Thermoelektrische Generatoren

3.3.1.1 Technologiebeschreibung

Thermoelektrische Generatoren (TEG) setzen Temperaturunterschiede direkt in elektrischen Strom um. Dabei benötigen sie keine beweglichen Teile oder Betriebsmittel (und dadurch keinen Wartungsaufwand), sind verlässlich, langlebig, und verursachen keinen Lärm (chAMPier 2017).

Bei vielen technischen Prozessen, insbesondere Verbrennungsprozessen, entsteht Abwärme, die als Energiequelle für TEG dienen kann. Dieses Anwendungsgebiet – die Abwärmenutzung – birgt große Potenziale etwa für Treibstoffeinsparungen in Kraftfahrzeugen oder höhere Wirkungsgrade für Blockheizkraftwerke und zentrale Heizungs-anlagen im Gebäudebereich (FrAunhoFer iPM 2017). Beim sogenannten Energy Harvesting wer-den kleine TEG eingesetzt, z. B. um Sensoren mit Strom aus vorhandenen Wärmequellen wie Hei-zungsröhren oder gar Körperwärme zu versorgen.

In der Raumfahrttechnik werden Radioisotope als Wärmequelle, gekoppelt mit TEG, zur Energiever-sorgung von Satelliten und Sonden seit Jahrzehn-ten genutzt (chAMPier 2017; berettA et al. 2019;

Freer & PoWell 2020; JouhArA et al. 2021).

Die Umwandlung von Wärme zu Strom durch thermoelektrische Generatoren beruht auf dem Seebeck-Effekt: Zwischen zwei Stellen eines elektrisch leitenden Materials entsteht eine elekt-rische Potenzialdifferenz (Spannung), wenn diese unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Im Bereich höherer Temperaturen bewegen sich die

für die elektrische Leitung zuständigen Elektro-nen schneller als im Bereich niedrigerer Tempe-raturen. So kommt es zu einer Anreicherung der Elektronen im kälteren Bereich. Die entstehende Potenzialdifferenz bewirkt einen Rückfluss von Elektronen, der die Anreicherung ausgleicht. Es entsteht eine für das spezifische Leitermaterial charakteristische Spannung. Für einen hohen Wirkungsgrad sollte ein thermoelektrisches Mate-rial bei einer bestimmten Temperaturdifferenz eine möglichst hohe Spannung liefern. Dafür sollte seine elektrische Leitfähigkeit möglichst hoch sein, um einen ausreichenden Elektronenfluss zu garantieren. Gleichzeitig sollte die thermische Leitfähigkeit möglichst gering sein, um die Tempe-raturdifferenz aufrecht zu erhalten. Als Kennzahl für die thermoelektrische Leistungsfähigkeit eines Stoffes wird meist der dimensionslose „ZT-Wert“

angegeben (berettA et al. 2019):

ZT = α² σ __ _κ T

α Seebeck-Konstante in V K^-1 σ elektrische Leitfähigkeit in Ω^-1 m^-1 κ Wärmeleitfähigkeit in W m^-1 K^-1

T Mittelwert der Temperaturen an der heißen und kalten Seite in K

Der ZT-Wert ist somit nicht nur materialabhängig, sondern auch temperaturabhängig. Für konkrete Anwendungen ist deshalb wichtig, dass der tem-peraturabhängige ZT-Wert des Materials auch im relevanten Temperaturbereich hoch ist.

Für thermoelektrische Generatoren geeignete Materialien mit hoher elektrischer, aber geringer Wärmeleitfähigkeit, sind selten, da eine gute Elek-tronenleitung in der Regel mit einer guten meleitung einhergeht. So sind bei Metallen Wär-meleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit hoch, bei Isolatoren sind beide gering. Halbleiter haben

Tab. 3.51: Thermoelektrische Eigenschaften von Isolatoren, Metallen und Halbleitern bei Raumtemperatur (Quelle: SpaRKS 2017)

Einheit Isolatoren Metalle Halbleiter

Seebeck-Konstante α 10^-6 V K^-1 1.000 5 200

Elektrische Leitfähigkeit σ Ω^-1 m^-1 10^-10 10⁸ 105

Wärmeleitfähigkeit κ W m^-1 K^-1 0,1 – 1 10 – 1.000 1 – 100

Kennzahl ZT – 10^-14 10^-3 0,1 – 2,2

bei beiden Größen mittlere Werte und erreichen die besten ZT-Werte, wie aus Tab. 3.51 hervor-geht. Zur Maximierung von ZT-Werten wird der-zeit intensive Materialforschung betrieben (Freer

& PoWell 2020).

