Viel Niedertemperatur-Abwärme aus technischen Prozessen gelangt in der Schweiz mangels geeigneter Technologien ungenutzt in die Umwelt. Mithilfe von thermoelektrischen Materialien könnte diese bisher verschwendete Energie in Strom umgewandelt werden. Zurzeit wird die Nutzung der Technik in Pilotprojekten erkundet. Auch Anwendungen im Gebäudebereich könnten in Zukunft zur Effizienzsteigerung beitragen.

Bild: Limeco Dietikon (© ZAV 2010)

Die Kehrichtverwertungsanlagen (KVA) der Schweiz könnten mit Abwärme, die sie bisher einfach verpuffen lassen, 10 Megawatt zusätzliche elektrische Leistung bereitstellen. Das entspricht der Produktionskapazität von 3 grossen Windrädern. Zu diesem Schluss kam eine Studie im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE). An der Untersuchung beteiligt waren die Empa, die Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) und die Firma Neumann Consult AG aus Windisch. Der im Jahr 2016 veröffentlichte Abschlussbericht zur Studie befasst sich mit möglichen Anwendungen der Thermoelektrik. Darunter verstehen Fachleute spezielle Materialien bzw. Systeme, die aus einer Temperaturdifferenz in ihrem Innern eine elektrische Spannung erzeugen. Thermoelektrische Materialien wurden bereits vor rund 200 Jahren entdeckt. Doch bis heute beschränkt sich ihre Verwendung auf ein paar Nischenbereiche ohne grossen Einfluss auf die Energieversorgung.

Bild: Thermoelektrisches Modell auf dem Teststand der Empa in Dübendorf bei 700°C auf der oberen heissen Seite und 80°C auf der unteren kalten Seite. Quelle: „Empa, Materials for Energy Conversion“.

Die Thermoelektrik basiert auf einem seltenen physikalischen Phänomen: In bestimmten Materialien stellt sich auf Grund einer Temperaturdifferenz zwischen einem kalten und einem warmen Ende eine elektrische Spannung ein. Mit anderen Worten: Wärme wird direkt in Elektrizität umgewandelt. Dieser nach seinem Entdecker benannte Seebeck-Effekt wird etwa in der Raumfahrt genutzt: Weltraumsonden, die zu weit weg von der Sonne unterwegs sind, können nicht mehr mit Photovoltaik versorgt werden. Stattdessen dient ein thermoelektrischer Generator als Stromquelle. Dieser wird mit der Wärme aus dem Zerfall von Plutoniumatomen versorgt.

Materialtechnische Hürde

Die noch bescheidene Verbreitung der Thermoelektrik ist in erster Linie auf das Fehlen von Materialien mit den erforderlichen Eigenschaften zurückzuführen. Dass es so schwierig ist, gute thermoelektrische Materialien zu finden, hat wiederum einen fundamentalen physikalischen Grund. „Ein gutes thermoelektrisches Material muss gleichzeitig ein guter elektrischer Leiter und ein Wärmeisolator sein. Diese Eigenschaften kommen aber selten paarweise in ein und demselben Stoff vor. Denn gute Stromleiter sind physikalisch bedingt in der Regel auch gute Wärmeleiter“, erläutert Corsin Battaglia, der an der Empa in Dübendorf thermoelektrische Werkstoffe erforscht.

Die bereits seit den 1960er Jahren kommerziell etablierten Thermoelektrika bestehen aus dem seltenen Metall Tellur und einem weiteren Schwermetall wie Blei oder Wismut. Darauf  basierende thermoelektrische Systeme für die Umwandlung von Wärme in Strom punkten mit einer langen Lebensdauer, hoher Zuverlässigkeit und niedrigen Wartungskosten. Sie weisen zudem in der Regel ein kleines Volumen auf und werden ohne merkliche Lärmemissionen oder Vibrationen betrieben. Von Nachteil sind aber noch die hohen Anschaffungskosten, die hauptsächlich aus der Verwendung seltener und somit teurer Materialien wie Tellur herrührt. Die kurzen Payback-Perioden von wenigen Jahren, die im industriellen Umfeld verlangt sind, verbieten zurzeit den Einsatz thermoelektrischer Systeme zur Rückgewinnung der Energie aus industrieller Abwärme. So hält die BFE-Studie fest, dass die Thermoelektrik für die Stromgewinnung aus Industrieabwärme mit einer zu langen Amortisationszeit belastet wäre. Lohnen würde sie sich nur, wenn der Strompreis das Fünffache des heutigen Wertes erreichen würde. Die Thermoelektrik hat aber Chancen, ökonomisch konkurrenzfähig zu sein und auch ökologisch einen Mehrwert zu bieten, wenn Amortisationszeiten von 25 Jahren oder mehr akzeptiert werden können und die Abwärme auf einem Temperaturniveau unter 100°C vorliegt.

