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Ein neuer Ansatz zum Energiesparen

05.02.2013
Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärme in Strom. In großer Zahl eingesetzt, könnten sie den weltweiten Energieverbrauch deutlich senken. Dazu braucht es allerdings neue Materialien. Ein europaweiter Forschungsverbund arbeitet daran. Beteiligt sind Physiker der Universität Würzburg.

Ein Fünftel ihres gesamten jährlichen Energieverbrauchs gibt die Menschheit ungenutzt an die Atmosphäre ab. Die Abwärme aus industriellen Prozessen, aus Privathaushalten und aus dem Verkehr enthält mehr Energie, als sämtliche Mitgliedsstaaten der EU gemeinsam verbrauchen. Könnte man diese Energie zu einem Bruchteil nutzen, ergäbe sich also ein hohes Einsparpotenzial und es stünden zusätzliche Kapazitäten zur Verfügung.

Die Technik dafür existiert seit langem: Sogenannte thermoelektrische Generatoren sind in der Lage, die überschüssige Wärme in Strom umzuwandeln. Weil die gegenwärtig in diesen Bauteilen verwendeten Materialien jedoch mit etlichen gravierenden Nachteilen behaftet sind, sucht ein neuer, europaweiter Forschungsverbund nach Alternativen. Ein vielversprechender Kandidat sind organische Verbindungen. Ob sie tatsächlich halten, was sie versprechen, werden die beteiligten Wissenschaftler in den kommenden drei Jahren untersuchen.

H2ESOT - Waste Heat to Electrical Energy via Sustainable Organic Thermoelectric Devices: So lautet der Titel des Forschungsverbunds, der jetzt seine Arbeit aufgenommen hat. Daran beteiligt sind Forschungseinrichtungen und Firmen aus Großbritannien, Deutschland, Litauen, Bulgarien und Moldawien. Die Europäische Union finanziert das Projekt mit rund 1,3 Millionen Euro. Von Würzburger Seite ist die Arbeitsgruppe von Jens Pflaum, Professor für Physikalische Technologie der Funktionswerkstoffe am Lehrstuhl für Experimentelle Physik VI, an dem Projekt beteiligt. Sie erhält knapp 300.000 Euro der Fördersumme.

Thermoelektrische Wandler im Einsatz

„Geräte, die aus Wärme Strom produzieren oder – umgekehrt – mit Strom Kälte produzieren, gibt es heute schon in großer Zahl“, erklärt Jens Pflaum. Das Spektrum der Möglichkeiten reicht von der Armbanduhr, die ihre Antriebsenergie aus der geringen Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungsluft und der Körperwärme erhält, über thermoelektrische Aggregate, die die Abwärme aus dem Verbrennungsprozess im Automobil nutzen, bis zur Raumsonde Cassini. Die wäre nicht in der Lage, auf ihrer Reise zum Saturn und seinen Monden genug Strom mithilfe der Photovoltaik zu erzeugen – zu schwach scheint die Sonne in diesen Regionen. Stattdessen nutzt sie die Zerfallswärme von rund 30 Kilogramm Plutonium-238 und wandelt diese mit einem Wirkungsgrad von etwa sechs Prozent in 700 Watt elektrische Energie um.

„Und Camper kennen vermutlich das umgekehrte Prinzip“, ergänzt Jens Pflaum. Denn thermoelektrische Elemente sind ebenfalls in der Lage, Kälte zu produzieren, wenn Strom durch sie hindurchfließt. In Kühlboxen kommen sie deshalb heute genauso zum Einsatz wie – in verkleinerter Form – in Kameras und anderen elektrischen Geräten, denen sonst der Hitzetod drohen würde.

Rohstoffe: giftig und selten

Allerdings haben die heute verwendeten thermoelektrischen Wandler zwei gravierende Nachteile: „Sie bestehen in der Regel aus Bismut-Tellurid. Und Tellur ist zum einen giftig und zum anderen äußerst selten und damit entsprechend teuer“, sagt Jens Pflaum. Wissenschaftler gehen heute davon aus, dass die gesamten Vorräte dieses Elements spätestens 2030 erschöpft sein werden beziehungsweise nicht mehr wirtschaftlich abbaubar sind. Höchste Zeit also für die Suche nach einem geeigneten Ersatzmaterial.

