Thermoelektrika: Abwärme als Rohstoff
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(öffnet im neuen Fenster) 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.
Dabei geht es vor allem um zwei Klassen von Thermoelektrika. Zum einen sind das keramische Oxide wie etwa Kalzium-Manganat und Kalzium-Kobaltat. Sie halten sehr hohe Temperaturen bis rund 1.000 Grad Celsius aus, sind chemisch stabil, untoxisch und dürften in Zukunft wohl recht preisgünstig herzustellen sein. Allerdings liefern sie weniger Strom als die zweite Klasse von Thermoelektrika, die metallischen Verbindungen.
Zu den interessantesten zählen Kobalt-Verbindungen wie Skutterudit, Silicide genannte Silizium-Metall-Verbindungen, Blei- und Wismuth-haltige Telluride oder sogenannte intermetallische Verbindungen aus verschiedenen Metallen mit ungewöhnlichen Gitterstrukturen. "Die metallischen Thermoelektrika gehören zu den effizientesten", sagt Norby. Sie schmelzen auch nicht so schnell; allerdings neigen sie bei höheren Temperaturen zur Oxidation und korrodieren langsam. Deshalb sind sie nur bis etwa 500 Grad Celsius einsetzbar.
Viele Disziplinen müssen zusammenarbeiten
Bei der Erforschung von Thermoelektrika gibt es einige Herausforderungen. Denn die Entwicklung solcher Materialien ist eine stark interdisziplinäre Arbeit, bei der die Fähigkeiten von Chemikern, Physikern, Materialwissenschaftlern, Ingenieuren, Mathematikern und Informatikern gefragt sind. Mit neuen Rechenverfahren simulieren die Forscher neue Materialien im Computer und überprüfen die Eigenschaften dann in einem Teststand.
"In unserem Labor hier haben wir einen neuen Apparat zur Messung von thermoelektrischen Eigenschaften bei sehr hohen Temperaturen entwickelt", sagt Truls Norby. Das Gerät arbeitet von Raumtemperatur bis über 1.000 Grad Celsius und kann damit praktisch alle interessanten Materialien prüfen. Dabei bestimmen die Wissenschaftler die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die thermoelektrische Effizienz unter verschiedenen Situationen. Die Wissenschaftler verkaufen ihren Apparat(öffnet im neuen Fenster) mittlerweile sogar weltweit über eine Ausgründung.
Jahre vor dem Ziel
Die Forscher in Norwegen wollen damit aber auch selbst eine Reihe neuer Materialien untersuchen. Sie können zwar schon ein paar Erfolge vorweisen, doch sie sind noch nicht am Ziel. Die Forscher sind aber optimistisch. "In etwa zehn Jahren ist mit der Rückgewinnung von Energie aus Hochöfen und anderen metallurgischen Verfahren zu rechnen", so Norby.
Sollte die Entwicklung weitergehen, könnten spezielle Thermoelektrika auch in anderen Bereichen zum Einsatz kommen. So setzen etwa Motoren in Kraftfahrzeugen nur ein Zehntel bis ein Drittel des Energiegehalts im Kraftstoff in die Vorwärtsbewegung um. Der Rest verschwindet als Abwärme durch den Auspuff und über die Motorkühlung. Ein paar Prozent zurückgewonnene Energie könnten hier schon einen Unterschied machen. Aufgrund des zusätzlichen Gewichts wird das zunächst vermutlich bei Schiffsmotoren oder Lastkraftwagen der Fall sein. Aber im Prinzip fällt bei Verbrennungsmotoren so viel Abwärme an, dass der Einsatz von Thermoelektrika interessant werden könnte.
Aber auch bei anderen Prozessen, bei denen hohe Temperaturen auftreten, könnte sich Thermoelektrik als hilfreich erweisen: etwa bei der Solarthermie, Blockheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen. Bei all diesen Anlagen werden auf konzentriertem Raum große Mengen Energie bei hohen Temperaturen umgesetzt – eigentlich ideale Voraussetzungen für Thermoelektrika. Vielleicht schon in wenigen Jahren werden ganz neue Materialien dann mithelfen, die Energieeffizienz bei wichtigen Prozessen weiter zu steigern.
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