TEIL C

Wärmerückgewinnung

Der Ausdruck Wärmerückgewinnung findet heute hauptsächlich in der Industrie Anwendung. Im Rahmen der Energie-Verbrauchsordnung (EnVo) wurde seitens des BMFT schon früh ernsthaft vorgeschlagen, eine Abwärmestrafe für jene Industrieunternehmen einzuführen, die ihrer Abluft oder ihrem Abwasser nicht die sonst an die Umwelt abgegebene und somit verlorengehende Wärme entziehen, was mittels Wärmeaustauschern ja leicht zu bewerkstelligen ist.

Der Umfang der potentiellen Wärmerückgewinnung läßt sich wohl erst dann richtig erfassen, wenn man weiß, daß im Ruhrgebiet 1975 durchgeführte Messungen ergeben haben, daß der damalige Anteil der technischen Prozeßwärme bereits rund ein Drittel der gesamten Sonneneinstrahlung dieses Gebiets ausmachte.

Das unter Wärmepumpen erwähnte Prinzip der Wärmerückgewinnung aus Kuhmilch ist zwar nicht gerade großindustriell zu nennen, es kann aber sehr gut der Veranschaulichung dienen, denn inzwischen werden praktisch alle neuen Milchkuhanlagen mit einem Wärme-Rückgewinnungssytem ausgerüstet. Von den 35°C Eutertemperatur muß die Milch auf eine Transporttemperatur von 5°C abgekühlt werden – dabei heizen 2 l Milch 1,5 l Wasser auf 60°C auf. Das Wasser kann dann zu Heizzwecken usw. benutzt werden. In ähnlicher Weise funktionieren auch die vom BMFT geförderten Wärmerückgewinnungsanlagen für Gewächshäuser, welche mit Wärmepumpen, Wärmeaustauschern und -speichern ausgerüstet sind.

Zu erwähnen sind auch Pläne, die eine Nutzung von Industrieabwärme unterschiedlichster Herkunft zur Einspeisung in Fernwärmeschienen zum Inhalt haben. Besonders Kompressoren könnten hierfür sehr gut genutzt werden, denn diese stellen bis zu 94 % ihrer Energie als Abwärme zur Verfügung.

In kleinerem Maßstab experimentiert die AEG-Telefunken Mitte der 1980er Jahre mit der Abwärmerückgewinnung von Haushaltskühlschränken – ein 150 W Gerät würde etwa 3 kW/h Wärmeenergie zur Verfügung stellen.

Ein Abwärme-Projekt, das der besonderen Erwähnung bedarf, ist der Agrotherm-Versuch des Braunkohlekraftwerks in Neurath, nahe Köln. Auf einem 7 Hektar großen Feld wird dort im Oktober 1975 ein 70 km langes Kunststoffrohrnetz in 75 cm Tiefe und jeweils 100 cm Abstand verlegt, der Rohrdurchmesser beträgt 5 cm. Während sich das 30°C warme Wasser im Boden in einem geschlossenen Kreislaufsystem abkühlt untersucht man, ob die Erwärmung von landwirtschaftlich genutzten Bodenflächen tatsächlich verbesserte Erträge erzielt oder nicht.

Wie sich herausstellt, erreichte der Boden eine konstant um 8°C höhere Temperatur als die unbeheizte Vergleichsfläche - und der Mehrertrag betrug 69 %. An diesem Projekt beteiligen sich mehrere Firmen, die Federführung obliegt der August Thyssen Hütte AG, und das BMFT fördert das Ganze mit 11,5 Mio. DM. Neben dem genannten Mehrertrag werden bei diesem Versuch auch rund 27.000 Kubikmeter Wasser gespart, die sonst ein Naßkühlturm umweltbelastend verdampft hätte. Als negativ erweisen sich ein verstärkter Abbau von Humus sowie ein höherer Schädlingsbefall auf dem erwärmten Boden.

Mit etwa 2 Mio. t SKE weist die Glasindustrie den höchsten Energieeinsatz innerhalb der Verbrauchsgüterindustrie auf. Mit Hilfe des BMFT entwickelt die Zippe Industrieanlagen in Wertheim daher Ende der 1980er Jahre ein System zur Abwärmenutzung von Glasschmelzwannen, wobei die Fördersumme 785.000 DM beträgt. In dem Wärmetauscher werden Schmelzgut und Rauchgase in voneinander getrennten Schächten im Gegenstrom geleitet, wobei sich das aufbereitete Altglas auf 320°C vorwärmt, während die Abgastemperatur von 650°C auf 380°C absinkt.

Als weitere Beispiele für ganz besondere Quellen der Abwärmenutzung möchte ich die zwei folgenden nennen:

das Bruchsaler Justus-Knecht-Gymnasium, das mit der Abwärme der Schüler beheizt wird,

und das Krematorium Berlin-Wedding, das seine Abwärme ebenfalls zu Heizzwecken nutzt

Interessanterweise werden in späteren Jahren auf anderswo ähnliche Projekte umgesetzt, auf die ich noch zu sprechen komme. So erhält die Firma Ruppmann Verbrennungsanlagen GmbH aus Stuttgart im Jahr 2003 den Auftrag, im Krematorium Dresden drei neue Einäscherungslinien mit katalytischer Rauchgasreinigungstechnik zu installieren, womit auch eine energetische Nutzung der Abwärme aus der Rauchgaskühlung verbunden ist. Die gewonnene Wärme soll zur Unterstützung der Gebäudeheizung genutzt werden. Im Februar 2005 geht die Anlage in Betrieb.

Neben der Industrie ist inzwischen auch der kommunale Bereich von zunehmendem Interesse. Im Rahmen einer Studie des Bremer Energie-Konsens GmbH, die Anfang 2004 veröffentlicht wird, zeigt sich, daß die Abwasser-Wärme der öffentlichen Kanalisation für das Heizen von Gebäuden und die Bereitung von warmen Wasser wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist. Die Studie untersucht die Situation in Bremerhaven, wo täglich rund 17,5 Mio. Liter Abwässer mit einer Durchschnittstemperatur von 14°C anfallen. Das Verfahren wird besonders interessant, wenn kostengünstige Systeme einzelnen Haushalten erlauben, die Wärme des eigenen Abwasser zurückzugewinnen – ganz gleich, ob diese aus der Waschmaschine oder von einem warmen Sommerregen stammt. Die Reduktion der Wärme des Abwassers hat zudem den Vorteil, daß sich die darin befindlichen Keime weniger gut vermehren können.

Das Umweltministerium in Nordrhein-Westfalen trägt die Hälfte der Baukosten von 550.000 € für ein Pilotprojekt in Leverkusen, bei dem 40 Wärmetauscher in der Sohle eines Abwasserkanals etwa 4/5 der benötigten Heizwärme für eine benachbartes, 12.500 m² großes Gesundheitszentrum liefern. Solche Systeme werden häufig der oberflächennahen Geothermie zugeordnet (s.d.).

Auch das Abwasser im 2.300 Kilometer langen Wiener Kanalnetz weist im Jahresschnitt eine Temperatur von 16°C auf, und selbst im Winter wird der Wert von 12°C nicht unterschritten. Doch nur dort, wo eine Mindestmenge von rund 90 Liter/Sekunde Abwasser fließen, macht die Energiegewinnung auch wirtschaftlichen Sinn. Die Österreich-weit erste Pilotanlage zur Energiegewinnung aus dem öffentlichen Kanalnetz wird im Sommer 2006 in Blumental in Betrieb genommen und soll bis Frühjahr 2008 optimiert werden. Sie versorgt das Hauptquartier von 160 Mitarbeitern und einer Nutzfläche von 4.900 m² der neu errichteten Betriebsaußenstelle Süd der Stadt Wien. Unter der Außenstelle wird ein 30 m langer Wärmetauscher in den dort verlaufenden Kanal eingebaut, und eine Wärmepumpe nützt den Temperaturunterschied zwischen Abwasser und Außenluft. Im Winter wird dem fließenden Abwasser Wärme zur Beheizung des Gebäudes und zur Warmwasseraufbereitung entzogen, während im Sommer der umgekehrte Effekt zur Kühlung des Gebäudes genutzt wird. Die Anlage liefert rund 190 kWh Heizleistung und 150 kWh Kühlleistung.

Äußerst naheliegend klingt die Erfindung von Philip Lee aus Singapur, die im Oktober 2007 in der Presse kursiert: Er nutzt die heiße Abluft von Klimaanlagen um Brauchwasser zu erwärmen – und dabei auch noch die Umwelt zu entlasten.

Eine clevere Idee bildet auch die Power-Pipe Technologie der in Waterloo, Ontario, beheimateten Firma RenewABILITY Energy Inc., bei der es sich um Bänder schmaler und flacher Kupferrohre handelt, die schräg parallel um ein zentrales Abflußrohr gewickelt werden, um dessen Abwärme aufzunehmen. Die erreichbaren Einsparungen sollen zwischen 5 % und 10 % betragen. Angeboten werden die Power-Pipes in drei Modellen – als 36“, 48“ bzw. 60“ lange Rohre, deren Preise von 600 bis 1.000 Kanadische $ reichen, einschließlich der Installationskosten. Ein typisches 60“-Rohr kann die Kaltwassertemperatur von 10°C auf 24°C anheben.

Die staatliche schwedische Immobilienverwaltung Jernhuset gibt Anfang 2008 bekannt, daß sie mit der Körperwärme der etwa 250.000 Menschen, die täglich den Stockholmer Hauptbahnhof passieren, künftig ein Bürogebäude beheizen will. Statt die Wärme nach draußen zu leiten, soll diese über das Belüftungssystem nutzbar gemacht werden und die Heizkosten eines  Bürogebäudes, das bis 2010 in Bahnhofsnähe fertig gestellt werden soll, um bis zu 20 % verringern. Das von Klas Johnasson 2006 erstmal vorgestellte Konzept sieht vor, die aufgewärmte Luft der Bahnhofshallen durch Ventilatoren zu großen unterirdischen Wassertanks zu leiten, um diese aufzuwärmen. Das warme Wasser fließt dann ins Heizsystem des 100 m entfernte Gebäudes.

Tatsächlich wird im Juni 2010 das Vorzeigeprojekt Kungsbrohuset eröffnet, ein 13-stöckiges und 27.000 m² großes Bürogebäude unmittelbar am Stockholmer Hauptbahnhof. Es zeigt sich bereits im ersten Jahr, daß sich etwa ein Fünftel der Heizkosten einsparen lassen, und dies mit einer Investition, die nur 40.000 € an Mehrkosten verursacht hat.

Kommerzielle Abwärme-Generatoren, die aus industrieller Restwärme Strom machen, bietet ab Mitte 2008 die Firma ElectraTherm Inc. aus Reno, Nevada, an, deren Technologie auf einem patentierten Twin Screw Expander beruht. Die Prüfung des 50 kW Modells der ElectraTherm Green Machine an der Southern Methodist University (SMU) in Dallas, Texas, übertrifft die Erwartungen des 2005 gegründeten Unternehmens, da sie eine Ausgangsleistung von über 50 kW erreicht.

Die Firma Cyclone Power Technologies Inc. aus Pompano Beach, Florida, arbeitet ab 2008 wiederum an einer patentierte Cyclone WHE (Waste Heat Engine) an, eine regenerative Rankine Cycle Wärmekraft-Maschine, die mechanische Energie durch Erwärmen und Abkühlen von Wasser in einem geschlossenen Kreislauf mit Kolben-basierten Motorsystem erzeugt. Sie ist auch als Schoell Cycle Motor bekannt. Es ist eine selbst startende Maschine, die bei niedrigem Druck und in niedrigem Temperaturbereich mit Wärme aus praktisch jeder Quelle arbeitet.

Bis das Unternehmen seine ersten Produkte verschiffen kann, dauert es aber noch etwas. Erst im März 2010 liefert Cyclone Power eine Beta-Einheit an Robotic Technology, als Teil eines von der DARPA geförderten Projektes – und Mitte des Jahres eine gleichartige Anlage an seinen ersten Kunden, die Firma Bent Glass Design Inc. in Hatboro, Pennsylvania.

Mitte 2008 stellt das Bundesumweltministerium 5 Mio. € aus dem Umweltinnovationsprogramm für ein Pilotprojekt der Stadtwerke Karlsruhe zur Verfügung, die in Zusammenarbeit mit der ortsansässigen Mineralölraffinerie Oberrhein (MiRO) planen, die im Raffinerieprozeß entstehende Abwärme mit Hilfe neuartiger Plattenwärmetauscher zur Fernwärmeversorgung der Stadt zu nutzen. Bisher wurde die Fernwärme mit fossilen Brennstoffen wie Steinkohle und Erdgas größtenteils in Kraft-Wärme Kopplung erzeugt, wobei Niedertemperatur-Abwärme entsteht, die bislang nicht nutzbar war. Die Abwärme aus der Raffinerie entspricht dabei einer Wärmemenge, die 20.000 Haushalte benötigen.

Das Start-up-Unternehmen ORCan Industries entwickelt auf Basis des Organic Rankine Cycle (ORC) Prozesses eine Art Mini-Dampfkraftwerk, das an LKWs und Bussen angebracht wird und aus deren Abwärme Energie gewinnt, wobei es die Ingenieure des Unternehmens geschafft haben, den Prozeß schon bei 100°C anstatt bei bisher 300°C in Gang zu setzen. Durch das Modul sollen bis zu 10 % Sprit eingespart werden können. In der Kategorie ‚Marathon’ des Münchener Businessplan Wettbewerbs 2008 erreichte das Team ORCan Industries den ersten Platz. Ende des Jahres wird das System erstmals von einem Busunternehmer im Allgäu getestet, wo sechs Schulbusse mit den mobilen Kraftwerken ausgestattet werden.

Die meisten bestehenden Wärme-Harvesting-Technologien sind erst bei Temperaturen oberhalb von 150°C effizient, weshalb die die Firma Ener-G-Rotors aus Schenectady (später: Rotterdam), New York, Technologien entwickelt, die speziell Wärme zwischen 65°C und 150°C nutzen können.

Das Unternehmen ersetzt die Turbine in einem typischen elektrischen Generator durch einen sogenannten Gerotor (auch: trochoidal gear engine, TGE), der nahezu reibungsfreie funktionieren soll und im Grunde aus zwei konzentrischen Rotoren besteht, deren innerer an einer Achse befestigt ist, während der äußere eine Art darum liegenden Kragen bildet. Das Unternehmen erwartet, mit der relativ einfachen Verdrängungsvorrichtung 10 % bis 15 % der Niedertemperatur-Abwärme in Strom umwandeln zu können. Im Jahr 2009 gewinnt die patentierte Technologie den ‚Most Promising Technology Award’ des Cleantech Forum XXI.

Ende 2008 meldet die Presse, daß nun auch in der schwedischen Stadt Halmstad die Wärme eines Krematoriums recycelt werden soll.

Im März 2009 kommt ein neuer, patentierter Wärmetauscher namens EcoDrain auf den Markt, der mit dem Abwasser einer heißen Dusche das ankommende kalte Wasser vorwärmt und damit den Wärmebedarf um 25 % bis 70 % senkt. Das relativ einfache Produkt der 2005 gegründeten gleichnamigen Firma EcoDrain aus Montreal, Quebec, verfügt über eine Wärmetauscher-Einheit mit innerer Antihaftbeschichtung, um das Absetzen von Seife, Haaren oder anderem Abfall zu verhindern. Es erfordert auch nur minimalen Wartungsaufwand, da es keine beweglichen Teile enthält. 2011 wird ein EcoDrain-Wärmetauscher in dem Solar Decathalon Beitrag der Ohio State University installiert (mehr darüber im Kapitel zur solaren Architektur, in Arbeit).

