Abwärme nutzen – Energieeffizienz steigern

Fraunhofer IPM entwickelt thermoelektrische Module und Systeme auf Basis neuer und bekannter Materialien für die Verstromung von Abwärme

Abwärmeverstromung

Abwärmenutzung mit Thermoelektrik

Mit Hilfe der Thermoelektrik wird Abwärme, die in vielen Prozessen kostenlos und in großen Mengen zur Verfügung steht, lautlos und ohne bewegliche Teile, direkt in die höherwertige Energieform elektrischer Strom gewandelt. Abwärme, die ansonsten ganz oder teilweise völlig ungenutzt bliebe.

In Verbrennungsprozessen gehen heute über 60 Prozent der chemischen Energie verloren –  vor allem als Abwärme. Ein prominentes Beispiel ist das Automobil, bei dem lediglich ein Drittel der im Treibstoff chemisch gespeicherten Energie zur Fortbewegung genutzt wird. Aber auch in stationären Verbrennungsmaschinen (z. B. Blockheizkraftwerken),  industriellen Verbrennungsanlagen, Schmelzöfen (z. B. in der Metall- und Glasindustrie) oder in Trocknungsanlagen (z. B. in der Zementproduktion) bleiben große Mengen an Wärmeenergie ungenutzt.

Effiziente Materialien für das »Energy Harvesting«

Weltweit arbeiten Forscher mit Hochdruck an den Voraussetzungen für das thermoelektrische »Energy Harvesting«, der Umwandlung von Abwärme aus Verbrennungsprozessen in Strom. Dazu gehören vor allem effizientere TE-Materialien und optimierte Fertigungsprozesse, an denen Wissenschaftler am Fraunhofer IPM forschen.

Eigentliche Träger der Energiewandlung sind verschiedene, teilweise gut bekannte, und industriell verarbeitbare Halbleitermaterialien. Verbindet man zwei unterschiedliche thermoelektrisch aktive Materialien miteinander und erzeugt eine Temperaturdifferenz an den Verbindungsstellen, so entsteht ein elektrisches Feld. Legt man umgekehrt Strom an die Verbindungsstellen an, so ergibt sich ein Temperaturgefälle. Wie viel Strom erzeugt wird und wie groß der Kühleffekt ist, hängt maßgeblich von der Güte des thermoelektrischen Materials ab. Der ZT-Wert, der die Effizienz thermoelektrischer Materialien beschreibt, stagnierte über Jahrzehnte hinweg bei 1 – zu gering für die Abwärmenutzung. Dank neuer Materialklassen erreicht Fraunhofer IPM inzwischen Laborwerte, die deutlich darüber liegen. Als Rentabilitätsschwelle für eine wirtschaftliche Nutzung thermoelektrischer Generatoren gelten Werte um 1,5 bis 2. Inwieweit TEG in Zukunft zur Abwärmenutzung eingesetzt werden können, steht und fällt mit der Materialgüte.

Wartungsfreie, langlebige Generatoren

Aufgrund ihrer Funktionsweise ohne bewegliche Teile sind thermoelektrische Generatoren wartungsfrei und langlebig. Sie lassen sich zudem leichter skalieren, wodurch sowohl kleine, mittlere aber auch große Abwärmequellen erschlossen werden können.

Fraunhofer IPM verfügt im Bereich der thermoelektrischen Messtechnik über einen Know-how-Vorsprung. Die Messungen werden auch als direkte Dienstleistungen durchgeführt. Neu entwickelt wurde ein Heißgasprüfstand, mit dem TE-Systeme bei Temperaturen bis 700 °C getestet und auch sehr schnell zykliert werden können. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung geschaffen, dass realitätsnahe Tests nicht nur von Modulen sondern auch von prototypischen Systemen vor Einbau in die jeweilige Anlage durchgeführt werden können. Mit den Messergebnissen können zudem die Simulationswerte überprüft bzw. angepasst werden.

Öffentlich geförderte Projekte im Bereich »Abwärmeverstromung«

Projekt TE-BHKW

Effizienzsteigerung von BHKW durch thermoelektrische Stromerzeugung

Projekt TeWab

Wirkungsgradsteigerung eines BHKW

Projekt POWERSTEP

Energiepositive Klärwerke

Projekt AddiTEG

Additive Fertigung von Thermogeneratoren

Projekt thermoHEUSLER

Thermoelektrische Generatoren zur Integration in Verbrennungsmotoren

Projekt Abwärmeatlas

Erhebung, Abschätzung und Evaluierung von industrieller Abwärme in Deutschland - Potentiale und Forschungsbedarf