Thermoelement

Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen - zumeist verschweißten Metallen. Thermoelemente dienen meist der Temperaturmessung.
Beim ebenfalls nach diesem Prinzip arbeitenden „thermoelektrischen Generator“ sind es meist zwei unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien. Siehe dazu auch Peltierelement.

Thermoelement (schematische Darstellung)

Schaltsymbol des Thermo­elements (die dicke Linie stellt den negativen Pol dar)

wird entlang(warum entlang?) der Leiter Spannung erzeugt. Wenn ich solche Formulierungen lese, wird mir schlecht.

Funktionsweise

An den freien Enden der beiden miteinander verbundenen Leiter wird bei einer Temperaturdifferenz entlang der Leiter aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Die Verbindungsstelle und die freien Enden müssen somit dazu unterschiedliche Temperaturen aufweisen.

Als Seebeck-Effekt wird das Auftreten einer Spannung zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Leiters bezeichnet. Die Potentialdifferenz ist annähernd proportional zur Temperaturdifferenz und abhängig vom Leitermaterial. Temperaturdifferenzen innerhalb eines Leiters heben sich stets auf, da die Enden zum Messen auf gleicher Temperatur liegen müssen (sonst misst man zusätzlich die in der Messleitung entstehende Thermospannung). Wenn man zwei unterschiedliche Leitermaterialien verbindet, hat man ein Thermoelement. An den Enden kann allerdings noch keine Spannung gemessen werden. Es muss noch ein Draht mit einem anderen k-Wert in Reihe geschaltet werden. In kompakten Messsystemen ist meist einfach ein zweites Thermoelement in Reihe geschaltet. Das stellt die Vergleichsstellenmessung dar. Diese Vergleichsstellenmessung befindet sich normalerweise im Messgerät. An den äußeren Anschlüssen kann jetzt eine Spannung gemessen werden. Das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und zu messender Temperatur ist nichtlinear. Aus Tabellen lassen sich jetzt zugehörige Temperaturen ablesen. Für genaue Messungen werden Funktionen bis zu 15. Ordnung benötigt. Bei metallischen Leitern treten Spannungen im Bereich einiger Mikrovolt bis Millivolt auf. Diese Spannung ist allerdings eine Spannungsdifferenz zwischen dem Thermoelement, welches die eigentliche Temperatur messen soll, und dem Thermoelement der Vergleichsstellenmessung.

Da die Proportionalitätskonstante eines einzelnen Leiters nicht gemessen werden kann, wird ein relativ zu Platin ermittelter thermoelektrischer Koeffizient angegeben. Dieser so genannte k-Wert gestattet es, die Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes zu errechnen. Die nach ihm sortierten Metalle bilden die thermoelektrische Spannungsreihe (vgl. DIN EN 60584), analog zur (relativ zur Wasserstoffelektrode ermittelten) elektrochemischen Spannungsreihe.

Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit beziehungsweise geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.

Spitze eines geschweißten Thermoelementes vom Typ J

Thermoelement vom Typ K mit einem Stecker

Weit verbreitete Thermoelementpaarungen:

• Nickel-Chrom/Nickel −270 bis 1372 °C (Typ K; häufigster Typ mit Thermospannungen zwischen −6458 µV bei −270 °C und 54886 µV bei 1372 °C)
• Eisen-Kupfer/Nickel −50 bis 760 °C (Typ J; genauer für Industrieanwendungen mit Thermospannungen zwischen −8095 µV bei −210 °C und 42919 µV bei 760 °C)
• Platin-Rhodium/Platin 0 bis 1600 °C (Typ S; für hohe Temperaturen)

Für die Messung hoher Temperaturen (T > 1600 °C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium- und Wolfram-5%-Rhenium/Wolfram-25-%-Rhenium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < −250 °C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.

Die geringe Messspannung erfordert oft den Einsatz eines Chopper-Verstärkers.