Im thermoelektrischen Generator werden n- und p-leitende Halbleiterschichten eingesetzt, bei denen durch Fremdatome in einem Kristallgit-ter zusätzlich Leitungselektronen (n-LeiKristallgit-ter) oder Löcher (p-Leiter) erzeugt werden. Diese Halb-leiterschichten werden über Drähte verbunden und elektrisch in Reihe geschaltet, wodurch ein kontinuierlicher Stromfluss ermöglicht wird. Der Stromkreis ist senkrecht zum Temperaturgefälle angeordnet (s. Abb. 3.53). Über Wärmetauscher wird an der heißen Seite des Generators Wärme antransportiert, an der kalten Seite gekühlt bzw.

Wärme abtransportiert (JAziri et al. 2020). Die thermoelektrischen Module müssen große Tem-peraturgradienten und entsprechende Belastun-gen und VerformunBelastun-gen über viele Erwärmungs- und Abkühlungsdurchgänge aushalten, sowie stabil gegenüber der Einsatzumgebung (che-misch, mechanisch) sein (Freer & PoWell 2020).

Deshalb muss neben den Eigenschaften der ther-moelektrischen Materialien (s. Kapitel 3.3.1.2) auch das gesamte Moduldesign optimiert werden.

Dazu zählen elektrische Verbindungselemente („Drähte“), Wärmetauscher und der Wechselrich-ter zur Umwandlung des erzeugten Gleichstroms in Wechselstrom (chAMPier 2017). Wichtige Kenn-größen für TEG sind die Leistungsdichte (in W cm²

angegeben; je höher die Leistungsdichte, desto weniger Gewicht hat der thermoelektrische Gene-rator) sowie die Kosten pro Leistung (€ pro Watt).

Gegenüber anderen Technologien zur Umwand-lung von Abwärme in Elektrizität haben thermo-elektrische Generatoren einen geringeren Wir-kungsgrad. Vorteilhaft ist jedoch der einfache Aufbau der thermoelektrischen Generatoren, aus dem sich eine hohe Verlässlichkeit und Lebens-dauer sowie ein geringer Wartungsaufwand ergibt. Zudem sind thermoelektrische Generato-ren skalierbar und können dezentral an die jewei-lige Anwendung angepasst eingesetzt werden.

Sie eignen sich außerdem für Anwendungen, bei denen bewegliche Teile ausgeschlossen sind und arbeiten geräuschlos. Im Temperaturbereich unter 100 °C wären thermoelektrische Generatoren konkurrenzlos (Wietschel et al. 2010).

3.3.1.2 Rohstoffinhalt

Verschiedene Materialien haben jeweils Vor- und Nachteile bezüglich der in Kapitel 3.3.1.1 auf-gezählten Eignungskriterien. Bereits kommer-ziell eingesetzt werden Materialien auf Basis von PbTe, Bi2Te3, BiSb, SiGe, wobei PbTe und SiGe in der Raumfahrt Anwendung finden und nur Bi2Te3

in anderen Anwendungen wie z. B. der Abwärme-nutzung kommerziell relevant ist (chAMPier 2017;

crAMer et al. 2018; JouhArA et al. 2021). In der Erforschung und Entwicklung befinden sich fol-gende Materialklassen (berettA et al. 2019; die Wärmetauscher (Abwärme)

n

n– und p– dotierte Halbleiter (thermoelektrische Materialien)

R

Elektr.

