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Raumsonde Voyager 1 – seit 40 Jahren mit Radionukleidbatterie und TEG stromversorgt unterwegs (Foto: gemeinfrei)
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Aus dem Facharchiv: Arbeitsschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsführung

Energy Harvesting – 
Energie aus der Umwelt; Teil 3: Thermoelektrische Generatoren – praktische Anwendungen

24.02.2020

Nachdem im 2. Teil der Seebeck-Effekt als Grundlage zur Wandlung thermischer Energie 
in elektrische Energie besprochen wurde, befasst sich dieser Beitrag mit den praktischen 
Anwendungen. Dazu wird der grundsätzliche Aufbau thermoelektrischer Generatoren (TEG) 
als bekannt vorausgesetzt.

Raumfahrt

In Raumsonden, die wegen zu großer Entfernung von der Sonne nicht aus Solarzellen gespeist werden können, wird die zum Betrieb von thermoelektrischen Generatoren erforderliche Wärme beim Zerfall von Radioisotopen in so genannten RHUs (RHU: Radiosiotope Heating Unit) bereitgestellt. Häufig ist dies Plutonium-238, das mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren und nach thermoelektrischer Wandlung mit rund 8 % Wirkungsgrad etwa 11 W elektrische Leistung und innerhalb von 10 Jahren somit etwa 933 kWh elektrische Energie liefert. Das ermöglicht Missionsdauern von bis zu 50 Jahren und mehr. Die im Jahr 1977 gestartet Raumsonde Voyager 1 (Bild) hat inzwischen unser Sonnensystem verlassen und ist in den interstellaren Raum eingetreten. Nach 40 Jahren funkt sie über eine Distanz von knapp 21 Milliarden Kilometern dank Radionukleidbatterien immer noch ihre Messergebnisse.

Wärmeenergie 
aus Abgasen

Automobil. Autofirmen testen derzeit den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren, um aus der Restwärme der Abgase von Verbrennungsmotoren Strom für die elektrischen Systeme im PKW zu gewinnen. So ließen sich schätzungsweise etwa neun Prozent des verbrauchten Kraftstoffs einsparen. In einem siebenjährigen, vom U.S. Department of Energy geförderten Forschungsprojekt hat die amerikanische Firma Amerigon (inzwischen zu Gentherm umfirmiert) mit den Partnern Ford und BMW thermoelektrische Generatoren entwickelt. Sie sind im Abgasstrang eines Lincoln und eines X6 montiert und liefern knapp 500 W elektrische Leistung bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 100 km/h. Eine ähnlich effiziente Energiegewinnung ist aus der Abwärme des Fahrzeugkühlsystems möglich. Allein in Deutschland liegt das theoretische Energieeinsparpotential durch Thermogeneratoren bei zehn Terawattstunden pro Jahr, falls sämtliche Autos mit 1-kW-Thermogeneratoren ausgerüstet wären [1]. Das entspricht der Energiemenge, die ein Kernkraftwerk wie Biblis in einem Jahr produziert. Weitere Möglichkeiten. Kraftwerke, Rechenzentren und industrielle Fertigungseinrichtungen sind weitere potentielle Anwendungsgebiete, wo bis jetzt Abfallwärme ungenutzt über Kühltürme und andere Wärmetauscher zur klimaschädlichen Erwärmung der Umwelt abgeführt wird.

Dünnfilm-TEGs

Das Freiburger Unternehmen Micropelt (ein im Jahre 2006 gegründeter Spin-Off des Halbleiterherstellers Infineon und des Fraunhofer Instituts für Physikalische Messtechnik mit dem Schwerpunkt TEG) ging mit dem Einsatz von Dünnfilmwafern und mikromechanischen Herstellmethoden neue Wege. Die thermoelektrischen Elemente bestehen aus je einer Halbleiterstruktur mit pyramidenstumpfartigen Kegeln aus p- und n-leitendem Material, die getrennt auf zwei Siliziumdioxidsubstraten hergestellt werden. Die thermoelektrischen Bi2Te3-Materialien werden durch Sputtering (Kathodenzerstäubung) auf dem Substrat aufgebracht. Nach dem Sägen fügt man die Teilstücke durch spezielle Bondingtechniken zum Thermogenerator zusammen. Der fertigen TEG als TGP (Thermogenerator in Package)  zur vereinfachten Montage ist  vielfältig anwendbar. Der Umwandlungsfaktor liegt bei 
140 mV/K. Literatur: [1] PDF: Einsatz von Nanotechnologien im Energiesektor. Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung, 2015: https://www.hessen-nanotech.de/mm/mm001/NanoEnergie2015_WEB.pdf Autor: K. Jungk Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.