Identifizierung

Die Farben der Anschlussdrähte geben Auskunft darüber, welche beiden Metalle in einem Thermoelement verbaut wurden. Daraus kann die Temperaturdifferenz-Spannungskurve gefolgert werden.

ZT-Wert

Der ZT-Wert stellt eine Güteklassen-Einteilung der verwendeten thermoelektrischen Materialien dar. Herkömmliche Materialien haben bei dieser Temperatur einen ZT-Wert von etwa 1. Neuartige, in der Entwicklung befindliche Materialien erreichen im Labor ZT-Werte bis etwa 2,5.

$ZT={\sigma \cdot S^{2} \over \kappa }\cdot T$

- $\sigma$ Elektrische Leitfähigkeit, - $S$ Seebeck-Koeffizient (siehe Seebeck-Effekt), - $\kappa$ Thermische Leitfähigkeit, - $T$ Temperatur in Kelvin;

Anwendungen

Temperaturmessung

Absolute Temperaturmessung

Da mit Hilfe von Thermoelementen nur eine Temperaturdifferenz ermittelt werden kann, sind zur Messung der absoluten Temperatur weitere Maßnahmen notwendig. Hierzu muss die absolute Temperatur an den Drahtenden (Übergabepunkt) ermittelt und zum Differenz-Messergebnis addiert werden. Im einfachsten Fall werden die Leitungen des Elementes aus dem heißen Bereich heraus in einen Bereich mit Raumtemperatur geführt und deren angenommener Durchschnitt zum Differenz-Messergebnis addiert. Man muss dabei berücksichtigen, dass die metallischen Leiter des Thermoelementes selbst, die Wärme aus dem heißen Bereich zum Übergabepunkt transportieren. Reicht wegen dieses Umstandes oder wegen Schwankung der Raumtemperatur diese Genauigkeit nicht aus, so muss die absolute Temperatur an den Drahtenden - für höchste Genauigkeit an jedem der beiden Enden getrennt - zusätzlich ermittelt werden. In der Vielzahl der Fälle reicht es aus, die Enden zwecks nahezu gleicher Temperatur nahe beieinander zu belassen (gemeinsamer Übergabepunkt) und nur dort die Absoluttemperatur zu ermitteln. Dies geschieht häufig durch Halbleiter-Temperatursensoren, die selbst nicht in der Lage sind, in den hohen Temperaturbereichen eines Thermoelementes zu arbeiten, bei Raumtemperatur hingegen schon. Letzten Endes reicht es bei dieser Methode aus, die Leitungen der Elemente aus dem heißen Bereich heraus bis zu einem Bereich zu führen, in dem der jeweilige Halbleiter funktionstüchtig ist (bis etwa 140 Grad Celsius).

Wegen der Schwierigkeiten, die Temperatur am Übergabepunkt exakt dem Sensor zu übergeben, wurde das Thermoelement in vielen Fällen von Widerstandsthermometern, wie dem Pt100 oder noch besseren und neueren Pt1000 verdrängt. Diese haben aber den Nachteil der größeren körperlichen Masse, nehmen damit die Umgebungstemperatur langsamer an und können daher nicht so schnell folgen.

mathematische Beschreibung

Mit diesem Datenerfassungsgerät können bis zu 60 Thermoelemente parallel gemessen werden

Ein offener Einschub für das Datenerfassungsgerät mit 20 angeschlossenen Thermoelementen.

Im folgenden Beispiel wird die Spannung $U_{th}$ angegeben, die an einem so genannten Typ-K-Thermoelement bei der Temperatur $T_{Mess}$ anliegt:

$U_{th}=(k_{NiCr}-k_{Ni})\cdot \Delta T$

mit

$\!\,\Delta T=T_{Mess}-T_{Vergleichstemperatur}$

Ein Thermoelement vom Typ K besteht aus einem Übergang zwischen einer Nickel-Chrom-Legierung und Nickel, wobei $k_{NiCr}$ und $k_{Ni}$ die thermoelektrischen Koeffizienten der Metalle Nickelchrom und Nickel darstellen. Durch Umstellen der Gleichung nach $T_{Mess}$ kann die gesuchte Temperatur aus der am Thermoelement gemessenen Spannung errechnet werden.

