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Tellur-freie thermoelektrische Generatoren Abwärme effizienter in Strom umwandeln

Redakteur: Christian Lüttmann

Energiewandler, die aus Wärme Strom generieren, sind nicht neu. Bisher basieren sie oft auf dem seltenen Element Tellur und sind damit teuer und aufwändig in der Herstellung. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung haben nun einen neuartigen thermoelektrischen Generator entwickelt, der ohne seltenes Tellur auskommt und einen höheren Wirkungsgrad als bisherige Generatoren erzielt.

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Ein thermoelektrischer Generator wandelt Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie um.
Ein thermoelektrischer Generator wandelt Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie um.
(Bild: IFW Dresden / R. Uhlemann)

Dresden – Um Strom zu erzeugen, sind nach wie vor Kohlekraftwerke ein zentraler Bestandteil. Rund ein Drittel der Leistung in Deutschland beruht auf dem Verbrennen fossiler Brennstoffe (s. Grafik unten). Dabei gehen allerdings etwa 60 Prozent der erzeugten Energie als Abwärme verloren, wovon mehr als die Hälfte im Niedertemperaturbereich anfällt, also bei Temperaturen unter 300 °C.

Diese Abwärme gilt es, effektiv zur Stromerzeugung zu nutzen, um die Kosten der Energieversorgung zu mindern und die Emission von Treibhausgasen zu reduzieren. Dafür eignen sich thermoelektrische Generatoren, die Wärme in Elektrizität umwandeln. Dank ihres vibrationsfreien, geräuschlosen Betriebs ohne bewegliche Komponenten ermöglichen sie eine lange Lebensdauer.

Seltene Rohstoffe erschweren großflächigen Einsatz

Kraftwerke am Strommarkt in Deutschland
Kraftwerke am Strommarkt in Deutschland
(Bild: Bundesnetzagentur)

Seit über 50 Jahren sind Bismut-Tellurid-Verbindungen der entscheidende Bestandteil von thermoelektrische Generatoren, weil sie entsprechend vorteilhafte thermoelektrischen Eigenschaften im Niedertemperaturbereich haben. Ein großflächiger Einsatz ist jedoch kaum möglich, da Tellur sehr selten ist. Das Vorkommen in der Erdkruste liegt bei unter 0,000.000.1% (0,001 ppm); die Produktion beläuft sich auf weniger als 500 Tonnen pro Jahr, das ist sieben Mal weniger als die Jahresfördermenge an Gold. Weil Tellur so selten ist, versucht man thermoelektrische Generatoren aus anderen, häufiger vorkommenden Materialien zu entwickeln, die eine vergleichbare Leistung aufweisen.

Ausgezeichneter Wirkungsgrad

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden haben nun erstmals einen leistungsstarken, Tellur-freien thermoelektrischen Generator auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen gebaut. Diese neuen thermoelektrischen Generatoren erreichen einen Wirkungsgrad von sieben Prozent bei einer Temperaturdifferenz von 250° C. Was nach wenig klingt, ist tatsächlich ein überragender Wert, denn damit übertreffen sie sogar den Wirkungsgrad kommerzieller Bismut-Tellurid-basierter thermoelektrischer Generatoren (~5%).

Dieser Erfolg ebnet nach Aussage der Forscher den Weg für einen weit verbreiteten Einsatz thermoelektrischer Generatoren zur Energiegewinnung im Niedertemperaturbereich sowie zur thermoelektrischen Kühlung. Damit könnte Energieerzeugung in Zukunft effizienter und großflächiger erfolgen als bisher. Die Arbeit entstand in Kooperation mit Prof. Zhifeng Ren vom Texas Zentrum für Supraleitung (TcSUH) der Universität Houston.

Originalpublikation: Ying, P., He, R., Mao, J. et al. Towards tellurium-free thermoelectric modules for power generation from low-grade heat, Nat Commun 12, 1121 (2021); DOI:10.1038/s41467-021-21391-1

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