Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Was riecht denn da? – Elektronische Nase erkennt unterschiedliche Gerüche
26.04.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife
25.04.2018 | Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics