Thermoelektrische Generatoren
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Vattenfall

Abwärme nutzen – Energieeffizienz und Energieautarkie steigern

Wir entwickeln thermoelektrische Module und Systeme auf Basis neuer und bekannter Materialien für die Verstromung von Abwärme.

Abwärmenutzung mit Thermoelektrik

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 (TEG) 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 relevanter Informationen genutzt werden. Hierzu zählen z. B. Anwendungen im Bereich »Internet of Things – IoT«.

Weitere Informationen

Energieautarke Abgasreinigung bei Kleinfeuerungsanlagen

 

Ein Demonstrator für einen luftgekühlten thermoelektrischen Generator (TEG) mit Heatpipe-Wärmeübertrager wurde als Nachrüstlösung für Holzfeuerungsanlagen entwickelt.

Durch Umwandlung eines Teils der noch im Abgasstrom enthaltenen Wärme können bei 12 kW Heizleistung 20 W elektrische Leistung generiert werden. Je nach Betriebspunkt kann mit dieser Leistung z. B. der Strombedarf eines zusätzlich für die Abgasreinigung eingesetzten Verbrauchers (z. B. elektrostatischer Feinstaubabscheider) gedeckt werden, so dass kein Anschluss an das Stromnetz mehr benötigt wird.

 

Kleinfeuerungsanlagen als Nano-BHKW

 

 

Mittels eines direkt in die Holzfeuerungsanlage integrierten TEG lassen sich solche Anlagen zu Nano-BHKW erweitern. Um dies zu demonstrieren, wurde am Institut ein wassergekühlter thermoelektrischer Generator (TEG) für den Einsatz im Feuerungsraum eines Pelletofens entwickelt.

Mit diesem TEG konnten bei Nennlast des Ofens (12 kW Heizleistung) > 100 W elektrische Leistung generiert werden. Abhängig vom Betriebspunkt reicht dies aus, um den Eigenstrombedarf des Ofens und ggf. weiterer elektrischer Verbraucher zu decken.

Thermoelektrisches Messlabor

 

 

Umfassende Charakterisierung von thermoelektrischen Modulen und Peltierelementen

Wir verfügen über Messtechnik und Know-how zur Charakterisierung thermoelektrischer Module im Hinblick auf Effizienz, Langzeitstabilität und thermoelektrische Eigenschaften.

 

 

Abwärme als Energiequelle

Mehr als die Hälfte der eingesetzten Primärenergie geht ungenutzt als Abwärme verloren. Lesen Sie, wie thermoelektrische Generatoren diese riesige Energiequelle - etwa in Industrieanlagen oder im Haushalt - nutzen können.

TEG-Systeme im Betrieb

Im Rahmen der Projekte »POWERSTEP«, »TeWaB« und »Thermoelektrik-BHKW« – gefördert von der EU, vom Land Baden-Württemberg und dem Badenova Innovationsfonds – entwickelte Fraunhofer IPM komplette TEG-Systeme. Die TEG-Systeme wurden am hauseigenen Heißluftprüfstand getestet und in Feldtests an Blockheizkraftwerken betrieben. Die Vorteile gegenüber anderen Technologien zur Abwärmeverstromung spielen TEG besonders bei der Anwendung in Nano- und Mikro-BHKW (P ≤ 20 kWel) aus.

Projekt

Abschlussbericht TeWaB

Wirkungsgradsteigerung eines BHKW mittels thermoelektrischem Wärmetauscher

 

Projekt

Abschlussbericht Powerstep

Full-scale technico-economical performances of options for heat to electricity conversion in WWTP

Projekt BioFfit

Biomasse-Feuerung für die Zukunft fit machen

Entwicklung eines hocheffizienten Partikelabscheiders für den typischen Leistungsbereich von Einzelholzfeuerungsstätten.

 

 

Kompetenzen

Erfahren Sie hier mehr über unser Know-how im Bereich thermoelektrischer Abwärmenutzung.