Stromgewinnung aus Abwärme - Abwärmenutzung könnte einen wesentlichen Beitrag bei der anstehenden Energiewende leisten

Die bestehende Situation mahnt zu energischem Handeln. Die Hauptstoßrichtungen sind die Einsparung von Energie durch verbesserte Dämmung von Gebäuden, die Steigerung der Effizienz bzw. des Wirkungsgrades von Geräten, Maschinen und Verbrennungsmotoren und besonders der forcierte Umstieg auf die Nutzung regenerativer Energien.
Bei  der Umschau nach weiteren Energiequellen trifft man auf die Abwärme. Entsprechende Erhebungen besagen, dass im Schnitt 50% der eingesetzten Energie in Wärme umgesetzt werden. In verschiedenen Fällen ist der Verlust noch höher, wenn man beispielsweise an den niedrigen Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken oder Verbrennungsmotoren denkt. Damit kommt ein weiterer Energieträger ins Spiel, dessen Potenzial bisher nur in Einzelfällen genutzt wird. Beispiele bisheriger Wärmeverwertung ist die Wärmerückgewinnung in Rekuperatoren, die Kraft-Wärme-Kopplung, sowie die Rückgewinnung von Brems­energie in Fahrzeugen. Der überwiegende Teil dieses Energiepotenzials bleibt hingegen ungenutzt und geht somit verloren.
In der Abwärme sehen wir eine zusätzliche kostenlose Energiequelle großer Mächtigkeit, deren Abschöpfung die anstehende Abkehr von der Verwendung fossiler Energieträger wirkungsvoll unterstützen könnte. Die Protagonisten der Abwärmeverwertung schwärmen bereits etwas schönfärberisch von einem Energy Harvesting, also dem „Ernten“ vorhandener Abwärme.
In Zeiten der Energiewende interessieren wir uns speziell für die Möglichkeit, die vielerorts entstehende Abwärme zur Stromerzeugung heranzuziehen. Im Vordergrund steht dabei die Direktumwand-lung von Wärme in Strom unter Vermeidung zwischengeschalteter mechanischer Komponenten. Unser Anliegen besteht hierbei einerseits im Verweis auf die Nutzbarkeit dieser Energiequelle sowie insbesondere im Aufzeigen einiger Technologien zur direkten Stromerzeugung aus Abwärme. Diese  Verfahren basieren auf unterschiedlichen physikalischen Phänomenen und haben bereits zu ersten Produkten geführt. Dabei erheben wir keinesfalls den Anspruch der Darlegung einer kompletten Übersicht über den Entwicklungsstand auf diesem Gebiet. Die Beispiele sollen vielmehr Anregungen bieten, auf diesem Gebiet weitere Anstrengungen zu unternehmen, um diese beträchtliche Energiequelle zunehmend zu erschließen. Hier ist jedoch einzuräumen, dass sich die Entwicklung hier noch weitgehend im Anfangsstadium befindet. Entsprechende Fortschritte würden beträchtliche Einsparungen bei der Inanspruchnahme fossiler und atomarer Energieträger ermöglichen und die Umwelt zunehmend entlasten.