Die Thermospannung wird meist durch einen geeigneten Verstärker aufbereitet, um sie messtechnisch erfassen zu können. Anhand der Differenz zur Vergleichsstellentemperatur (z. B. Eiswasser für 0 °C oder ein 50-°C-Vergleichsstellenthermostat) kann mit Hilfe der obigen Gleichung des Thermoelements dann die Temperatur an der Messstelle besser als ein Zehntel Kelvin genau bestimmt werden.

Anmerkung zur Vergleichsstellentemperatur

Zur genauen Berechnung der Temperatur muss beachtet werden, dass die Spannungsdifferenz zur Temperatur nichtlinear verläuft. Die obigen Gleichungen gehen zur Näherung von Proportionalität aus. Für eine genaue Bestimmung darf allerdings nicht die Temperatur, sondern es muss die zugehörige Thermospannung der Vergleichsstellenmessung subtrahiert werden.

Ein Thermoelement besteht notwendigerweise aus zwei Metallübergängen (Mess- und Vergleichsstelle), deren thermoelektrische Spannungen entgegengesetzt sind - sie liefern somit immer relative Werte zur sogenannten Vergleichsstellentemperatur. Liegt die Temperatur der Messstelle darüber, so liefert es positive Spannungswerte, liegt sie darunter, ist die Spannung negativ. Ist die Messstellen-Temperatur gleich der Vergleichsstellen-Temperatur, ist die Summe der Thermospannungen null.

Die Vergleichsstelle ist die Anschluss-Stelle der unterschiedlichen Metalldrähte des Thermoelementes an eine Leitung (z. B. Kupferkabel) - häufig identisch mit dem Eingang des Messgeräts. Mittels sogenannter Ausgleichsleitungen (aus identischem Thermomaterial oder auch als preiswertere Metall-Leitungen, die in begrenztem Temperaturbereich die gleichen thermoelektrischen Koeffizienten wie die jeweiligen Thermoelement-Drähte besitzen) kann die Vergleichsstelle an einen entfernteren Ort verlegt werden.

Während man früher diese Vergleichsstellen in einem Bad mit Eiswasser, einer elektrisch gekühlten Eispunktreferenz (Referenztemperatur 0 °C) oder auch in einem Thermostat (Referenztemperatur meist 50 °C) unterbrachte, wird heute üblicherweise der Anschluss des Messgeräts als Vergleichsstelle verwendet und die (veränderliche) Temperatur dieses Anschlusses gemessen. Dafür werden zum Beispiel Thermistoren oder Widerstandsthermometer verwendet und die gemessene Thermospannung numerisch korrigiert. Alternativ dazu werden in einfachen Geräten auch integrierte Schaltkreise verwendet, die nicht nur als Verstärker für die gemessene Spannung dienen, sondern auch direkt die Vergleichsstellentemperatur kompensieren - vorausgesetzt, sie haben die gleiche Temperatur wie die Anschluss-/Vergleichsstelle. Dieses Verfahren wird häufig in digitalen Vielfachmessgeräten (DVM) angewandt, die zur Temperaturmessung mit Thermoelementen ausgerüstet sind.

