Aus Wärme Strom machen

Thermoelektrik (TE) ist die direkte Umwandlung der thermischen in elektrische Energie (Wärmekraftmaschine) oder Nutzung elektrischer Energie zum Zwecke der Kühlung mittels eines Festkörperbauelementes.

Thermoelektrische Effekte sind seit Anfang des 19. Jahrhunderts bekannt. An den freien Leiterenden in einem offenen Zweileiterkreis aus den Materialien a und b (Abbildung), dessen Kontaktstellen sich auf verschiedenen Temperaturen Tw und TK befinden, tritt eine elektrische Spannung Uab (Thermospannung) auf. Diese Spannung entspricht der Leerlaufspannung einer Batterie. Schließt man den elektrischen Stromkreis durch einen Verbraucher, wirken die thermoelektrischen Materialien als „thermische Batterien“ oder Thermogeneratoren. Dieser Effekt ist nach Thomas Seebeck, einem wissenschaftlichen Beraters von Johann Wolfgang von Goethe, benannt, der ihn 1821 entdeckte. Für die integrale Thermospannung gilt bei kleiner Temperaturdifferenz Uab = αab(Tw – TK). Dabei wird αab als Thermokraft oder Seebeck-Koeffizient der Leiterkombination bezeichnet. Die Thermospannung ist materialabhängig, d.h. bei gleicher Temperaturdifferenz weisen zwei unterschiedliche Leiter unterschiedliche Thermospannungen auf.

Ein mit dem Seebeck-Effekt im physikalischen Sinn eng verwandter Effekt ist der Peltier-Effekt, bei dem durch einen elektrischen Stromfluss ein Temperaturunterschied an den Kontaktstellen erzeugt werden kann. In einem Zweileiterkreis wird Wärme durch einen elektrischen Strom an einer Kontaktstelle entzogen (gekühlt), wobei an der anderen Kontaktstelle Wärme erzeugt wird. Durch den Peltier-Effekt wird somit eine direkte elektrische Kühlung bzw. Temperaturregulierung ermöglicht.

Mit den bereits 1823 von T. Seebeck untersuchten Materialien wäre man in der Lage gewesen, einen Thermogenerator zu bauen, der mit einem Wirkungsgrad von etwa 3 Prozent Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt hätte. Dieser Wirkungsgrad ist ähnlich dem der damals verwendeten Dampfmaschinen.

Durch Optimierung der in Thermogeneratoren verwendeten Materialien stieg deren Wirkungsgrad zu Anfang rasch an. Seit den 50‘er Jahren sind qualitativ hochwertige thermoelektrische Materialien vorhanden, bedauernswert gering fielen seither die Fortschritte aus. Nachdem systematische Untersuchungen ganzer Materialklassen keinen Ersatz für die bekannten Standardmaterialien Bi2Te3, PbTe bzw. SiGe lieferten, schien die Grenze des Machbaren erreicht zu sein.

Slack, Hicks und Dresselhaus stellten 1993 eine Theorie vor, die eine enorme Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften in speziellen Dünnschichtsystemen vorhersagt. Die Berechnungen waren so vielversprechend, dass sich in der Folge ein für die Thermoelektrik komplett neues Arbeitsgebiet entwickelte. Mittlerweile gibt es auch weiterführende Ansätze wie das Phonon-Glas Elektron-Crystal Konzept, bei dem durch komplexe Kristallstrukturen die thermische Leitfähigkeit ähnlich von glasartigen Substanzen sehr niedrig und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit hoch wie in einem Kristall sein soll. Die ersten Erfolge hinsichtlich der Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften wurden in den letzten Jahren im Labor demonstriert und sollen nun in industriell brauchbaren Mengen umgesetzt werden, so dass zukünftig die Thermoelektrik einen wichtigen Beitrag zur Abwärmeverstromung im Automobil bei gleichzeitiger Reduzierung des CO2 Ausstoßes leisten kann.

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