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Ratgeber

Thermoelektrische Generatoren » Stromerzeugung durch Wärmeenergie

Wie lässt sich ohne Mechanik Strom erzeugen? Naheliegende Antwort: über Solarzellen. Aber was, wenn die Sonne nicht scheint oder es draußen stockdunkel ist? Hier helfen thermoelektrische Generatoren. In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen die Funktion und Typen dieser ungewöhnlichen Geräte vor.



Was ist ein thermoelektrischer Generator?

Konventionelle Kraftwerke arbeiten nach einem recht einfachen Prinzip: Durch einen Energieträger wie Kohle oder Gas wird über das Verbrennen Wärme erzeugt, die wiederum Wasser zum Kochen bringt. Der entstehende Wasserdampf treibt Turbinenschaufeln an, deren mechanische Leistung in einem angekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.

Thermoelektrische Generatoren nutzen ebenfalls Wärmeenergie zur Stromerzeugung, allerdings vollkommen ohne bewegliche Teile. Auch hinsichtlich der Dimensionen spielen zumindest die tragbaren Geräte in einer ganz anderen Liga. Sie sind nur so groß wie ein kleiner Kochtopf und werden auch auf die gleiche Weise bedient: Man stellt sie einfach auf einen mit Gas oder Petroleum betriebenen Campingkocher, und schon nach wenigen Minuten fließt der Strom mit bis zu 25 Volt und 3 Ampere.



Funktionsprinzip von thermoelektrischen Generatoren

Was für Laien wie ein Zauberkunststück anmutet, basiert auf einem vor über 200 Jahren beschriebenen physikalischen Effekt: Im Jahr 1821 entdeckte der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck, dass ein Wärmegefälle zwischen zwei ungleichen Leitern Elektrizität erzeugen kann.

Der nach ihm benannte Seebeck-Effekt bezeichnet entsprechend eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie in ein Spannungspotential. Der Effekt entsteht durch die Bewegung von Ladungsträgern in Halbleitern. In dotierten n-Typ-Halbleitern sind die Ladungsträger Elektronen, in dotierten p-Typ-Halbleitern Löcher. Die Ladungsträger diffundieren von der heißen Seite des Halbleiters zur kalten, was dort zu einer Anhäufung von Ladungsträgern führt. Diese Anhäufung erzeugt ein Spannungspotenzial, das direkt proportional der Temperaturdifferenz im Halbleiter entspricht.

Um ein thermoelektrischen Generator herzustellen, werden viele p- und n-Paare elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet, um den gewünschten elektrischen Strom und die gewünschte Spannung zu erzeugen. Die Paare befinden sich zwischen zwei parallel angeordneten Keramikplatten. Die Platten bieten strukturelle Steifigkeit, eine ebene Oberfläche für die Montage sowie eine dielektrische Schicht, die Kurzschlüsse verhindert.

Die Effizienz eines solchen Thermoelements hängt von zwei Faktoren ab: der geringen Wärmeleitfähigkeit und der hohen elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters. Viele Jahre lang waren die drei wichtigsten Halbleiter mit diesen Eigenschaften Bismuttellurid, Bleitellurid und Siliziumgermanium. Das Basiselement Tellur gehört allerdings zu den seltenen Erden und ist in der Erdkruste etwa so häufig wie Gold zu finden. Entsprechend hoch ist sein Preis. Mittlerweile lässt sich die Wärmeleitfähigkeit von Halbleitern zwar mit Hilfe der Nanotechnologie senken, die Herstellungsverfahren für Nanomaterialien sind jedoch nach wie vor eine Herausforderung.

Ähnlichkeiten besitzt ein thermoelektrischer Generator mit einem Peltier-Element, das den umgekehrten Seebeck-Effekt nutzt: Beim Stromanschluss wird eine Seite warm, die andere kalt. Häufigster Einsatzbereich des Peltier-Effekts ist denn auch die Kühlung, zum Beispiel in tragbaren Kühlboxen. Die Bauteile sind prinzipiell identisch zu denen in einem thermoelektrischen Modul, die Konstruktion unterscheidet sich aber in den meisten Fällen. Während ein thermoelektrischer Generator zur Stromerzeugung verwendet wird, dienen Peltier-Elemente zur Wärmeabfuhr oder -zufuhr.



Einsatzbereiche von thermoelektrischen Generatoren

Ein thermoelektrischer Generator arbeitet dann besonders effektiv in der Stromversorgung, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Thermoelements sehr groß ist.

