Energieumwandlung

Seit die Elektrizität entdeckt wurde, wollen die Menschen elektrischen Strom aus Wärme "erzeugen". Denn Wärme ist reichlich vorhanden, diese kann über Sonnenenergie oder Verbrennung leicht und meist billig "erschaffen" werden. Nicht umsonst wird Wärme als die niederwertigste Energiequelle bezeichnet. Sie ist schlecht verteilbar und schwer "transformierbar" auf höhere Temperaturen. Auch kann sie nur umständlich in die nötige Energieform wie z.B. mechanische Bewegung oder Licht umgewandelt werden. 
Strom hingegen kann blitzschnell und einfach über die Leitungsnetze zum nächsten Verbraucher transportiert werden. Die Verluste sind wesentlich geringer und Strom kann sehr leicht in fast jede gewünschte Energieform umgewandelt werden. Also wandeln wir Wärme zuerst in Strom um.
Dazu haben wir viele Maschinen erfunden, und alle haben eines gemeinsam: Sie nehmen den Umweg über die mechanische Bewegung.  Damit drehen sie sich, vibrieren, benötigen Wartung und Ersatzteile und sind nur effektiv, wenn sie sehr groß sind.

Aber es gibt auch ein Direktumwandlungsprinzip: die Thermoelektrizität!
Hier wird ohne bewegte Teile Strom erzeugt. Nötig ist dazu lediglich ein Wärmefluss durch ein thermoelektrisches Material, Elektronen fliessen, es entsteht Gleichstrom wie aus einer Batterie. Diese Energieumwandlung wird derzeit vorwiegend für die Sensorik eingesetzt. Sie ist extrem verlässlich, benötigt keine Wartung und bietet sehr hohe Versorgungssicherheit. 
Bei Weltraumexpeditionen hat sie sich bereits als Energiequelle bewährt, bald auch auf der Erde. 

 

Was ist Thermoelektrizität?

Thermoelektrizität ist seit fast 200 Jahren bekannt, wurde aber erst mit Entwicklung der Halbleiter ab ca. 1950 zu einer effektiveren Energieumwandlung. Es bewegen sich hier keine mechanischen Komponenten auf Grund der Wärme, sondern Elektronen im Material. Heiße Körper haben schnelle Elektronen, kalte Körper langsame Elektronen. Werden diese über ein thermoelektrisches Material in Verbindung gebracht, fließt Wärme und Strom. Dieser Strom kann Ihre Versorgung sichern! 
Zurücklehnen, Feuer geniessen und gemeinsam dem Strom beim Entstehen zuschauen. 

Steht viel Wärme zur Verfügung und gibt es eine große Temperaturdifferenz, kann viel elektrische Energie entnommen werden.

Eine Analogie aus der Wasserkraft: 
Fällt eine große Menge an Wasser über eine große Höhendifferenz und geht über eine Turbine, kann viel Elektrizität erzeugt werden. 

die Höhendifferenz entspricht der Temperaturdifferenz           -           die Wassermenge entspricht der Wärmemenge
und die Turbine entspricht dem thermoelektrischen Material!

Als Energieerzeugung ist die Thermoelektrizität bisher in sonnenfernen Weltraummissionen zum Einsatz gekommen, bei denen zu wenig Sonnenlicht vorhanden ist und Photovoltaik die Satelliten und Landeeinheiten nicht versorgen kann. Dort dient als Wärmequelle vorwiegend radioaktives, sich zersetzendes Material - das für Anwendungen auf der Erde jedoch unpassend ist.
Auf der Erde existiert genügend Abwärme - Es muss lediglich Forschung und Ingenieurwissen kombiniert werden, um diese Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Erste Anwendungen gibt es bei Ölpipelines, Fahrzeugen und in der Sensorik.

Für Detailinteressierte empfehlen wir die Zusammenstellung von Wikipedia:

Wärmequellen

Welche Wärmequelle Sie nutzen, um daraus Strom zu machen, bleibt völlig Ihnen überlassen: Wir empfehlen entweder regenerative Energiequellen oder Nutzung von Abwärme. Denn so können Sie etwas für die Welt Ihrer Kinder tun.

 

Wirkungsgrad

Eine berechtigte Frage: Wie wichtig ist der Wirkungsgrad, wenn Abwärme kostenlos zur Verfügung steht? 

Aus der Thermodynamik ist der maximale Wirkungsgrad immer mit dem Carnotwirkungsgrad gegeben, d.h. es kann nur die Wärme in Strom umgewandelt werden, die dem tatsächlichen Temperaturgefälle bezogen auf den absoluten Nullpunkt entspricht. Je nachdem, ob das Umwandlungsprinzip effizient ist, wandelt es einen mehr oder weniger großen Anteil davon in Strom um. Der Rest der Energie ist wieder in Form von Wärme zu finden.

Je größer die Kraftwerke sind, umso effizienter kann diese Energieumwandlung passieren, da die Hilfsaggregate und Reibungsverluste optimiert werden können. Sind Kraftwerke klein und für den Heimgebrauch gedacht, bleibt nur mehr ein kleiner Umwandlungswirkungsgrad über. Hier wird meist mit der Eigenversorgung und dem Notstromgedanken gepunktet, Energieeffizienz steht erst an zweiter Stelle. Außerdem wird die Wärme bei solchen Stromerzeugern meist nicht genutzt.

Wir gehen hier einen anderen Weg: Wenn Wärme in einem Medium auf einem hohen Temperaturniveau vorhanden ist, aber nur mit einem niedrigen Temperaturniveau benötigt wird, soll als erstes Strom erzeugt werden, der Rest ist dann die geforderte Abwärme. Wo ist das der Fall? 
Der Ofen, Kessel oder die Gastherme sind solche Apparate und können jetzt auch als Stromversorger dienen. Der Wirkungsgrad der Thermoelektrizität liegt derzeit bei 6-8%, dieser Anteil wird zu 100% in Elektrizität umgewandelt. Der Rest verbleibt noch in Form von Wärme  zur vollen Verfügung.

Was bedeutet das? Ein üblicher Pelletsofen oder Kessel mit ca. 15kW kann ca. 1kW elektrische Leistung erzeugen und damit ein ganzes Haus beleuchten, den Fernseher betreiben, etc. Für den entstandenen Strom bezahlen Sie nichts extra. Und eine elektrische Notversorgung ist er damit auch.....

Lassen Sie noch immer Ihre Wärme ungenutzt?