Thermoelektrische Generatoren: Prinzipien, Materialien und Anwendungen

Ein thermoelektrischer Generator (TEG) ist ein Gerät, das Wärmeenergie mithilfe des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umwandelt. Der Seebeck-Effekt tritt auf, wenn zwischen zwei verschiedenen Leitern oder einem Leiterkreis eine Temperaturdifferenz besteht, was zu einer elektrischen Spannungsdifferenz führt. TEGs sind feste Bauteile, die keine beweglichen Teile haben und über lange Zeiträume hinweg lautlos und zuverlässig arbeiten können. TEGs können zur Ernte von Abwärme aus verschiedenen Quellen wie industriellen Prozessen, Fahrzeugen, Kraftwerken und sogar der Körpertemperatur genutzt werden und diese in nützliche Elektrizität umwandeln. TEGs können auch zur Versorgung von fernliegenden Geräten wie Sensoren, drahtlosen Sendern und Raumfahrzeugen eingesetzt werden, indem sie Radioisotope oder Sonnenwärme als Wärmequelle nutzen.

Wie funktioniert ein Thermoelektrischer Generator?

Ein thermoelektrischer Generator besteht aus zwei Hauptkomponenten: thermoelektrischen Materialien und thermoelektrischen Modulen.

Thermoelektrische Materialien sind Materialien, die den Seebeck-Effekt aufweisen, d.h., sie erzeugen eine elektrische Spannung, wenn sie einem Temperaturgradienten ausgesetzt sind. Thermoelektrische Materialien können in zwei Typen unterteilt werden: n-Typ und p-Typ. N-Typ-Materialien haben einen Überschuss an Elektronen, während p-Typ-Materialien einen Mangel an Elektronen aufweisen. Wenn ein n-Typ-Material und ein p-Typ-Material durch Metallelektroden in Reihe verbunden werden, bilden sie eine Thermokoppel, die die grundlegende Einheit eines thermoelektrischen Generators darstellt.

Ein thermoelektrisches Modul ist ein Gerät, das viele in Reihe geschaltete Thermokoppeln enthält und wärmetechnisch parallel geschaltet ist. Ein thermoelektrisches Modul hat zwei Seiten: eine heiße Seite und eine kalte Seite. Wenn die heiße Seite einer Wärmequelle ausgesetzt wird und die kalte Seite einem Wärmeabsorber, entsteht über das Modul eine Temperaturdifferenz, die einen Stromfluss im Kreislauf verursacht. Der Strom kann verwendet werden, um eine externe Last zu speisen oder eine Batterie zu laden. Die Spannungs- und Leistungsausgabe eines thermoelektrischen Moduls hängt von der Anzahl der Thermokoppeln, der Temperaturdifferenz, dem Seebeck-Koeffizienten und den elektrischen und thermischen Widerständen der Materialien ab.

Die Effizienz eines thermoelektrischen Generators wird definiert als das Verhältnis der elektrischen Leistungsausgabe zur Wärmezufuhr aus der Quelle. Die Effizienz eines thermoelektrischen Generators ist durch die Carnot-Effizienz begrenzt, die die höchstmögliche Effizienz für jede Wärmekraftmaschine zwischen zwei Temperaturen darstellt. Die Carnot-Effizienz ergibt sich aus:

ηCarnot=1−Tc/Th

wobei Tc die Temperatur der kalten Seite und Th die Temperatur der heißen Seite ist.

Die tatsächliche Effizienz eines thermoelektrischen Generators ist viel geringer als die Carnot-Effizienz, aufgrund verschiedener Verluste wie Joule-Wärme, thermische Leitung und thermische Strahlung. Die tatsächliche Effizienz eines thermoelektrischen Generators hängt vom Figure of Merit (ZT) der thermoelektrischen Materialien ab, was ein dimensionsloses Maß ist, das die Leistungsfähigkeit eines Materials für thermoelektrische Anwendungen misst. Das Figure of Merit ergibt sich aus:

ZT=κα²σT

wobei α der Seebeck-Koeffizient, σ die elektrische Leitfähigkeit, κ die thermische Leitfähigkeit und T die absolute Temperatur ist.