Entstehung von Abwärme
Bevor wir uns mit der Verwertung von Abwärme vertraut machen, ist es nützlich, sich mit den Hauptemittenten dieser Energieform vertraut zu machen. Abwärme ist ein sekundäres Energieprodukt, das verstärkt in den Industrieländern anfällt. Das Entstehen von Abwärme kann auf unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sein. Die größte Gruppe der Emittenten bilden die thermischen Industrieprozesse. Dazu zählen vor allem die Metallurgie (Erzverhüttung, Stahlerzeugung, Walzwerke, Aluminiumerzeugung), die thermischen Kraftwerke (Kohle- und Gaskraftwerke, Kernkraftwerke, Verbrennungsanlagen), Keramikindustrie (Zementwerke, Ziegeleien, Glasfabriken), Chemie (Raffinerien, Thermoreaktoren) u.a. Die in solchen Prozessen entstehende sog. Abwärme ist ein technologisch bedingtes Nebenprodukt. Prozessbedingte Erzeuger von Abwärme sind ebenfalls verschiedene Gewerbe (Wäschereien, Bäckereien, Großküchen, Brauereien) sowie die von Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeuge (Autos, Flugzeuge, Schiffe). Wärme entsteht auch beim Aufeinandergleiten mechanischer Teile sowie der Bewegung von Gegenständen im Wasser oder in der Luft durch Reibung. Weitere Wärmeerzeuger sind Elektroanlagen und -geräte, in denen Wärme beim Stromfluss durch Widerstände entsteht. Hier können in Rechenzentren, Krankenhäusern, Großforschungszentren beträchtliche Emissionen entstehen. Selbst in Gebäuden können durch biologische Wesen (Personen, Vieh) erhebliche Wärmemengen zustande kommen. Bekannt ist, dass ein einzelner Mensch bei Normalbelastung etwa 40 W abgibt.

Übertragung von Abwärme
Die Übertragung der Wärmeenergie erfolgt vorzugsweise auf zwei Arten: durch konvektive Wärmeübertragung und durch Strahlung.
Wärmeübertragung durch Konvektion: Bei der Wärmübertragung durch Konvektion erfolgt die Wärmeabgabe von einem bewegten Medium – i.a. Wasser oder Luft – an eine feste Wand. Für den Wärmetransport ist ein Potenzialunterschied notwendig. Daher muss der Wärmequelle an geeigneter Stelle eine Wärmesenke gegenüberstehen.
Die Bewegung des jeweiligen Mediums kann ihren Antrieb auf zwei unterschiedliche Arten erhalten. Zum einen gibt es die freie Strömung, bei der eine natürliche Konvektion stattfindet. Die Teilchen erwärmen sich, werden leichter und steigen daher nach oben. Eine solche natürliche Konvektion trifft man vor allem beim Vorhandensein von Wärmequellen in Räumen an, wobei die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Derartige Vorgänge findet man bei Prozessen zahlreicher Gewerbe, in denen Wärmeentbindung stattfindet, wie auch in Gebäuden, die von Personen besetzt sind oder in denen Tiere gehalten werden.
Der andere Fall betrifft die aufgezwungene Strömung. Hierbei handelt es sich meist um die Strömung eines fluidischen Wärmeträgers in Rohren, die durch einen Druckunterschied angetrieben wird. Beispiele für den Energietransport mittels erwärmten Wassers finden sich in den Kreisläufen der in Wärmekraftwerken verwendeten Kondensatoren oder dem Kühlwasser von Verbrennungsmotoren. Beispiele für den erzwungenen Transport von erwärmter Luft bzw. Gasen in Rohrleitungen bieten die Abgasleitungen von Heizungen oder Auspuffrohre von Verbrennungsmotoren.
Wärmeübertragung durch Strahlung: Die Energieübertragung durch Strahlung erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Länge. Für die Übertragung von Wärmestrahlung ist weitgehend das Spektrum des Infrarots bedeutsam, dessen Bereich Wellenlängen von 0,78 µm  bis 1,0 mm umfasst. Das Gebiet des Infrarots ist in mehrere Teilbereiche untergliedert. Das nahe Infrarot (0,78 – 1,4 bzw. 3,0 µm) schließt unmittelbar an das des sichtbaren Lichts an und ist im Sonnenspektrum enthalten. Es folgt der Spektralbereich des mittleren Infrarots (3 – 8 µm), in dem weitgehend die thermische Strahlung stattfindet. Jenseits dessen liegt das langwellige Infrarot (8 – 15 µm) und schließlich das ferne Infrarot (15 µm – 1 mm) (s.B. [1]).
