Strom gewinnen aus der Abwärme von Motoren

22. März 2016, 10:08
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Physiker des CD-Labors für Thermoelektrizität versuchen, Temperaturunterschiede in Energie umzuwandeln

Wien – Von der Energie, die von Autos in Form von Benzin oder Diesel verbraucht wird, fließt nur ein vergleichsweise kleiner Teil – weit weniger als 50 Prozent – tatsächlich in den Antrieb des Fahrzeugs. Der große Rest geht verloren, vor allem als Wärmeenergie über die Abgase. Im Katalysator kommt es zu Temperaturen von 500 bis 600 Grad Celsius, erklärt Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.

Im Rahmen eines vom Wissenschaftsministerium geförderten Christian-Doppler-Labors für Thermoelektrizität, das er leitet, möchte er helfen, zumindest einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen. "Mithilfe eines thermoelektrischen Generators könnten zehn Prozent der verlorenen Wärme zurückgewonnen werden."

Das Prinzip dahinter beschreibt der sogenannte Seebeck-Effekt, benannt nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck. Er entdeckte im Jahr 1821, dass in einem Stromkreis aus zwei elektrischen Leitern Spannung entsteht, wenn die Verbindungspunkte unterschiedliche Temperaturen aufweisen. "Durch die Differenz werden die Elektronen neu verteilt. Jene von der heißen Seite haben eine höhere thermische Energie und diffundieren auf die kalte Seite", sagt Bauer.

Diese Neuverteilung erzeugt ein elektrisches Feld und treibt so elektrischen Strom über einen Widerstand. Das Ergebnis: Elektrische Energie wird generiert. Aufgrund dieses Phänomens kann ein Generator gebaut werden, der frei von bewegten mechanischen Teilen ist und in dem sich nur die Elektronen bewegen.

Gemeinsam mit dem Team von Peter Franz Rogl vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Wien suchen die TU-Wissenschafter nach Materialien, die am geeignetsten für diesen Prozess sind. Die Leistungsfähigkeit eines Systems, das auf dem Seebeck-Effekt beruht, ist auch wesentlich durch den elektrischen Widerstand und die thermische Leitfähigkeit bestimmt, sagt Bauer. Damit nicht neuerlich Wärme entsteht und Energie verlorengeht, muss der elektrische Widerstand gering sein. Und damit sich die Temperaturdifferenz zwischen den Kontakten nicht ausgleicht, muss die thermische Leitfähigkeit möglichst klein sein.

Mineral mit speziellen Eigenschaften

Hier kommen die sogenannten Skutterudite ins Spiel, ein natürliches Mineral aus Kobalt und Arsen, das kubische Kristallstrukturen bildet. Benannt wurde es nach einer Mine in Norwegen, nahe dem für seine Skiflugschanze bekannten Ort Vikersund. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts hatte Norwegen beinahe eine Monopolstellung auf das Kobaltblau, das aus dem Kobaltarsenid gewonnen und in Glas- und Porzellanmanufakturen verwendet wurde.

Die Physiker bedienen sich nun einiger spezieller Eigenschaften dieser Mineralien. In sogenannten gefüllten Skutteruditen werden drei Elemente in einer kubischen Struktur angeordnet, beispielsweise Barium, Kobalt und Antimon. "Durch gezielte Substituierung der verschiedenen Elemente versucht man das System dorthin zu bekommen, wo man hinwill", erläutert Bauer. Um die elektrischen Eigenschaften zu optimieren, werden etwa Elemente eingebaut, die die gefüllten Skutterudite in Richtung eines halbleitenden Zustands treiben. "Nicht immer ist es einfach, die relevanten physikalischen Eigenschaften gemeinsam zu verbessern."

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Art der Gitterstruktur der Skutterudite. "Elemente wie beispielsweise Barium sind in der kubisch Käfig-formenden Verbindung nur schwach in der Struktur gebunden", so der Physiker. "Wir glauben, dass diese Struktur dazu beiträgt, dass die thermische Leitfähigkeit extrem klein wird."

Freie Fahrt für Elektronen

Im Kristallgitter wird die Wärmeenergie über sogenannte Gitterschwingungen weitergetragen. Jede Maßnahme, die diese Schwingungen unterbinden – zum Beispiel Unregelmäßigkeiten im Nanobereich, die Streuungen verursachen – reduziert die Wärmeleitfähigkeit weiter. Das Ziel ist also, maßgeschneiderte Materialkombinationen mit Strukturen zu schaffen, die freie Fahrt für Elektronen geben, die Wärmeweitergabe aber bremsen. Je näher man diesem Ziel kommt, desto mehr Energie kann man aus der sonst verlorenen Abwärme der Maschinen zurückgewinnen. (pum, 22.3.2016)

  • Wo Abgase qualmen, geht viel Wärmeenergie verloren.
    foto: apa/dpa/frank rumpenhorst

    Wo Abgase qualmen, geht viel Wärmeenergie verloren.

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