Je höher das Figure of Merit, desto höher ist die Effizienz des thermoelektrischen Generators. Das Figure of Merit hängt sowohl von intrinsischen Eigenschaften (wie Elektronen- und Phonontransport) als auch von extrinsischen Eigenschaften (wie Dotierungsniveau und Geometrie) der Materialien ab. Das Ziel der Forschung zu thermoelektrischen Materialien ist es, Materialien zu finden oder zu entwickeln, die einen hohen Seebeck-Koeffizienten, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisen, was oft widersprüchliche Anforderungen sind.

Welche sind einige gebräuchliche thermoelektrische Materialien?

Thermoelektrische Materialien können in drei Kategorien unterteilt werden: Metalle, Halbleiter und komplexe Verbindungen.

Metalle haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, aber einen niedrigen Seebeck-Koeffizienten und eine hohe thermische Leitfähigkeit, was zu einem niedrigen Figure of Merit führt. Metalle werden hauptsächlich als Elektroden oder Verbindungsstücke in thermoelektrischen Modulen verwendet.

Halbleiter haben eine moderate elektrische Leitfähigkeit und einen Seebeck-Koeffizienten, aber eine hohe thermische Leitfähigkeit, was zu einem moderaten Figure of Merit führt. Halbleiter können dotiert werden, um n-Typ- oder p-Typ-Materialien mit unterschiedlichen Trägerkonzentrationen und Mobilitäten zu erstellen. Halbleiter werden weit verbreitet als thermoelektrische Materialien für Niedertemperaturanwendungen (unter 200°C) verwendet.

Komplexe Verbindungen haben eine niedrige elektrische Leitfähigkeit, aber einen hohen Seebeck-Koeffizienten und eine niedrige thermische Leitfähigkeit, was zu einem hohen Figure of Merit führt. Komplexe Verbindungen bestehen in der Regel aus mehreren Elementen mit unterschiedlichen Valenzzuständen und Kristallstrukturen, die komplexe elektronische Bandstrukturen und Phonon-Streuungsmechanismen schaffen, die die thermoelektrische Leistung verbessern. Komplexe Verbindungen werden weit verbreitet als thermoelektrische Materialien für Hochtemperaturanwendungen (über 200°C) verwendet.

Einige Beispiele für gebräuchliche thermoelektrische Materialien sind:

• Bismut-Tellurid (Bi2Te3) und seine Legierungen: Diese sind die am häufigsten verwendeten thermoelektrischen Materialien für Niedertemperaturanwendungen (unter 200°C), wie Kühlgeräte und Energiegewinnung aus Abwärmequellen. Bi2Te3 hat eine Schichtstruktur, die aus alternierenden Quintupelschichten von Bi2 und Te3 Atomen besteht, die durch schwache van-der-Waals-Kräfte verbunden sind. Diese Struktur führt zu einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit aufgrund der Phononstreuung an den Schichtgrenzen. Bi2Te3 kann mit anderen Elementen wie Antimon (Sb), Selen (Se) oder Schwefel (S) legiert werden, um seine elektrischen Eigenschaften zu optimieren und sein Figure of Merit zu maximieren.

• Blei-Tellurid (PbTe) und seine Legierungen: Diese zählen zu den am häufigsten verwendeten thermoelektrischen Materialien für Mitteltemperaturanwendungen (200-600°C), wie Energiegewinnung aus Automobilabgasen oder industrieller Abwärme. PbTe hat eine Rocksalt-Struktur, die aus alternierenden Schichten von Pb2+ und Te2- Ionen besteht, die durch starke ionische Kräfte verbunden sind. Diese Struktur führt zu einem hohen Seebeck-Koeffizienten aufgrund schwerer Pb-Atome, die eine große Banddegenerierung in der Nähe des Fermi-Niveaus erzeugen. PbTe kann mit anderen Elementen wie Zinn (Sn), Thallium (Tl) oder Natrium (Na) legiert werden, um sein Figure of Merit zu verbessern.

• Skutterudite: Dies sind komplexe Verbindungen mit der allgemeinen Formel MX3, wobei M ein Übergangsmetall (wie Kobalt, Co) und X ein Pniktoide (wie Antimon, Sb) ist.

