„Verpuffte“ Energie durch Thermoelektrik nutzbar machen

Thermoelektrische Generatoren / Wissenschaftler und Unternehmen präsentieren sich auf der Hannover Messe

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Ein großer Anteil der von uns produzierten Energie verpufft ungenutzt über Abwärme in der Umgebung. Winzige thermoelektrische Generatoren können dieses gewissermaßen „verschenkte“ Potenzial nutzen, um Strom zu gewinnen. Der Strom wird dabei über Temperaturunterschiede gewonnen. CleanThinking.de berichtete bereits über Vorreiter des so genannten Energy Harvesting (beispielsweise O-Flexx). Im Rahmen der Hannover Messe 2013 wird einerseits die O-Flexx Technologies GmbH ihre neue Produktgeneration vorstellen. Andererseits werden auch Forscher des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Stahltechnik IWS ein neues Herstellungsverfahren für thermoelektrische Generatoren vorstellen. Diese Generatoren können als großflächige, flexible Bauteile günstig aus nichttoxischen Kunststoffen hergestellt werden können.

Fraunhofer IWS LogoCleanTech & Effizienz News/ Dresden, Hannover. Großkraftwerke schaffen es nur selten, mehr als 40 Prozent der erzeugten Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Der Rest wird ungenutzt – vor allem über die Kühltürme in Form riesiger Wasserdampfwolken – an die Umgebung abgegeben. Forscher des Fraunhofer IWS in Dresden arbeiten an Möglichkeiten, um das in den teilweise über 150 Meter hohen Betonkolossen schlummernde Potential zu nutzen. Die Zauberformel heißt Thermoelektrik. Dieses Teilgebiet der Physik beschäftigt sich mit der Stromgewinnung aus Temperaturunterschieden. Und diese kann gerade in Kühltürmen zwischen heißen Wasserdämpfen und kühler Betonhaut groß sein.

Riesenpotenziale bisher ungenutzt

Ungenutzte Energien ernten mit flächiger Thermoelektrik

3D-Druck macht’s möglich: Ein erster Demonstrator eines gedruckten thermoelektrischen Generators windet sich geschmeidig um ein Musterbauteil.
© Fraunhofer IWS

Thermoelektrische Generatoren (TEG) haben laut Angaben des Fraunhofer IWS zur Zeit einen Wirkungsgrad von etwa acht Prozent. Was zunächst nach einer geringen Zahl klingt, kann viel bewirken: „Wenn wir es schaffen, die TEG kostengünstig, großflächig und aus flexiblen Materialien herzustellen, könnten wir die Innenseiten der konkav geformten Kühlturmwände in großem Stil damit ausstatten. Aufgrund der enormen Energiemenge, die in den riesigen Anlagen entstehen – pro Sekunde verdampfen etwa 1500 Liter Wasser – könnten wir so große Mengen an Strom erzeugen“, dies erklärt Dr. Aljoscha Roch vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden.

Zusammen mit seinen Kollegen ist Roch diesem Ziel nun einen großen Schritt näher gekommen: Den Wissenschaftlern ist es gelungen, TEG per Druckverfahren zu produzieren. Die miniaturisierten Generatoren lassen sich dabei nicht nur günstig, auf großen Flächen und flexibel handhabbar herstellen. Sondern die verwendeten Materialien sind zudem umweltverträglich. „TEG werden heute größtenteils per Hand und aus toxischen Bausteinen, die beispielsweise Blei enthalten, gefertigt. Wir nutzen nun moderne 3D-Drucktechnologie und unbedenkliche Polymere (Kunststoffe), die elektrisch leitend sind“, erklärt Roch.

Minimale Temperaturunterschiede reichen aus

Doch wie gewinnen die wenige Mikrometer großen Polymer-Generatoren Strom: Der heiße Wasserdampf aktiviert die Elektronen im Generator, die negativ aufgeladenen Teilchen wandern zur kühleren Seite und es entsteht eine elektrische Spannung. Für diesen Effekt reichen schon kleine Temperaturunterschiede wie ein Grad aus.

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Bereits seit 200 Jahren kennt die Physik diesen Effekt. Eine flächendeckende Verbreitung blieb bisher jedoch aufgrund fehlender effizienter Herstellungsverfahren und geeigneter Materialien aus. In der Raumfahrt und testweise der Automobilindustrie kommen die in Handarbeit hergestellten klötzchenartigen TEG zum Einsatz. Am Abgasstrang montiert liefern sie hier beispielsweise Strom für die Bordelektronik des Fahrzeugs. 600 Watt, also die Stromleistung von etwa 6 Glühbirnen, konnten hier bereits nachgewiesen werden. Potenziert auf die vielen Millionen Fahrzeuge, die alleine auf Deutschlands Straßen unterwegs sind, ließen sich durch TEG mehrere Milliarden Kilowattstunden einsparen.

Autos und Kühltürme sind jedoch nur zwei Beispiele von vielen. Abwärme entsteht im Prinzip beim Betrieb jeglicher technischer Anlagen.

Neue Drucktechnologie

Die neue 3D-Drucktechnologie funktioniert ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker. Der Unterschied: Statt eines dünnen Tintenstrahls kommt eine thermoelektrisch aktive Polymer-Paste aus der Kartusche und lässt die etwa 20 bis 30 Mikrometer dicken thermoelektrischen Schichten entstehen. Die gedruckten TEG zeigen die IWS-Forscher erstmals während der Hannover Messe in einem Kühlturmmodell.

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