Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln Abwärme direkt in die höherwertige Energieform elektrischer Strom um – lautlos und ohne bewegliche Teile. Abwärme fällt in zahlreichen Prozessen in großen Mengen an und bleibt heute für die Wärmerückgewinnung oftmals ungenutzt. Dies gilt zum Beispiel für Schmelzöfen oder industrielle Verbrennungs- und Trocknungsanlagen. Aber auch bei Anwendungen wie Blockheizkraftwerken, die Abgaswärme bereits zum Erwärmen von Wasser verwenden, können TEG dazu genutzt werden, anteilig mehr Strom zu generieren und so den elektrischen Wirkungsgrad der Anlagen zu steigern.
Vom Modul zum System – thermoelektrische Generatoren sind robust, geräusch- und wartungsarm.
In thermoelektrischen Systemen sind die eigentlichen Träger der Energiewandlung bestimmte thermoelektrisch aktive Halbleitermaterialien. Verbindet man diese Materialien miteinander und erzeugt eine Temperaturdifferenz an den Verbindungsstellen, so entsteht ein elektrisches Feld. Dieser grundlegende Effekt ist die Basis kompakter thermoelektrischer Module (TEM). Ein thermoelektrischer Generator entsteht in Verbindung mit Wärmeübertragern für heiße und kalte Medien und dazwischen eingespannten TEM. Diese passiven Bauelemente kommen ohne bewegte Teile aus, sind nahezu wartungsfrei und aufgrund ihrer Kompaktheit gut in bestehende Systeme integrierbar. Die Systeme sind modular aufgebaut und können daher gut skaliert und für unterschiedliche Abwärmequellen adaptiert werden.
Steigerung der elektrischen Effizienz von Blockheizkraftwerken (BHKW)
Vielversprechend ist der Einsatz von TEG in der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), z. B. zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads von Blockheizkraftwerken (BHKW). Im Rahmen verschiedener Projekte wurden am Fraunhofer IPM komplette TEG-Demonstrator-Systeme entwickelt, am hauseigenen Heißluftprüfstand getestet und in Feldtests an Blockheizkraftwerken betrieben. Dabei kamen am Institut gefertigte, speziell auf die Anwendung zugeschnittene Halb-Heusler Hochtemperatur-TE-Module zum Einsatz. Vorteile gegenüber anderen Technologien zur Abwärmeverstromung können TEG dabei besonders in Nano- und Mikro-BHKW (P ≤ 20 kWel) ausspielen.
Kleinfeuerungsanlagen als Nano-BHKW
Kleinfeuerungsanlagen können durch die Nutzung von Abwärme mithilfe von TEG künftig zu kleinen Kraftwerken erweitert werden. Solche Nano-BHKW erzeugen neben Wärme auch Strom. Möglich ist auch, die Abwärme z. B. im Abgasrohr von Kamin- und Kachelöfen in elektrischen Strom umzuwandeln, um damit eine energieautarke Regelungstechnik, Feinstaubabscheidung oder Anbindung an ein Smarthome-Netzwerk zu ermöglichen. Dieses Thema erforschen wir aktuell im Projekt »BioFfit – Biomasse-Feuerung für die Zukunft fit machen«. Dabei soll mithilfe der Thermoelektrik im typischen Leistungsbereich von Einzelholzfeuerungsstätten ausreichend Strom für eine geregelte Verbrennung und den Einsatz eines Feinstaubabscheiders generiert werden – so können die Emissionen von Kleinfeuerungsanlagen deutlich reduziert werden.
Energy harvesting
Thermoelektrische Generatoren können zudem zur Umwandlung kleinster Energiemengen in Strom für die Messung und Übertragung von Sensorsignalen genutzt werden. Hierzu zählen z. B. Anwendungen im Bereich »Internet of Things – IoT«.