Auch ein Pilotprojekt der Südbayerischen Portland-Zementwerk Gebr. Wiesböck & Co. GmbH im bayerischen Rohrdorf wird von Bundesumweltministerium mit rund 5,5 Mio. € gefördert. Laut Meldungen vom Mai 2009 soll das Unternehmen mit Hilfe eines neuartigen Kraftwerkes künftig aus den bei der Zementherstellung entstehenden heißen Rauchgasen Strom erzeugen.

Im Juli 2010 gibt es ausführlichere Informationen über das Projekt: Mit der Errichtung des neuen Abhitzekraftwerks mit Wärmerückgewinnungsanlage in der Nähe von Rosenheim ist ein Konsortium aus der Siemens-Division Industry Solutions und der Kawasaki Plant Systems Ltd. beauftragt worden. Nach Fertigstellung im April 2012 soll das 6,8 MW Kraftwerk ein Drittel des Strombedarfs des Zementwerks decken.

Im August 2009 verlautet eine Meldung aus Fürth, wo das Rathaus bald mit Wärme aus Abwasser beheizt werden soll – und damit zum „ersten europäischen Rathaus mit Wärmegewinnung aus Dreckwasser wird“, wie sich Oberbürgermeister Thomas Jung ausdrückt. An dem Projekt wird seit 2007 gearbeitet. Der Abwasserkanal unter der Kaiserstraße transportiert sommers wie winters pro Sekunde etwa 150 l Abwasser mit einer Durchschnittstemperatur von 15°C. Mit einer Wärmepumpe soll die Temperatur auf 50°C angehoben werden, was ausreicht, um den Verwaltungssitz zu heizen. Nur bei extremer Kälte müßte dazu auch die alte Gasheizung anspringen. Die Kosten des Projekts betragen 400.000 €, von denen die Kommune nur 12,5 % selbst bezahlen muß, den Rest trägt der Bund.

Für ein ähnliches Pilotprojekt der Emschergenossenschaft und der Stadtwerke Bochum GmbH stellt das Bundesumweltministerium rund 240.000 € zur Verfügung. Hier soll künftig allerdings nicht ein Rathaus, sondern das Schwimmbad Nordwestbad Bochum mit Wärme aus Abwasser beheizt werden. Da in Bochum ein neuer Mischwasserkanal gebaut wird, soll die Wärme des Abwassers nun mit Hilfe eines 120 m langen Wärmetauschers, der in den neuen Kanal eingebaut wird, zurückgewonnen und genutzt werden. Die Abwassertemperatur liegt selbst in den Wintermonaten noch bei rund 12°C und wird die notwendige Vorlauftemperatur von 50°C bis 55°C mit Hilfe einer Wärmepumpe erreichen, wobei der Strom für den Antrieb der Wärmepumpe sowie Wärme für die Trinkwassererhitzung durch ein BHKW erzeugt wird.

Als Beispiel für ein Projekt, bei dem die Abwärme von Datenzentren als Energiequelle zur Beheizung von Wohnhäusern genutzt wird, ist der im Oktober 2009 veröffentliche Ansatz des international tätigen Technik- und Managementberatungskonzern WSP Group, der sich für die Umsetzung mit dem britischen Rechenzentrums-Betreiber Telehouse Europe zusammen tut. Das Datenzentrum Telehouse West in London, dessen Fertigstellung für 2010 geplant ist, soll für das umliegende Wohnviertel rund 9 MW an Wärmeenergie produzieren.

Aus Helsinki kommt im Dezember 2009 die Nachricht, daß hier Anfang 2010 das ‚grünste Rechenzentrum auf dem Planeten’ in Betrieb gehen soll, welches sich in einer Höhle unterhalb der Uspenski-Kathedrale befindet, und dessen überschüssige Wärmeenergie genutzt werden soll, um 500 Häuser in der Stadt zu beheizen. Die Wärme wird dabei in das nah vorbeiführende Fernwärmenetz eingespeist.

Ein ähnliches Projekt war schon im Mai aus den USA gemeldet worden, wo an der University of Notre Dame in Indiana die Abwärme der Server ihrer Hochleistungs-Computer-Abteilung genutzt wird, um das historische Gewächshaus der Stadt South Bend zu beheizen. Dabei wird recht unkonventionell vorgegangen: Die Universität packt ihre Server in einen Standard-Transportcontainer, der neben dem Gewächshaus aufgestellt wird, welcher Kakteen und anderen Wüstenpflanzen beherbergt, wobei die erwärmte Luft durch einen Trichter in den Wintergarten geleitet wird. Ein win-win-Situation, denn die Universität reduziert ihre Kühlkosten von jährlich 100.000 $ - während die Stadt etwa 70.000 $ an Heizkosten für das Gewächshaus einspart.

Im Juni 2012 hört man von einer weiteren Umsetzung aus Deutschland, wo der IBM-Rechner SuperMUC, Europas mächtigster Supercomputer, ein innovatives Kühlkonzept verpaßt bekommt, das Wasser anstelle von Luft verwendet, um die Zehntausenden von Mikroprozessoren bei optimale Arbeitstemperatur zu halten. Die erwarteten Energieeinsparungen betragen bis zu 40 %. Das neue System, das die Komponenten 4.000 mal effizienter kühlen soll, wird während der Wintermonate allerdings auch den Campus des Leibniz-Rechenzentrums in München beheizen.

Im Oktober 2009 kommt wieder einmal das Thema Krematorium in die Presse – diesmal aufgrund einer entsprechenden Umsetzung in Taiwan. Hier wird Elektrizität, die bei der Verbrennung von Leichen entsteht, für den Betrieb der Klimaanlage genutzt. Das Büro für Begräbnisdienste in Taipeh investiert umgerechnet 163.000 € aus Fördermitteln der taiwanesischen Hauptstadt in die neue Anlage, welche die Hitze, die bei Einäscherungen frei wird, in Elektrizität umwandelt, mit der die Klimaanlage und die Kaffeemaschinen in der Ruhezone des Krematoriums betrieben werden. Außerdem spart die neue Technik umgerechnet 315 € an monatlichen Stromkosten. In Zukunft soll den gewonnenen Strom auch für die Lichtanlage verwendet werden.

Um die Themenvielfalt nicht zu weit zu streuen, füge ich hier – unabhängig von der chronologischen Auflistung – die weiteren Projekte an, die sich mit der Wärmerückgewinnung aus Krematorien beschäftigen.

Im November 2009 verlautet, daß auch Verwaltung der britischen Grafschaft East Sussex möchte die Verbrennungshitze eines Krematoriums nutzen, wobei man hier noch denkt, damit die europaweit erste derartige Anlage zu konzipieren. Die neuen Generatoren sollen im Sommer 2010 installiert werden. Bislang kostet das Gas zur Verbrennung der Leichen etwa 25.000 £ pro Jahr, ohne daß dessen Wärme weiter genutzt werden konnte.

Anfang 2011 zieht die britische Stadt Redditch in Worcestershire nach, welche nun auch überschüssige Energie aus einem Krematorium nutzen will, um damit ein öffentliches Schwimmbad zu heizen. Die Entscheidung des Stadtrats im Februar fällt positiv aus, obwohl die Gewerkschaft für den öffentlichen Dienst (Unison) den Vorschlag als „krank und eine Beleidigung der Anwohner“ bezeichnet hatte. Die potentielle Ersparnis bei den Heizkosten für das Schwimmbad soll etwa 14.500 £ pro Jahr betragen (~ 16.500 €).

Ende des Jahres hört man eine ähnliche Meldung auch aus Durham, wo zwei der Brenner mit Turbinen zur Stromerzeugung aufgerüstet werden sollen. Hier plant man, die überschüssige Energie an das nationale Stromnetz zu verkaufen.

Im Laufe des Jahres 2012 soll auch die neue Unternehmenszentrale der Bestattung Wien direkt beim Zentralfriedhof bezogen werden können. Für die hier geplante Heizung soll ebenfalls die Abwärme des Krematoriums genutzt werden – zumindest zusätzlich, da sich die Verwaltung aufgrund von Protesten genötigt sieht zu betonen, daß das neue Krematorium in jedem Fall über eine normale Gasheizung verfügen wird. Allerdings gäbe es Überlegungen die Restenergie, die nach dem Aufheizen des Krematoriums übrig bleibt, auch zur Beheizung des Gebäudes zu verwenden. Einen Anschluß an die Fernwärme werde es auf keinen Fall geben, und auch von einer Beheizung mittels Leichen könne keine Rede sein (als ob es diesen noch etwas ausmachen würde...).

Doch zurück zur Chronologie - und zu weniger umstrittenen Methoden der Wärmerückgewinnung:

Im Oktober 2009 melden die Fachblogs, daß die chinesischen Firma Broad Central Air eine industrielle Kühltechnologie anbietet, die überschüssiges heißes Wasser verwendet um Strom zu erzeugen und dabei gegenüber Kältemaschinen mit fossilen Brennstoffen eine Einsparung von 80 % erreicht. Die Anlagen werden bereits in 30 Ländern genutzt, darunter auch auf dem ‚grünen’ Flughafen Barajas in Madrid.

Einen weiteren Generator namens JIT-Engine, der Strom durch die Nutzung von Niedertemperatur-Wärmequellen wie Solarthermie, Geothermie und Abwärme erzeugt, stellt die koreanische, neu gegründete Firma Jaein Industry Technology erstmals auf der Green Energy Expo 2010 vor. Es werden lokale und internationale Patente angemeldet – doch weiter hört man nichts mehr davon.

Die in Westmont, Illinois, beheimatete Firma Recycled Energy Development (RED) nutzt ebenfalls Abwärme, um diese zu komprimieren und dann eine Turbine anzutreiben oder Brauchwasser zu erwärmen. Die Firma rüstet eine Silizium-Fabrik von West Virginia Alloys nach, um ab 2010 aus deren Abwärme 45 MW Strom zu produzieren. Bei dem gegenwärtigen Verbrauch der Fabrik in Höhe von 120 MW bedeutet dies eine beachtliche Einsparung. Das Geschäftmodell der RED, die mit 1,5 Mrd. $ von Denham Capital Management finanziert wird, sieht vor, die System zur Abwärmenutzung auf eigene Rechnung zu installieren und sich im Rahmen langfristiger Verträge für die Energieeinsparungen bezahlen zu lassen.

In China wiederum ist 2009 die Firma China Energy Recovery (CER) aktiv.

Im März 2010 berichten Forscher der University of Texas in Dallas, daß sie an einer neuen Art von Thermozelle aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen arbeiten, die in der ist, Abwärme aus dem Abgassystem eines Fahrzeugs einzufangen – und dabei zu äußerst geringeren Kosten herstellbar sei. Die gegenwärtig wirksamsten Thermozellen basieren dagegen auf teuren Platin-Elektroden.

Die neue elektrochemische Zelle der Akademiker, die auch drei Mal effizienter ist als ihre Vorgänger, arbeitet mit zwei Elektroden, die in zwei verschiedenen Temperaturzonen positioniert sind. Sobald sich eine Elektrode aufheizt, drückt sie Elektronen durch einen externen Schaltkreis, der eine Mischung von Chemikalien enthält, um Strom zu erzeugen. Der Prototyp ist konzipiert, daß er um ein heißes Abgasrohr gewickelt werden kann. Er funktioniert 90 Tage lang. Die technischen Details sind in einer im Netz abrufbaren Publikation unter dem Titel ‚Harvesting Waste Thermal Energy Using a Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell’ abrufbar.

Ähnliche Entwicklungen laufen auch bei Autobauern wie Honda, Toyota und anderen. Der Turbosteamer von BMW beispielsweise koppelt die aus den Abgasen gewonnene Energie mechanisch auf die Kurbelwelle zurück. An dem Projekt dieses Assistenzantriebs, der nach dem Prinzip der Dampfmaschine funktioniert, wird schon seit 2005 gearbeitet. Er erreicht eine Verbrauchsersparnis von rund 15 %.

Der Turbosteamer basiert auf zwei Kreisläufen, einem Hochtemperaturkreis, der die Abgashitze direkt als Energiequelle nutzt, sowie einem zweiten Kreislauf, der mit geringeren Temperaturen arbeitet. Der Hochtemperaturkreislauf besitzt zwei Wärmetauscher, durch die mit einem Druck von bis zu 40 bar Wasser gepumpt wird, das sich selbst bei nur mäßig belastetem Motor maximal 550°C erhitzt. Der entstehende heiße Dampf strömt in eine Expansionsmaschine, die an die Kurbelwelle gekoppelt ist und so zusätzliche Kraft in den Antriebsstrang leitet. In dem zweiten Röhrensystem zirkuliert dagegen Ethanol, das durch die Restwärme aus dem Hochtemperaturkreislauf (150°C bis 200°C), die Kühlwasserwärme des Motors und die Restwärme des Abgaswärmetauschers erhitzt wird. Die gesammelte Energie reicht aus, um das Ethanol auf zirka 150°C aufzuheizen und damit eine zweite Expansionsmaschine anzutreiben. Die Technik soll aber erst in ca. 10 Jahren marktreif sein.

Im Juni 2010 höre ich erstmals von den thermischen Rädern (heat recovery wheels) der finnischen Firma Ensto Enervent Oy aus Porvoo (wobei es natürlich auch noch viele andere Hersteller gibt). Die rotierenden Wärmetauscher sind auch als ‚rotierendes Luft-zu-Luft-Enthalpie-Rad’ oder ‚Wärmerückgewinnungsrad’ bekannt. Diese Räder werden innerhalb der Zu- und Abluft-Ströme von raumlufttechnischen Installationen oder der Abgasströmung industrieller Prozesse positioniert, um die Wärmeenergie einzufangen und sind seit etwa 20 Jahren bekannt. Ein kühlspezifisches thermisches Rad wird manchmal als Kyoto-Rad bezeichnet.

Ein Wärmerad besteht aus zwei Aluminiumstreifen - einem flachen und einem gewellten - die um eine Achse gewickelt sind, um ein Rad zu bilden. Während die eine Hälfte des Rades der kalten Luft ausgesetzt wird, die vom Lüftungssystem angesogen wird, erwärmt sich diese einströmende Luft, da das Aluminium wärmer ist als die äußere Umgebung. Umgekehrt gibt die Abluft ihre Wärme bei Filterung durch die andere Hälfte des sich drehenden Rades ab, die nun kälter ist, weil sie einen Teil ihrer Wärme an die einströmende Luft übertragen hat. Mit einer Wärmepumpe kann die Funktion noch verstärkt werden. Das Ergebnis ist eine massive Energieeinsparung. Selbstverständlich gibt es noch eine Vielzahl weiterer Wärmetauscher-Technologien – deren Aufzählung allerdings den Umfang dieser Präsentation sprengen würde.

Es ist auch viel interessanter zu lesen, was sich Mitte 2010 Wissenschaftler aus Neuseeland für ein Dissertationsprojekt an der Victoria University in Wellington ausgedacht haben, nämlich die kommerzielle Entwicklung einer Methode, um aus Abwasser nicht nur Hochdruckdampf, sondern auch noch Wasser, Düngemittel und Essigsäure zurückzugewinnen. Das Projekt bietet eine nachhaltige Lösung für die Abwässer von Milchviehbetrieben, Weingütern und Fleischbetrieben.

Das neue Verfahren wird Wetox genannt (Nassoxidation) und bildet eine Methode zur Entfernung von gelösten Feststoffen aus dem Abwasser unter Verwendung von Wärme und Sauerstoff bei hohem Druck. Bislang wird der Prozeß vor allem für industrielle Abfälle genutzt, erreichte aufgrund seiner Kosten aber keine breitere Nutzung. Die Forscher entwickeln daher gemeinsam mit Viclink, dem kommerziellen Partner der Universität, eine kostengünstige und bereits patentierte Variante der Methode, die auch aufgrund neuer Umweltauflagen und der steigenden Kosten für die Abfallentsorgung immer attraktiver wird. Außerdem kann die gewonnene Essigsäure leicht verkauft werden, da in der chemischen Industrie großer Bedarf danach besteht, der bislang zumeist aus Erdölderivaten gedeckt wird, durch die katalytische Synthese von Methanol und Kohlenmonoxid unter Druck (Monsanto-Prozeß).

Im September 2010 gibt es eine Kurzmeldung, daß nun auch in Paris ein Wärmerückgewinnungsprojekt gestartet sei, bei dem die Abwärme der Metro (beispielsweise der durch Reibung und beim Bremsen entstehenden Wärme) verwertet wird, um ein Gebäude mit 17 Sozialwohnungen zu beheizen. Weitere Informationen darüber konnte ich bislang nicht finden.

Die US-Firma Ormat Technologies Inc. aus Reno, Nevada, (die US-Tochter eines israelischen Kraftwerkentwicklers), die hauptsächlich im Geo- und Solarthermie-Sektor aktiv ist (s.d.), gilt gleichzeitig auch als Expertin für Abwärmerückgewinnung. Im November 2010 wird gemeldet, daß nun die Ergebnisse eines zweijährigen Tests vorliegen, der zusammen mit dem DOE auf einem voll funktionsfähigen Ölfeld in Wyoming durchgeführt wurde und die Nutzung einer völlig neuen Energiequelle zum Inhalt hatte. Normalerweise kommt das heiße Wasser, das ein geothermisches Turbinensystem antreibt, aus natürlich vorkommenden geothermischen heißen Quellen. Ormat entwickelte nun ein Weg, um aus dem Öl- und Wassergemisch, das schon während des Bohrens aus dem Boden kommt, zunächst das Öl zu separieren, um dann das heiße Wassermittels einer Wärmerückgewinnung zur Stromerzeugung zu nutzen.

Die neue Technik nutzt das Ölfeld-Wasser mit seiner relativ niedrigen Temperatur von etwa 90°C, um ein flüchtiges Arbeitsfluid namens Isopentan zum kochen zu bringen, dessen Siedepunkt bei 28°C liegt. Mit dem entstehenden Dampft wird dann eine Turbine mit angeschlossenem Generator angetrieben. Die Einheiten von Ormat haben Maximalleistung von 250 kW, wobei die tatsächlich erreichte Durchschnittsleistung 180 kW betragen hat. Im März 2011 wird gemeldet, daß inzwischen eine Durchschnittsleistung von 225 kW erreicht wird.

Im Januar 2011 berichtet eine Gruppe von Materialwissenschaftlern, Physikern und Chemikern der Northwestern University in Illinois, daß sie ein neues Nanomaterial entwickelt haben, das 14 % der Abwärme zur Stromerzeugung nutzen kann. Bis jetzt erreichen vergleichbare Umsetzungen, die Abwärme in Strom umwandeln, zumeist eine Effizienz im Bereich zwischen 5 % und 10 %. Das neue Nanomaterial auf der Grundlage von Blei wird hergestellt, indem Nanokristalle von Steinsalz in Blei-Tellurid eingebracht werden. Blei-Tellurid, das aus Blei- und Tellur-Ionen auf einem Gitter besteht, galt seit langem als einer der vielversprechendsten Kandidaten, da er bereits kommerziell in thermoelektrischen Generatoren verwendet wird (s.u.). Im Bereich der Wärmenutzung gab es aber technische Probleme zu überwinden, was den Forschern aus Illinois nun gelungen ist. Es bleibt abzuwarten, wie lange es jetzt bis zu einer kommerziellen Umsetzung dauert.

Daß die Niedertemperaturwärme nutzende Organic-Rankine-Cycle (ORC) Technik mit bis zu 85 % Wirkungsgrad für den Markt immer interessanter wird, belegt das neue Engagement des US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtunternehmens Pratt & Whitney mit Sitz in East Hartford, Connecticut. Im australischen Brisbane errichtet die Firma Anfang 2011 nämlich in einem holverarbeitenden Betrieb der Gympie Timber Company eine 240 kW ORC-Anlage, die ihre Energie aus einem bestehenden Biomasse-Brenner bezieht und Strom für Öfen zur Trocknung von Bauholz erzeugt.

Pratt & Whitney gehören damit zu einer wachsenden Zahl von Unternehmen, die versuchen, die ORC-Technologie auf den Markt der USA zu bringen, wo sie bislang noch relativ unbekannt ist – während es in Europa zu diesem Zeitpunkt schon 120 bis 150 ORC-KWK-Anlagen mit einer Kapazität von mehreren Megawatt gibt.

In Deutschland sind derweil Fensterintegrierte Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung auf dem Vormarsch, da sie es erlauben, Bestandsgebäude vergleichsweise einfach nachzurüsten und eine interessante Alternative zum Einbau zentraler oder dezentraler Lüftungsgeräte darstellen. Im Gegensatz zu einfachen Fensterfalzlüftern, durch die Frischluft einströmt und die sich bei Überschreiten eines bestimmten Winddrucks selbsttätig schließen, richtet sich das Interesse zunehmend auf Fenster oder Fenstersysteme mit integrierten Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung. Im Januar werden auf der Messe Bau 2011 gleich zwei dieser Systeme mit dem Preis für die Produktinnovation ‚Praxis Altbau’ ausgezeichnet. VentoTherm von Schüco und die Gemeinschaftsentwicklung PremiVent der Profine Group und Zehnder PremiVent.

Schücos System wird außen sichtbar am Fensterrahmen angebracht, wobei die durchschnittliche Einbauhöhe nur 50 mm beträgt. Die Steuerung kann sowohl manuell als auch automatisch mit Hilfe einer Sensorsteuerung anhand von Luftfeuchtegehalt und CO₂-Gehalt erfolgen, außerdem können die Geräte in die Gebäudeleittechnik eingebunden werden. Als zuluftseitig gemessener Wärmebereitstellungsgrad werden 45 % angegeben, wobei das Unternehmen bereits an einer weiteren Erhöhung um etwa 10 % arbeitet. Das deutlich größere Profine-System (98 cm breit, 17,5 cm hoch und mindestens 41 cm tief) kann dagegen unsichtbar unter der Fensterbank montiert werden. Die Entwickler arbeiten aber an einer Verkleinerung des Systems.

Eine dritte Variante stammt von der Firma Siegenia Aubi. Deren fensterintegriertes Gerät Aeromat VT WRG soll einen thermischen Wärmerückgewinnungsgrad von bis zu 61,7 % erreichen und kann flexibel positioniert werden, d.h. sowohl seitlich als auch ober- oder unterhalb des Fensters.

Ein wesentlicher, wenn auch noch völlig ungenügend umgesetzter Einsatzbereich für Abwärme ist die Meerwasserentsalzung. Im Februar 2011 melden die einschlägigen Blogs, daß die israelische IDE Technologies, Hersteller der weltweit größten Umkehrosmoseanlagen, einen Vertrag mit dem chinesischen Stromunternehmen Tianjin SDIC geschlossen hat, bei dem es um die Errichtung von vier Multi-Effect-Destillation (MED) Entsalzungsanlagen mit einer Produktionskapazität von jeweils 25.000 m³ destilliertes Wasser pro Tag geht. Die Versorgung der Anlagen soll durch die Abwärme aus anderen industriellen Quellen erfolgen. Gemeinsam mit bereits bestehenden Entsalzungsanlagen wird das Ergebnis mit einer Tageskapazität von 200.000 m³ den größten Entsalzungsanlagenkomplex Chinas darstellen. Das entsalzte Wasser soll sowohl in einem Kraftwerk genutzt werden um Strom zu produzieren, als auch um Trinkwasser für die 12-Millionen-Stadt Tianjin bereit zu stellen.

Im April 2011 folgt wieder einmal eine Meldung aus Paris, wo nun in der Wattignies Schulgruppe im 12. Arrondissement die Wärme des Abwassers genutzt werden soll, um die Schüler warm zu halten. Die Abwärme stammt aus Geschirrspülern, Waschmaschinen, Duschen und Waschbecken und soll bis zu 70 % des Heizbedarfs der Schule decken können. Hierfür werden eine Wärmepumpe sowie ein 60 m langer Wärmetauscher installiert. Im Vorjahr hatte bereits der Pariser Vorort Levallois-Perret damit begonnen, mit der Wärme aus dem Abwasser ihre Schwimmbäder zu beheizen.

Als internationaler Spezialist für die Wärmerückgewinnung aus Abwasser gilt im übrigen die Schweizer Rabtherm AG aus Zürich, welche die Technologie von Wärmetauschern in öffentlichen Abwasserkanälen vor schon über 20 Jahren entwickelt und patentiert hat. Neben einer Vielfalt an Konstruktionen und Einbaumöglichkeiten lanciert das Unternehmen drei entscheidende Neuentwicklungen: Ein Anti-fouling-System zur Verhinderung der Sielhaut (Biofilm), das eine Erhöhung der Wärmeleistung von über 30 % bringt, ein neues, gemeinsam mit Arcelor-Mittal entwickeltes Material, das eine um 80 % verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist, sowie ein übergeordnetes Regelsystem für bivalente Anlagen mit Alternativenergien. Die kleinste Anlage der Rabtherm erreicht eine Wärmeleistung von 60 kW, die größte Anlage in Betrieb sogar über 3 MW. Eine Anlage mit 6,1 MW ist 2011 in Planung.

Am Ende des aktuellen Updates dieses Unterkapitels möchte ich noch die Anregung eines Lesers weitergeben: Herr Karl-H. Beisswenger aus Ratingen meint nämlich, es sei höchste Zeit, daß sich die Nutzung der Kernenergie nicht nur auf die Erzeugung von Strom beschränkt, sondern daß zukünftig auch die temporär erzeugten Temperaturen von über 200°C der eingelagerten Nuklear-Abfälle genutzt werden. Leider scheint es dazu jedoch überhaupt keine Forschung und Weiterentwicklung zu geben. Sachdienliche Hinweise werden gerne entgegengenommen.

Abschließend anzumerken ist noch, daß ich die Wärmenutzung des Meeres im Kapitel Wasserenergie unter dem Stichwort Temperaturgradient behandle. Eine weitere neue Technologie, die höchstwahrscheinlich ebenfalls aufgrund thermischer Wechselwirkungen funktioniert, beschreibe ich ausführlich in Teil D.

Andere Wärmeenergie-Systeme

Hier möchte ich einige der grundlegenden Effekte aufzählen, die uns im Bereich der Wärmeenergie begegnen - sowie die wichtigsten aktuellen Entwicklungen und umgesetzten Technologien darstellen.

Der Curie-Effekt

Im Rahmen der Wirkungen von Wärmeeinflüssen ist als erstes der sogenannte Curie-Effekt zu nennen, bei dem es sich um eine Art molekularen ‚Vergessensseffekt’ handelt. Denn alle ferromagnetischen Körper verlieren oberhalb einer für die einzelnen Substanzen charakteristischen Temperatur ihre ferromagnetischen Eigenschaften. Dies stellte 1895 Pierre Curie fest, und nach ihm ist dieser Temperatur-Schwellenwert dann auch benannt worden (Curie-Temperatur).

Genau betrachtet handelt es sich um ein Temperaturintervall mit Hysterese, und die hier angegebenen Zahlen sind der Einfachheit halber Mittelwerte:

Kobalt	1.130°C
Eisen	780°C
Nickel	370°C
Gandolinium	17°C

Auch wenn man ferromagnetische Legierungen erhitzt, werden diese beim Erreichen einer genau festliegenden Sprungtemperatur plötzlich paramagnetisch.

Im Zusammenhang mit Elektromotoren und Elektrogeneratoren wurde und wird versucht, diesen Effekt zur Energieerzeugung zu nutzen. Bislang sind mir aber noch keine entsprechenden Umsetzungen bekannt geworden.

Der Thermoelektrische Effekt / Seebeck-Effekt (TEGs)

Schon im 18. Jahrhundert berichteten namhafte Forscher wie beispielsweise Lemery, Aepius, Wilson, Priestley, Brard, Noia, Schweigger und Ritter, daß elektrische Erscheinungen hervorgerufen werden können, wenn man gewisse Materialien erwärmt und dachten darüber nach, ob man vielleicht daraus eine der Volta-Säule ähnliche, aber mit Wärme arbeitende elektrische Batterie herstellen könnte. Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) beschäftigte sich dann eingehend und sorgfältig mit diesen Beobachtungen und publizierte 1821 den sodann nach ihm benannten Seebeck-Effekt. Auf der Basis seiner Forschungen stellte Seebeck auch als erster eine ‚Thermoelektrische Spannungsreihe’ auf, die von späteren Forschern ergänzt und verifiziert wurde.

In einem von dem ukrainischen Prof. L. I. Anatychuk im Jahr 1994 veröffentlich Sonderband zur Thermoelektrik wird erwähnt, daß sich sogar schon Volta selbst um 1794 herum mit dem thermoelektrischen Effekt beschäftigt haben soll – womit die Thermoelektrik sogar älter wäre als die Elektrizität selbst. Volta zu Ehren wird im Jahr 2005 in seinem Heburtsort Como eine entsprechende Gedenktafel aufgehängt. (Danke an Prof. Dr. Georg Bastian für diesen Hinweis).

Die Umsetzung des Effekts ist ausgesprochen einfach: Verbindet man zwei ungleiche, elektrisch leitende Materialien, beispielsweise zwei verschiedene Metalldrähte an einem Ende miteinander und erwärmt diese Verbindungs- bzw. Kontaktstelle, so kann zwischen den beiden kalten Enden der Drähte eine elektrische Spannung gemessen und Strom erhalten werden. Hierbei ist die erhaltene Spannung von der Art der verwendeten Materialien und von der Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Kontaktstelle abhängig.

Verantwortlich sind Thermodiffusionsströme von Elektronen. Am wärmeren Ende des Thermoelektrikums haben die Elektronen eine größere Beweglichkeit als am kalten Ende. Weil sie sich dadurch besser verteilen können, nimmt die Elektronendichte im Vergleich zum kalten Ende ab. Wegen dieser ungleichen Verteilung wird eine elektrische Spannung aufgebaut, die so lange währt, bis die Temperaturdifferenz ausgeglichen ist.

Die durch den Seebeck-Effekt hervorgerufenen Spannungen sind allerdings sehr klein (einige Mikro-Volt per Grad Temperaturdifferenz), doch durch das Zusammenschalten von sehr vielen solcher ‚Thermoelemente’ kann man auch technisch relevante Spannungen erzeugen. Der enorme Vorteil: Das System erlaubt eine direkte Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme, ohne den verlustreichen Umweg über mechanische Wandler-Systeme. Ein signifikanter Nachteil ist allerdings der außerordentlich geringe Gesamtwirkungsgrad von damals höchstens 1 % – 2 %, wobei der theoretische Wirkungsgrad bei 10 % liegt.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts fehlte es demnach nicht an Versuchen, diese bequeme Art der Energieerzeugung nutzbringend umzusetzen und womöglich zu verbessern. Die entsprechenden Geräte nannte man früher in Anlehnung an die Voltaischen Säulen ‚Thermosäulen’, in späterer und heutiger Zeit Thermogeneratoren oder Thermoelektrische Generatoren (TEG).

Um 1883 soll sich Thomas Edison mit dem Effekt beschäftigt haben, und um 1885 baut der Franzose Clamond einen großen Thermogenerator, der aus ca. 3.000 Thermoelementen bestand und mit Kohle bzw. Koks beheizt wird. Die Nutz-Spannung wird mit 109 V angegeben und die Nutz-Stromstärke mit 3,5 A, womit eine Nutz-Leistung von etwa 380 W zur Verfügung steht. Clamond baut auch kleinere, horizontal aufgebaute und mit Gas beheizbare Geräte, die in Schulen und Labors, sowie für galvanische Versuche verwendet werden.

