Thermogeneratoren

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Peltier-Elemente sind ebenso dafür geeignet, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln, indem ein thermischer Wärmefluss durch das Element geleitet wird. Dieser entsteht durch einen Temperaturunterschied ΔT und das grundsätzliche Bestreben nach thermischem Ausgleich innerhalb des Elements. Beim Kontakt zweier unterschiedlich temperierter Körper verliert die wärmere Kontaktfläche an Temperatur, während die kältere an Temperatur zunimmt – bis beide Körper den gleichen Wärmegrad aufweisen.

Namensgebend werden diese als Thermogeneratoren oder thermoelektrische Generatoren bezeichnet.

Diese Generatoren haben, je nach Material, einen Wirkungsgrad von etwa ein bis fünf Prozent. Sie können vor allem dann eingesetzt werden, wenn aus Abwärme Strom erzeugt werden soll – zum Beispiel aus Abwärmeströmen von Müllverbrennungsanlagen (ohne dem Rauchgas so viel Wärme zu entziehen, dass der Auftrieb im Abgasturm ausbleibt) oder aus verschiedenen Industrie- und IT-Prozessen.

Physikalischer Effekt und Aufbau

In der Regel kommt bei Thermogeneratoren primär der Seebeck-Effekt zum Tragen. Dabei handelt es sich um einen thermoelektrischen Effekt, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Metallen eine Spannung erzeugt. Das hat zur Folge, dass selbst ein Temperaturunterschied von weniger als 20K mehrere mW Leistung erzeugen kann. Der Seebeck-Effekt kann auch zur Wärmefluss- oder Temperaturdifferenzmessung genutzt werden.

Jedes Peltierelement ist ein Thermoelektrischer Generator. Diese generieren bei Erwärmung eine elektrische Spannung, wobei der Wärmefluss von der heißen zur kalten Seite immer noch stattfindet und von der Temperaturdifferenz angetrieben wird. Die dabei entstehende Energie kann direkt über die Stromanschlüsse abgegriffen werden. Bei diesem Vorgang muss jedoch permanent Wärmeenergie zugeführt werden, um die Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten.

Die Leistung des Wärmestroms berechnet sich aus: Q = ΔT / Rth

Q beschreibt die Leistung, welche aus der warmen Seite abwandert und in Richtung der kälteren Seite strömt. Für die Aufrechterhaltung des Vorgangs muss der Warmseite kontinuierlich Leistung zugeführt werden, um zu verhindern, dass die Temperatur absinkt. Ebenso muss die kalte Seite diese Wärmeenergie abgeben können, um sich nicht zu erhitzen. Andernfalls würde die Temperaturdifferenz und damit der Motor des Wärmestroms sowie die Energiegewinnung rasch versiegen.

Stromerzeugung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Im Allgemeinen beträgt der vom Generator benötigte Wärmestrom etwa 10W/cm². Der maximale Wirkungsgrad ist gewährleistet, wenn der Lastwiderstand gleich dem Innenwiderstand des Moduls ist. Darüber hinaus hängt die erzeugte Spannung von der Temperatur und der Anzahl der Beinpaare ab. Die Effizienz kann durch die Verwendung von Materialien mit ausgezeichneten thermoelektrischen Eigenschaften zusätzlich gesteigert werden.

Bismut-Tellurid-Legierungen (bis zu 300 Grad Celsius) oder Bismut-Blei-Legierungen (bis zu 360 Grad Celsius) sind gute Beispiele. Für höhere Anforderungen eignet sich eine homogene Mischung aus Blei-Tellurid, die bis zu einer Temperatur von 500 Grad Celsius stabil bleibt.

Der Energiegewinnungsprozess ist allerdings nur dann praktikabel, wenn dem Element eine ausreichend dimensionierte Kühlung zur Verfügung steht. Diese kann, je nach Einsatzgebiet und Wärmefluss pro TEC, die Größe eines Lexikons haben – bei rein durch Konvektion arbeitenden Kühlkörpern. Bei forcierter Belüftung könnten diese zwar kleiner ausfallen, würden jedoch die generierte elektrische Energie bereits für den Lüfterbetrieb aufbrauchen.