Leiter

p n p n p n p n p

Wärmetauscher (Kühlung)

Abb. 3.53: Aufbau eines thermoelektrischen Generators (Quelle: Eigene Darstellung)

Schreibweise [X,Y,Z], bedeutet, dass X, Y, und Z sich gegenseitig substituieren und daher in vari-ablen Mengen enthalten sein können; vgl. Freer

& PoWell 2020):

In kommerziell umgesetzten thermoelektrischen Generatoren werden ZT-Werte von ca. 1 erreicht, was u. a. auch aufgrund verbesserungswürdiger Kontaktsysteme zu Gesamtwirkungsgraden von 2 – 8 % führt. In der Forschung wurden bereits ZT-Werte von bis zu 2,4 erreicht. Für die großflächige Anwendung von TEG sind jedoch höhere Werte (ZT-Werte > 3) notwendig (Freer & PoWell 2020;

JouhArA et al. 2021).

Jetzige Anwendungen für TEG außerhalb der Luft- und Raumfahrt bauen exklusiv auf Bi2Te3

(chAMPier 2017; crAMer et al. 2018). Für zukünf-tige thermoelektrische Generatoren kommen zur-zeit sehr unterschiedliche Materialien in Betracht, in welchen wiederum viele verschiedene Ele-mente enthalten sein können. Zusätzlich befindet sich die Mehrzahl der oben genannten Werkstoffe in einem frühen Entwicklungsstadium, so dass nicht abgeschätzt werden kann, welche Rohstoffe für TEG in Zukunft wichtig sein werden. Einige der oben aufgezählten Werkstoffe enthalten Ele-mente, die als potenziell rohstoffkritisch ange-sehen werden (Te, Sn, Co, In, Ga, Er, Ru, Hf).

Sowohl Toxizität (z. B. Pb) als auch potenzielle Begrenzungen durch Rohstoffverfügbarkeit (z. B.

Te) sind derzeit ein wichtiges Thema in der For-schung zu thermoelektrischen Materialien (Jou

-hArA et al. 2021; ying et al. 2021).

3.3.1.3 Foresight industrielle Nutzung

Die Nutzung von thermoelektrischen Generato-ren in potenzielle Massenmärkte wie die Automo-bilbranche ist technisch möglich (heAtrecAr

consortiuM 2013). Momentan erreichen kommer-ziell eingesetzte TEG auf Basis von Bi2Te3 reale Wirkungsgrade von 2 – 8 %. Daraus ergeben sich Kosten von ca. 3 – 8 €/W. Dabei sind die Kosten für das thermoelektrische Material signifikant, z. B. 20 % bei Bismuttellurid (heAtrecAr con

-sortiuM 2013). Als konkurrenzfähig werden die thermoelektrischen Generatoren ab Kosten von ca. 1 €/W eingeschätzt (Wietschel et al. 2010), wobei höhere (bis zu 3 €/W) oder niedrigere (ab 0,5 €/W) je nach Anwendung genannt werden (heAtrecAr consortiuM 2013). Laut König et al. (2015) könnte der Preis für TEG-erzeugten Strom durch Skaleneffekte und Leistungssteige-rungen (Material-, Modul und Generatorverbesse-rungen, Materialeinsparungen) auf ca. 0,5 USD/W gesenkt werden. Verschiedene Forschungspro-jekte und Demonstratoren haben die technische Umsetzbarkeit gezeigt (heAtrecAr consor

-tiuM 2013; z. B., chAMPier 2017). Allerdings ist der erhoffte Durchbruch in der Abwärmenutzung von Fahrzeugen in den letzten Jahren nicht gekom-men. Das Thema wird in der Forschung weiter vorangetrieben, wird jedoch von der Entwicklung neuer thermoelektrischer Materialien abhängen (crAMer et al. 2018; berettA et al. 2019; Freer &

PoWell 2020). Das Zeitfenster für die Anwendung thermoelektrischer Generatoren im Fahrzeugbau hängt ebenfalls stark mit der Nutzung von Ver-brennungsmotoren zusammen, die derzeit durch Elektroantriebe nach und nach ersetzt werden.