Um 1895 entwickelt der Amerikaner H. B. Cox Thermogeneratoren für den Einsatz im industriellen Gewerbe. Auch diese großen Generatoren werden mit Koks oder Kohle beheizt. Es ist ein ernsthafter Versuch, Thermoelektrizität großräumig einzusetzen, scheitert jedoch unweigerlich daran, daß der Siegeszug der Dynamo-Maschine nicht mehr aufzuhalten war.

Die nebenstehende Abbildung zeigt ein Detail aus dem US-Patent Nr. 434.428 von Cox, der auch viele kleine Thermobatterien entwickelte, die man wie die damals üblichen Gas-Leuchten an der Wand montieren und mit Gas betreiben kann. Solche kleinen Geräte konnten etwa 6 W erzeugen (5 V/5,5 A) und reichten aus, um kleinere Akkumulatoren aufzuladen. Der Gasverbrauch eines solchen Geräts wird mit ca. 45 l Leuchtgas pro Stunde angegeben.

Trotz der enormen Vorteile die solche Geräte aufzuweisen hatten, war ihnen aufgrund des geringen Gesamt-Wirkungsgrades kein durchgehender Erfolg beschieden. Selbst eine verhältnismäßig kleine Dampfmaschine die schon in fast jedem Gewerbebetrieb vorhanden war, konnte wesentlich mehr Strom aus einem an die Maschine angeschlossenen Siemens-Dynamo mit besserem Wirkungsgrad erzeugen. Anfang des 20. Jahrhunderts verschwanden die Thermogeneratoren zunächst aus der Welt der Technik und dem Gedächtnis der Ingenieure.

Eine erste Renaissance gibt es in den 1940ern in Form des russischen Thermogenerators TGK 3, der auf eine Kerosinlampe montiert wird. Während die Flamme an dem einem Pol des thermoelektrischen Elements für eine Temperatur von rund 570°C sorgt, bietet der charakteristische Kranz an Kühlrippen eine Kältepol-Temperatur von etwa 90°C. Damit steht auch in unwegsamen, beinahe menschenleeren Gebieten der Sowjetunion wie etwa Sibirien wenigstens Strom für ein Radiogerät zur Verfügung. Über die Leistung des Geräts ist wenig bekannt, sie dürfte aber in der Größenordnung von etwa 2 – 4 W gelegen haben. Und natürlich funktioniert es am besten in einem Raum mit offenen Fenstern...!

Die Metallkombination des TGK 3, der während des 2. Weltkrieges tausendfach hergestellt wird, besteht Constantan (eine Legierung aus 50 % Kupfer und 50 % Nickel) sowie aus Antimon-Zink (SbZn, 66,6 % Antimon und 33,3 % Zink). Diese Legierung wurde bereits ab 1864 von Wissenschaftlern wie Bunsen, Markus, Stefan,  Noe-Rebicek, Clamond, Raub, Cox und etlichen anderen mit geringen Abweichungen in der prozentualen Zusammensetzung erfolgreich verwendet.

Unter dem Spitznamen ‚Partisanenkantinen’ sind während des Krieges (auf russischer Seite) auch Kochtöpfe im Einsatz, die über das offene Feuer gehängt werden – und einen ‚Stromausgang’ für das konspirative Funkgerät haben. Besonders für die kalten Regionen des Landes werden thermoelektrische Generatoren mit einer Leistung von 200 W – 500W entwickelt.

Mitte der 1950er wird die fast vergessene Technik dann ein weiteres Mal hervorgeholt. Die amerikanische Firma RCA entwickelt beispielsweise 1954 den Prototyp eines kleinen Kühlschranks, der mit thermoelektrischen Elementen funktioniert (s.u. Peltier-Effekt). Und auch GE and Westinghouse arbeiten an kommerziellen Anwendungen des Seebeck-Effekts. Verlockend ist nämlich auch die geringe Größe eines Generators, etwa eine DIN A4 Seite pro Kilowatt!

Es ist bemerkenswert, daß der DDR-Autor Heinz Vieweg in seinem 1959 erschienenen Zukunftsroman Ultrasymet bleibt geheim – der übrigens in Algerien spielt –, neben anderen Technologien auch Elektrofahrzeuge beschreibt, deren Dächer aus ein paar Tausend Thermoelementen bestehen, welche die Akkus des Wagens aufladen. sobald sie von der Sonne beschienen werden. Die Vorstellung, die DDR wäre in den 1960er Jahren mit derartigen Produkten auf die Märkte der 3. Welt gegangen, bildet eine äußerst interessante Überlegung.

1960 kaufen Wissenschaftler der Martin Co. in Baltimore, Maryland, für 56 $ einen der russischen TGK-Thermogeneratoren, wie er inzwischen auch in China im Einsatz sein soll, worüber sogar das US-Magazin Science And Mechanics in seiner Juni-Ausgabe berichtet. Das amerikanische Unternehmen ist eines der ersten, welche zur Hitzeerzeugung nukleares Material einsetzt.

Mit der zwischenzeitlich für die boomende Elektronik entwickelten Halbleiter-Technologie hat man nun auch thermoelektrisch wirksame Materialien zur Verfügung, die deutlich mehr Effizienz erzielen (4 % – 7 %). Für die aufstrebende Satelliten- und Raumfahrt-Technik sind Thermogeneratoren die mit Radioisotopen ‚beheizt’ werden ein Gebot der Stunde und gegebenenfalls die einzige Möglichkeit, jenseits der Erdumlaufbahn genügend Strom für den zuverlässigen Betrieb einer Raumsonde bereitzustellen. Bahnbrechende Arbeiten werden in den 1960ern vom MIT-Professor Paul Gray durchgeführt.

Halbleiter-Thermoelemente moderner Bauart aus einer Germanium-Silizium-Legierung z.B. liefern bei Temperaturdifferenzen zwischen 400°C und 800°C schon mehrere zehntel Volt, der Wirkungsgrad beträgt etwa 5 %. Moderne Thermoionische Wandler (s.u.) erreichen Wirkungsgrade bis zu 15 % und – auf die gleiche Heizfläche bezogen – ­eine mindestens fünfmal so hohe elektrische Leistung.

In den 1970er besitzt die US-Army transportable Thermogeneratoren als alternative Batterieladegeräte. Die 500 W Geräte funktionieren mit Benzin, Flugzeugbenzin oder Diesel und haben eine Effizienz von 3 %, als Thermoelement wird Blei-Tellurid (PbTe) genutzt.

Aufbauend auf den seit 1957 erfolgten Entwicklungsarbeiten der japanischen Firma Komatsu Ltd. wird 1966 die Japan Solidate Co. Ltd. gegründet (ab 2008: Kelk Ltd.), um thermoelektrische Module und verschiedene Temperatur-Kontrollsysteme herzustellen.

Um 1990 entwickelt das Unternehmen auch ein Candle Radio, bei dem Eisensilizid (FeSi) zu Einsatz kommt. Der Transistorempfänger ist im Fuß des Geräts untergebracht. Die Stadt Tokio kauft einige Exemplare um sie als Notfallempfänger im Falle von Erdbeben zu testen.

Nach 50 Jahren des fast völligen Stillstands ist es Forschern inzwischen gelungen, den Wirkungsgrad der Generatoren zu verdreifachen. Jetzt läuft der Rennen um die erste marktreife Anwendung.

1998 entwickeln Wissenschaftler des Forschungsinstituts Fahrzeugtechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden ein neues Konzept für die Stromversorgung von Kraftfahrzeugen, das auf dem Thermoelektrischen Effekt beruht. Anstatt mit einer Lichtmaschine wird der Strom hier mittels spezieller Halbleiter aus der Abwärme des Kühlsystems und/oder den heißen Abgasen des Motors gewonnen. BMW kündigt für das Jahr 2010 an, ein Fahrzeug serienmäßig mit dieser Technologie ausrüsten zu wollen. Thermoelektrisch gekühlte Fahrersitze sind in den USA derweil schon fast zum Standard geworden - alleine 2006 werden etwa 1 Mio. Stück davon verkauft.

Sehr interessant ist ein Patent von Ronald J. Parise aus Suffield, Connecticut, aus dem Jahr 1999 (US-Nr. 5.936.193), da es als Titel ein Oxymoron trägt: Nighttime Solar Cell. Da fragt man sich doch, wie das funktionieren soll? Aus der Beschreibung geht hervor, daß sich einer der beiden Halbleiter der thermoelektrischen Photovoltaik-Zelle in einer abgeschlossenen Zelle mit vermindertem atmosphärischem Druck befindet, um den Strahlungsenergie-Wärmeaustausch mit der schwarzen Nachthimmel zu erhöhen – und dadurch eine erhöhte elektrische Energieerzeugung zu erreichen. Von einer Umsetzung ist mir allerdings nichts bekannt.

Ab 2004 finanziert das US Department of Energy (DOE) drei Teams mit dem Ziel der Entwicklung eines Fahrzeug-TEG, der eine 10 %-ige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs liefern könnte. Diese drei Teams sind: 1. BSST zusammen mit Viseton und Marlow; 2. General Motors mit GE, dem Oak Ridge National Lab, den Universitäten von Michigan und South Florida sowie dem Brookhaven National Lab; und 3. MSU gemeinsam mit Cummins, NASA-JPL und Tellurex. Über die Ergebnisse dieser Forschungen berichte ich weiter unten, sofern ich sie herausfinden konnte.

Seit 2005 gibt es die schwedische Firma Nanofreeze Technologies Lund AB, die sich ebenfalls mit der Entwicklung der nächsten Generation thermoelektrischer Vorrichtungen beschäftigt. Der mit Hilfe der Nanotechnologie aus verschiedenen Halbleitermaterialien aufgebaute Beakon Chip soll Wirkungsgrade des 10- bis 15-fachen heutiger Peltier-Elemente erreichen und sogar um 30 % besser sein als Kompressoren. Im Juni 2006 gewinnt das Unternehmen 300.000 Skr bei einem Wettbewerb, den die staatliche schwedische Agentur für Innovationssysteme VINNOVA zusammen mit Energimyndigheten, einer nachhaltigen Energie-Agentur, organisiert hat. Ende 2007 investieren Northzone Ventures und TeknoSeed 7,4 Mio. Skr in Nanofreeze, wo man mit der Finanzierung die Weiterentwicklung der Technologie fortsetzt und hofft, das erste Produkt 2010 auf den Markt bringen zu können. 2008 wird Nanofreeze in Beakon Technologies AB umbenannt (Nanofreeze wird als Marke für zukünftige Produkte beibehalten), doch danach hört man nichts mehr von der Firma.

2007 startet in Deutschland die in Freiburg beheimatete Micropelt GmbH als Projekt der Infineon Technologies AG in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik (Fraunhofer IPM). Die Neugründung erhält ihre Erstfinanzierung von verschiedenen landeseigenen Beteiligungsgesellschaften, Kreditinstituten wie der L-Bank und der KfW Mittelstandsbank und Privatinvestoren. Die Firma entwickelt Dünnschicht-Thermoelektrik-Komponenten auf Basis von Halbleiter-Fertigungsprozessen, darunter Peltier-Kühler (s.o.) und Thermogeneratoren.

Im März 2008 stellt das Unternehmen den TE-Power-Bolt Thermogenerator vor, der die Form einer M24 Stahlschraube hat und die Batterien von Drahtlos-Sensoren ersetzen soll. Mit dem eingebauten Thermogenerator kann Energie für Milliwatt-Verbraucher von Oberflächen und Strukturen ab 10°C – 20°C über Umgebungstemperatur abgenommen werden. Ab etwa 10°C Temperaturunterschied zur Umgebungsluft liefert der integrierte Gleichstromwandler zwischen 0,2 und 15 mW. Die Spannung kann dabei konstant zwischen 1,2 und 5 V eingestellt werden.

Ende 2009 verleiht Micropelt gemeinsam mit der Deutschen Thermoelektrik-Gesellschaft (DTG) den DTG-Nachwuchspreis an den Tübinger Festkörperphysiker Dr. Nicola Peranio Preis für seine Doktorarbeit zur Erforschung von Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften von Bismut-Tellurid. In seiner Arbeit kann Peranio eine strukturelle Besonderheit als Ursache für dessen niedrige Wärmeleitfähigkeit ausfindig machen, welche für die hervorragenden thermoelektrischen Eigenschaften des Materials verantwortlich ist. Demnach wird die Wärmeausbreitung durch eine periodisch auftretende nanoskalige Struktur im Kristallgitter behindert.

Im Mai 2012 erhält Micropelt 6,5 Mio. € für den Markteinstieg und die globale Expansion mit seiner thermoelektrischen Dünnschicht-Energy-Harvesting-Technologie. Davon 5 Mio. € kommen von dem Ludgate Environmental Fund (LEF), 1 Mio. € durch den Mitsubishi UFJ Capital Fund (MUCAP), und der Rest von den bisherigen Shareholdern IBG/Goodvent, KfW, L-Bank und SHS. Nun sollte man eigentlich bald von Verkäufen und Gewinnen hören.

Bereits im Jahr 2007 präsentiert der Physiker Terry Tritt von der Clemson University eine thermoelektrische Vorrichtung, welche die Energie heißer Motoren mit einem Wirkungsgrad von 7 % – 8 % nutzt. Tritt leitet das Department of Energy Center of Excellence zur Erforschung thermoelektrischer Materialien, das als eines der weltweit führenden Labore in diesem Bereich gilt. Das DOE fördert die Arbeiten für die nächsten drei Jahre mit 1,5 Mio. $ pro Jahr. Im August 2008 erhält Tritt den Governor’s Award for Excellence in Scientific Research.

Ende 2007 meldet eine Forschergruppe um Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Wien die Entwickelung eines Thermoelektrikum aus der Familie der Skutterudite, das ohne problematische Elemente auskommt. Skutterudite, die nach dem norwegischen Dorf Skutterud bei Blåfarveværket in Modum benannt sind, wurden früher vor allem für das Blaufärben von Porzellan genutzt und sind umwelt- und gesundheitsfreundlich. Die neuen Thermoelemente bestehen aus der Kombination eines elektropositiven Elements, z.B. Barium oder Strontium (das in der Kristallstruktur des Skutterudit quasi eingesperrt ist), einem Übergangsmetall wie Platin, sowie einer dritten Komponente, die bisher als problematisch galt, da Elemente aus der Gruppe der Pnictogene zum Einsatz kamen, etwa Phosphor oder giftiges Arsen. Bei dem seit anderthalb Jahren laufenden Projekt, an dem auch die Universität Wien beteiligt ist, gelingt es, die Pnictogene durch Germanium zu ersetzen. Eine mögliche Anwendung, die Gewinnung von Elektrizität aus der Abwärme technischer Geräte, wird bereits getestet. Außerdem wird nach einem preiswerteren Ersatz für das Platin gesucht.

Zur gleichen Zeit arbeiten am Massachusetts Institute of Technology (MIT) Prof. Mildred S. Dresselhaus und ihr Team an der Lösung des grundlegenden Problems bei der Schaffung von effizienten thermoelektrischen Materialien, daß sie nämlich sehr gut Strom leiten sollen, aber keine Wärme. Die Wissenschaftlerin hatte in den 1990er Jahren für die US-Marine daran gearbeitet, U-Boote leiser zu kühlen, das bei diesen die Stromerzeugung und die Klimaanlage zu den lautesten Geräuschquellen gehören. In dieser Dekade entwickeln die Forscher entsprechende Nanotech-Anwendungen, indem sie Hindernisse (nanogroße Partikel, Drähte oder Muster) in Halbleiter einbetten, die den Stromfluß behindern und die thermische Differenz erhalten. Durch diese Einbettung dieser Nanostrukturen wie Übergitter und Quantenpunkte (quantum dots) in Computerchips oder Solarzellen können deren Temperaturen gesteuert, und damit ihre Funktionen verbessert werden.

