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Thermoelektrischer Generator spart Kraftstoff



Energie entweicht noch vielerorts ungenutzt in die Umgebung. Angesichts der Notwendigkeit, Schadstoffemissionen zu senken und Energieressourcen sowie die Umwelt zu schonen, rückt das Abwärme-Recycling mit so genannten thermoelektrischen Wandlern in den Fokus von Forschung und Technik. Dies gilt vornehmlich für den Automobilbereich. Dort werden durch thermoelektrische Generatoren (TEG) Kraftstoffeinsparungen von fünf bis sieben Prozent angestrebt. Ein Versuchsfahrzeug, das bereits mit TEG fährt, können Besucher des vom DLR veranstalteten "Tag der Luft- und Raumfahrt" in Köln-Porz unmittelbar in Augenschein nehmen.

 Thermoelektrisches Modul
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Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärme ohne den Einsatz mechanisch beweglicher Teile direkt in elektrische Energie um, das heißt sie nutzen ein Temperaturgefälle. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto mehr Strom können sie produzieren. Physikalisch basiert dieser Prozess auf dem so genannten Seebeck-Effekt: Durch den Wärmestrom zwischen Heiß- und Kaltseite eines elektrischen Leiters – hier des TEG – werden Ladungsträger in Bewegung gesetzt, die ihrerseits an den Enden des Leiters eine elektrische Spannung generieren.

Der thermoelektrische Generator hat bislang vorwiegend in der Raumfahrt in zahlreichen Missionen seine Funktionalität und Langlebigkeit unter Beweis gestellt. Für die Anwendung, zum Beispiel im Automobilbereich, sind jedoch die derzeit verfügbaren thermoelektrischen Materialien aufgrund ihrer niedrigen Einsatztemperaturen sowie ihres geringen Wirkungsgrads von drei bis fünf Prozent nicht ausreichend. Mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer Materialien, insbesondere so genannter Nanokomposite, zeichnet sich hier ein deutlicher Qualitätssprung ab. "Was wir brauchen, sind temperaturbeständige Werkstoffe und Materialien, die Erschütterungen widerstehen und stabil funktionieren", so sieht Eckhard Müller, Leiter der Arbeitsgruppe 'Thermoelektrische Materialien und Systeme' am Institut für Werkstoff-Forschung des DLR in Köln, die derzeitigen Herausforderungen. Müllers Arbeitsgruppe untersucht neuartige thermoelektrische Materialien und treibt die Technologieentwicklung zum Einsatz über größere Temperaturbereiche voran.

 Thermoelektrisches Material
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Gemeinsam mit Kollegen des Instituts für Fahrzeugkonzepte am DLR-Standort in Stuttgart haben Müller und seine Arbeitsgruppe in Kooperation mit BMW den Prototypen eines fahrzeugtauglichen thermoelektrischen Generators entwickelt. Der Generator, der in den Abgasstrang eines Fahrzeugs vom Typ 535i integriert wurde, besteht aus Wärmeübertragern, die zusammen mit insgesamt 24 thermoelektrischen Modulen aus Wismuttellurid übereinander angeordnet sind. Einen Teil der Wärme wandelt das System in elektrische Energie um, während ein weiterer Teil dazu dient, einzelne Fahrzeugkomponenten schneller auf die erforderliche Betriebstemperatur zu bringen. Werden bei dem derzeitigen Stand der Entwicklung etwa bis zu 200 Watt verwertbare elektrische Leistung gewonnen, so rechnet BMW damit, dass in wenigen Jahren bereits bis zu 1000 Watt realisierbar sind.

Damit ist das Tor aufgestoßen, durch Abgaswärmenutzung den Stromverbrauch im Auto zu entlasten und so Treibstoff einzusparen: Zu diesem Ergebnis kommen übereinstimmend die Fachexperten, wie erst jüngst bei der mit über 600 Teilnehmern bislang größten internationalen Thermoelektrik-Fachtagung in Freiburg/Br. festgestellt wurde.

Hinweis für Besucher des Tags der Luft- und Raumfahrt:
Die Arbeitsgruppe "Thermoelektrische Materialien und Systeme" im DLR untersucht neuartige thermoelektrische Materialien für Thermogeneratoren sowie schnelle und empfindliche Wärmestrom- und Temperatursensoren und entwickelt darüber hinaus Technologien für thermoelektrische Devices – TEG, thermische Sensoren, Peltier-Kühler – zum Einsatz über weite Temperaturbereiche. Schwerpunkt ist dabei, Technologien für die Energiewandlung zu entwickeln. Das Methodenspektrum umfasst die thermoelektrische Materialherstellung, Kontaktierungs- und Verbindungsverfahren, die thermoelektrische Material- und Systemcharakterisierung sowie die modellbasierte Systemdimensionierung. Dabei sind vor allem Methoden gefragt, die Thermoelektrika zu charakterisieren.


Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Wolf Eckhard Müller
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Thermoelektrische Materialien und Systeme
Tel.: +49 2203 601-3556

Fax: +49 2203 696480


Dr. Ralf Haßdorf
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Thermoelektrische Materialien und Systeme
Tel.: +49 02203 601-2851

Fax: +49 2203 696480


Zuletzt geändert am: 20.08.2009 13:48:30 Uhr