Die uns hier besonders interessierenden thermischen Strahler sind zumeist breitbandige Infrarotquellen. Zu diesen Wärmequellen zählen sowohl die ausgesprochenen Hochtemperaturstrahler (Metall- und Glasschmelzen, Brammen, glühendes Walzgut) aber auch Strahler im mittleren Temperaturbereich (Feuerstätten, Abgasführungen und Auspuffanlagen von Fahrzeugen). Wärmestrahlung findet trotz abnehmender Leistung durchaus auch bei niederen Temperaturen statt. Als Niedrigtemperaturstrahler gelten beispielsweise Kühler von Verbrennungsmotoren. Somit begegnet man der Wärmestrahlung in vielerlei Anwendungen, sodass dieser Übertragungsart eine breitgefächerte Bedeutung zukommt.
Bedeutsam ist, dass die Wärmeübertragung zwar schwerpunktmäßig im Bereich des mittleren Infrarots stattfindet, diese jedoch keinesfalls auf die-sen Frequenzbereich beschränkt ist. Wärmeenergie wird vielmehr über ein recht breites Spektralband übertragen, in dem sogar der Bereich der Lichtstrahlen enthalten ist.

Umwandlung von Abwärme
Abwärmenutzung durch Konvektion: Die bisherige Form der Wärmenutzung besteht in der Wandlung von Abwärme in gebrauchsfähige Wärme, also in Nutzwärme. Die vorzugsweise Verwertung erfolgt zumeist zu Zwecken der Heizung oder Warmwasserbereitung. Damit wird durchaus ein wichtiger Beitrag in einem gesamtheitlichen Energiekonzept geleistet, indem dadurch fossile Energieträger eingespart, der Gesamtwirkungsgrad energetischer Anlagen erhöht sowie die Emission klimaschädlicher Abgase vermindert werden.
Für die Wandlung transportierter Wärme kommen vor allem Wärmetauscher in Betracht. Diese verfügen über eine möglichst große Oberfläche, über die eine Wärmeübertragung zwischen zwei Medien durch Leitung erfolgt. Bei dem Medienpaar kann es sich um eine Flüssigkeit und ein Gas (Luft) oder auch um zwei unterschiedliche Flüssigkeiten handeln. Eine weitergehende Wandlung der mediengebundenen Wärme in elektrischen Strom ist bisher nicht vorgesehen, soll aber künftig erreicht werden.
Nachfolgend werden wir zwei erfolgversprechende Ansätze zur direkten Umwandlung von Strahlungswärme in elektrischen Strom vorstellen.
Abwärmenutzung durch photoelektrische Wandlung: Die Umwandlung von durch Strahlung übermittelter Energie in Strom ist bereits fortgeschritten. Vorreiter auf diesem Weg ist die Solarindustrie. Nach dem Ersteinsatz photovoltaischer Zellen zur natürlichen Stromversorgung in der Telephonie und verbreiteter Anwendung in der Weltraumtechnologie erlangten diese Stromwandler seit Ende der 1970er-Jahre neben der Windkraft eine zentrale Bedeutung bei der Umstellung der Energieversorgung auf regenerative Quellen. Obwohl nicht zu den sonnenreichsten Ländern gehörend, ist Deutschland mittlerweile führend in der Ausstattung mit Solartechnologie. Bei der Herstellung von Solarmodulen ist inzwischen mit China eine ernsthafte Konkurrenz auf den Plan getreten, da dort billiger produziert werden kann.
Angesichts der Erfolgsstory der Solartechnologie stellt sich nun die Frage, inwieweit daran angeknüpft werden kann, um die energiereichen Wärmestrahlen auf ähnliche Art direkt in Strom umzuwandeln. Dazu bedarf es einer zumindest knappen Schau auf die zugehörigen physikalischen Grundlagen.
