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Energierückgewinnung: (Ab-)Wärme zu Strom

Besonders interessant für:
  • Thermoelektrik
  • Energiewirtschaft

Thermoelektrische Materialien wandeln Wärmeenergie direkt in elektrische Energie um − und umgekehrt. In der PTB wurden erstmalig thermoelektrische Referenzmaterialien für Seebeck- Koeffizienten im industrierelevanten Temperaturbereich zwischen 300 K und 900 K metrologisch charakterisiert. Damit lassen sich die komplizierten Systeme und Verfahren zur Messung thermoelektrischer Eigenschaften in Bezug auf erreichbare Unsicherheiten validieren und die Ergebnisse von Messungen an verschiedenen Materialien noch besser vergleichbar machen.

Die natürlichen Ressourcen zur Energiegewinnung werden knapper und die Kosten für ihre Ausbeutung steigen. Daher muss die Energiewirtschaft zwingend immer effizienter arbeiten. Energierückgewinnung spielt dabei eine wichtige Rolle, denn beim Betrieb technischer Geräte und Anlagen gehen unter Umständen bedeutende Mengen an Energie in Form von Abwärme verloren, die sekundär genutzt werden können.

Aus diesem Grund werden thermoelektrische Materialien in Zukunft vermutlich noch an Bedeutung gewinnen. Die Effektivität der Energieumwandlung hängt bei diesen Materialien von ihren Transporteigenschaften ab: dem Seebeck- Koeffizienten S (einem temperaturabhängigen Materialparameter) sowie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, σ und κ, die in der thermoelektrischen Gütezahl S2σT/κ zusammengefasst sind. Die genaue Bestimmung der Gütezahl ist die Voraussetzung für die Bewertung und den Vergleich neuentwickelter thermoelektrischer Materialien. Dazu sind auf SI-Einheiten rückführbare Messungen der Transporteigenschaften unverzichtbar. Mit dem in der PTB installierten Messsystem lassen sich Seebeck-Koeffizienten und elektrische Leitfähigkeiten thermoelektrischer Bulk-Materialien und dünner Schichten mit geringen Messunsicherheiten messen.

Der Seebeck-Koeffizient beschreibt den Spannungsabfall, der durch einen Temperaturgradienten über einer Probe verursacht wird, und bestimmt maßgeblich die Gütezahl thermoelektrischer Materialien. Im Rahmen des EMRP-Projektes „Metrology for Energy Harvesting“ wurden in der PTB und weltweit erstmals Referenzmaterialien für Seebeck-Koeffizienten im höheren Temperaturbereich zwischen 300 K und 900 K metrologisch untersucht und charakterisiert. Dieser Temperaturbereich ist z. B. für Anwendungen im Automobil- Bereich wichtig. Die erzielten Messunsicherheiten der Seebeck-Koeffizienten der zwei Referenzmaterialien ISOTAN® und Bismut-dotiertes Bleitellurid liegen zwischen 2,5 % und 8 %, abhängig von Material und Temperatur. Beide Materialien können von der PTB bezogen werden.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

E. Lenz, F. Edler, P. Ziolkowski: Traceable thermoelectric measurements of Seebeck coefficients in the temperature range from 300 K to 900 K. Int. J. Thermophys. 34, 1975–1981 (2013)