Anfang 2008 berichten gleich zwei Forschergruppen, daß es ihnen gelungen sei, die thermoelektrischen Eigenschaften von Silizium, das sich als Material dafür bislang kaum eignete, um das 100-fache zu verbessern. Ein Forscherteam unter der Leitung von Arun Majumdar und Peidong Yang am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) der kalifornischen University of Berkeley erzeugt dazu auf elektrochemische Weise aufgerauhte Nanodrähte aus Silizium, die einen runden Querschnitt und einen Durchmesser von 20 bis 300 Nanometer besitzen, während die Gruppe von James Heath am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena ähnliche Nanodrähte entwickelt, jedoch mit rechteckigem Querschnitt von 10 mal 20 Nanometern. Bislang fehlt allerdings noch die Theorie dafür, wie es überhaupt gelingen konnte, die thermische Leitfähigkeit derart zu senken.

Auf dem Foto ist eine Falschfarben-Aufnahme der thermoelektrischen Silizium-Nanodraht-Vorrichtung des Caltech zu sehen. Die zentrale grüne Fläche ist das Gitter aus Si-Nanodrähten, die bei dieser Vergrößerung nicht detaillierter zu sehen sind. Die vier gelblichen Elektroden werden für die Thermometrie verwendet, während die Wärmezufuhr über eine der beiden Joule-Heizelemente erfolgt (hier ist das rechte Heizelement rot gefärbt).

Die Forschergruppe des MIT meldet zeitgleich einen vielversprechenden Durchbruch, den sie gemeinsam mit Kollegen der Firma Texas Instruments erreicht haben. Das neue Mikrochip-Design umfaßt Speicher- und Logik-Schaltungen, die auf einem deutlich niedrigeren Spannungsniveau arbeiten als üblich – nur 0,3 V statt wie sonst 1 V –, und dazu bis zu 10 Mal energieeffizienter sind als die gegenwärtige Technik. Man hofft, daß dies genügt um in etwa fünf Jahren implantierbare medizinische Geräte mit der Wärme des menschlichen Körpers als Energiequelle betreiben zu können.

Zusammen mit Wissenschaftlern des Boston College (BC) wird außerdem mit Hilfe der Nanotechnologie eine Steigerung der thermoelektrischen Effizienz der Halbleiter-Legierung Wismut-Antimon-Tellurid um 40 % erreicht. Dabei werden die Silizium-Nanodrähte genutzt, die von Forschern des Berkeley Lab und der University of California entwickelt worden sind und auch bei Raumtemperatur thermoelektrische Eigenschaften auf Hochleistungsniveau aufweisen. Der Trick ist, Gitter von vertikal ausgerichteten Nanodrähten herzustellen, die über eine außergewöhnlich rauhe Oberfläche verfügen. Hierfür wird die Halbleiter-Legierung in einer Kugelmühle zu im Mittel zwanzig Nanometer großen Partikeln zerkleinert und dann in loser Form wieder aufgebaut, wenn auch mit nanoskaligen Bestandteilen. Die Körner und anschließend zu zentimetergroßen Blöcken verpreßt. Die dabei entstehenden Unregelmäßigkeiten verlangsamen den Durchgang von Phononen (sog. Quasiteilchen) durch das Material dramatisch, was den radikalen Wandel der thermoelektrischen Leistung bewirkt und den Wärmestrom blockiert, während der elektrische Strom gleichzeitig frei fließen kann. Außerdem funktioniert das Ganze in einem Temperaturspektrum zwischen Raumtemperatur und 250°C.

Die Leistung thermoelektrischer Systeme wird mit dem sogenannten ZT-Wert (thermoelektrischer Gütefaktor) gemessen, und das Ziel für die praktische Umsetzung ist ein Wert von 1,0 oder höher. Er hängt von einem für jede Verbindung spezifischen Seebeck-Koeffizienten S, der thermischen Leitfähigkeit k (Kappa) und dem elektrischen Leitwert o (Sigma) ab und errechnet sich nach der Formel S2o/k. Wert von 1,0 und sogar bis 3,5 wurde durch die Verwendung von dünnen Filmen und Nanostrukturen in den letzten Jahren zwar erreicht, aber nur bei Verwendung von extrem teuren Materialien. Ab einem ZT-Wert von 1,5 gilt eine breite wirtschaftliche Nutzung als rentabel, und bei einer Gütezahl von 2 wird mit einer Verzehnfachung des Marktvolumens gerechnet.

Günstiges Silizium ist bei Raumtemperatur dagegen ein schlechtes Thermoelektrikum, doch mittels einer deutlichen Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Nanodrähte, ohne wesentlicher Reduzierung ihrer elektrischen Leitfähigkeit, werden mit Nanodrähten von ungefähr 50 Nanometer im Durchmesser bereits ZT-Werte von 0,6 erreicht. Nun will man durch die weitere Reduzierung des Durchmessers in Kombination mit einer optimierten Kontrolle der Dotierung und der Rauheit ZT-Werte von 1,0 oder höher bei Raumtemperatur erzielen. Die Forschungen werden durch das DOE und die National Science Foundation unterstützt.

Im September 2008 verteilt die MIT Energie-Initiative ihre zweite Runde an Startfinanzierungen mit der Verteilung von 1,7 Mio. $ in Form von Zuschüssen an insgesamt 17 separate Projekte. Vier davon beschäftigen sich mit der Entwicklung von Materialien und Systemen, welche Wärmeenergie direkt in Strom verwandeln. Grund dafür ist die Hoffnung, daß hocheffiziente thermoelektrische Materialien die schmutzigen und gefährlichen Kerosin und Holz verbrennenden Lampen und Öfen in der ganzen Dritten Welt ersetzen könnten. Ein Vorschlag von Prof. Rajeev Ram betrifft die Entwicklung eines thermoelektrischen Solarkochers, bei dem die Restwärme etwa 20 W an Leistung erbringen soll.

Zum gleichen Zeitpunkt wird die Firma Phononic Devices mit (späterem) Hauptsitz in Raleigh, North Carolina, gegründet, welche die Thermoelektrik viel effizienter und kostengünstiger machen will – ebenfalls durch eine nanotechnologische Umsetzung, die aus dem Technologie-Transfer-Programm der University of Oklahoma stammt und dort von Prof. Patrick McCann entwickelt wurde.

Credo des neuen Unternehmens: Thermoelektrik ist eine reine Materialfrage. Nach einer ersten Finanzierungsrunde Anfang 2009 mit einem Ertrag von 1 Mio. $ von Venrock and Oak Investment Partners erhält Phononic im Oktober weitere 3 Mio. $ aus ARPA-E Mitteln. Damit gelingt es, Ende 2010 den Funktionsnachweis der thermoelektrischen Umsetzung zu erbringen. Bei einer zweiten Finanzierungsrunde im Februar 2011 kommen noch einmal 11 Mio. $ von Venrock in die Kasse. Technische Details sind nicht zu erfahren, das Unternehmen sagt aber, daß es sich nicht um Wismut-Tellurid oder Bismut-Selenid handelt, sondern um neue „geschützte Materialien aus einer anderen Klasse von Elementen [im Periodensystem], die es überall und kostengünstig gibt, und die in bestehende Betriebe der Halbleiterindustrie integriert werden können.“ Man hofft, Ende 2012 mit dem Verkauf beginnen zu können.

Ein konkurrierendes Unternehmen, das auch schon kommerziell erfolgreich ist, heißt Nextreme Inc., sitzt im Research Triangle Park in North Carolina, besitzt 38 Patente und hat in zwei Finanzierungsrunden von einer Reihe Investoren 35 Mio. $ eingenommen. Die Firma verkauft miniaturisierte, eingebettete thermoelektrische Generatoren (embedded thermoelectric generators, eTEG), die Mit Hilfe modernster Dünnschicht-Technologie hergestellt werden. Nextreme behauptet, den weltweit kleinsten thermoelektrischen Generator mit der höchsten Ausgangsleistung anzubieten, der schon bei Temperaturunterschieden von weniger als 5°C funktioniert.

Das im Jahr 2004 gegründete Unternehmen nimmt bei seiner ersten Finanzierungsrunde 2007 Investitionsmittel in Höhe von 14 Mio. $ ein und beginnt im Oktober desselben Jahres mit der Auslieferung seiner ersten Produkte. Eine weitere Runde im August 2008  bringt dem Unternehmen 13 Mio. $ ein, die von Chart Venture Partners und die Vorinvestoren Redshift Ventures, Harris & Harris Group Inc., In-Q-Tel, RTI International und der japanischen ITOCHU Corp. beigesteuert werden. Weitere Geldgeber investieren im Juli 2009 zusätzliche 8 Mio. $. Zum gleichen Zeitpunkt wird eine Kooperationsvereinbarung mit dem Rüstungskonzern Lockheed Martin geschlossen, um die nächste Generation der Thermal- und Power Management-Lösungen von Nextreme zu entwickeln.

Im September 2010 erhält das Unternehmen das US-Patent (Nr. 7.638.705) für einen innovativen, mehrstufigen solar-thermoelektrischen Hochtemperatur-Generator (TEG Solar), der einen Wirkungsgrad von 15 % erreichen soll. Er ist gemeinsam mit Dr. Rama Venkatasubramanian, dem Direktor des Center for Solid State Energetics bei RTI International, entwickelt worden.

Mit der Produktreihe  Thermobility Wireless Power stellt Nextreme im Februar 2011 eine neue Generation von Technologien zur Stromgewinnung aus Wärme vor, die speziell für drahtlose Niederspannungsanwendungen zugeschnitten ist. Das erste Produkt, der Thermobility WPG-1a, liefert eine konstante Ausgangsspannung von 3,3, 4,1 oder 5,0 V an elektrische Lasten von 15 kΩ oder höher. Der WPG-1 ist etwa so groß wie ein Golfball und besteht aus einem Rippenkühlkörper, einem Schaltkreis, dem thermoelektrischen Generator-Modul ETG HV56 von Nextreme sowie einer Befestigungsplatte aus Metall, die an der gewünschten Wärmequelle angebracht wird. Der Preis beträgt je nach Ausführung zwischen 495 $ und 595 $.

Im März 2008 fordert das DOE die entsprechenden Unternehmen auf, Projekte zur Nutzung von thermoelektrischen Materialien in Fahrzeugheizungen und -kühlungen einzureichen. Für die Programme, die voraussichtlich 2,5 bis 3 Jahre laufen werden, stellt das DOE 7,5 Mio. $ zur Verfügung.

Forscher der Abteilung für Thermoelektrische Systeme am Freiburger Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik um Dirk Ebling setzen derweil auf eine weitere Methode. Statt den aufeinandergelegten, Nanometer-dünnen Schichten aus thermoelektrisch unterschiedlich aktivem Material, deren Grenzflächen den Wärmetransport behindern, nicht aber den Strom, wird hier ein Gemisch reiner Thermoelektrika genutzt, die aber keinen gemeinsamen Kristall bilden, sondern aus verpressten Nano-Kristallen bestehen. Auch hier halten die Grenzflächen der vielen kleinen Kristalle Wärmefluß auf.

Das leidige Problen der sich immer wieder schnell entladenen Batterien von Funkmäusen will ein Designteam aus Singapur lösen, daß sich im März mit seinem Entwurf an der von Core77 veranstalteten Greener Gadgets Design Competition 2008 beteiligt. Ihr DORmino genanntes Konzept soll die Wärme von der Unterseite eines normalen Laptops sammeln und dann als Thermoelektrizität über Induktionsaufladung an die Maus an der Seite übertragen. Bislang habe ich allerdings noch nichts von einer Umsetzung gehört – dabei wäre ich ein potentieller Kunde!

Im Mai 2008 erhält Prof. Kornelius Nielsch vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) den Zuschlag für die Einrichtung eines Schwerpunktprogramms SPP 1386 unter dem Titel ‚Nanostrukturierte Thermoelektrika: Theorie, Modellsysteme und kontrollierte Synthese’. In zwei Förderphasen von 2009 - 2012 und 2012 - 2015 sollen jeweils 10 - 15 Verbundprojekte mit je zwei bis vier Partnern aus dem gesamten Bundesgebiet zu diesem Thema Forschungen anstellen und dabei Fragestellungen der Physik, der Nanotechnologie und Mikrosystemtechnik, der Meß- und Energietechnik sowie der Materialwissenschaften miteinander verbinden. Die entsprechende Ausschreibung wird Ende Mai veröffentlicht. Hauptaufgabe der Forscherinnen und Forscher wird es sein, neue thermoelektrische Systeme mit nanostrukturierten Materialien zu entwickeln, die langfristig 50 % - 200 % effizienter als die gegenwärtigen Systeme sind.

Im Juli 2008 meldet die Fachpresse, daß Wissenschaftler um Prof. Joseph Heremans an der Ohio State University nachzehnjähriger Forschung ein neues thermoelektrisches Material erfunden haben, das die doppelte Effizienz der derzeit gängigen Materialen aufweist. Das bislang effizienteste Material, das kommerziell in thermoelektrischen Generatoren verwendet wird, ist eine Legierung namens Natrium-dotiertes Bleitellurid mit einem ZT-Wert von 0,71. Als die Forscher der Legierung Spuren von Thallium beimischen, verdoppelt sich der ZT-Wert auf 1,5. Es zeigt sich außerdem, daß das neue Material am effektivsten in einem Temperaturbereich zwischen 232°C und 510°C funktioniert, im typischen Bereich von Kraftmaschinen wie Automotoren. Ein Nachteil des neuen Materials ist allerdings, daß Thallium extrem giftig ist. Sollte sich die Technik trotzdem kommerzialisieren lassen, könnten erste Produkte wie thermoelektrische Generatoren als Ersatz für Lichtmaschinen in drei bis vier Jahren verfügbar sein. Die Arbeit wird von der BSST Corp., dem Beckman Institute, der schwedischen Bengt Lundqvist Minne-Stiftung und dem NASA Jet Propulsion Laboratory finanziert.

Interessant ist auch eine Nachricht, die genau vier Jahre später kursiert. Japanische Forscher hatten 2008 an einem metallischen Magneten einen Spin-Seebeck-Effekt entdeckt – das Spin-Äquivalent des klassischen elektrischen Seebeck-Effekts. Bringt man die beiden Enden des Magneten auf unterschiedliche Temperaturen, so bewegen sich in ihm die Elektronen je nach ihrer Spinrichtung zum wärmeren oder zum kälteren Ende hin. Da die Spins der Elektronen bevorzugt in die Magnetisierungsrichtung des Magneten zeigen, fließt mit dem elektrischen Strom auch ein Spinstrom. Diesen Spin-Seebeck-Effekt beobachteten Joseph Heremans und sein Kollege Christopher Jaworski nun überraschenderweise auch bei nichtmagnetischen Materialien wie Indiumantimonit (InSb). Die dabei gemessenen thermoelektrischen Spannungen sind etwa tausendmal so groß wie die an den bisher untersuchten magnetischen Materialien auftretenden Spannungen, so daß die Forscher von einem „Riesen-Spin-Seebeck-Effekt“ sprechen. Daß er für die Energiewandlung nutzbar ist, war bislang nicht zu hören – dafür ist der Effekt für die Spintronik besonders interessant.