Alterung von Thermoelementen

Thermoelemente werden oft bei hohen Temperaturen und in reaktiven Ofenatmosphären eingesetzt. Hier wird die Lebensdauer in der Praxis durch Alterung begrenzt. Die thermoelektrischen Koeffizienten der Drähte im Bereich hoher Temperatur verändern sich mit der Zeit und die Thermospannung sinkt ab. Hier ist wichtig, dass die einfache Betrachtung der Temperaturdifferenzen zwischen den Verbindungsstellen nur gilt, wenn die Drähte ansonsten homogen sind. Bei einem gealterten Thermoelement ist aber gerade das nicht der Fall. Maßgeblich für das Entstehen der Thermospannung sind die Eigenschaften der Metalle im Bereich des Temperaturgradienten. Wird daher ein fest eingebautes gealtertes Thermoelement etwas aus dem Ofen herausgezogen, kommt das bei hoher Temperatur im Innern des Ofens gealterte Metall in den gesamten Bereich des Temperaturgradienten und der Messfehler steigt erheblich an. Umgekehrt zeigt ein gealtertes Thermoelement, wenn es tiefer in den Ofen geschoben wird, wieder genau an.

Strahlungsmessung

Die Hintereinanderschaltung mehrerer Thermoelemente ergibt eine Thermosäule (engl.: thermopile). Die thermoelektrische Spannung summiert sich entsprechend der Anzahl der Thermoelemente. Thermosäulen werden in empfindlichen Infrarotdetektoren und Laser-Leistungsmessern verwendet. Dabei wird die Temperaturdifferenz entlang eines Wärmeleiters (Scheibe, Kegel) gemessen, indem die Verbindungsstellen der Thermoelemente jeweils abwechselnd näher oder weiter entfernt von der Absorptionsfläche angebracht werden. Bei empfindlichen Aufbauten bilden die Thermoelemente selbst den Wärmeleiter.

Energiewandlung

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

Die direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit einem „thermoelektrischen Generator“ möglich (Thermovoltaik). Statt Metallen werden hier Halbleitermaterialien verwendet (siehe Peltier-Element), wodurch sich die Effizienz gegenüber Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Heute verfügbare thermoelektrische Elemente haben dennoch nur einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen.

Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist nur ein Bruchteil (ca. 17 %) des Carnot-Wirkungsgrades.

Gebräuchliche Materialien sind Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi₂ mit realen Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Werkstoffe mit besseren thermoelektrischen Eigenschaften sind gegenwärtig nicht bekannt.

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 werden als Stromquellen in abgelegenen Gebieten verwendet (z. B. zum Betrieb eines Rundfunkempfängers).

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radioisotopengeneratoren (Isotopenbatterien), unter anderem für Raumsonden oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet: radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope erzeugt hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Autofirmen testen derzeit den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren um aus der Restwärme der Abgase elektrischen Strom für die Systeme von Pkw zu gewinnen. Sie könnten sogar die Lichtmaschine ersetzen und so nicht unerheblich Kraftstoff einsparen.

Thermosicherung mit Thermoelement, Leitung mit Kontakt und Magnetschalter

Feuerungsanlagen

In Gasherden und Gas-Durchlauferhitzern dienen Thermoelemente dazu, die brennende Flamme zu überwachen. Das durch die Flamme erwärmte Thermoelement liefert den für das elektromagnetische Offenhalten eines Brennstoffventils notwendigen elektrischen Strom. Verlischt die Flamme, erkaltet das Thermoelement, das Elektromagnetventil schließt, die weitere Brennstoffzufuhr wird unterbrochen. Die Methode hat den Vorteil, dass sie keine Hilfsenergie benötigt. Nachteil dieses Systems ist, dass es sehr träge reagiert und damit eine gewisse Gasmenge ausströmen kann.

In Heizungsanlagen wurde die Thermosicherung wegen ihrer Trägheit durch Zündsicherungen ersetzt, die die Ionisierung der Flamme beziehungsweise deren Leitfähigkeit überwachen. Sie reagieren schneller, benötigen jedoch eine Hilfsenergiequelle.

Rechts im Bild ist eine Thermosicherung abgebildet mit handelsüblichen Bauteilen, wie sie in einem Gasherd oder einer Gasheizung verwendet werden. Das Thermoelement liefert bei Erhitzung etwa 40 mV Spannung und einen Strom von ca. 10 mA mit dem der Magnetschalter (Elektromagnet), der zuvor manuell durch Eindrücken eines Knopfes geschlossen wurde, gehalten werden kann. Beim Abkühlen fällt der Magnetschalter innerhalb 30 Sekunden wieder ab, was man als ein Klicken hören kann.