Chancen in der Gebäudetechnik

Neben den KVA gäbe es auch in der Gebäudetechnik entsprechende Anwendungsfälle mit erheblichem Potenzial. Bei Gebäuden beträgt die Nutzungsdauer mehrere Jahrzehnte. Da kann sich eine Amortisationszeit von 20 bis 25 Jahren noch als wirtschaftlich tragbar erweisen. Das wohl grösste Potenzial orten die Studienautoren in grossen Kühlhäusern und Rechenzentren. Hier kann die Niedertemperatur-Abwärme mit potentiell genügender Effizienz thermoelektrisch verstromt werden. Technische Voraussetzung dafür ist die Verwendung von plattenförmigen Wärmetauschern, an denen die thermoelektrischen Module angebracht werden können. Mit einer selbstgebauten Pilotanlage, deren Wärmeleistung bei 1 Kilowatt liegt, untersucht die Neumann Consult AG zurzeit, welche Effizienz die thermoelektrische Rückgewinnung von Abwärme im Bereich zwischen 50 und 65 Grad Celsius in der Praxis erzielen kann. Die Firma hat bereits anhand eines Migros-Kühlhauses in Neuendorf (SO) gezeigt, dass aus der 65 Grad warmen Abluft der dort eingesetzten Kühlmaschine jährlich ein thermoelektrisch generierter Stromertrag von 875 MWh möglich wäre. Damit liesse sich der Strombedarf von 290 Vier-Personen-Haushalten abdecken.

Bild: An der Empa entwickelter thermoelektrischer Generator von der Grösse 30 mm x 30 mm x 6 mm. Quelle: „Empa, Materials for Energy Conversion“.

Hoffnung im Auspuff

Die wohl grössten Erwartungen weckt die Thermoelektrik zurzeit aber im Fahrzeugbereich. Die Automobilindustrie ist – zumindest in Europa – weiterhin auf der Suche nach Möglichkeiten der Effizienzsteigerung. Die Motorentechnik stösst dabei aber an ihre Grenzen. Und hier könnten thermoelektische Generatoren durch die Rückgewinnung von Wärme aus den Abgasen der Verbrennung einen Beitrag leisten. Corsin Battaglias Team an der Empa entwickelt gerade ein solches thermoelektrisches Modul. Die Dübendorfer Gruppe konzentriert ihre Suche auf sogenannte Halb-Heusler-Legierungen. Diese Materialien können auch bei hohen Temperaturen von über 600 Grad Celsius eingesetzt werden und erzielen bei der thermoelektrischen Umwandlung Wirkungsgrade von bis zu 10 Prozent. Ein weiterer Vorteil dieser Materialien liegt darin, dass sie kein Tellur enthalten. Die Forscher prüfen gegenwärtig, ob sich der Alternator, der an Bord zum Beispiel Strom für die Leuchten liefert, durch einen solchen thermoelektrischen Generator ersetzen liesse. Langfristig wird der Erfolg der Thermoelektrik wohl nach wie vor vom Gelingen der Forscher abhängen, die nach Materialien mit höherer thermoelektrischer Effizienz suchen. „Ein Wundermaterial haben wir in der Thermoelektrik zurzeit nicht“, sagt Battaglia. Man könne aber nicht ausschliessen, dass ein solches irgendwann in einem Forschungslabor gefunden wird. „Allerdings dauert es in der Regel um die 20 Jahre, bis aus der Laborentdeckung ein marktfähiges Produkt wird“, schränkt der Physiker ein.

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