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Energieumwandlung : Elektrische Energie durch Thermokraft

  • -Aktualisiert am

Überschüssige Wärme in Strom umwandeln: BMW testet solche Thermogeneratoren im Auspuff Bild: BMW

Überflüssige Motorwärme zurück ins Cockpit führen, Frostschäden an Flugzeugen erkennen: Die Thermoelektrika warten noch immer auf ihre breite Anwendung. Zu gering ist die Effizienz. Mit allerlei Kniffen versucht man diese zu steigern - mit Erfolg.

          Ob in Kraftwerken, Fahrzeugen, Haushalten oder Industrieanlagen - bei der Verbrennung von Kohle, Gas oder Benzin wird nur etwa ein Drittel des Energiegehalts genutzt. Der weitaus größere Anteil geht als Abwärme verloren. Könnte man die Energie aus diesen gewaltigen Abwärmemengen zurückgewinnen und in Strom verwandeln, würde sich die Energieeffizienz deutlich verbessern. Einen möglichen Schlüssel dazu liefern Thermoelektrika, da sie aus Wärme elektrische Energie erzeugen können. Dass die thermoelektrische Energieumwandlung noch nicht weit verbreitet ist, liegt vor allem am geringen Wirkungsgrad der bislang bekannten Materialien. Seit Jahrzehnten stagniert der Gütewert der Materialien bei einem Wert von eins, was einem Wirkungsgrad von weniger als zehn Prozent entspricht. In jüngster Zeit haben Forscher jedoch Wege gefunden, diesen Wert beträchtlich zu steigern. Fachleute glauben, dass man mit Thermoelektrika künftig bis zu zwanzig Prozent der Abwärme technischer Prozesse in elektrische Energie umwandeln kann. In einem Aufsatz in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (Bd. 121, S. 8768) geben Mercouri Kanatzidis und seine Mitarbeiter von der Northwestern University in Evanston (Illinois) einen Bericht über jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der Thermoelektrik.

          Das Phänomen der Thermoelektrik ist seit fast zweihundert Jahren bekannt. Damals beobachtete der deutsch-baltische Physiker Thomas Seebeck, dass ein Temperaturunterschied in einem Metall einen Stromfluss bewirkt. Kurz darauf machte der Franzose Jean Peltier den umgekehrten Effekt publik: Er legte elektrischen Strom an zwei miteinander verbundenen Metallen an und stellte daraufhin einen Wärmetransport von einer Kontaktstelle zur anderen fest. Ihre erste Bewährungsprobe hatten Thermoelektrika dann in der Raumfahrt bei den Apollo-Missionen. Die benötigte Wärme entstammte dem Zerfall von Radioisotopen. Heute werden Raumsonden wie Voyager, Cassini und New Horizons, die sich weit von der Sonne entfernt bewegen, durch Thermogeneratoren auf der Basis von Silizium-Germanium-Legierungen oder Blei-Tellurid mit Elektrizität versorgt. Denn in diesen Regionen ist die Strahlungsintensität der Sonne zu gering für die Stromerzeugung mit Solarzellen.

          Große Wärmeleitfähigkeit senkt die Effizienz

          In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler eine ganze Reihe von Substanzen identifiziert, die sich als Thermoelektrika eignen. Vor allem dotierte Halbleiter verfügen über eine hohe Thermokraft. Erwärmt man sie auf einer Seite, werden dort vermehrt Ladungsträger ins Leitungsband gehoben. Die überschüssigen Elektronen fließen zur kalten Seite und erzeugen dadurch einen elektrischen Strom. Der Gütewert eines Materials wird aber nicht nur durch die Thermokraft bestimmt, sondern auch durch seine thermische und elektrische Leitfähigkeit. Eine hohe Elektronenbeweglichkeit wie in einem Metall steigert den Gütewert. Eine große Wärmeleitfähigkeit senkt dagegen die Effizienz. Hier offenbart sich die Herausforderung für die Wissenschaftler: Will man den Gütewert optimieren, müssen beide Eigenschaften gezielt und getrennt voneinander verändert werden, obwohl sie physikalisch grundsätzlich voneinander abhängen.

          In den vergangenen Jahren sind immer wieder Gütewerte von zwei oder sogar mehr erreicht worden. Die als Skutterudite bezeichneten Mineralien sind recht gute Thermoelektrika. Ihre Kristallstrukturen haben Hohlräume, die große Metallatome aufnehmen können. Diese streuen die Schwingungen des Kristallgitters - die Phononen -, die bei Halbleitern zur Wärmeleitung beitragen. Als Folge sinkt die thermische Leitfähigkeit des Materials. Einen ähnlichen Effekt beobachtet man bei bestimmten Clathraten. Diese Käfigverbindungen sind vor allem für Anwendungen in einem hohen Temperaturbereich interessant, da sie besonders hitzestabil sind. Die Käfige können große Atome aufnehmen. Diese haben darin viel Platz und „klappern“ gewissermaßen in den Käfigen. Dadurch werden ebenfalls Phononen gestreut und die hohe Thermokraft der Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit gepaart.

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