Amortisationszeiten bzw. -energien und Wirtschaftlichkeit

Anwendung

Studien oder Untersuchungen zu Vergleichen von Amortisationszeiten bzw. -energien hinsichtlich der Integration von Thermoelektrischen Generatoren (TEG) existieren noch in sehr geringen Mengen. Jedoch werden besonders im Kfz-Bereich viele Vergleiche von Amortisation und Wirtschaftlichkeit angestrebt. Die Kfz-Industrie muss aufgrund neuer EU-Richtlinien zu CO2-Emission Einsparungen und Energieeffizienztechnologien vermehrt auf die Anwendung Thermoelektrischer Generatoren zurückgreifen. Folglich liegt ihr Interesse an Untersuchungen zu Amortisation, Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Wirkungsgradverbesserungen thermoelektrischer Module bzw. TEGs.

Anwendungsgebiete von Thermoelektrika

Integration eines TEG in das Abgas-Nachbehandlungssystem

Konzepte zur wirtschaftlichen Integration von TEG im Kfz

Die Entwicklung der Gesamtumgebung zur wirtschaftlichen Integration eines thermoelektrischen Generators ist auch bei einem Industrialisierungskonzept von entscheidender Bedeutung. Die Mehrkosten müssen den Nutzen für verschiedene Konzepte gegenübergestellt werden. Im Saldo aus Produktionsaufwand und Kraftstoffverbrauchsreduktion erhofft man sich so große Einsparungen. Verschiedene Integrationskonzepte wurden entwickelt, bei denen aber gewisse Bedingungen einen Rahmen bilden, den sie nicht überschreiten dürfen. Dazu zählen unter anderem, dass der thermoelektrische Generator (TEG) nicht der wichtigste Energiewandler ist. Genauso muss beachtet werden, dass durch die Integration keine Verschlechterung der Funktion des Antriebs bzw. des gesamten Fahrzeuges entstehen darf. Unter diesen Grundbedingungen wurde ein Konzept für einen thermoelektrischen Generator entwickelt, welcher nahezu passiv und zugleich in einem hohen thermischen Arbeitsbereichen T >= 550°C arbeiten kann. Denn diese Eigenschaft ermöglicht ein einfaches Kühlsystem, „Direct air-cooling“. Dieses Kühlsystem ist wesentlich effektiver als andere Kühlsysteme, beispielsweise den Flüssigkühlsystemen. Weiter wird durch „ Direct air-cooling“ Energie eingespart, die sonst zum Kühlen aufzubringen wäre. Es ermöglicht zudem ein relativ einfaches Design, was erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt und die TEGs werden weniger groß und sperrig. Somit kann die Masse der Bauteile und der damit verbundene Kraftstoffmehrverbrauch möglichst gering gehalten werden. Bei allen Ideen der Integration wurde aber auch stark darauf geachtet, Herstellungstechniken zu bevorzugen, die niedrige Kosten mit sich bringen und eine Serienproduktion mit limitierten Kosten ermöglichen. Dazu werden oft zeitraubende Herstellungstechniken beseitigt und die Komponentenanzahl der TEGs minimiert.

Kostenschätzung verschiedener TE-Module und TEG

Um Annahmen, Schätzungen oder Untersuchungen über Kosten, vor allem Herstellungskosten, der thermoelektrischen Module (TEM) bzw. thermoelektrischen Generatoren (TEG) zu machen, ist es erforderlich die Preise der chemischen Elemente (Bestandteile der TE-Module), Herstellungskosten und thermoelektrische Eigenschaften in Betracht zu ziehen.