Durchaus sinnvoller erscheint der Einsatz von TEC im Micro Energy Harvesting (MEH). Dabei ist es möglich, zum Beispiel batteriebetriebene Systeme durch eine unabhängige Stromversorgung zu ersetzen. So sind TEGs in der Lage, genügend Energie zu generieren, um Sensorsysteme mit ausreichend Strom zu versorgen – was gerade in Zeiten des Internet of Things (IoT) von großer Bedeutung ist. Außerdem werden TEGs zunehmend an schwer zugänglichen Orten verwendet, um eine Netzanbindung zu vermeiden oder aufwändige Batteriewechsel zu reduzieren.

Für den Einsatz eines TEC wird folgendes benötigt:

Zwei Areale unterschiedlicher Temperaturniveaus
Dauerhaft nachströmende Energie
Dauerhafter Energieabtransport

Des Weiteren ist es notwendig, bereits bei der Projektplanung die oben genannten Voraussetzungen zu bewerten und zu untersuchen:

Wodurch entsteht die hohe Temperatur?
Wie kann die Temperatur durch ein Peltier-Element geleitet werden?
Wie kann die Energie abgeführt werden?
Wie reagiert die Temperatur der Quelle, wenn dauerhaft ein Wärmestrom abfließt?
Wie reagiert die Temperatur der Senke, wenn sie dauerhaft Energie aufnimmt?

Erst nach umfassender Analyse ist es möglich, über die Nutzung der Wärme zu entscheiden und den Aufbau eines thermoelektrischen Generators zu dimensionieren.

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Regeln zum Thema Thermoelektrische Generatoren

1. Thermogeneratoren erzeugen bei einer Temperaturdifferenz elektrischen Gleichstrom mit einem Wirkungsgrad von etwa 5 Prozent.

2. Nur ein Bruchteil der Wärme wird in Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad steigt mit dem Temperaturunterschied.

3. Strom wird nur bei einer vorhandenen Temperaturdifferenz generiert, nicht, wenn beide Seiten gleich warm sind.

4. Um die Funktion als Generator aufrechtzuerhalten, muss eine Seite ständig erwärmt und die andere kontinuierlich gekühlt werden.

5. Jedes Peltier-Element lässt sich als Thermogenerator nutzen. Die Qualität der Verarbeitung und des Materials ist jedoch ausschlaggebend für Wirkungsgrad und Lebensdauer.

6. Eine nahtlose Integration in die thermische Umgebung sorgt für eine optimale Energieausbeute.

7. Die Leerlaufspannung des thermischen Generators ist direkt proportional zur antreibenden Temperaturdifferenz.

8. Der Strom bei aufgeschalteter Last errechnet sich zu Leerlaufspannung geteilt durch die Summe aus Innenwiderstand und Lastwiderstand. ILast = U0 / ( Ri + RL)

9. Jedes Schenkelpaar eines Quick-Ohm Generators bzw. Peltierelementes erzeugt 0,4 mV Leerlaufspannung pro Kelvin Temperaturdifferenz. Betragen die Temperaturen beispielsweise am Peltierelement QC-241-1.0-3.0 auf der einen Seite 20°C und 100°C andererseits, so können an den offenen Klemmen dieses Moduls 0,4 mV/K x 241 x 80K = 7,7 Volt abgegriffen werden.

10. Der thermische Generator stellt eine Spannungsquelle dar. Der Lastwiderstand ist wie bei allen Spannungsquellen an diesen Innenwiderstand anzupassen.

11. Die Integration eines Thermogenerators in ein bestehendes System beeinflusst den Zustand des Systems. Die Temperaturen werden beeinflusst und stellen sich verändert ein.

12. Es ist zu prüfen, ob der sekundäre Effekt der Generierung den ursprünglichen Effekt des Systems nicht derart stört, dass in Summe ein Nachteil zurückbleibt.