Ebenfalls im Juli 2008 berichten Wissenschaftler um Prof. G. Ramanath am Rensselaer Polytechnic Institute darüber, wie das Wachstum von Nanostäbchen aus zwei Einkristallen, unter Nutzung eines biomolekularen Tensids, gesteuert werden kann. Den Forschern gelingt es durch sorgfältiges Steuern der Temperatur, der Zeit und der Menge des Tensids während der Synthese sogar ‚verzweigte’ Strukturen herzustellen. Dabei besteht jedes Nanostäbchen aus zwei Materialien: Ein Einkristall-Wismut-Tellurid Nanostäbchen-Kern wird von einer hohlen zylindrischen Schale aus Einkristall-Wismutsulfid umhüllt. Die Entdeckung ermöglicht die Realisation zweier sehr wichtiger Eigenschaften für die Wärmeableitung und die Stromerzeugung aus Wärme. Erstens unterstützen die Kern-Schale-Verbindungen der Nanostäbchen die Wärmeabfuhr bei Anlegen einer elektrischen Spannung oder der Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme. Und zweitens öffnen die verzweigten Strukturen die Möglichkeit der Herstellung miniaturisierter Leitungen zur Wärmeabfuhr von Nanodraht-Verbindungen.

Im August 2008 meldet das japanische Unternehmen Furukawa Co., daß man dabei sei, ein eigenes Skutterudit-Thermoelektrikum zu entwickeln. Die Firma stellt ein Modul in den Maßen 5 x 5 cm und einer Dicke von 8 mm vor, das etwa 140 g wiegt. Wird die Oberseite auf 720°C erhitzt, während der Boden bei 50°C gehalten wird, erzeugt das Modul 33 W. Für automotive Anwendungen will Furukawa rund 20 dieser Module um die Abgasanlage herum befestigen. Die rund 7 % der Abwärme, die in Strom umgewandelt werden, könnten Berechnungen des Unternehmens zufolge den Kraftstoffverbrauch um rund 2 % senken. Mit der Massenproduktion soll innerhalb von drei Jahren begonnen werden.

Die Firma Applied Methodologies Inc. (AMI) aus Wantagh, New York, bietet seit 1995 Technologieberatungen an. Ab 2006 verfolgt das Unternehmen von Jeffrey Sicuranza das Konzept, Servern und anderen IT-Geräten zu ermöglichen, unter Verwendung der Thermoelektrik ihre eigene Abwärme (zumeist 27°C bis 46°C) in Strom zu verwandeln. Im Oktober 2007 stellt die Forschungsabteilung AMILABS den branchenweit ersten ‚grünen’ Thermogreen Server vor, der nicht nur den aktuellen Energieeffizienz-Normen entspricht, sondern auch selbständig Energie erzeugt. Jeder einzelne Server kann die erzeugte Energie rekursiv nutzen, um seinen eigenen Stromverbrauch zu reduzieren. Ebenso läßt sich die Energie mehrerer Server zusammengefaßt in ein Leistungsvertriebsnetz einspeisen. Pro Server soll es 10 $ bis 20 $ kosten, um ein TEG-System zu integrieren, das an seinem Ausgang 10 V und 5 A bereitstellt.

Im Oktober 2008 wird der branchenweit erste grüne Ethernet-Switch präsentiert, der beim Vermitteln von Datenpaketen Strom erzeugt – natürlich unter dem folgerichtigen Namen Thermogreen Switch. Die Energie kann für die Stromversorgung anderer Kleingeräte verwendet werden. Und auch an einem ThermoGreen Router wird gearbeitet. Doch trotz diesem interessanten Ansatz kommt die AMI nicht richtig voran und ist 2010 noch immer dabei, Investitionskapital zu suchen, um ihre Prototypen in die kommerzielle Produktion zu überführen. Neuere Nachrichten habe ich bislang nicht finden können.

Auf der Ceatec Messe im Oktober 2008 in Japan präsentiert der Elektronik-Hersteller Murata Manufacturing Co. Ltd. den Prototyp einer thermoelektrischen Vorrichtung, die bei 360°C bis zu 38 mW pro Quadratzentimeter erzeugt. Bis zu einem vermarktbaren Produkt werden dem Unternehmen zufolge aber noch 10 Jahre oder mehr vergehen.

Inzwischen wird bekannt, daß nun auch Volkswagen und BMW thermoelektrische Generatoren (TEG) entwickelt haben, welche die Abwärme von Verbrennungsmotoren nutzen sollen. VW zeigt im Oktober 2008 in Berlin ein Prototyp-Fahrzeug mit eingebautem TEG, die bei Autobahnfahrt eine Ausgangsleistung von 600 W erreichen soll. Damit würde er rund 30 % des elektrischen Bedarfs des Fahrzeugs decken, was zu einer reduzierten mechanischen Belastung (Lichtmaschine) und einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um mehr als 5 % führt.

Automotive thermoelektrische Generatoren (ATEG) werden mit Unterbrechungen seit 1988 entwickelt, als Porsche einen Auspuff-ATEG machte, der in der Lage war, aus der Abgasanlage eines 944 etwa 20 W - 30 W herauszuholen. Er kam jedoch nie über das Prototypen-Stadium hinaus.

Der nun von BMW und der DLR entwickelte thermoelektrische Auspuff-Generator erreicht maximal 200 W und ist bereits erfolgreich auf einer Strecke von 12.000 km eingesetzt worden. Man plant, den TEGS in der Serie 5 einzuführen – allerdings erst 2010 – 2014. Immerhin zeigt BMW bereits auf der IAA 2009 mit dem BMW Vision Efficent Dynamics eine Hochleistungs-Hybridantrieb-Konzeptstudie, die von einem Turbodiesel und zwei Elektromotoren angetrieben wird. Mit an Bord ist auch ein thermoelektrischer Generator, welcher der Abgasanlage Energie entzieht. Ein weiterer Kooperationspartner der Autobauers ist die NASA.

Der Maschinenbau- und Kerntechnikingenieur Lonnie Johnson, ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Oak Ridge National Laboratory, Mitglied der US Air Force, Forschungsingenieur der NASA und des Jet Propulsion Laboratory, wo er an dem Mars Observer Projekt arbeitete, wird 1991 mit der Erfindung seiner Super Soaker Wasserpistole steinreich. Alleine 1992 nimmt er damit schon 200 Mio. $ ein – und nennt bald über 100 Patente sein eigen. Nebenbei experimentiert er mit einer umweltfreundlichen Kühltechnik – woraus sich bald ein neues Gerät ergibt, das Hitze verwendet, um Elektrizität zu erzeugen. Der Erfinder, den die National Science Foundation unterstützt, stellt seinen Johnson Thermo-Electrochemical Converter (JTEC) im Oktober 2008 erstmals vor.

Der JTEC hat keine beweglichen Teile und nutzt Temperaturunterschiede, um einen Druckunterschied zu schaffen. Doch anstatt diesen zu verwenden, um eine Achse oder ein Rad zu bewegen, nutzt ihn die neue Entwicklung, um Ionen durch eine Membran zu pressen – was eine völlig neue Art der Erzeugung von Strom aus Wärme darstellt. In dem Gerät zirkuliert Wasserstoff zwischen zwei Brennstoffzellen-ähnlichen Membran-Elektroden-Einheiten. Im Gegensatz zu einer Brennstoffzelle bildet der JTEC jedoch ein geschlossenes System, das keiner Versorgung mit neuem Wasserstoff bedarf. Dabei wird die eine Einheit mit einer Wärmequelle (wie konzentriertes Sonnenlicht), und die andere mit einem Kühlkörper (Umgebungsluft) gekoppelt. Sobald der Zyklus durch einen elektrischen Impuls gestartet wird, startet das Gerät mit der Stromerzeugung.

Zur Weiterentwicklung und Vermarktung - obwohl es noch Jahre dauern kann, das Konzept zu kommerzialisieren -, gründet Johnson in Atlanta, Georgia, als Ausgründung seiner Johnson Research and Development Company Inc. die eigenständige Firma Johnson ElectroMechanical Systems Inc. (JEMS). 2008 erhält er Breakthrough Award des US-Magazins Popular Mechanic. Auf seiner Homepage werden noch drei weitere Umsetzungen erwähnt, die es bislang aber ebensowenig geschafft haben, sich zum Produkt zu mausern. Das erste ist ein Umgebungswärme-Motor (Johnson Ambient Heat Engine, JAHE), der Strom aus den täglichen Schwankungen der Umgebungstemperatur beziehen soll, das zweite ein Umgebungstemperatur-Umwelt-Motor (Johnson Ambient Environment Engine, JAEE), der gegenüber der Umwelt offen und ist und in ähnlicher Weise wie eine Brennstoffzelle arbeitet. Dieser Motor soll zur Stromerzeugung aus den täglichen Temperatur-, Luftdruck- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen optimiert werden (siehe dazu das Kapitel Micro Energy Harvesting). Das dritte ist ein elektrisches Wärmerohr (Johnson Electric Heat Pipe, JEHP), das die thermische Umwandlungsfähigkeit einer Wärmekraftmaschine mit der Wärmetransportfähigkeit eines Wärmerohrs in einem einzigen und vielseitigen Gerät kombiniert.

Ende 2008 informiert der Chiphersteller Cypress Semiconductor Corp. aus San Jose, Kalifornien, darüber, daß man eine spezielle Abteilung gegründet habe, um Thermoelektrische Anwendungen zu erforschen – gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Berkeley. Anstelle von Wismut-Tellurid wollen die Kalifornier mit Gallium-Arsenid experimentieren. Die geplanten Geräte sollen in Autos verwendet werden, bis dato scheint allerdings noch kein marktfähiges Produkt entwickelt worden zu sein.

Die 2008 als Start-up der University of Illinois gegründete MC10 Inc. mit Hauptsitz in Cambridge, Massachusetts, verbindet die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer Systemen mit einer firmeneigenen, standardisierten Plattform, die diverse neue Anwendungen ermöglicht, indem sie der Elektronik ermöglicht, Räume und Geometrien zu besetzen, die in einer traditionellen, starren Form gar nicht möglich sind. Grundlage hierfür sind die Forschungen der Gründer Prof. John Rogers von der University of Illinois at Urbana–Champaign (UIUC) und Prof. George Whitesides von der Universität Harvard. Unterstützt von einer großen Anzahl  von Patenten, sowohl durch Lizenzierungen (die dehnbare Silizium-Technologie wird von der University of Illinois für einen ungenannten Betrag lizensiert) als auch durch hauseigene Weiterentwicklungen, will das Unternehmen Anwendungen in den Bereichen Unterhaltungselektronik, medizinische Geräte, industrielle Produkte und Verteidigungssysteme umsetzen. Hierfür werden die üblichen Halbleiter mit den mechanischen Eigenschaften von dehnbaren Elastomeren verbunden. Ein Produktbeispiel ist eine Art ‚elektronische Haut’, die in Form eines dünnen Aufklebers alles messen kann, was sich im Körper abspielt, beginnend mit der Herzfrequenz.

Im Oktober 2009 erhält MC10 aus dem ARPA-E Programm einen Förderzuschuß in Höhe von gut 1,7 Mio. $ für die Entwicklung einer thermoelektrischen Vorrichtung, die mit Silizium-Nanoröhren Wärme in Elektrizität umwandeln soll. Nanoröhren sind im Grunde eindimensionale Strukturen, die aus physikalischer Sicht zwar eine Länge, aber keine Breite oder Höhe haben. Damit sind ideal für die Durchleitung von Wärme oder Strom, weil es schwierig ist, zu streuen oder ablenken, was gerade transportiert wird. Gerne werden daher mit einer ‚Magnetschwebebahn für Moleküle’ verglichen.

In einer Finanzierungsrunde A im Dezember 2009 nimmt MC10 6 Mio. $ von North Bridge Venture Partners und Osage University Partners ein, und im Mai 2010 erhält das Unternehmen eine Förderung durch die Bill & Melinda Gates Foundation in Höhe von 100.000 $, die allerdings in diagnostische Anwendungen der MC10-Technologie fließen.

Anfang 2011 zeigt das Unternehmen, wie das für hocheffiziente Solarzellen genutzte Galliumarsenid auf dehnbare Folien aus halbleitendem Silizium aufgesetzt werden kann, und Mitte des Jahres wird der MC10-Mitbegründer John Rogers mit dem 500.000 $ schweren Lemelson-MIT-Preis für Innovationen im Bereich der Gesundheit und der Energie ausgezeichnet. In einer Finanzierungsrunde B gelingt es dem Unternehmen im September, 14,85 Mio. $ einzunehmen, u.a. von Windham Venture Partners, Braemar Energy Ventures, Aberdare Ventures und Terawatt Ventures. Zu den Kooperationspartnern der Firma gehören derweil neben der University of Illinois auch das Massachusetts General Hospital, die US Navy und der Sportschuhe-Hersteller Reebok International Ltd. Im Laufe dieses Jahres stellt MC10 auch ein erstes flexibles thermoelektrisches Modul mit einem ZT-Wert über 1,2 vor.

Im Januar 2012 kommen weitere 2 Mio. $ von Aberdare Ventures hinzu, und im August wird ein Vertrag mit der US Army unterzeichnet, um einen dehnbaren Solarpaneel-Prototypen hochzuskalieren und gemeinsam mit dem Natick Soldier RD&E Center als Batterieladegerät zu testen, das in die Jacken und Rucksäcke von US-Soldaten eingenäht werden kann. Der Weg zur Umsetzung ebenfalls flexibler thermoelektrischer Elemente sollte also nicht mehr weit sein.

Anfang 2009 stellt die japanische Firma Komatsu ein thermoelektrisches Paneel vor, das Abwärme mit einem Wirkungsgrad von 7,2 % in Strom umwandeln kann, was etwa 50 % besser ist als der Stand der Technik zu diesem Zeitpunkt. Die aus Wismut-Tellurid hergestellten Module arbeiten bei einer Temperatur von 250°C und 280°C und erzeugen 24 W. In der Standardausführung sollen sie 320 $ kosten. Das Unternehmen nimmt bereits Bestellungen an.

Die Firma Alphabet Energy Inc. (anfänglich auch ABC genannt) wird 2009 von Matthew L. Scullin und Peidong Yang gegründet, ihr Stammsitz ist in Hayward, Kalifornien. Das Unternehmen entsteht aus dem Resultat der Forschungen, die ARPA-E-Direktor Arun Majumdar am Lawrence Berkeley National Labs durchgeführt hatte. Die Firma behauptet, ihre Chips könnten bei Serienproduktion Strom für 1 $ pro Watt produzieren, während traditionelle Abwärmekonverter rund 20 $ pro Watt kosten. Das Geheimnis dabei sind die effizienten thermoelektrischen Silizium-Nanodrähte. Neben der Entwicklung von Silizium-basierten thermoelektrischen Materialien arbeiten die Ingenieure des Unternehmens daran, modulare thermoelektrische Produkte zu entwickeln, die Abwärme in Strom umwandeln. Ende 2009 hofft das Unternehmen, eine Prototyp-Anlage in etwa 18 Monaten zum Laufen zu bekommen. Die Massenherstellung könnte dann theoretisch anderthalb bis zwei Jahre später starten.

Das Unternehmen wird von führenden Investoren, darunter TPG Biotech, Claremont Creek Ventures (CCV) und dem CalCEF Clean Energy Angel Fund gefördert. Im Mai 2010 erhält Alphabet Energy eine Startfinanzierung in Höhe von 1 Mio. $ von CCV und dem CalCEF, nachdem die Firma zuvor 320.000 $ an Zuschüssen der US Army, der US Air Force und des DOE erhalten hatte. Im Laufe der beiden Folgejahre gelingt es Alphabet Energy, eine Reihe überraschend hochkarätiger Experten in ihre Reihen aufzunehmen. Sylvain Muckenhirn soll die Entwicklung der Prototyp-Technologie bis 2013 zur Serienfertigung führen, als Berater werden Dr. Lon Bell (ein weltweit führender Pionier und Erfinder auf dem Gebiet der Thermoelektrik, 1991 Gründer von Amerigon Inc. und ab 2000 Leiter deren Thermoelektrik-Forschungs-Tochtergesellschaft BSST), Dr. Graham Fisher (Forschungsleiter bei MEMC, dem globalen Pionier bei Wafer-Technologien und einer der größten Anbieter von Polysilizium und Silizium-Wafer für die Halbleiter- und Solarindustrie) sowie Robert C. McFarlane gewonnen (unter Präsident Ronald Reagan Nationaler Sicherheitsberater und Gründer der Global Energy Investors LLC und Mitglied des des American Council on Renewable Energy, ACORE).

