Mit Thermoelektrik werden heiße Industrierohre zu Stromgeneratoren

Flexible thermoelektrische Generatoren könnten bald bisher einfach verpuffte Wärme effizient nutzbar machen.

Autor Mark Newton:

Übersetzung Lara Sophie Sander, 07.03.22

Fast alle elektrischen Geräte, wie auch viele industrielle Prozesse, geben Wärme ab. Meist ist die erzeugte Wärme ein Abfallprodukt, das einfach in die Atmosphäre abgeleitet wird. Wird diese Wärme jedoch richtig genutzt, kann sie zu einer leistungsstarken Stromquelle werden.

Die Technologie dafür gibt es schon seit einiger Zeit, war bisher jedoch mit gewissen Problemen verbunden. Eine der größten Hürden war die Tatsache, dass die meisten thermoelektrischen Generatoren eine quadratische Form haben, die sich nur schwer an die vielen verschiedenen, wärmeerzeugenden Geräte anpassen lässt.

Hier setzt die neue Forschung des National Renewable Energy Laboratory der Pennsylvania State University an. Sie arbeiten daran, flexible – und effiziente – thermoelektrische Generatoren zu entwickeln, die für Geräte in allen Formen und Größen genutzt werden können.

Thermoelektrische Generatoren erzeugen Strom, indem Elektronen von einer heißen Quelle in eine kalte Senke geleitet werden, wodurch ein elektrischer Fluss entsteht – der so genannte Seeback-Effekt. Das Team der Penn State University hat auf dieser Grundlage bereits wesentlich effizientere, aber starre Generatoren entwickelt, allerdings waren diese jedoch ungeeignet für Objekte wie Rohre und Auspuffanlagen.

Der neue, flexible Ansatz verwendet eine ähnliche Technologie. Üblicherweise werden Drähte verschiedener Metalle, bezeichnet als Paare, zu Blöcken vernetzt. Das neue Gerät verfügt über sechs dieser Paare, die auf einem dünnen Streifen zusammengefügt werden und der über eine flexible Metallfolie mit einem anderen Streifen verbunden ist. Insgesamt hängen 12 dieser Streifen zusammen, was zu einem thermoelektrischen Generator mit 72 Paaren führt. Aufgrund ihrer flexiblen Beschaffenheit können alle Paare in Oberflächenkontakt mit der heißen Quelle stehen – das steigert ihre Effizienz erheblich.

Größere thermoelektrische Generatoren leiden typischerweise unter einer geringeren Energiedichte und Leistung. Um dem entgegenzuwirken, sind die neuen, flexiblen Generatoren mit Flüssigmetall zwischen den einzelnen Schichten ausgestattet. Das erhöht die Energiedichte und hält diese auch in größeren Maßstäben aufrecht. Außerdem lässt sich das flexible Design auch ohne Klebstoff, der die Stromerzeugung einschränken könnte, an Oberflächen befestigen.

Um die Leistung ihres neuen, verbesserten Designs zu testen, brachte das Team der Pennsylvania State University einen Prototyp des thermoelektrischen Generators an einem Abgaskanal an. Dabei stellten sie fest, dass ihre verbesserte Version eine um 150 Prozent höhere Energiedichte aufwies als andere Geräte. Eine vergrößerte Version des Generators mit einer Fläche von etwas mehr als 6 Zentimetern wies eine um 115 Prozent höhere Energiedichte auf als andere Modelle. Insgesamt konnte das Modell eine Gesamtleistung von 56,6 Watt erzeugen, wenn es auf einer heißen Oberfläche aufgestellt wurde. Zum Vergleich: Ein Solarmodul für den Hausgebrauch mit einer Größe von etwa 1 Quadratmeter kann zwischen 240 und 400 Watt pro Stunde erzeugen.

Die Hoffnung ist groß, dass das neue, effizientere System in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Shashank Priya, stellvertretender Vizepräsident für Forschung und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Pennsylvania State University, erklärt:
„Stellen Sie sich ein Industriekraftwerk mit Hunderten von Metern langen Rohren vor. Wenn man diese Geräte um einen so großen Bereich wickeln kann, könnte man aus der Wärme, die normalerweise einfach verpufft, Kilowatt an Energie erzeugen. Man könnte die vergeudete Wärme in etwas Nützliches umwandeln.“

Die Thermoelektrik ist sicherlich ein spannender Weg zur Energieerzeugung, mit dem eine bisher verschwendete Ressource effizient genutzt werden kann. Einige schwer-industrielle Prozesse könnten so kreislauffähiger werden, da sie mit geringem Aufwand Energie an das Netz zurückgeben würden.

Ein weiteres, innovatives Projekt, das mit Thermoelektrik experimentierte, war sogar in der Lage, den Nachthimmel in einen riesigen Generator zu verwandeln. Dadurch wurden erneuerbare Energien sowohl tagsüber als auch in der Nacht erzeugt.

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