In Berghütten beispielsweise lässt sich die meist tiefe Außentemperatur in Verbindung mit einem Campingkocher recht einfach zur Stromerzeugung nutzen. Allerdings ist der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verhältnismäßig gering und erreicht kaum 20 Prozent.

Dennoch reicht die Leistung zumindest bei teureren Geräten zum Betrieb mehrerer lichtstarker LED-Lampen. So gibt es Modelle mit standardmäßig mitgelieferter E27-LED-Lampe, die mit nur 9 Watt Leistungsaufnahme 800 Lumen Lichtstrom liefert.

Kleinere Typen sind speziell für das Laden von Kleingeräten konzipiert. Sie liefern über einen USB-Ausgang typische 5 Volt mit rund 2000 Milliampere Ladestrom.   



Typen und Bauformen thermoelektrischer Generatoren

Unterscheiden lassen sich thermoelektrische Generatoren zunächst nach der Art und Weise, wie die Oberseite gekühlt wird.

Bei wassergekühlten Typen gibt es einen mit Wasser zu befüllenden Behälter, der die Verdampfungskälte zum Abkühlen des Thermoelements nutzt.

Bei luftgekühlten thermoelektrischen Modellen übernimmt ein Lüfter mit Kühlkörper die Wärmeabfuhr, Funktion und Aussehen sind vergleichbar mit handelsüblichen CPU-Lüftern. Nützlicher Nebeneffekt der Lüfterkühlung: Die abgeführte Wärme wird gleichmäßig an die Umgebungsluft abgegeben, der Generator liefert somit nicht nur Strom, sondern lässt sich auch zur Heizung zum Beispiel in einem Zelt verwenden. 

Weitere wesentliche Unterscheidungsmerkmale sind der Ladestrom, die Ausgangsspannung, die Leistung und der Stromanschluss. Der maximale Ladestrom liegt in der Regel zwischen 1900 und 3000 Milliampere, die Ausgangsspannung kann zwischen 5 und 25 Volt und die korrespondierende Leistung zwischen 10 und 30 Watt betragen.

Hinsichtlich des Stromanschlusses bieten die meisten Generatoren eine klassische Zigarettenanzünder-Buchse. Speziell für das Laden akkubetriebener Geräte sind bei kleineren Typen USB-Anschlüsse verbaut.



Unser Praxistipp: Generator pfleglich behandeln

Nach dem Einsatz kann besonders die Grundplatte thermoelektrischer Generatoren noch sehr heiß sein. Ein sofortiges Einpacken ist dann einige Minuten lang nicht möglich. Auch wenn es verlockend scheinen mag, sollte man nie „nachhelfen“ und das Gerät in kaltem Wasser oder mit Eis abkühlen. Die schlagartigen Temperaturdifferenzen können zu Schäden durch Materialverformung führen. Derartige Schäden fallen nicht unter die Garantieleistungen. Vermeiden Sie außerdem, dass das Anschlusskabel mit heißen Oberflächen oder gar Flammen in Berührung kommt. Auch als hitzebeständig deklarierte Kabel verkraften dies nicht dauerhaft.



FAQ – häufig gestellte Fragen zu thermoelektrischen Generatoren

Kann man thermoelektrische Generatoren auch über Lagerfeuern betreiben?

Davon ist dringend abzuraten! Das Thermoelement enthält im Innern empfindliche Halbleiter-Bauteile, die durch hochzüngelnde Flammen beschädigt oder sogar zerstört werden können. Außerdem würde bei einem lüftergekühlten Gerät der Rauch angesogen und in der Umgebung verteilt werden.


Lässt sich der Generator auch zum „Energy Harvesting“, also zum Ernten ohnehin vorhandener Wärme verwenden?

Theoretisch ja, entsprechende Applikationen wurden bereits im Bereich der Verbrennungsmotoren bei der Nutzung von Abgasen ausprobiert. Im Industriesektor gibt es seit geraumer Zeit große Anlagen, die mit der Abwärme von Produktionsanlagen über den Seebeck-Effekt elektrische Leistung erzeugen. Der Wirkungsgrad ist allerdings ebenfalls relativ gering und liegt meist bei deutlich weniger als 20 Prozent. Grund ist in der Regel die zu geringe Temperaturdifferenz zwischen den Seiten der Thermoelemente. Die einem Kochtopf ähnlichen Produkte sind für das Ernten von Energie eher nicht geeignet.

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