Im Februar 2011 sichert sich Alphabet Energy zwei weitere Verträge von der US Air Force und US Army in Höhe von 730.000 $ bzw. 750.000 $ für die Lieferung thermoelektrischer Produkte, einschließlich mobiler Stromerzeugungsgeräte. Zu diesem Zeitpunkt kann das Unternehmen allerdings nur den Prototyp seines ersten Produkts vorweisen, eine einfache, schlüsselfertige Lösung für die Erzeugung von Strom aus Abwärme. Im September werden in einer Finanzierungsrunde A von TPG Biotech und den bisherigen Investoren insgesamt weitere 12 Mio. $ eingenommen, mit denen nun endlich die Produktreife erreicht werden soll. Im März 2012 kommen noch mal 2 Mio. $ von Hercules Technology Growth Capital dazu, die mithelfen werden, den Aufbau einer Anlage in Hayward, an der Bucht von San Francisco, fortzusetzen.

Auch die Firma Perpetua Power Source Technologies Inc. in Corvallis, Oregon, ist ein alter Hase auf dem Feld der Thermoelektrizität. Das Unternehmen bezeichnet sich als der führende Entwickler von Erneuerbare-Energie-Lösungen für drahtlose Sensornetzwerke (WSN). Ohne das Gründungsdatum zu nennen, beginnt die Firmenhistorie im Jahr 1998 mit einem Durchbruch bei der Entwicklung eines Dünnschicht-TEG, an den sich dann allerdings viele Jahre weiterer Forschungen anschließen, um die Lebensdauer der Funksensoren zu verlängern. Erst 2006 gelingt es, die Integration der Power-Management Elektronik erfolgreich umzusetzen, und Perpetua erwirbt eine Exklusivlizenz des Battelle Memorial Institute, dem Betreiber des Pacific Northwest National Labor für das US Department of Energy, die zur Grundlage der weiteren Entwicklung wird. 2007 werden Fortschritte bei der Produktion der primären, firmeneigenen Innovation verzeichnet, einer patentierten, flexiblen, thermoelektrischen Folie (Flexible Thermoelectric Film), die leichter ist und höhere Spannungen als herkömmliche thermoelektrische Generatoren produziert, und 2008 wird eine Lizenz- und Kooperationsvereinbarung mit der Universität von Oregon geschlossen.

Im Jahr 2009 kommen dann endlich die ersten Produkte auf den Markt: Ein Demonstrations-Kit (im Koffer) zur Bestimmung der optimalen Standorte für die Stromversorgung von drahtlosen Sensor-Geräten – sowie der ca. 60 g leichte Perpetua Power Puck, ein Solid-State-Gerät mit etwa 4 cm Durchmesser und 5 cm Höhe, das geregelte Ausgangsspannungen von 1,8 V, 2,5 V, 3,0 V und 3,3 V aufweist und sogar einen Überspannungsschutz besitzt. Bei beiden Produkten kommt natürlich die thermoelektrische Folie zum Einsatz, Preise werden jedoch nicht genannt.

Ende des Jahres unterzeichnet die Firma einen Forschungsvertrag mit dem Department of Homeland Security (DHS) zur Entwicklung und Demonstration eines thermoelektrischen Generators, der die Stromversorgung drahtloser Sensoren mittels Körperwärme erlaubt. Im Folgejahr wird ein Anschlußvertrag geschlossen, bei dem es um eine tragbare Energy-Harvesting-Lösung geht, die in Textilien, Gurte oder Helme eingearbeitet werden kann. Ein weiterer Forschungsvertrag mit ähnlichem Inhalt wird 2010 mit National Science Foundation (NSF) unterzeichnet. Die zu entwickelnden Geräte sollen für mehr als 10 Jahre wartungsfrei und gleichzeitig kostengünstig herstellbar sein.

Im Juli dieses Jahres übernimmt Perpetua die Firma Thermo Life Energy Corp. (auch: Energy Harvesting Technologies Inc.) aus Riverside, Kalifornien, ein führender Entwickler von fortgeschrittenen thermoelektrischen Technologien, der bereits 2001 als erster ein thermoelektrisches Dünnschichtsystem namens Thermo Life mit 3V Ausgangsleistung präsentiert hat, das schon bei einem Temperaturunterschied von weniger als 5°C funktioniert.

Die auch Low Power Thermoelectric Generator (LPTG) genannten Systeme basieren auf der Entwicklung einer einzigartigen Dünnschicht-Technologie für die Abscheidung von hocheffizienten thermoelektrischen Materialien des Bi₂Te₃-Typs auf dünne Kapton-Folien, die an der Martin-Luther-Universität in Halle-Wittenberg entstanden und gemeinsam mit der (inzwischen anscheinende erloschenen) D.T.S. Gesellschaft zur Fertigung von Dünnschicht-Thermogenerator-Systemen mbH in Halle weiterentwickelt worden war. 2003 waren dann alle fortschrittlichen Anlagen und Maschinen von der D.T.S. in das neu gebaute Labor der Thermo Life in Riverside verlegt worden. 

2011 stellt Perpetua die zweite Generation ihrer Power Puck-Module vor. Die neuen Wärme/Luft-Geräte sollen gegenüber ihren Vorgängern eine signifikante Leistungssteigerung aufweisen.

Zur Verwendung in der 2009 beginnenden Mars-Mission entwickelt die NASA den multifunktionellen Thermogenerator RTG, der mit einem radioaktivem Plutonium-Isotop beheizt wird. Die effektive Nutzleistung beträgt ca. 110 W (beim Start), es sind mindestens 14 Jahre Lebensdauer im Permanentbetrieb vorgesehen und der Wirkungsgrad beträgt etwa 7 % (mehr dazu weiter unten).

Seit kurzer Zeit sind nun auch schon zivile Geräte im Handel, die in abgelegenen Gegenden die Stromversorgung für kleinere Verbraucher wie beispielsweise Beobachtungsstationen, Jagdhütten, Funkgeräte etc. übernehmen können. Der durchschnittliche Gesamtwirkungsgrad ist nach wie vor sehr gering und liegt für zivile Anwendungen effektiv bei etwa 5 % – 6 %, oftmals sogar darunter.

Doch nun weiter mit der Chronologie:

Das Jahr 2010 beginnt mit einer Meldung der Universität Duisburg-Essen (UDE). Die Wissenschaftler des universitätseigenen Nano-Netzwerks CeNIDE verfügen demzufolge über eine Technologie, mit der sich Nanomaterialien in großem Maßstab herstellen lassen – eine entscheidende Voraussetzung dafür, daß die entsprechend effizienten Thermogeneratoren überhaupt zur Serienreife gebracht werden können. An erster Stelle stet dabei die Suche nach alternativen Materialen, da die gegenwärtig genutzten Tellur-haltigen Verbindungen auf einem Element basieren, das extrem selten und daher sehr teuer ist. Das CeNIDE-Netzwerk koordiniert die Forschung im Bereich Nanotechnologie und hat über 200 Forscher aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften als Mitglieder. Forschungsschwerpunkt sind dabei Verfahren, welche die Herstellung von Nanopulver in größeren Mengen ermöglichen.

Dies Erforschung neuer Materialien wird parallel auch in einem von der AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. geförderten Verbundprojekt bearbeitet, das einen überaus detaillierten Titel trägt: Wandlung von Abwärme in elektrische Energie: Entwicklung und Herstellung eines thermoelektrischen Generators aus nanokristallinem Silizium unter Berücksichtigung ökologischer Gesichtspunkte. Kooperationspartner sind hier das Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA), das Institut für Verbrennung und Gasdynamik (UDE) und die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) bzw. die Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH in Duisburg.

Tatsächlich wird dann im Mai 2012 ein neuer thermoelektrischer Generator aus Nano-Silizium vorgestellt, der im Rahmen des Verbundprojekts entwickelt worden ist und auf der Kongreßmesse InnoMateria in Köln nun mit dem InnoMateria Award ausgezeichnet wird. Das Minikraftwerk hat die Maße 18 x 21 mm und ist nur 6 mm hoch, und als Basismaterial wird das unbegrenzt verfügbare und umweltfreundliche Silizium verwendet. Um dieses für solche kleinen Generatoren nutzen zu können, entwickelt das Forscherteam ein Syntheseverfahren für Nanopartikel, das erstmalig im Kilogramm-Maßstab produzieren kann. In einem anschließenden Sinterprozeß werden die Partikel in die benötigte Form gebracht. Als nächstes werden sich die Forscher bemühen, ihren Demonstrator so zu optimieren, daß sie bei gleichem Wirkungsgrad kostengünstiger wird und sich für die Massenproduktion eignet. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Eine äußerst praktische Umsetzung wird im April 2010 bekannt, als das US-Unternehmen BioLite für 129 $ eine Kochstelle mit integriertem USB-Port anbietet (2 W/5 V). Mit dem BioLite CampStove läßt sich das Abendessen bereiten und gleichzeitig können mit einem angeschlossenen thermoelektrischen Generator USB-Geräte aufgeladen werden, wobei als Brennmaterial lediglich ein paar trockene Zweige benötigt werden. Eine besonders clevere Idee: Der erzeugte Strom betreibt außerdem einen kleinen Lüfter, der durch Einblasen von Luft den Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert.

Die BioLite Technologie ist von Alexander Drummond und Jonathan Cedar erfunden worden, die während ihrer Tätigkeit bei dem Design-Beratungsunternehmen Smart Design in New York City im Jahr 2006 ihr gemeinsames Interesse an nachhaltigem Design feststellten. Insbesondere frustriert sie, daß alle effizienten Campingkocher Kraftstoffe auf Erdölbasis oder Batterien benötigen und nicht in der Lage sind, ihre eigene thermische Energie zu nutzen. Das Resultat wiegt 935 g, hat einen thermischen Output von 3,4 kW bis 5,5 kW, und soll mit weniger als 50 g Holz einen Liter Wasser in 4,5 min. zum Kochen bringen können. Ursprünglich war geplant, den Kocher für 80 $ auf den Markt zu bringen.

Es dauert aber nicht lange, bis die Erfinder nachlegen. Den BioLite HomeStove entwickeln sie insbesondere für die rund 3 Mrd. Menschen weltweit, die noch immer auf rauchigem, offenem Feuer kochen müssen. Die Leistung entspricht einem LPG-Kocher, wobei auch hier zusätzlich eine erschwingliche Energiequelle zur Verfügung steht, um Handys und LED-Leuchten aufzuladen. Die Firma wird mit den Aussagen, daß ihr Kocher 50 % weniger Holz verbraucht und den Rauch um sogar 95 % reduziert.

Auf ihrer Homepage präsentiert sie bereits ‚Erfolgsstories’ aus Uganda, Ghana, Kenia und Indien, wo im Laufe des Jahres 2011 Prototypen der Modelle H2 und H3 im praktischen Einsatz erprobt werden, zumeist gemeinsam mit lokalen Partnern. In Ghana erfolgt die Zusammenarbeit mit der Columbia University, die schon seit längerem untersucht, wie sich die Gesundheit von Säuglingen mit Hilfe verbesserter Kocher verbessern lassen kann. Im Mai gewinnt BioLite den St. Andrews Prize for the Environment. Mit der Massenproduktion des 3.-Welt-Kochers will man Ende 2012 beginnen, als Zielpreis werden 50 $ genannt.

Doch die Technologie läßt sich auch sehr gut in anderen Breiten anwenden - wo es weniger aufs Kochen ankommt, als aufs Heizen.

So bietet die russische Firma Termofor bereits drei Ofenmodelle an, die mit thermoelektroschen Generatoren ausgerüstet sind. Über das Unternehmen selbst ist nichts herauszufinden, der Telefonvorwahl nach scheint es in Nowosibirsk, der größten Stadt Sibiriens, beheimatet zu sein. Die Produkte werden bereits in Kasachstan, Kirgisistan, Weißrussland, der Ukraine, Lettland, Australien und Neuseeland verkauft und sogar in den USA gibt es in New York bereits einen autorisierten Vertrieb. Preise werden auf der Homepage nicht genannt.

Die TEG-Öfen sind für feste Brennstoffe gedacht, sehen sehr solide aus und liefern bei 12 V je nach Modell 25 W oder 50 W. Der Cinderella TEG ist ein kleiner Ofen und Kochherd für Räume bis 50 m³, aus 3 mm dickem Baustahl gefertigt und hat eine Heizkeistung von 2,5 kW. Für den elektrischen Output von 25 W gibt es eine eingebaute 12 Ah Batterie.

Das etaws größere Modell heißt Indigirka-2, besteht aus hitzebeständigem hochlegierten Stahl, ist ebenfalls für Räume bis 50 m³ gedacht und wiegt 54 kg. Dieser Ofen mit Herdplatte hat eine Heizkeistung von 4  kW und liefert mit zwei eingebauten thermoelektrischen Generatoren 50 W.

Ebenso viel Leistung bringt das Modell Normal-1 TEG, das mit einer Heizkeistung von 6  kW allerdings für Räume bis 100 m³ geeignet ist. Auch dieser schlichte und funktionale Ofen hat eine 12 Ah Batterie an Bord.

Im April 2010 erhält Dr. Zhiyu ‚Jerry’ Hu das bereits 2007 eingereichte US-Patent (Nr. 7.696.668) für seinen umweltfreundlichen, thermoelektrischen transportbasierten Festkörper-Wandler (Solid state transport-based thermoelectric converter), den er am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) mit Nanomaterialien entwickelt hat. Dieser thermoelektrische Wandler wird mit Wasserstoff oder flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen wie Alkohol oder Methanol betrieben (s.d.).

Hu entdeckte die neuartige nanoskalige Energieumwandlungsmethode im Jahr 2005, was zu der Entwicklung einer neuen Klasse von höchsteffizienten thermoelektrischen Festkörper-Generatoren geführt hat, welche die chemische Energie von Brennstoffen direkt umwandeln, um elektrischen Strom bei Raumtemperatur zu erzeugen – unter Vermeidung der herkömmlichen Hochtemperatur-Verbrennung mit externer Zündung.

Kraftstoffe wie Wasserstoff, Alkohol oder Methanol reagieren auf der Oberfläche eines Elektronenemitters spontan mit Oxidationsmitteln und erzeugen dabei ausreichend Wärme, um eine thermoionische Emission (Glühemission) von Elektronen von dem Elektronenemitter (aufgeheizte Glühkathode) sowie eine Feststoff-zu-Feststoff Emission von Elektronen durch die Trennschicht zu der Kollektorschicht zu verursachen, wo die Emitter- und Kollektorschicht durch einen Leiter verbunden sind. Die Glühemission (auch glühelektrischer Effekt oder Edison-Richardson-Effekt genannt) bezieht sich auf den Elektronenfluß von einer Metall- oder Metalloxid-Oberfläche, der durch thermische Schwingungsenergie verursacht wird und der die elektrostatischen Kräfte überwindet, welche die Elektronen an den Atomen oder Molekülen der Oberfläche festhalten. Der Effekt erhöht sich mit zunehmender Temperatur dramatisch.

