Industrielle Schornsteine geben kontinuierlich Energie als Wärme an ihre Umgebung ab. Thermoelektrische Generatoren können einen Teil dieser Schornstein-Abwärme direkt in Strom verwandeln, ohne Turbine und ohne bewegliche Bauteile. Forscher haben nun einen Generator im Labormaßstab vermessen und das Ergebnis auf eine größere aktive Fläche übertragen. Für 9 Quadratmeter ergibt die Modellrechnung je nach Auslegung eine elektrische Leistung im Kilowattbereich.
Wo industrielle Öfen, Verbrennungsanlagen oder andere Hochtemperaturprozesse laufen, verschwindet ein beträchtlicher Teil der eingesetzten Energie als Abwärme. Nicht jede dieser Wärmeströme lässt sich wirtschaftlich zurückgewinnen. Besonders interessant sind deshalb Systeme, die ohne komplexe mechanische Kreisläufe auskommen. Ein thermoelektrischer Generator nutzt dafür den Seebeck-Effekt. Besteht zwischen zwei Seiten eines geeigneten Halbleitermaterials ein Temperaturunterschied, entsteht eine elektrische Spannung. Mehrere solcher Thermoelemente werden zu einem Modul zusammengeschaltet. Die Technik besitzt keine rotierenden Bauteile und kann prinzipiell unmittelbar auf einer heißen Oberfläche arbeiten. Der Nachteil liegt im vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad, besonders bei moderaten Temperaturunterschieden. Deshalb entscheidet nicht nur das Material über die nutzbare Leistung. Ebenso wichtig sind die thermische Kopplung an die Wärmequelle, der elektrische Lastwiderstand und vor allem die Fähigkeit, die kalte Seite tatsächlich kalt zu halten. Genau diese Punkte untersucht die neue Arbeit von Faisal Albatati und Alaa Attar.
Das Team der King Abdulaziz University kombinierte ein analytisches Modell mit einem Laborexperiment auf Modulebene. Die heiße Seite des Versuchs lag im Bereich von 164 bis 183 Grad Celsius. Gemessen wurde eine maximale elektrische Leistung von 0,354 Watt bei einem Lastwiderstand von 1,5 Ohm. Anschließend wurde das Modell so angepasst, dass es Spannung, Strom und Leistung des realen Moduls reproduziert. Die Studie zur thermoelektrischen Abwärmenutzung untersucht danach systematisch, wie sich Lastwiderstand, Länge der Thermoelemente, Kühlkörper und Wärmeabfuhr auf das Ergebnis auswirken. Die spektakulärere Kilowattzahl stammt also nicht aus einer bereits gebauten 9 Quadratmeter großen Anlage. Sie ist eine Skalierungsrechnung auf Basis des vermessenen Moduls und klar definierter Randbedingungen.
Ein thermoelektrischer Generator funktioniert grundsätzlich anders als ein klassisches Kraftwerk. Statt Wärme zunächst in Dampf und anschließend über eine Turbine in mechanische Arbeit umzuwandeln, entsteht die elektrische Spannung direkt im Material. Ladungsträger bewegen sich aufgrund des Temperaturgefälles von der heißen zur kalten Seite. Werden unterschiedlich dotierte Halbleiterpaare passend miteinander verbunden, addieren sich ihre Spannungen. Je größer und stabiler der Temperaturunterschied, desto mehr elektrische Leistung kann ein Modul grundsätzlich liefern. Das erklärt zugleich die zentrale technische Schwierigkeit. Es genügt nicht, eine Seite möglichst heiß zu machen. Wenn sich die andere Seite ebenfalls erwärmt, schrumpft das Temperaturgefälle und damit die nutzbare Leistung. Genau deshalb besitzt die Wärmesenke in der neuen Studie eine so große Bedeutung. Thermoelektrik kann vorhandene Wärmequellen nutzen, die für andere Verfahren zu klein oder ungünstig verteilt sind, doch sie bleibt stark davon abhängig, wie effizient Wärme durch das gesamte System transportiert und anschließend abgeführt wird.
Die Modellrechnung zeigt besonders deutlich, dass die kalte Seite zum Flaschenhals werden kann. In der Ausgangskonfiguration lag die thermische Leitfähigkeit der Kühlseite bei 0,276 Watt pro Kelvin. Wurde dieser Wert im Modell auf 2,0 Watt pro Kelvin erhöht, stieg die errechnete Leistung eines Moduls auf 1,13 Watt. Das ist ein großer Unterschied, obwohl die eigentliche Wärmequelle unverändert bleibt. Zusätzlich optimierten die Autoren einen Rippenkühlkörper. Für die betrachtete Geometrie ergab sich eine optimale Rippendicke von 0,76 Millimetern. Solche Werte wirken zunächst wie konstruktive Details, sind aber für die Abwärmenutzung entscheidend. Ein thermoelektrischer Generator gewinnt nur dann dauerhaft Energie, wenn ständig Wärme durch ihn hindurchfließt. Bleibt sie auf der kalten Seite stecken, nähert sich deren Temperatur der heißen Seite an und die Spannung fällt. Dass Wärmemanagement bei technischen Systemen oft genauso wichtig ist wie die eigentliche Energiequelle, zeigt sich auch bei anderen Entwicklungen rund um Wärme und thermische Materialien.
