Haustech 5/2017

Ohne Umwege zu Strom

Thermoelektrisches Modell auf dem Teststand der Empa in Dübendorf. Die obere heisse Seite ist 700 Grad heiss, die untere kalte Seite 80 Grad. (Bild: Empa)
Der Wärmeflusssensor des Startups Green TEG ermöglicht eine messtechnische Bestimmung des U-Wertes von Teilen der Gebäudehülle. (Bild: Green TEG)
Leonid Leiva /

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.

Die Kehrichtverwertungsanlagen der Schweiz könnten mit Abwärme, die sie bisher einfach verpuffen lassen, zehn Megawatt an zusätzlicher elektrischer Leistung bereitstellen. Das entspricht dem Output von gut drei grossen Windrädern. Diese und weitere Aussagen über das noch ungenutzte Potenzial für eine weitere Steigerung der Energieeffizienz durch Anwendung thermoelektrischer Materialien sind in einer Studie enthalten, die das Bundesamt für Energie (BFE) in Auftrag gegeben hatte. 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 enthält auch eine Beurteilung der möglichen Anwendungen der Thermoelektrik im Gebäudebereich. Insbesondere dort, wo infolge von Kühlungsprozessen Abwärme mit tiefem Temperaturniveau anfällt, lies se sich dank thermoelektrischer Systeme die Energieeffizienz deutlich steigern.

Die Thermoelektrik basiert auf einem bereits vor rund 200 Jahren entdeckten physikalischen Phänomen: In bestimmten Materialien stellt sich aufgrund 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 bisher nur in Nischenanwendungen genutzt. So etwa in der Raumfahrt: Weltraumsonden, die zu weit weg von der Sonne unterwegs sind, können nicht mehr mit Photovoltaik versorgt werden. Stattdessen dient ein thermoelektrischer Generator, der Wärme aus dem Zerfall von Plutoniumatomen bezieht, als Stromquelle an Bord.

Auch das Gegenteil des Seebeck-Effekts – die absichtliche Erzeugung eines Temperaturgradienten mittels Elektrizität – bleibt bisher mit sogenannten Peltier-Elementen auf einem reduzierten Einsatzgebiet beschränkt. So funktionieren zum Beispiel tragbare Kühlboxen oder die Kühlung von Infrarotkameras auf der Basis von thermoelektrischen Materialien.

Materialtechnische Hürde

Die noch bescheidene Verbreitung der Thermoeletrik 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 in 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 im Gegensatz zur vergleichsweise schnelllebigen Industrie noch als wirtschaftlich tragbar erweisen. Das wohl grösste Potenzial orten die Studienautoren in grossen Kühlhäusern und Rechenzentren. Hier kann die Niedertemperatur-Abwärme mit potenziell 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 einen 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.

Mit weiteren Nischenanwendungen der Thermoelektrik im Gebäudetechnik-Umfeld hat in den letzten Jahren ein Spinoff der ETH Zürich, die Jungfirma Green TEG, auf sich aufmerksam gemacht. Die Ingenieure von Green TEG haben zuerst ein Heizungsventil entwickelt, das Strom aus einem Teil der Heizwärme thermoelektrisch gewinnt und per Funk mit der Gebäudeautomation kommuniziert. Dieses Produkt verfolgt die Firma allerdings nicht mehr. Dafür aber einen Wärmeflusssensor, der sich ebenfalls thermoelektrisch mit Strom versorgt. Der Fühler ist empfindlich genug, um auch in sehr gut gedämmten Gebäuden mit Minergie-Zertifizierung kleinste Wärmeverluste durch die Gebäudehülle zu messen. Der Sensor ist einmalig, weil es die direkte messtechnische Bestimmung des U-Wertes von Teilen der Gebäudehülle vor Ort ermöglicht.

Hoffnung im Auspuff

Die wohl grössten Erwartungen weckt die Thermoelektrik zurzeit aber in Offgrid-Anwendungen, insbesondere 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 thermoelektrische 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 zehn Prozent. Im Fokus der Aufmerksamkeit von Battaglias Arbeit liegen unter anderem Materialien auf der Basis von Zinn, Titan und Nickel. Das Material fabrizieren die Forscher selber im Labor. Dazu werden die drei Bestandteile zu einem feinen Pulver gemahlen und zusammengepresst, wodurch man am Ende einen keramischen Werkstoff erhält. Anschliessend schneiden die Wissenschaftler ihre Keramik mithilfe eines Diamantdrahtschneiders. Die aufwendige Verarbeitung ist notwendig, um einen Werkstoff mit einer möglichst geringen Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.

Ein Vorteil dieser Materialien liegt darin, dass sie kein Tellur enthalten und somit in der Anschaffung günstiger sind. Zudem ermöglicht die Stabilität bei sehr hohen Temperaturen um die 600 Grad auch den Einsatz in Fahrzeugen. Mittel- bis langfristig wollen Battaglia und seine Mitstreiter ein thermoelektrisches Modul bauen, das die Wärme aus den Autoabgasen nutzt, um Strom zu erzeugen. Die Forscher prüfen gegenwärtig, ob sich dadurch der Alternator, der an Bord zum Beispiel Strom für die Leuchten liefert, ersetzen liesse. Ein erstes Modell ihres thermoelektrischen Generators haben sie bereits gebaut und Tests seiner Leistungsfähigkeit laufen zurzeit in Dübendorf.

«Verbrennungsmotoren sind heute, was den Wirkungsgrad anbelangt, bereits sehr stark optimiert», sagt Battaglia. «Man kann mit Verbesserungen des Motors selbst vielleicht höchstens noch  wenige Prozent an Energieeffizienz herausholen. Mit unserem thermoelektrischen Modul könnten sich aber neue Möglichkeiten eröffnen, die Energie rationaler zu nutzen.» Langfristig wird der Erfolg der Thermoelektrik wohl nach wie vor vom Gelingen der Forscher abhängen, die nach Materialien mit höherer thermoelektrischer Effizienz fahnden. «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.