Organische Materialien als Alternative

Anstelle des problematischen Bismut-Tellurids werden die Wissenschaftler organische Materialien verwenden. Diese können in großen Mengen synthetisiert werden und sind dementsprechend billig, leicht zu verarbeiten und Ressourcen-schonend. Welches Potenzial tatsächlich in ihnen liegt, wird der Forschungsverbund in den kommenden drei Jahren untersuchen. Damit ihre physikalischen Eigenschaften und ihr technologisches Potenzial voll ausgereizt werden können, müssen die organischen Verbindungen allerdings bestmöglich aufbereitet werden – das geschieht zusammen mit den thermoelektrischen Untersuchungen in Würzburg.

„Wir werden die Substanzen bestmöglich aufreinigen und daraus einkristalline Proben herstellen“, erklärt Jens Pflaum. Auf diesem Gebiet zählt seine Arbeitsgruppe zu einer der führenden auf der Welt. „Einkristallin“ bedeutet: Die Probe ist von jeglichen Verunreinigungen befreit, und die Moleküle gruppieren sich nahezu fehlerfrei in extrem hoch geordneter Weise. Dies ist der einzige Zugang, um an die materialrelevanten Kenngrößen zu kommen, ohne Überlagerung unerwünschter Effekte.

Wie thermoelektrische Wandler funktionieren

Extrem gut Strom und äußerst schlecht Wärme leitend: So muss der ideale thermoelektrische Funktionsbaustein aussehen. In einem thermoelektrischen Wandler kommt er immer paarweise, chemisch modifiziert zum Einsatz. In der einen Modifikation stellt das Material freie Elektronen für den Wärme- und Ladungstransport von der warmen Seite zur Verfügung; die andere Variante sorgt umgekehrt für einen Überschuss an „Elektronen-Fehlstellen“ – Physiker sprechen in diesem Fall von Löchern.

Als Brücke zwischen zwei Materialien unterschiedlicher Temperatur eingebaut, sorgt dieses „Thermopaar“ dafür, dass sowohl Elektronen als auch Löcher mit höherer Bewegungsenergie vom warmen zum kalten Bereich diffundieren und dabei einen Wärme- und elektrischen Stromfluss erzeugen (s. Abbildung). Schaltet man eine große Zahl dieser thermoelektrischen Komponenten in Reihe, liefern sie eine für Anwendungen nutzbare Spannung.

Wie hoch diese Spannung und die damit verbundene Leistung der thermoelektrischen Generatoren ist, hängt zu einem hohen Maß von der Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite ab und bei welcher Temperatur der thermoelektrische Generator betrieben wird. „Einige große Autohersteller nutzen die Technik der thermoelektrischen Generatoren bereits heute, um aus der Abwärme des Auspuffs elektrische Leistungen von mehr als 600 Watt zu erzeugen“, erklärt Jens Pflaum. Allerdings werden dazu noch die „klassischen“ Generatoren verwendet, basierend auf einem Material-Mix, der auch Bismut-Tellurid enthält. Generatoren auf organischer Basis könnten nach Ansicht des Physikers einen deutlich höheren Wirkungsgrad erreichen.

Einsatz im Niedrigtemperaturbereich

Motorabgase sind zu heiß für die Produkte, an denen der Forschungsverbund arbeitet. „Wir konzentrieren uns auf Temperaturen unter 200 Grad Celsius“, sagt der Physiker. Der Boiler im Badezimmer, der Heizkessel im Keller, Wärmetauscher in der chemischen Industrie: Überall dort, wo bislang Wärme ungenutzt abstrahlt wird, könnten in Zukunft thermoelektrische Generatoren auf der Basis organischer Halbleiter zum Einsatz kommen. Im Idealfall könnten die Bauteile auf flexiblen Folien hergestellt werden, die sich auch gekrümmten Oberflächen anpassen.

Der Strom, den sie produzieren, kann gleich vor Ort Verwendung finden und Arbeit leisten. Energie, die bislang ungenutzt an der Umgebung abgegeben wurde, findet so eine sinnvolle Verwendung. Damit sei Europa in der Lage, einen signifikanten Teil seiner Abwärme effektiv zu nutzen und sich damit den großen Herausforderungen von Klimawandel und nachhaltigem Wachstum zu stellen, heißt es in dem Projektantrag des Forschungsverbunds.

Allein thermodynamische Generatoren auf der Grundlage organischer Materialien verfügten über das Potenzial, die Energie dieses Niedrigtemperatur-Bereichs zu nutzen. Der Forschungsverbund verfüge über die notwendige Expertise, einen Fahrplan für diesen revolutionären Ansatz zu entwickeln, an dessen Ende möglicherweise ein ganz neuer, bedeutender Industriezweig steht.

Kontakt

Prof. Dr. Jens Pflaum, T: (0931) 31-83118,
E-Mail: jpflaum@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.h2esot.com/
http://www.uni-wuerzburg.de

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