Abwärme lässt sich in nutzbare Energieverwandeln

Auspuff

Klimaanlagen, Sitzheuzug, Navigationssysteme, Tempomat, ABS der Einzug der Elektronik hat das Autofahren komfortabler und sicherer gemacht. Der wachsende Stromhunger der Elektronik lässt allerdings auch den Kraftstoffverbrauch steigen. Elektrischer Strom muss umständlich über Motor und Lichtmaschine erzeugt werden. Dabei gäbe es Energie im Überfluss: Zwei Drittel des Kraftstoffs erzeugen im Verbrennungsmotor nicht als Abwärme. Diese verpuffte Energie zu nutzen, ist das Ziel der Thermovoltaik, mit der Firmen und Forscher in jüngster Zeit zunehmend experimentieren.

„Moderne Fahrzeuge gleichen rollenden Büros“, sagt zum Beispiel Johannes Liebl, der als leitender Entwickler bei BMW unter anderem für Energiemanagement zuständig ist. „Mit einer Leistung von einem Kilowatt sorgt die Elektronik im Siebener Modell für einen halben bis ganzen Liter Kraftstoffverbrauch auf 100 Kilometer“. Der Prototyp eines thermoelektronischen Generators (TEG), den die Ingenieure in den Abgasstrang eingebaut haben, brachte es bisher allerdings nur auf eine Leistung von etwa 200 Watt. „das reicht leider nicht einmal, um die Elektronik des Einser zu versorgen“, sagt Liebl. Er rechnet aber damit dass die Technik bis zum Jahr 2015 genügend Strom erzeugt, um sinnvoll eingesetzt werden zu können.

Abwrack-Prämie

Das sich Wärme prinzipiell in Strom umwandeln lässt, ist schon seit 187 Jahren bekannt: Physiker Thomas Seebeck hatte den Effekt 1821 entdeckt. In einem elektronischen Leiter, dessen Enden unterschiedliche Temperaturen aufweisen, entsteht eine Spannung, erkannte er damals. Als der Warmen Seite des Generators bewegen sich die Elektronen schneller und haben eine höhere Energie als die Elektronen auf der kalten Seite. Die so entstehende Spannung ermöglicht einen Stromfluss. Leider jedoch geht die Energie nicht nur auf die Elektronen über, sondern erwärmt auch den Rest des Materials. Wird aber die kalte Seite des TEG warm, verringert sich die Spannung. „Ziel, ist es, dass eine Seite möglichst warm wird und die andere Seite möglichst kalt bleibt“, erklärt Dirk Ebling, Wissenschaftler am Frauenhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg.

Wie gut ein Material Wärme in Strom umwandelt kann, messen Forscher mit einem Index, dem so genannte ZT- Wert; er ist für jeden Stoff einzigartig. Dessen Wert nimmt zu, wenn Strom ohne großen Widerstand durch das Material fließen kann und nimmt ab, wenn es auch Wärme gut leitet, das kalte ende also schnell warm wird. Für effektive Anwendungen müssten die Entwickler den ZT Wert heutiger Materialien noch verdoppeln. Mit Nanomaterialien auf Basis von Bismut- und Blei- Tellurid können solche werte schon annähernd erzielt werden.
Sie leiten Strom besonders gut, die Wärme kann sich aber nicht einfach im Stoff ausbreiten. Wann die Technik effektiv genutzt werden kann, hängt dann auch davon ab, ob solche Materialien wirtschaftlich zu produzieren sind. Momentan ist die Herstellung noch sehr teuer.