Anwendungen in industriellen Anlagen umfassen sowohl die direkte Verstromung von Abwärme (z. B. aus der Stahlherstellung, KuroKi et al.

2015) als auch als Stromquelle für Sensoren und Aktoren. Beides ist möglich und wurde bereits demonstriert, jedoch deutet die Produktpalette der TEG-Hersteller darauf hin, dass letzteres die größere kommerzielle Relevanz hat (enoceAn

2021; tec MicrosysteMs 2021; z. B. tegnology

2021). Anwendungen in der Mess- und Regel-technik sind auch im Gebäudebereich relevant und werden bereits kommerziell vertrieben (en

o-ceAn 2020). Allerdings bleibt dieser Anwendungs-bereich eine Nische, denn die Stromversorgung kleinerer Sensoren und Aktoren kann i. d. R. auch durch Stromleitung oder Batterien erfolgen. In Fällen, in denen dies unpraktisch ist (z. B. wegen häufigem Batteriewechsel), können TEG trotz der höheren Kosten ihre Vorteile entfalten und einge-setzt werden (PerPetuA 2021).

Um für zukünftige Massenanwendungen tauglich zu sein, müssen die vielversprechenden ZT-Werte der momentan im Labor untersuchten thermoelek-trischen Materialien auch in der Praxis realisiert werden. Neben diesen Materialien gilt es auch, den gesamten Modul- und Generatoraufbau zu optimieren. Daneben können thermoelektrische Generatoren in Kraftwerken, Fertigungseinrich-tungen und Rechenzentren Verwendung finden.

Entscheidend ist dabei, ob es zum Temperatur-niveau der jeweiligen Anlage passende TEG gibt.

Bei vielen Industrieanlagen ist eine großflächige Anordnung der TEG potenziell gut zur Abwärme-nutzung geeignet.

Auch Endverbraucheranwendungen (TEG-ange-triebene Kochsensoren zur Energieeinsparung, körperwärmeangetriebene Uhren und Smart-phones, Kleidung mit Sensoren zur Überwachung von Körperfunktionen, etc.) werden als zukünftige Einsatzgebiete von TEG diskutiert. Flexible Subs-trate werden derzeit erforscht (du et al. 2018;

WAng et al. 2019; FAn et al. 2021).

3.3.1.4 Foresight Rohstoffbedarf

Thermoelektrische Generatoren haben großes Potenzial in verschiedenen Anwendungssegmen-ten. Der ursprünglich im Kraftfahrzeugbereich erwartete Markt durch Nutzung der Abwärme aus Verbrennungsmotoren ist aufgrund der Ver-kehrswende verschwunden. Gegenwärtig stellt der Bereich Mess- und Regelungstechnik eine attraktive Nische dar (auf Bi2Te3-Basis), die jedoch für ihre weitere Ausbreitung auf neue Materia-lien angewiesen ist. Obwohl thermoelektrische Anwendungen ca. 30 % der Te-Nachfrage dar-stellen (euroPäische KoMMission 2020a), handelt es sich hier v. a. um Peltier-Kühlelemente (z. B.

zur Kühlung von PCR-Geräten zur Gensequen-zierung) oder Digitalkameras für Spezialanwen-dungen (gärtner et al. 2003; vgl. seleniuM-tel

-luriuM deVeloPMent AssociAtion 2021) und nicht um TEG. Die Nutzung in der Raumfahrt bleibt ebenfalls bestehen, aber der Rohstoffbedarf hier-für ist gering. Aufgrund des frühen Entwicklungs-stadiums und der verschiedenen konkurrierenden Materialsysteme der nächsten Generation kann der Rohstoffbedarf 2040 nicht seriös abgeschätzt werden.

3.3.1.5 Recycling, Ressourcen­

effizienz und Substitution

Obwohl das Recycling grundsätzlich möglich ist, wird es desto aufwändiger sein, je komplexer die chemische Zusammensetzung der thermoelektri-schen Materialien ist. Die oben genannten Mate-rialien können sich gegenseitig substituieren.

Im Dokument Rohstoffe für (Seite 166-169)