Der Wirkungsmechanismus der Energieumwandlung beruht auf dem (inneren) photoelektrischen Effekt. Dieser tritt bei Halbleitern auf und besteht aus der Photoleitung und dem eigentlichen photovoltaischen Effekt, d.h. der direkten Umwandlung von Strahlung in elektrischen Strom. Die Erklärung dieser Phänomene liefert die Strahlungshypothese (M. Planck). Danach kann das Licht als ein Strom von Teilchen, den sog. Photonen, interpretiert werden. Nach dem Planck´schen Wirkungsquantum ist die durch Photonen übertragene Energie von der Frequenz der Strahlung bestimmt. Die Maximalfrequenz, bei der in Halbleitern Photoleitung auftritt, ist außerdem materialabhängig. Dieser Grenzwert liegt bei dem für Solarzellen verwendeten kristallinen Silicium bei 1,1 µm. Demnach würde bei Einsatz der üblichen Solartechnologie als Wärmewandler nur ein Teilspektrum der Strahlung in Strom umgesetzt werden. Die energiereichen Wärmestrahlen liegen hingegen im mittleren Wellenlängenbereich (mittleres Infrarot). Zur Erreichung der vollen Stromausbeute werden daher andere Halbleitermaterialien benötigt. Geeignete Kandidaten dafür könnten gekühlte Halbleiterdetektoren oder in Sonderfällen auch pyroelektrische Detektoren sein.
Für die praktische Nutzung der photoelektrischen Wandlung kommen weniger die klassischen Solarmodule in Betracht. Eine bessere Eignung versprechen die inzwischen entwickelten flexiblen Solarwandler auf Basis technischer Textilien, die über eine hohe thermische Speicherfähigkeit verfügen. Bezüglich der Leistungsdaten solcher thermischer Wandler kann beispielhaft auf ein Produkt verwie-sen werden, das nach Herstellerangaben aus 3,5 m² effektiver Nutzfläche eine Leistung von 300 Wp (p = peak; bedeutet: unter Standardbedingungen ermittelt) erzeugt [2]. Die Flexibilität solcher Materialien bietet zudem die Möglichkeit der Umkleidung wärmeerzeugender Aggregate wie auch wärmeführender Leitungen. Auf diese Weise wäre es dann möglich, beispielsweise die Energie von Abgasen von Heizungen wie auch Verbrennungsmotoren für die Stromproduktion zu nutzen.
Abwärmenutzung durch thermoelektrische Wandlung: Bezüglich der Umwandlung von Wärmestrahlung in elektrischen Strom ist noch eine zweite Technologie in Konkurrenz getreten: die thermoelektrische Wandlung. Genutzt wird hier der thermoelektrische Effekt, dessen Entdeckung auf Th. J. Seebeck zurückgeht. Entsprechend dem Seebeck-Effekt entsteht eine elektrische Spannung U, wenn zwischen zwei elektrischen Leitern, die aus unterschiedlichen Materialien A und B bestehen und in einem Stromkreis zusammengeschlossen sind, eine Temperaturdifferenz ?T besteht. Die erzeugte Spannung entsteht in den Materialien durch Diffusionsströme. Dabei wandern die energiereichen Elektronen vom heißen zum kalten Ende und umgekehrt. Die Größe der dabei erzeugten Spannung hängt von den Materialkonstanten (Seebeck-Koeffizienten) der beiden Leiter sowie der Höhe der Temperaturdifferenz ab. Damit ergibt sich eine Möglichkeit, Wärmeenergie unmittelbar in elektrischen Strom umzuwandeln, wenn in der Anordnung der jeweiligen Wärmequelle (Heat Source) eine kühle Seite (Cold Side) gegenübersteht.
