Energie Wettlauf um Strom aus Wärme

Mit Thermo-Generatoren lässt sich aus Wärme Strom gewinnen. Nach 50 Jahren des Stillstands ist es Forschern gelungen, den Wirkungsgrad der Generatoren zu verdreifachen. Jetzt läuft der Rennen um die erste marktreife Anwendung.

Von Gregor Honsel


Thermoelektrische Elemente haben es weit gebracht - so etwa an Bord der Raumsonde "Voyager 1" runde 15 Milliarden Kilometer ins Weltall, wo sie seit 20 Jahren zuverlässig die Wärme von zerfallenden Radioisotopen in Strom verwandeln. Auch für viele irdische Anwendungen wären solche Thermoelektrischen Generatoren (TEG), die schon relativ geringe Temperaturdifferenzen in elektrische Energie verwandeln können, ideal. Doch bisher war ihr Wirkungsgrad zu niedrig und ihre Herstellung zu aufwendig für eine breitere Nutzung.

Strom aus der hohlen Hand: Schon Körperwärme reicht zur Erzeugung einer Spannung
IIS Fraunhofer

Strom aus der hohlen Hand: Schon Körperwärme reicht zur Erzeugung einer Spannung

Das wird sich in absehbarer Zeit ändern. Forscher konnten im Labor bereits die fast fünfzig Jahre lang stagnierende Effizienz von TEGs mehr als verdreifachen. Nun hat ein weltweites Wettrennen begonnen, diese Erkenntnisse auf die Produktion im großtechnischen Maßstab zu übertragen. "Wem das zuerst gelingt, der kann sich eine goldene Nase verdienen", sagt Harald Böttner, Leiter der Abteilung für Thermoelektrische Systeme am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg.

Die Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom beruht auf dem sogenannten Seebeck-Effekt: Elektronen werden unter Wärme beweglicher, zwischen warmem und kaltem Ende eines Metalls oder eines Halbleiters entsteht also eine unterschiedliche Elektronenkonzentration. Wie effizient ein Material Wärme in Strom umwandelt, wird mit dem ZT-Wert angegeben. Er hängt von einem für jede Verbindung spezifischen Seebeck-Koeffizienten S, der thermischen Leitfähigkeit k (Kappa) und dem elektrischen Leitwert o (Sigma) ab und errechnet sich nach der Formel S2o/k.

Jahrzehntelang stagnierte der ZT-Wert bei 1, doch zuletzt konnten Forscher ihn bis auf etwa 3,5 verbessern. Dazu mussten sie, wie es Böttner formuliert, "die Physik austricksen". Denn für einen guten Wirkungsgrad muss die thermische Leitfähigkeit klein, die elektrische aber groß sein - und beide sind eng miteinander verkoppelt. Den Durchbruch brachte Anfang dieses Jahrzehnts die Nanotechnologie. Beim heute am meisten verfolgten Ansatz werden Nanometer-dünne Lagen aus thermoelektrisch unterschiedlich aktivem Material aufeinandergelegt. Die dadurch entstehenden Grenzflächen behindern den Wärmetransport, nicht aber den Strom.

Dirk Ebling, ebenfalls Forscher am Freiburger Fraunhofer-Institut, setzt auf eine weitere Methode. Statt dünner Schichten nutzt er ein Gemisch reiner Thermoelektrika, die aber keinen gemeinsamen Kristall bilden, sondern aus verpressten Nano-Kristallen bestehen. "Durch einen großen, wohlgeordneten Kristall geht eine Wärmewelle ungehindert durch - bei vielen kleinen Kristallen wird sie von den Grenzflächen aufgehalten", erläutert Ebling das Prinzip.

Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik an der TU Wien forscht an einem dritten Weg zu effizienteren TEGs. Basis dafür sind sogenannte Skutterudite - Erze zum Blaufärben von Porzellan. Deren Kristallstruktur formt einen Käfig, in den sich thermoelektrisch aktive Elemente wie Strontium oder Barium einsperren lassen. Dort können sie zwar "rasseln", wie es im Forscherjargon heißt, aber ihre Bewegung und damit ihre Wärmeenergie nicht weitergeben. "Die thermische Leitfähigkeit wird dadurch bis an den Rand des theoretischen Limits gesenkt", sagt Bauer. Bisher enthielten die Käfige der Skutterudite allerdings giftige Elemente wie Arsen. Bauer und seinem Team ist es nun gelungen, stattdessen Käfige aus Germanium und Platin zu bauen. Derzeit sucht er noch nach einem preiswerteren Ersatz für das Platin.

Eine weitere Schwierigkeit ist die niedrige Spannung, die herkömmliche TEGs bei geringen Temperaturunterschieden erzeugen - um auf technisch verwertbare Voltzahlen zu kom- men, müssen sehr viele thermoelektrische Elemente hinterein- ander geschaltet werden. Die Firma Micropelt, hervorgegangen aus einem Projekt des Fraunhofer-Instituts mit Infineon, konnte die einzelnen Elemente schon um drei Zehnerpotenzen verkleinern und damit die Spannungsausbeute pro Fläche vervielfachen. Von der anderen Seite nähert sich das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen dem Problem: Es hat einen Wandler entwickelt, der niedrige Gleichspannungen relativ verlustarm in höhere transformiert.

"So etwas spielt uns natürlich in die Hände", sagt Böttner. Ihm schweben als Anwendungen autarke Sensoren vor, die gespeist von Körperwärme medizinische Daten erfassen und senden. Noch stärker als die Stromerzeugung profitiert die thermoelektrische Kühlung von den Fortschritten in der Forschung. "Die maximal mögliche Temperaturdifferenz bei der Kühlung ist direkter an den ZT-Wert gekoppelt als die Stromerzeugung", sagt Böttner. Durch den sogenannten Peltier-Effekt kühlt ein thermoelektrisches Element ab, wenn es von Strom durchflossen wird. Schon heute arbeiten elektrische Camping-Kühlboxen oder Auto-Sitzkühlungen mit Peltier-Elementen. Durch Miniaturisierung und neue Materialien kommen Leistungsdichten von einigen Hundert Watt pro Quadratzenti- meter in Reichweite - und damit neue Anwendungen wie die Kühlung von Computer-Prozessoren.

Die Fraunhofer-Forscher arbeiten derzeit mit BASF an TEGs, die Abwärme von Autos ernten sollen. Die Rekord-Effizienzen aus dem Labor werden es dabei wohl nicht bis auf den Markt schaffen. Doch schon ab einem ZT-Wert von 1,5 gilt eine breite wirtschaftliche Nutzung als rentabel; und bei einer Gütezahl von 2 rechnet Böttner mit einer Verzehnfachung des Marktvolumens.


© Technology Review, Heise Zeitschriften Verlag, Hannover

Mehr zum Thema


© SPIEGEL ONLINE 2008
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.