TE Modul	Tmax (°C)	p-leg	n-leg	η  %	Relative Preis in % bezogen auf Typ A Bsp.: Bauteilhöhe = 5
A	300	Bi2Te3	Bi2Te3	4,1	100
B	500	TAGS	PBTe	10,9	156
C	≥600	TAGS	Bay(Co,Ni)4Sb12	11,8	143
D1	≥600	Cey(Fe,Co)4Sb12	Bay(Co,Ni)4Sb12	10,9	73
D2	≥600	p-Skutterudite	n-Skutterudite	11,2	73
E	≥600	Mg2(Si,Sb)	Mg2(Si,Sn)	≈11	71

(Tabelle 1: Geschätzte relative Preise und berechnete Wirkungsgrade für verschiedene TE Module)

Die Modulpreise verschiedener Modultypen werden verglichen. Als Referenz wird der Modulpreis von Typ A (Bi₂Te₃), einem der gängigsten Modultypen, verwendet. Es werden jeweils relative Bezüge zum Typ A erstellt. (Tabelle 1) Es zeigt sich, das TE Module mit Skutterudite basierten thermoelektrischen Materialien deutlich kostengünstiger sind als die gebräuchlichen Typen A, B und C. Die hohen Preise der Typen kommen durch die Bestandteile Te (Tellur) 87 €/kg und Ge (Germanium) 800€/kg. Bei Modul C wurde der Modulpreis von Typ B gesenkt und die thermoelektrische Performance (Leistung) gesteigert, indem man die maximale Betriebstemperatur von 500°C auf 600°C erhöhte. PbTe n-legs wurden durch Skutterudite basierte Materialien ersetzt. Die Kosten für seltene Erden beinträchtigen nicht bedeutend den Preis der Module, da der Massenanteil der Elemente in Skutteruditen zu gering ist.

Relative Kostenverteilung der Subkomponenten des TEG beim Pkw

Relative Kostenverteilung der Subkomponenten des TEG beim Pkw

Aufgrund der relativ höheren Kosten für die thermoelektrischen Materialien, ist der Kostenanteil der TE-Elemente oder Module höher im Falle von großen Massenproduktionen für PKW Anwendungen. Beim Pkw repräsentieren die TE-Materialkosten bis zu 75% der Gesamtkosten. Im Falle eines geringeren Jahresproduktionsvolumen wie z.B. für Nutzfahrzeuge (Lkw), ist die Bedeutung der TE-Material Kosten geringer, aber dennoch hoch mit ca. 50%. Der Kostenanteil der thermoelektrischen Materialien ist somit der wichtigste Parameter für eine Minimierung der Kosten bei der Massenproduktion von Thermoelektrischen Generatoren.

Amortisation verschiedener TEM bzw. TEG

Bei der Amortisationsuntersuchung im Kfz-Bereich werden TEM und TEGs häufig durch die Amortisations-Distanz charakterisiert. Dieser Vergleichswert bezeichnet die Strecke (in 1000 km) die ein Fahrzeug bei normierten Kraftstoffpreis zurücklegen muss, um den Preis der TEGs mit produzierter elektrischer Energie zu decken. Beispielsweise werden verschiedene TEG-Typen (Tabelle3), mit verschiedenen Wirkungsgraden bei unterschiedlichen Kraftstoffpreisen verglichen. Dabei wird ein gemittelter Motorwirkungsgrad von 20% angenommen. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass rund 30 % der chemischen Kraftstoffenergie im Abgasstrom verloren geht. So können Tendenzen und die Wirtschaftlichkeit einzelner TEG-Systeme verdeutlicht werden.

