Thermoelektrik

Thermoelektrik: Stromquelle mit Zukunft

Was bisher als Abwärme ungenutzt in die Umgebung verschwindet, wird für thermoelektrische Generatoren eine Quelle für Energie sein.

Thermoelektrische Effekte wurden bereits im frühen 19. Jh. von Johann Seebeck und Jean Peltier entdeckt, allerdings dauerte es bis in die 1950er Jahre, bis sie auch verstanden wurden. Seither wird daran gearbeitet, diese Effekte in der Praxis zu nutzen. Thermoelektrische Kühler sind bereits seit langer Zeit im Einsatz. Thermoelektrische Generatoren hingegen waren auf dem Markt bislang nur in sehr speziellen Nischen erfolgreich. Mit der jüngsten Entwicklung der Nanotechnologie sind inzwischen die Möglichkeiten geschaffen, diese besser und billiger herzustellen.

Für einen thermoelektrischen Generator oder Kühler sind sowohl der Seebeck- als auch der Peltier-Effekt essentiell. Der Seebeck-Effekt beschreibt den Zusammenhang zwischen einer elektrischen Spannung und einer Temperaturdifferenz, d.h. eine Temperaturdifferenz erzeugt eine elektrische Spannung.

Eine elektrische Spannung treibt in einem Stromkreis einen elektrischen Strom, wobei am Übergang von zwei Materialien der Peltier-Effekt ins Spiel kommt, der für die eigentliche Umwandlung von Wärme in Strom und umgekehrt sorgt.

Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche elektronische Eigenschaften: Für thermoelektrische Anwendungen sind speziell die energetischen Niveaus der Ladungsträger ausschlaggebend. Am Übergang zweier Materialien treffen diese unterschiedlichen Niveaus aufeinander. Ladungsträger (Elektronen), die von einem Material in das andere überwechseln, müssen entweder Energie aus der Umgebung aufnehmen, um auf ein höheres Niveau zu gelangen, oder aber Energie abgeben, um auf das niedrigere Niveau zu kommen. Diese Energie der Umgebung ist Wärme, daher wird auf einer Seite eines thermoelektrischen Generators oder Kühlers Wärmeenergie absorbiert, d.h. die Temperatur dieser Seite sinkt, während auf der anderen Seite Wärmeenergie freigesetzt wird, d.h. die Temperatur steigt.

Bei einem thermoelektrischen Kühler wird der elektrische Strom mittels einer externen Spannung eingeprägt. Ein thermoelektrischer Generator versorgt sich mittels der Seebeck-Spannung selbst mit Strom, sobald eine Temperaturdifferenz in Erscheinung tritt.

Wirkungsgrade

Leider wird dabei nicht die gesamte Wärme direkt in Strom gewandelt, da es sich um thermodynamische Systeme handelt und zusätzlich noch die Wärme durch Wärmeleitung ungenutzt von der heißen zur kalten Seite gelangt. Darum müssen die eingesetzten Materialien gute elektrische, aber schlechte Wärmeleiter sein.

Die Natur bietet uns solche thermoelektrischen Materialien an, etwa Bi₂Te₃. Um höhere Wirkungsgrade zu erzielen müssen aber sowohl die Materialeigenschaften als auch die Bauteileigenschaften der Generatoren optimiert werden.