           
   

• Skutterudite haben eine kubische Struktur, die aus einem dreidimensionalen Netzwerk von M4X12-Einheiten mit großen Hohlräumen besteht, die Gastatome (wie seltene Erdmetalle, RE) aufnehmen können. Die Gastatome wirken als Phononstreuer, die die thermische Leitfähigkeit reduzieren, während die Wirtsatome eine hohe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Seebeck-Koeffizienten bieten. Skutterudite sind vielversprechende thermoelektrische Materialien für mittel- bis hochtemperaturige Anwendungen (300-800°C), wie Energiegewinnung aus Abwärmerückgewinnung oder konzentrierter Solarenergie.

• Half-Heusler-Verbindungen: Dies sind ternäre Verbindungen mit der allgemeinen Formel XYZ, wobei X ein Übergangsmetall (wie Titan, Ti), Y ein anderes Übergangsmetall (wie Nickel, Ni) und Z ein Hauptgruppenelement (wie Zinn, Sn) ist.

           
   

• Half-Heusler-Verbindungen haben eine kubische Struktur, die aus vier ineinandergreifenden fcc-Untergittern besteht, von denen eines von X-Atomen und die anderen drei von Y- und Z-Atomen in einem Verhältnis von 1:2 besetzt sind. Half-Heusler-Verbindungen haben einen hohen Seebeck-Koeffizienten und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufgrund ihrer komplexen elektronischen Bandstrukturen und eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufgrund ihrer schweren Bestandteile. Half-Heusler-Verbindungen sind vielversprechende thermoelektrische Materialien für Hochtemperaturanwendungen (über 800°C), wie Energiegewinnung aus Kernreaktoren oder Luftfahrttriebwerken.

Welche Anwendungen haben thermoelektrische Generatoren?

Thermoelektrische Generatoren haben verschiedene Anwendungen in verschiedenen Bereichen, abhängig vom Temperaturbereich, der Leistungsausgabe und der Verfügbarkeit der Wärmequelle. Einige Beispiele für Anwendungen von thermoelektrischen Generatoren sind:

• Kühlgeräte: Thermoelektrische Generatoren können zum Kühlen von elektronischen Komponenten, wie Mikroprozessoren, Lasern oder Sensoren, verwendet werden, indem ein elektrischer Strom angewendet wird, um eine Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Seite des Moduls zu erzeugen. Dieser Vorgang wird als thermoelektrisches Kühlen oder Peltier-Effekt bezeichnet, der das Gegenteil des Seebeck-Effekts ist. Thermoelektrische Kühlgerechte haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Kühlmethoden, wie Kompaktheit, Zuverlässigkeit, Geräuschlosigkeit und präzise Temperaturkontrolle.

• Energiegewinnung aus Abwärme: Thermoelektrische Generatoren können verwendet werden, um Abwärme aus verschiedenen Quellen, wie industriellen Prozessen, Fahrzeugen, Kraftwerken und sogar Körpertemperatur, in nützliche Elektrizität umzuwandeln. Dies kann die Energieeffizienz erhöhen und die Treibhausgasemissionen dieser Quellen reduzieren. Zum Beispiel können thermoelektrische Generatoren in Automobilabgassysteme integriert werden, um einen Teil der bei der Verbrennung verlorenen Wärme zurückzugewinnen und Elektrizität für Bordnetze oder Batterieladungen zu erzeugen. Thermoelektrische Generatoren können auch an der Haut oder Kleidung angebracht werden, um Elektrizität aus Körpertemperatur für tragbare Geräte oder medizinische Implantate zu erzeugen.

• Energiegewinnung aus Radioisotopen: Thermoelektrische Generatoren können verwendet werden, um entfernte Geräte, wie Sensoren, drahtlose Sender und Raumfahrzeuge, mit Hilfe von Radioisotopen als Wärmequelle zu versorgen.

           
   

• Radioisotope sind instabile Isotope, die Strahlung emittieren und in andere Elemente zerfallen. Die Strahlung kann in Wärme umgewandelt werden, indem ein Material, das sie absorbiert, wie Blei oder Wolfram, verwendet wird. Die Wärme kann dann mithilfe von thermoelektrischen Modulen in Elektrizität umgewandelt werden. Radioisotop-thermoelektrische