Berechnete Amortisations-Distanzen für unterschiedliche TEGs

TEG Typ	Module	Wirkungsgrad ηTEG(%)	AD (x1000 km)für Benzinpreis: 1,5 €/l	AD (x1000 km)für Benzinpreis: 2 €/l
TEG 1	A	2,1	299	224
TEG 2	B	6,5	216	162
TEG 3	C	6,6	252	189
TEG 4	D1	5,9	96	72
TEG 5	D2	6,4	89	66
TEG 6	E	~6,5	84	63
TEG 7	ABC	~10-11	84	63
TEG 8	ABD	~10-11	78	58

Bei TEG 1 bis 6 handelt es sich um monolithische TE-Module und bei TEG 7 und 8 um kaskadierte Module. Kaskadierte Module sind eine technische Weiterentwicklung der TE-Module basierend aus Skutterrudite Diese kaskadierten Module zeigen bei diesem Vergleich die besten Werte und haben zugleich hohe Wirkungsgrade in niedrigen sowie auch in hohen Temperaturarbeitsbereichen. Die hohen Temperaturarbeitsbereiche ermöglichen das einfache Design (Luftgekühlte TEG Einheiten), was wiederum zur Reduzierung der Produktionskosten führt. Der hohe Wirkungsgrad und die niedrigen Herstellungskosten dieser Skutterrudite-TEG können dafür sorgen, dass die Fahrzeiten für eine Investitionsrendite bei intensiv genutzten Fahrzeugen weniger als 2 Jahre beträgt.

Vergleich der KEA-Amortisation der TEGs und anderer Techniken für Verbrauchsminderungen im Kfz

Der kumulierte Energieaufwand (KEA) ist neben den lebenszyklusbezogenen CO2-Emissionen eine Schlüsselgröße für Nachhaltigkeit einer Technologie. Versucht wird der KEA für verschiedene TEGs abzuschätzen, um so einen Vergleich mit KEA-Amortisationen anderer Techniken für Verbrauchsminderungen im Kfz zu ermöglichen.

Spezifikation der TEGs

Spezifikation	TEG0	TEG01	TEG02	TEG03	TEG04
TEG-Wirkungsgrad	5%	5%	10%	10%	10%
Fläche [kg/kW]	0,3	0,3	0,15	0,15	0,15
TEG-Zusammensetzung [kg/kW]
TE-Material	5	5	2,5	0,25	0,05
Aluminium	30	20	10	10	10
Stahl	32	16	8	8	8
Edelstahl	8	4	2	2	2
Summe	75	45	22,5	20,25	20,05
TE-Materialien und -Modulfertigung
TE-Material: KEA [MJ/kg]	160	160	320	500	250
TE-Modul: Strom [kW/m²]	1	1	1	1000	10

Betrachtet werden fünf generische TEGs. Das heißt, die TEGs werden durch Wirkungsgrade, leistungsbezogene Flächen und Massen, Materialanteile und Pauschalwerte für den Energieverbrauch verschiedener Fertigungsverfahren beschrieben. Dabei ist TEG 0 der Grundtyp, während die weiteren vier TEGs eine technische Verbesserung, bzw. eine andere Version des Grundtyps sind. TEG0₃ und TEG0₄ sind Generatoren, bei denen die Schichttechnik angewendet wurde. Bei dieser Technik ist ein hoher Energieaufwand bei der Produktion nötig, daraus folgt ein hoher KEA-Wert.

Siehe auch

• Strömungsmesstechnik
• Peltier-Element
• Thermotunneling

Literatur

• Daniel Jänsch: Thermoelektrik – Eine Chance für die Automobilindustrie. Oktober 2009

Weblinks

• 

  Commons: Thermocouples – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• Leitfaden für Anwender zur elektrischen Temperaturmessung mit Thermoelementen und Widerstandsthermometern
• Daten zu Thermoelementen
• Rechentools für Thermoelemente und Widerstandsthermometer
• Farbtabelle für Thermoelemente
• Anwendung von Thermoelementen in Radioisotopengeneratoren
• Tabellen mit Thermospannungen gebräuchlicher Thermoelement-Typen
• Thermoelementtabelle für Typ k und Typ J (PDF; 95 kB)
• Normen für Thermoelemente (PDF; 48 KB)
• Caltech-JPL Thermoelectrics Website (englisch)
• Wettlauf um Strom aus Wärme Spiegel-Online-Artikel vom 3. Februar 2008
• Strom-aus-Abgas-Abwärme