Eingangsspannung aus, kostet nur ein paar Cent, und leistet ca. 2 bis 3 Watt, bei einer Ausgangspannung von bis zu 30 Volt. Die Leistung kann mit einem nachgeschaltetem Power-MosFet Transistor leicht erhöht werden. Es gibt weitere ICs dieser Art auch von anderen Herstellern.....

....von Maxim gibt es z.B. das IC vom Typ 866, welches nur 0,8 Volt am Eingang benötigt, und ebenfalls in etwa die gleiche Leistung bereit stellen kann.

Die Weiterentwicklung.

Z.B. am Fraunhofer Institut in Freiburg - aber freilich nicht nur dort - wird seit ca. 2009 intensiv weiter geforscht. Es geht im wesentlichen darum, möglichst effizient Wärme in Strom umzuwandeln. Das wird mit dem ZT Wert festgelegt. Er hängt von einem für jede Verbindung spezifischen Seebeck-Koeffizienten S, der thermischen Leitfähigkeit k (Kappa) und dem elektrischen Leitwert o (Sigma) ab und errechnet sich nach der Formel S*S*o/k. Bisher stagnierte der ZT Wert meist bei 1. Doch vereinzelt konnte er schon bis in Bereich von über 3 katapultiert werden. Ungefähr seit 2008 ist ein Wettstreit diesbezüglich in Gange. Viele Firmen versuchen seit dem, einen günstigen und effektiven (gute Spannung, gute Leistung) Thermogenerator zu entwickeln. Ich hoffe, dass nach ca. 50 Jahren Stillstand der thermoelektrischen Entwicklung nun bald eine marktreife Lösung kommt.

Geschichte der Thermogeneratoren.

Erfindung um 1820 von Herr Seebeck. Um 1880 hat sich nach heutigen Vermuten auch Thomas Edison damit beschäftigt. Ebenfalls um 1880 baut der Franzose Clamond einen Thermogenerator, der aus mehreren tausend Elementen besteht, und bei über 100 Volt bis zu 3,5 A bereit stellen kann. Um 1890 baut der Amerikaner Thermogeneratoren für die Industrie. Die Entwicklung wurde eingestellt, weil sich der Dynamo/Stromgenerator gerade verbreitet. Um 1900 verschwinden Thermogeneratoren zunächst, weil der Wirkungsgrad zu schlecht ist. Dampfmaschinen, meist mit nachgeschalteten Siemens Dynamo, konnten mehr Strom erzeugen. Um 1940 wird in Russland von einem mir unbekannten Entwickler der TGK 3 entwickelt. Er ist so klein wie ein kleines Röhrenradio, wird mit einer kleinen Gasflasche (Flamme) betrieben, und leistet ca. 3 Watt. Damit konnte auch in abgelegenen Gegenden wenigstens etwas Strom erzeugt werden. Zur gleichen Zeit wird in Russland ein solches Gerät in abgewandelter Form als "Partisanenkantine" tausendfach hergestellt. Man hängt es über dem (offenen) Feuer, und hatte eine kleine Leistung von wenigen Watt, z.B. für Funkgeräte zur Verfügung, oder konnte kleine Akkus laden. Um 1960 kauft eine US amerikanische Firma einen alten TGK3 Generator, und versucht mittels nuklearer Wärme in Experimenten das System weiter zu entwickeln. Ca. zur gleichen Zeit kommen neue (Halb)Leiter auf dem Markt, welche den Wirkungsgrad von einst nur wenigen Prozent jetzt schon in Bereich von bis zu 7 % bringen. Ebenfalls um 1960 entwickelt MIT-Professor Paul Gray auch solche Geräte für Satelliten, beheizt von Radioisotopen (instabile Atomsorten, deren Kerne zerfallen und Wärme erzeugen). Um 1998 macht auch ein deutscher Autohersteller (BMW) große Versprechungen, die jedoch nicht eingehalten wurden. Statt einer herkömmlichen Lichtmaschine wolle man ab ca. 2010 den Bordstrom aus einem Thermogenrator gewinnen, welcher von der Motorwärme gespeist wird. Um 2009 wird von der NASA für die Marsmission ein Plutonium betriebener Thermogenerator gebaut, welcher ca. 15 Jahre lang eine Dauerleistung von über 100 Watt abgeben kann. Weitere Infos gibt es z.B. bei der Deutschen Thermoelektrischen Gesellschaft e.V. (siehe bei den "Links").

So Leute, jeder Beitrag hat mal ein Ende, und dieses Ende ist nun hier :-)