Thermoelektrischer Generator

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Thermoelektrischer Generator

Ein Thermoelektrischer Generator überführt Wärme in elektrische Energie aufgrund des thermoelektrischen Effektes wie bei Thermoelementen. Aber anders als bei diesen werden statt Metallen hier Halbleitermaterialien verwendet, ähnlich dem Peltier-Element, wodurch sich die Effizienz gegenüber metallischen Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren beträgt mit im Bestfall ca. 17 % (oft deutlich weniger) ein Bruchteil des Carnot-Wirkungsgrades. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen. Insbesondere gibt es keine beweglichen Teile und keinen sonst damit verbundenen Verschleiß.

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gebräuchliche Materialien sind Bi2Te3, Bleitellurid PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit erzielbaren Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.

Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen, Petroleum-Gasbrenner oder Holzkohlegrills[1] werden als elektrische Energiequellen für kleine Leistung in abgelegenen Gebieten verwendet, beispielsweise zum Betrieb eines Rundfunkempfängers.

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radionuklidbatterien, unter anderem für Raumsonden (z. B. wegen zu großer Entfernung von der Sonne) oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet, wenn Solarzellen nicht zur Energieerzeugung eingesetzt werden können. Radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope (zum Beispiel Plutonium-238 oder Strontium-90) liefert hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Zunehmende Bedeutung erlangen thermoelektrische Generatoren in der Kraftfahrzeugtechnik, da hierdurch bisher ungenutzte Wärme in den Abgasen zur Verfügung steht.

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipaufbau eines thermoelektrischen Generators (gleicher Aufbau wie Peltier-Element)

Die erzeugte Spannung hängt ab von der Temperaturdifferenz und dem Seebeck-Koeffizienten :

Die Größe der Dimension Zahl (engl. figure of merit) bestimmt den Wirkungsgrad . wächst quadratisch mit und linear mit der mittleren absoluten Einsatz-Temperatur. Sie ist umso größer, je größer die elektrische Leitfähigkeit und je kleiner die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist:[2]

Und für den Wirkungsgrad gilt:

mit

Im Idealfall ist unendlich und der maximale Wirkungsgrad.

Beispiel: Bei einer Einsatztemperatur von , einer Umgebungstemperatur von und einer Gütezahl beträgt der Wirkungsgrad des Carnot-Wirkungsgrads von , insgesamt also maximal . Bei steigt er auf des Carnot-Wirkungsgrades also insgesamt . Im Einsatz werden bisher Wirkungsgrade kaum größer als erreicht.

In Metallen korreliert die elektrische mit der thermischen Leitfähigkeit, da bei beiden die Beiträge durch Elektronen dominieren. Gemäß der Wiedemann-Franzschen Abschätzung liegt der Kehrwert von , die Lorenzzahl, bei . hängt nur vom Seebeck-Koeffizienten ab. Für Metalle ist er deutlich kleiner als und damit deutlich kleiner als . Bei Halbleitern lassen sich phononischer und elektronischer Anteil und damit die beiden Leitfähigkeiten entkoppeln. Hochdotierte Halbleiter und Quantentopf-Nanostrukturen erreichen im Labor ZT-Werte von bis .

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Daniel Jänsch (Hrsg.): Thermoelektrik. Eine Chance für die Automobilindustrie. expert-Verlag, Renningen 2009, ISBN 978-3-8169-2877-5 (Haus der Technik Fachbuch).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Commons: Thermocouples – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Marius Beul: Alternative Stromerzeugung (2). In: elektor. Oktober 2008, S. 8–9 (elektor.de).
  2. Holger Watter: Regenerative Energiesysteme: Grundlagen, Systemtechnik und Anwendungsbeispiele aus der Praxis. 2. Auflage. Vieweg+Teubner, 2011, Seite 283