Thermoelektrika: Abwärme als Rohstoff

Milliarden Gigajoule Prozesswärme bleiben jährlich ungenutzt. Neuartige Thermoelektrika sollen das ändern und daraus Strom gewinnen. Doch sie zu finden, ist nicht leicht.

Ein Bericht von Dirk Eidemüller veröffentlicht am 9. November 2016, 9:47 Uhr

Milliarden Gigajoule an Prozesswärme entschwinden jährlich durch Schornsteine oder über Kühlwasser. (Bild: Wolfgang Rattay/Reuters)

Bei praktisch jedem technischen Prozess fällt irgendwo Abwärme an. Beim Kühlschrank oder Prozessorkühler führt man sie über Kühlrippen ab. Bei Motoren entschwindet ein Teil der Abwärme über den Auspuff, der Rest über die Motorkühlung. Im industriellen Bereich gehen an vielen Stellen enorme Energiemengen als Abwärme verloren: Jedes Jahr entschwinden etliche Milliarden Gigajoule an Prozesswärme durch den Schornstein oder über das Kühlwasser. Wenn es gelänge, auch nur einige Prozent dieser Abwärme zurückzugewinnen, ließen sich nicht nur zig Tonnen Kohlendioxid einsparen, sondern auch die Energiekosten senken.

Eine alte Idee gewinnt seit ein paar Jahren deshalb immer mehr Beachtung. Der thermoelektrische Effekt ermöglicht es, Temperaturunterschiede direkt in elektrischen Strom zu verwandeln. Mit geeigneten Thermoelektrika könnte man also Elektrizität gleich an der Quelle abgreifen und zahlreiche technische Prozesse effizienter gestalten. Neue Materialien werden gebraucht. Wissenschaftler an der Universität Oslo haben einen neuen Apparat entwickelt, mit dem sie die thermoelektrischen Eigenschaften solcher Materialien bei über 1.000 Grad messen können.

Neue Materialien gesucht

Dass Thermoelektrika nicht schon heute breite Anwendung finden, liegt an ihrem unattraktiven Wirkungsgrad: Die meisten bekannten Thermoelektrika wandeln nur einen sehr geringen Anteil der Wärme in Strom um. Noch dazu hängt der Wirkungsgrad vom Temperaturunterschied zwischen der heißen Quelle und der kälteren Umgebung ab. Heute nutzt man sie deshalb eher als Temperatursensoren und nicht zur Stromerzeugung. Abhilfe könnten hier aber neue Materialien schaffen, die für spezielle Aufgaben maßgeschneidert sind.

"Etliche Arbeitsgruppen arbeiten weltweit an speziell designten Thermoelektrika", sagt Truls Norby von der Universität Oslo, der schon viele Jahre auf dem Gebiet tätig ist. "Wir haben uns in den letzten Jahren vor allem mit Hochtemperatur-Thermoelektrika beschäftigt." Diese könnten bei einigen sehr lohnenden Prozessen zur Anwendung kommen. Denn je größer der Temperaturunterschied und je größer die umgesetzte Energiemenge, desto eher lohnt sich der Einsatz dieser Materialien.

Viele Thermoelektrika sind noch schlecht erforscht

Hochöfen bieten sich als erstklassige Kandidaten für Thermoelektrika an. Dank des großen Temperaturunterschiedes zwischen den Wänden und der Umgebung müsste man einfach die Wände mit einem thermoelektrischen Modul umkleiden. Das Problem: Die hohen Temperaturen und der mit den Temperaturwechseln einhergehende mechanische Stress stellt hohe Ansprüche an jedes Thermoelektrikum.

Manche Metall-Legierungen drohen bei den hohen Temperaturen zu oxidieren oder zu schmelzen. Keramische Stoffe eignen sich zwar sehr viel besser für Hochtemperaturanwendungen - sie sind allerdings schwieriger zu verarbeiten und spröde und neigen deshalb zu Brüchen.

Abhilfe könnten hier Thermoelektrika mit ungewöhnlichen chemischen Verbindungen schaffen. Viele von ihnen sind bislang allerdings noch schlecht erforscht. Außerdem sind einige der auf dem Papier interessanten Materialien - vor allem die metallischen - leider toxisch, was entsprechende Sicherheitsvorkehrungen mit sich bringt, etwa eine vollständige Umkapselung. Nicht nur die Forscher in Norwegen sind deshalb auf der Suche nach neuartigen, stabilen und effizienten Thermoelektrika.