Für die Skalierung legten die Forscher eine aktive Erntefläche von 9 Quadratmetern zugrunde. Aus den experimentell gemessenen Modulwerten resultiert für diese Fläche rechnerisch eine Leistung von etwa 1,85 Kilowatt. Das kalibrierte Modell liefert einen sehr ähnlichen Wert von rund 1,99 Kilowatt. Wird zusätzlich die Geometrie der thermoelektrischen Elemente optimiert, steigt die Referenzrechnung auf 2,72 Kilowatt. Die Autoren bezeichnen diese Werte ausdrücklich nicht als Leistung einer installierten Feldanlage. Sie gelten unter gleichmäßigen Randbedingungen und dienen als Referenz dafür, welches Potenzial sich aus der Modulebene ergeben könnte. In einer realen Schornsteinanlage würden Temperaturverteilung, Verschmutzung, Kontaktwiderstände, Alterung, wechselnder Betrieb und die Befestigung der Module zusätzliche Verluste verursachen. Die Größenordnung ist dennoch interessant, weil sie zeigt, dass sich aus vielen kleinen Einheiten bei ausreichend großer Fläche eine technisch relevante Gesamtleistung ergeben kann.
Besonders attraktiv ist thermoelektrische Stromerzeugung dort, wo Wärme ohnehin permanent anfällt. Ein Generator muss dann keinen zusätzlichen Brennstoff verbrauchen. Seine Energiequelle ist ein Verluststrom, der andernfalls an die Umgebung abgegeben wird. In Deutschland besitzt industrielle Abwärme ein entsprechend großes theoretisches Potenzial. Forschung und Wissen berichtete bereits darüber, dass Abwärmenutzung große Energiemengen erschließen kann. Thermoelektrische Systeme sind dabei nur eine von mehreren Möglichkeiten. Bei höheren Leistungen können beispielsweise Wärmeübertrager, Dampfsysteme oder Organic-Rankine-Prozesse effizienter sein. Thermoelektrik besitzt dagegen Vorteile bei kleinen, verteilten Wärmequellen, an schwer zugänglichen Stellen und überall dort, wo Wartungsarmut wichtig ist. Weil keine Turbine läuft und kein Arbeitsmedium zirkulieren muss, lässt sich Strom direkt an der heißen Oberfläche erzeugen.
Im optimierten Modell der Studie lag der maximale Wirkungsgrad eines betrachteten Moduls bei etwa 1,45 Prozent. Das klingt im Vergleich zu großen Kraftwerken gering, ist aber nicht zwangsläufig ein Ausschlusskriterium. Bei kostenlos vorhandener Schornstein-Abwärme zählt nicht allein, welcher Anteil der Wärme in Strom übergeht. Relevant sind auch Kosten, Lebensdauer, Wartung und die Frage, ob sich die Wärme überhaupt mit einem anderen Verfahren sinnvoll nutzen ließe. Ein sehr effizientes System kann wirtschaftlich uninteressant sein, wenn es zu komplex ist. Umgekehrt kann eine robuste Technik mit niedrigem Wirkungsgrad attraktiv werden, wenn sie jahrelang ohne bewegliche Teile arbeitet. Schon frühere Ansätze haben versucht, Wärme ohne klassische Generatoren direkt elektrisch zu nutzen. Forschung und Wissen berichtete etwa über einen technischen Ansatz zur direkten Nutzung von Wärmeenergie. Für die neue Schornsteinanwendung bleibt nun die entscheidende Frage, ob sich die Modellwerte bei einer größeren realen Anlage bestätigen lassen.
Die Studie ist deshalb vor allem ein Zwischenschritt zwischen einem Einzelmodul und einer möglichen industriellen Installation. Die Autoren haben das thermische und elektrische Verhalten im Labormaßstab gemessen und anschließend verschiedene Konstruktionsparameter mathematisch optimiert. Alaa Attar, einer der Autoren, beschäftigt sich laut seinem offiziellen Universitätsprofil mit Thermoelektrik und Wärmerückgewinnung. Für eine technische Bewertung im industriellen Maßstab fehlen jedoch noch Langzeittests unter realen Abgasbedingungen. Staub, Temperaturwechsel, Vibrationen und ungleichmäßige Wärmeflüsse können die Leistung verändern. Ebenso müssen Material- und Montagekosten gegen den tatsächlich erzeugten Strom gerechnet werden. Die knapp 3 Kilowatt aus 9 Quadratmetern sind daher kein fertiges Kraftwerk am Schornstein, sondern eine konkrete Zielgröße. Genau das macht die Arbeit nützlich: Aus einem theoretischen Potenzial wird eine messbare technische Größenordnung, die sich in einem nächsten Schritt an einer realen Anlage überprüfen lässt.
Scientific Reports, Analytical and experimental study of a thermoelectric generator system for low grade chimney waste heat recovery; doi:10.1038/s41598-026-74477-5