Auf der Suche nach einer technischen Lösung für die unmittelbare Wandlung von Strahlung in Strom sind wir bei einem Unternehmen fündig geworden [3]. Dieses gehört einem Netzwerk an, das sich der Gewinnung von Strom aus Wärme verschrieben hat [4]. Das Produkt – Thermischer Transmitter genannt – ermöglicht eine Direktumsetzung von Strahlungen im Wellenlängenbereich von 0,8 µm bis 1,5 µm und basiert auf der Nutzung des bereits genannten  Seebeck-Effekts. Die innovative technische Lösung umfasst einen thermischen Akkumulator, thermischen Transmitter, thermischen Diffusor sowie eine Kältequelle. Die Besonderheit des thermischen Transmitters besteht in der Verwendung einer Kunststoffoberfläche mit extrem hohem Adsorptionsvermögen für Wärmestrahlung, welche halbleitende Partikel in einer Polymermatrix enthält. Die Wärmeleitung übernehmen Nanoröhren (Nanotubes) oder Nanofasern auf Carbonbasis mit besonders hoher Leitfähigkeit. Die elektrische Umwandlung besorgen infrarotabsorbierende Pigmente oder Nano-kristalline Materialien. Der Thermo-Diffusor dient zur Erzeugung des benötigten Temperaturgefälles. Durch eine nachgelagerte Kältequelle im Miniaturformat wird ein gleichmäßig hoher Temperaturgradient gewährleistet.
Das Interessante an solchen Wandlern besteht darin, dass diese auch für vergleichsweise niedrige Temperaturdifferenzen einsetzbar sind und zudem noch einen akzeptablen Wirkungsgrad aufweisen. Der Anbieter spricht daher von einem Niedrigtemperatur-Thermo-Harvester. Als Leistungsdaten werden eine Ausbeute von 800 W/m² bei einer Temperaturdifferenz von 40 bis 800K angegeben. Die Lebensdauer soll 300000 Stunden (entsprechend 34 Jahre) betragen.
Das Lösungsangebot wird ergänzt durch eine Variante zur Direktumsetzung von flüssigkeitsgebundener Wärme. In diesem Fall wird die Abwärme von einer fluidisch durchströmten Leiterplatte aufgenommen, die durch einen Thermogenerator zur aktiven Umsetzung von Wärme in Strom sowie einen speziellen Akkumulator ergänzt wird. Damit ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten zur energetischen Nutzung erwärmten Wassers, wie es beispielsweise bei der Kühlung von Verbrennungsmotoren anfällt.

Schlussbemerkungen
Der Autor hofft, mit den vorstehenden Ausführungen auf das erhebliche Energiepotenzial der allenthalben verfügbaren Abwärme aufmerksam gemacht zu haben. Ihre zukünftige Nutzung könnte mutmaßlich einen wesentlichen Beitrag bei der Bewältigung der anstehenden Energiewende leisten.
Das weitere Anliegen bestand im Aufzeigen möglicher technischer Lösungen einer künftigen Verwertung dieser reichen Energiequelle. Im Focus standen dabei Technologien, die eine Direktumwandlung vorhandener thermischer Energie in elektrischen Strom ermöglichen. Dazu wurden mit den photoelektrischen und thermoelektrischen Wandlern zwei zukunftsträchtige, auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basierende Technologien näher dargelegt, die bereits in erste Produkte umgesetzt wurden. Dennoch ist darauf hinzuweisen, dass die technologische Entwicklung solcher thermischer Wandler sich noch weitgehend im Anfangsstadium befindet und somit noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden muss.

Literatur:
[1] http://www.wikipedia.org/wiki
[2] http://www.inoretex.de
[3] http://www.duropan.de
[4] http://www.energy-harvesting-net.de/technologie.html

Autor: Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Weller: 1960-1970 Forschungstätigkeit in der Industie; Lehraufträge am Higher Institute for Electronics in Menouf (Ägypten) und an der Univ. Rostock; 1970-1998 Inhaber des Lehrstuhls für Technische Kybernetik und Direktor des Instituts für Automatisierungstechnik an der Humboldt-Univ. zu  Berlin; 1992-2008 Ingenierubüro für Intelligente Informationstechnologien

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