Energie-Frage der Woche: Der Autoauspuff als Stromquelle?

In Autos mit Verbrennungsmotoren verpufft ein Großteil der in Diesel oder Benzin gespeicherten Energie als Abwärme. Gerade diese heißen Abgase wollen weltweit immer mehr Wissenschaftler für eine effiziente Stromgewinnung nutzen. Sie entwickeln und testen thermoelektrische Generatoren, die aus Temperaturunterschieden von mehreren hundert Grad elektrischen Strom erzeugen können. Doch spart Strom aus heißen Autoabgasen wirklich Treibstoff?

Erste Versuchsfahrzeuge werden bereits heute mit thermoelektrischen Generatoren ausgestattet. So auch bei BMW: In Kooperation mit den DLR-Instituten für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart und Werkstoff-Forschung in Köln wurde der Prototyp eines fahrzeugtauglichen thermoelektrischen Generators entwickelt. Wie alle thermoelektrischen Generatoren nutzt dieses Minikraftwerk den so genannten Seebeck-Effekt aus. Danach entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters eine elektrische Spannung, wenn diese unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Der Grund: Am heißen Ende des Leiters bewegen sich die Elektronen schneller. Daher nimmt hier die Elektronendichte im Vergleich zum kalten Ende ab. Wegen dieses Ungleichgewichts baut sich eine elektrische Spannung auf, die sich in einem geschlossenen Stromkreis nutzen lässt. Wird dieser Strom in das Bordnetz eines Autos eingespeist, kann ein thermoelektrischer Generator den klassischen Stromgenerator, die Lichtmaschine, entlasten, jedoch wohl nie vollständig ersetzen. Aber immerhin lassen sich so nach Expertenschätzung Treibstoffeinsparungen von fünf bis sieben Prozent erzielen.

Bis ganze Fahrzeugflotten solche Thermokraftwerke an den Auspuffrohren mit sich führen, bleibt den Forschern allerdings noch viel Entwicklungsarbeit. Derzeit suchen sie weltweit nach einem idealen thermoelektrischen Werkstoff. Zwar erzielen die effizientesten Wärme-Strom-Wandler schon Leistungen von einigen hundert Watt. Doch bestehen sie, wie das derzeit noch überwiegend verwendete Wismuttellurid, oft aus teuren oder toxischen Materialien.

Forscher auf der Suche nach neuen Werkstoffen
 
Thermoelektrischer Generator, integriert in den Abgas-Strang. Beide Bilder auf dieser Seite: BMW GroupJapanischen Forschern gelang es unlängst, den Seebeck-Effekt in preisgünstigem und ungiftigem Magnesiumsilizid auszunutzen. Doch wandelte dieses Material allein nur acht Prozent der Wärmeenergie in Strom, in einem zweistufigen Aufbau zusammen mit Wismuttellurid, immerhin zwölf Pozent. Die Hoffnung liegt aber nicht nur auf völlig neuen Materialien. Auch bekannte und bislang schon eingesetzte Materialien lassen sich über einen kontrollierten, nanostrukturierten Aufbau verbessern. Das Ziel: Die Effizienz der Stromgewinnung deutlich zu erhöhen. Erste Versuche mit solchen Nanostrukturen, auch am DLR-Institut für Werkstoff-Forschung in Köln, lieferten bereits vielversprechende Werte, sind von einer günstigen Massenproduktion aber noch weit entfernt.

Die Suche geht weiter und ist alles andere als einfach. Aber es kann sich lohnen. Denn gelingt in absehbarer Zeit der Durchbruch, könnten thermoelektrische Stromerzeuger in Millionen von Autos und vielfältigen anderen Energieanlagen eingesetzt werden. Sinkt so der Benzindurst der Wagen nur um wenige Prozent, könnten jedes Jahr gigantische Treibstoffmengen eingespart werden und abertausende Tonnen weniger des Treibhausgases Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen. Bis dahin werden thermoelektrische Module in wichtigen Nischen erfolgreich genutzt. Dazu gehören zum Beispiel die Stromversorgung kleiner autarker Sensoren oder der Betrieb von Raumsonden oder planetaren Landerobotern im All.

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Über den Autor

Der Energiejournalist Jan Oliver Löfken schreibt unter anderem für Technologie Review, Wissenschaft aktuell, Tagesspiegel, Berliner Zeitung und das P.M. Magazin. Derzeit diskutiert er im DLR-Energieblog aktuelle Themen rund um die Energiewende. zur Autorenseite

Kommentare

2 Kommentare
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Michael Römer
18. Januar 2010 um 18:09 Uhr

Hallo Herr Löfken,
ich denke, dass wir solche Technologien irgendwo sinnvoll nutzen werden können. Ich fürchte jedoch, nicht mehr im Benzinauto. Erdöl wird in absehbarer Zeit so teuer sein, dass es den Durchbruch des Elektroautos eher fördert. Das tut es ja schon jetzt. Biokraftstoffe können den Verbrennungsmotor höchstens noch ein paar Jahre schenken, bevor wir gar nichts mehr verbrennen. Das Innovationstempo in der Photovoltaik ist dem der Computertechnik mindestens vergleichbar, die innerhalb von 20 Jahren Entwicklungen hervorbrachte, die Ende der 8oer Jahre unvorstellbar waren. Aber mit thermoelektrischen Generatoren könnten wir vielleicht demnächst die Effizienz Solarthermischer oder Photovolaischer KWs beeinflussen. Würden Sie mir da Recht geben?

Jan Oliver Löfken
20. Januar 2010 um 14:14 Uhr

Antwort: Vielen Dank für Ihren Beitrag, Herr Römer.
Sollte es noch mehr als drei Jahrzehnte brauchen, bis thermoelektrische Module aus Auspuffwärme genug Strom erzeugen, wird diese Technologie für das Benzin betriebene Auto wohl keine große Bedeutung mehr haben. Doch es steht und fällt mit dem idealen Material. Und das könnte schneller in den Laboren rund um die Welt gefunden werden als man heute vermuten mag.
Und je nach Wirkungsgrad wäre natürlich auch der Einsatz in Solarthermischen Kraftwerken, aber auch in Kohlen- und Gaskraftwerken möglich.

Bezüglich des Elektroautos sehe ich eine große Verbreitung zuerst im Stadtverkehr in frühestens 10 Jahren. Der Fernverkehr wird mit immer sparsameren Dieselfahrzeugen sicher noch einige Jahrzehnte auf - immer sparsamere - Verbrennungsmotoren setzen.

Es grüßt herzlich
Ihr Jan Oliver Löfken

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