Thermoelektrik: Uralter Effekt mit großen und kleinen Wirkungen

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Überall auf der Welt verpufft Wärme ungenutzt. Das muss nicht sein. Denn thermoelektrisches „Energy Harvesting“ könnte daraus in jeder Größenordnung Strom erzeugen. Für ein erstes kommerzielles Produkt sorgt jetzt endlich ein Start-Up.

Mehr als die Hälfte der Energie geht heute ungenutzt als Abwärme verloren. Ein prominentes Beispiel ist das Auto. Nur ein Drittel des Treibstoffes sorgt für Fortbewegung. Ähnlich verschwenderisch verhalten sich stationäre Verbrennungsmaschinen wie etwa Blockheizkraftwerke oder industrielle Verbrennungsanlagen.

Deswegen arbeiten Forscher weltweit an der Umwandlung von Wärme aus Verbrennungsprozessen in Strom. Die Physik dazu ist bereits seit fast 200 Jahren bekannt. Johann Seebeck entdeckte damals, dass sich an einer Kontaktstelle aus zwei verschiedenen Metallen oder Halbleitern eine Spannung aufbaut, wenn sie an unterschiedlichen Temperaturen liegen. Die Thermospannung hängt dabei von der Kombination der verwendeten Materialien und der Temperaturdifferenz ab. 13 Jahre später fand Jean Peltier dann heraus, dass es auch andersherum geht: „Elektrischer Strom führt zu Temperaturdifferenz“. Was sich so einfach anhört, macht jedoch bei der technischen Umsetzung nach wie vor Probleme.

Thermoelektrik und Abgas

Spezielle Anwendungen funktionieren allerdings schon seit Jahrzehnten. So speist etwa eine Atombatterie, welche die thermische Energie des spontanen Kernzerfalls eines Radionuklids in elektrische Energie umwandelt, die Voyagersonde seit vierzig Jahren. Ohne mechanische Komponenten ist sie praktisch wartungsfrei.

Eine „irdischere“ Anwendung könnten thermoelektrische Generatoren zukünftig in Fahrzeugen finden. Dort sollen sie den Spritverbrauch um bis zu fünfzehn Prozent senken. Dazu wird der Strom für die Bordelektronik aus der Abgasverlustwärme gewonnen. Ein erstes System von BMW, das 2008 der Öffentlichkeit gezeigt wurde, erzeugte eine elektrische Leistung von maximal 200 Watt. Serienreife Lösungen sind allerdings immer noch nicht Sicht.

Kleinvieh macht auch Mist

Aber es geht auch sehr viel kleiner. Bei autarken Stromversorgungen von Geräten mit geringem Energiebedarf hat die Thermoelektrik ein ebenso großes Potenzial. Nach dem Prinzip des Energy Harvestings generiert sie dort selbstständig Energie aus der Umgebung.

Etwa für drahtlose Sensornetzwerke in smarten Fabriken. Dafür haben Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und des Instituts für Physikalische Chemie und Elektrochemie (PCI) der Leibniz Universität Hannover flexible thermoelektrische Generatoren aus einer Calciumkobaltoxid-Paste entwickelt, die sich günstig und skalierbar in einem einfachen Siebdruckprozess verarbeiten lässt.

Thermoelektrik
Der „Zuckerwürfel“ lässt sich einfach in Elektronik-Produkte integrieren. (Bild: Ortego).

Auf das selbe Marktsegment zielt der erste am Markt erhältliche, gedruckte thermoelektrische Generator des Karlsruher Start-ups Otego. Nicht größer als ein Zuckerwürfel soll sich der „oTEG“ für die Energieversorgung von drahtlosen Sensoren zur Zustandsüberwachung von Maschinen und Einrichtungen in der Industrie (Condition Based Maintenance) sowie für die Gebäudeautomation einfach in Elektronikprodukte integrieren lassen. Polymermaterialien machen ihn flexibel und unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen. Die Einsatztemperaturen reichen von -55 bis +85 °C. Durch die hohe Ausgangsspannung im einstelligen Volt-Bereich lässt er sich in Standard-Elektronikkomponenten einsetzen.

Mit Bleistift und Papier

Dass Thermoelektrik nicht unbedingt „komplizierte“ Materialien und Herstellungsverfahren benötigt, haben nun Forscher vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) gezeigt. Der preiswerte und umweltfreundliche Generator kommt mit einem normalen Bleistift, Kopierpapier und einem leitfähigen Kunststofflack aus.

Konkret liefern die Bleistift-Proben (Graphit) bei einem Temperaturunterschied von 50 Grad Celsius etwa eine Spannung von 0,875 Millivolt. Dieses Ergebnis ist vergleichbar zu anderen, weitaus teureren Nanokompositen, die bisher für biegsame thermoelektrische Elemente genutzt werden. Die Zugabe von Indium-Selenid würde diesen Wert sogar noch verzehnfachen.

Mit diesen einfachen Zutaten könnten sich künftig thermoelektrische Baulemente auf Papier drucken lassen, die äußerst preiswert, umweltfreundlich und ungiftig sind. Solche winzigen und biegsamen Bauelemente wären auch direkt am Körper einsetzbar und könnten die Körperwärme nutzen, um kleine Geräte oder Sensoren zu betreiben.

Thermoelektrik (Bild: Helmholtz-Zentrum Berlin)

Bleistift, Kopierpapier und ein leitfähiger Kunststofflack reichen aus, um eine Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Effekt in Strom umzuwandeln. (Bild: Helmholtz-Zentrum Berlin).