Thermoelektrischer Generator – Seebeck-Generator
Ein thermoelektrischer Generator (TEG), auch Seebeck-Generator genannt, ist ein Festkörpergerät, das Wärmefluss (Temperaturunterschiede) direkt in elektrische Energie umwandelt. Diese Umwandlung erfolgt durch ein Phänomen, das als Seebeck-Effekt bekannt ist. Thermoelektrische Materialien werden zur Energieerzeugung in abgelegenen Orten, in Raumfahrzeugen für die interplanetare Erkundung und an Orten eingesetzt, an denen Abwärme genutzt werden kann. Ein einfacher Holzofen oder ein offenes Feuer könnte so zur potenziellen Ladestation für Handys oder sogar zur Bereitstellung von LED-Beleuchtung in kleinen Dörfern werden.
Seebeck-Effekt
Thermoelektrizität wird durch den thermoelektrischen Effekt erzeugt, der die direkte Umwandlung von Temperaturunterschieden in elektrische Spannung und umgekehrt über ein Thermoelement darstellt. Wenn zwei unterschiedliche Materialien erhitzt werden, verursacht dies einen Elektronentransfer zwischen den Materialien und erzeugt einen Stromfluss. Der „thermoelektrische Effekt“ umfasst drei separat identifizierte Effekte:
- Seebeck-Effekt: Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem ein Temperaturunterschied zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Substanzen erzeugt. Dieses Potenzialgefälle ist das Ergebnis des thermoelektrischen Effekts, den Thomas Seebeck 1821 entdeckte. Die erzeugte Spannung hängt vom Seebeck-Koeffizienten \( S \) ( \( S = \frac{V}{\Delta T} \) ) und dem Temperaturunterschied zwischen den beiden Anschlüssen im Thermoelement ab.
- Peltier-Effekt: Dieser Effekt ist das Analogon zum Seebeck-Effekt. Entdeckt von Jean Charles Athanase Peltier im Jahr 1834, beschreibt er das Auftreten von Erwärmung oder Kühlung an einer elektrifizierten Verbindung von zwei verschiedenen Leitern. Der Peltier-Koeffizient (\( \pi \)) wird durch das Verhältnis von Strom \( I \) zur Heizrate \( q \) bestimmt: \( \pi = \frac{I}{q} \). Er repräsentiert, wie viel Wärme pro Ladungseinheit transportiert wird.
- Thomson-Effekt: In verschiedenen Materialien ist der Seebeck-Koeffizient nicht konstant in Temperatur, sodass ein räumlicher Temperaturgradient zu einem Gradienten im Seebeck-Koeffizienten führen kann. Lord Kelvin verknüpfte alle drei thermoelektrischen Koeffizienten in den Kelvin-Beziehungen. Diese Gleichungen beschreiben, wie die Seebeck-, Peltier- und Thomson-Koeffizienten zusammenhängen.
Anwendungen und Herausforderungen
Thermoelektrische Generatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung in Entwicklungsländern und abgelegenen Gebieten. Moderne Anwendungen umfassen Ofenventilatoren, durch Körperwärme betriebene Beleuchtung und Smartwatches, die durch Körperwärme angetrieben werden. Trotz guter Zuverlässigkeit und Langlebigkeit herkömmlicher thermoelektrischer Geräte wird ihre umfassendere Nutzung durch sehr geringe Systemeffizienz und hohe spezifische Kosten ($/W) bestehender Geräte eingeschränkt. Schätzungen zufolge ist die Effizienz mit den derzeit verfügbaren thermoelektrischen Materialien auf vielleicht 1/6 der maximal möglichen Carnot-Effizienz begrenzt.
Zukunft der Thermoelektrik
Die Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung effizienterer thermoelektrischer Materialien und Geräte, um die Nutzung dieser Technologie zu erweitern und ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Bereichen zu verbessern. Die einzigartige Fähigkeit, Abwärme zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln, macht thermoelektrische Generatoren zu einem vielversprechenden Ansatz für eine nachhaltigere Energiezukunft.