Zur Information: Der englische Physiker Owen Willans Richardson erhielt den Nobelpreis 1928 für seine Arbeiten über das thermionische Phänomen und die als Thermionen bezeichneten geladenen Teilchen, die er an Universität Cambridge durchführte. Dort hatte er 1901 die nach ihm benannte Richardson-Gleichung gefunden, welche die Stromdichte der bei hohen Temperaturen aus einem Metall austretenden Elektronen beschreibt.

Im September 2010 stellt eine Forschergruppe um Charles Stafford und Justin Bergfield an der University of Arizona ebenfalls ein thermoelektrisches Gerät ohne bewegliche Teile vor, das mit Hilfe des theoretischen Modells einer sogenannten molekularen thermoelektrischen Vorrichtung (molecular thermoelectric device) entwickelt wurde. Das Gerät besitzt ein gummiartiges Polymer, das zwischen zwei Metallen als heiße bzw. kalte Elektroden eingelegt ist – und nutzt ein Gesetz der Quantenphysik, den Welle-Teilchen-Dualismus (winzige Objekte wie Elektronen können sich entweder als eine Welle oder als Teilchen darstellen). Die Wissenschaftler entdecken das Potential zur Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom gemeinsam mit der Studentin Michelle Solis, als sie Polyphenylether untersuchen, Moleküle, die sich spontan zu Polymeren zusammenschließen, d.h. langen Ketten von sich wiederholenden Einheiten. Das ‚Rückgrat’ eines jeden Polyphenylether-Moleküls besteht aus einer Kette von Benzolringen, die ihrerseits aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind – wobei die Kettenglied-Struktur eines jeden Moleküls als ‚molekularer Draht’ wirkt, durch den die Elektronen fließen können. In der Grafik sind die heiße und die kalte Elektrode als unten und oben zu sehende goldfarbene Strukturen dargestellt.

Anhand von Computersimulationen läßt man einen Wald von Molekülen ‚wachsen’, der zwischen zwei Elektroden eingebettet ist, und setzt dieses Gitter einer simulierten Wärmequelle aus. Er stellt sich heraus: je höher die Anzahl der Benzolringe in jedem Molekül, desto höher die Leistung, die erzeugt werden kann. Das Geheimnis der Fähigkeit der Moleküle, Wärme in Strom zu verwandeln, liegt dabei in ihrer Struktur: Wie Wasser, das eine Flußgabelung erreicht, spaltet sich der Elektronenfluß entlang des Moleküls in zwei Teile, sobald er auf einen Benzol-Ring stößt, wobei jeder Teil entlang einem der beiden Arme des Rings fließt. Bergfield konzipiert die Benzolring-Schaltung daraufhin so, daß das Elektron auf dem einen Wege gezwungen wird, eine längere Strecke um den Ring zurückzulegen, als das andere. Dies bewirkt, daß die beiden Elektronenwellen außer Phase sind, wenn sie bei Erreichen der anderen Seite des Benzolrings wieder aufeinander treffen – wodurch sie sich gegenseitig aufheben, in einem als Quanten-Interferenz bekannten Prozeß. Wird die Schaltung nun einer Temperaturdifferenz ausgesetzt, führt dies zur Unterbrechung des Flusses der elektrischen Ladung und zum Aufbau eines elektrischen Potentials (Spannung) zwischen den beiden Elektroden.

Die Wellen-Interferenz ist ein Konzept, das von sogenannten Antischall-Kopfhörern her bekannt ist, die mittels destruktiver Interferenz Schall auslöschen, indem ein Signal erzeugt wird, das dem des störenden Schalls exakt entspricht, jedoch mit entgegengesetzter Polarität. Die Wissenschaftler nehmen für sich in Anspruch, die ersten zu sein, welche die Wellennatur des Elektrons zu nutzen wissen und die ein Konzept haben, um diese in nutzbare Energie zu verwandeln. Was auch sehr einfach praktisch umsetzbar sein soll: Man braucht zwei Metallelektroden mit nur einer einzigen Schicht dieser Moleküle zu bestreichen, um ein kleines ‚Sandwich’ zu erhalten, das als thermoelektrische Vorrichtung funktioniert. Dies soll auch nicht ausschließlich auf die Moleküle zutreffen, die in der Simulation verwendet wurden, sondern bei jedem Gerät auf Quantenebene umsetzbar sein, wo eine Annullierung der elektrischen Ladung stattfindet, so lange es nur eine Temperaturdifferenz gibt.

Die Forscher erwarten, daß die mit ihrem Design erreichbare thermoelektrische Spannung etwa 100 mal größer sein wird, als was bislang in anderen Labors entwickelt worden ist. Auspuffrohre von Autos oder Fabrikkamine könnten mit dem Material weniger als 1 Millionstel Zoll dick beschichtet werden, um sonst als Wärme verlorene Energie zu ernten und in Strom umzuwandeln. Mit einer sehr effizienten Umsetzung soll man mit der Abwärme eines Automobils 200 Stück 100 W Glühbirnen betreiben können – oder anders ausgedrückt, den Wirkungsgrad des Autos um über 25 % erhöhen, was ideal wäre für Hybridfahrzeuge, da diese ja bereits einen elektrischen Motor nutzen. So zumindest die Behauptungen der Entwickler. Molekulare thermoelektrische Umsetzungen könnten jedenfalls zur Lösung eines Problems beitragen, das die photovoltaische Energiegewinnung plagt. Die Paneele werden im Sonnenlicht nämlich sehr heiß – worauf ihr Wirkungsgrad sinkt. Mit dem neuen Ansatz ließe sich ein Teil dieser Wärme verwenden, um zusätzlichen Strom zu erzeugen, bei gleichzeitiger Kühlung der Paneele und damit Steigerung ihrer Effizienz.

Einen thermoelektrischen Kochtopf ‚erfinden’ auch sechs Schüler aus Christchurch, die selbstbewußt genug sind, ihre Innovation The Lion zu nennen. Sie kommen damit im März 2011 in die Presse, da sie im Rahmen eines Business-Programms, das junge Gründer fördert, ein eigenes Unternehmen aufziehen. Bei der Entwicklung werden 10 Prototypen gebaut, bevor das Endprodukt Gestaltung findet, was durch das Kuratorium der Schule unterstützt wird, das den Innovatoren 1.000 $ pumpt.

Der kleine Generator hat einen flachen Boden mit einem Gefäß auf der Oberseite, und wird wie ein Deckel auf einen Topf mit kochendem Wasser gesetzt. Das Gefäß wird mit kaltem Wasser gefüllt, und die Differenz zwischen seiner Temperatur und der Wärme aus dem Topf erzeugt genug Energie, um kleine Geräte zu versorgen. Im Verkauf soll das Teil später 50 $ kosten.

Im Mai 2011 wird in der Fachpresse von einer Entwicklung an der schwedischen Linköping University in Norrköping berichtet, bei welcher der Polyethylendioxythiophen (PEDOT) als Thermoelektrikum genutzt wird. Um damit aus Wärme elektrischen Strom zu erzeugen reichen bereits eine hauchdünne Schicht des Kunststoffes und Temperaturunterschiede von 30°C aus. Die Chemiker um Olga Bubnova nutzen Strom leitende Kunststoffe, wie sie bereits für flexible und biegsame Elektronikbauteile oder Solarzellen verwendet werden, und fügen dem Material bei der Kunststoffherstellung eine eisenhaltige Lösung bei. Anschließend wird mit dem noch flüssigen Material eine Glasplatte hauchdünn beschichtetet. Das fertige Modul wird auf einer Seite auf etwa 50°C aufgeheizt, während die andere Seite bei einer Raumtemperatur von gut 20°C verhältnismäßig kühl bleibt. Die gegenwärtige Ausbeute von einigen Mikrowatt ist allerdings noch sehr gering, kann aber immerhin schon kleine Sensoren betreiben. Eine zukünftige Steigerung ist nicht ausgeschlossen.

Ebenfalls im Mai 2011 präsentieren Wissenschaftler der University of Missouri um Patrick Pinhero einen flexiblen Solar-Film, der – zumindest theoretisch – mehr als 90 % des verfügbaren Lichtspektrums erfassen kann (!). Die traditionellen Methoden der Photovoltaik sind dagegen höchst ineffizient und vernachlässigen einen Großteil des verfügbaren elektromagnetischen Sonnenspektrums. Pinheros Team entwickelt eine dünne, formbare Folie aus kleinen Antennen, die in Anlehnung an die Nanotechnologie Nantennas genannt werden. Diese bestehen aus mikroskopisch kleinen rechteckigen Spiralen aus Gold-Nanodraht mit einem Durchmesser von etwa 1.000 Atomen, die in einem Druckprozeß auf die Folie aufgebracht werden. Trifft eine elektromagnetische Welle einer bestimmten Wellenlänge auf die Nantenna, wird in der Struktur eine stehende Welle im Terahertz-Bereich erzeugt, die in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Über die Größe der Nantenna-Struktur läßt sich das System auf die Absorption verschiedener Wellenlängen abstimmen.

Die Folie ist ursprünglich konzipiert worden, um industrielle Abwärme zu ernten und in nutzbare Elektrizität zu wandeln. Nun wird in Zusammenarbeit mit Kollegen am Idaho National Laboratory und der University of Colorado daran gearbeitet, das Konzept so weit zu erweitern, daß die Nantennas die Energie eines möglichst großen Bereichs des Sonnenspektrums aufnehmen – vom nahen Infrarotbereich bis hin zu den optisch sichtbaren Regionen. Das Team umfaßt aber auch schon Vertreter der in Cambridge, Massachusetts, beheimateten Firma MicroContinuum Inc., welche sich um die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens kümmert, mit dem der neuartige Energy-Harvesting-Film kostengünstig und in großen Mengen produziert werden kann. Mit der Herstellung der ersten funktionierenden Prototypen wird in fünf Jahren gerechnet, da die Entwicklung u.a. auch vom DOE gefördert wird.

Im selben Monat wird aus dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL) gemeldet, daß eine Gruppe um Scott Hunter daran arbeitet, thermoelektrische Bauelemente mit einem Wirkungsgrad zwischen 10 % und 30 % zu entwickeln – auch wenn sie im Grunde keine echte Thermoelektrika darstellen. Statt dessen wird das Phänomen der Pyroelektrizität genutzt (auch pyroelektrischer Effekt, pyroelektrische Polarisation genannt), bei dem es sich um die Eigenschaft einiger piezoelektrischer Kristalle handelt, auf eine zeitliche Temperaturänderung mit einer Ladungstrennung zu reagieren. Im Gegensatz zu thermoelektrischen Vorrichtungen, die eine konstante Temperaturdifferenz verwenden um eine konstante Spannung bereitzustellen, erzeugen pyroelektrische Materialien die Spannung nur für eine kurze Zeit, und zwar so lange wie sich die Elektronen in dem kristallinen Material von einem Ende zum anderen bewegen. Bislang fand der pyroelektrische Effekt kaum Anwendungen, da er nur Wirkungsgrade zwischen 1 % und 5 % erreichte. Den Wissenschaftlern zufolge ist der Schlüssel zu einer effizienteren Energieumwandlung und höheren elektrischen Stromerzeugung ein schneller Temperaturwechsel entlang dem pyroelektrischen Material.

Bei dem neuen System kommen 1 mm² kleine, mikro-elektromechanische Strukturen (micro-electro-mechanical device, MEMS) mit frei schwingenden Auslegern zum Einsatz, die jeweils 1 mW bis 10 mW produzieren können. Werden diese MEMS erwärmt und abgekühlt, wird ein in wechselnden Richtungen fließender Strom initiiert. Dieser entsteht dadurch, daß die Ausleger so befestigt sind, daß sie mit der Wärmequelle in Verbindung stehen und sich aufgrund ihrer bimetallischen Zusammensetzung biegen, sobald die Wärme sie erreicht. Die Spitze des heißen Auslegers kommt dadurch mit der kalten Oberfläche des Kühlkörpers in Kontakt, worauf der Ausleger rasch seine Wärme verliert und sich wieder zurückbiegt, um ein weiteres Mal mit der heißen Oberfläche in Berührung zu kommen. Der Ausleger schwingt so lange zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke hin und her, wie die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Oberfläche aufrecht gehalten wird. Auf einer Fläche von 1 Quadratzoll lassen sich 1.000 Stück dieser Strukturen stapeln, die zusammen genügend Elektrizität erzeugen, um andere Prozesse zu versorgen.

Auch vom MIT hört man in diesem Monat wieder etwas. Diesmal ist es ein Team um Prof. Gang Chen, das Fortschritte bei der Entwicklung eines solar-thermoelektrischen Generators auf der Basis nanostrukturierter Materialien meldet, der eine verbesserte Wärme-zu-Strom-Wandlungsrate gegenüber bestehenden thermoelektrischen Geräten aufweist. Die Forscher hoffen das neue Festkörper-Material entweder als eigenständigen Generator nutzen zu können – oder als Hinzufügung zu bestehenden Solar-Warmwasser-Systemen, um mit diesen zusätzlich auch noch Elektrizität zu machen.

Der thermoelektrische Generator hat die Form eines flachen Plättchens, die innerhalb einer Vakuum-Glasröhre plaziert wird und von einer Platte schwarzen aus Kupfer bedeckt ist, um Wärme zu absorbieren. Die andere Seite der thermoelektrischen Vorrichtung wird der Umgebungsluft ausgesetzt, wodurch ein Temperaturunterschied auf den beiden Seiten der Platte entsteht, der den Stromfluß induziert.

In ihrem Artikel berichten die Forscher, daß sie damit bereits einen Spitzenwirkungsgrad von 4,6 % erreicht haben, was 7 - 8 Mal besser ist als die früheren Ergebnisse, die mit solar-thermoelektrischen Generatoren erzielt worden sind. Die Forschung wird durch das Department of Energy gefördert.

Wie oben berichtet, finanziert das DOE ab 2004 verschiedene Teams, um ein Fahrzeug-TEG zu entwickeln, das den Kraftstoffverbrauch um 10 % senken soll. Im Mai 2011 melden die Fachblogs, daß nun zumindest bei General Motors Global R&D in Warren, Michigan, an einem endgültigen Prototyp gearbeitet wird, der auf der neuen und vielversprechenden Thermoelektrika-Klasse der Skutterudite basiert. Computermodelle des Unternehmens zeigen, daß ein solches Gerät in einem Chevrolet Suburban 350 W erzeugen könnte, was einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 3 % entspricht. Nach siebenjähriger Forschung betrachte ich das als ein ziemlich dürftiges Ergebnis, das auch noch meilenweit von der Zielvorgabe entfernt ist. Immerhin sollen im Sommer Testfahrten mit einem Chevrolet SUV beginnen.

Auch bei BSST in Irwindale, Kalifornien, wird zu diesem Zeitpunkt ein Prototyp aus neuen Materialien getestet. Diese Firma wird mit über 8 Mio. $ aus dem DOE-Forschungspaket ausgestattet. Statt Wismut-Tellurid setzt das Unternehmen Hafnium und Zirkonium ein, was die Funktion bei hohen Temperaturen bis 500°C begünstigt und die Effizienz des Generators um rund 40 % steigert. Auch hier sollen ab dem Sommer Testfahrten mit Autos der Marken BMW und Ford durchgeführt werden, der Projektabschluß wird für 2015 angestrebt.

Diese schon mehrfach erwähnte BSST (bzw. deren Muttergesellschaft Amerigon) hat eine längere Geschichte, die im Grunde schon Ende der 1960er Jahre mit der nahe München gegründeten Firma W.E.T. Automotive Systems beginnt, die ab 1973 resistive Wärme-Produkte für die Automobilindustrie herstellt, wie z.B. beheizbare Sitze. In Südkalifornien wiederum startet ein Unternehmen namens Amerigon im Jahr 1991 mit der Untersuchung eines breiten Spektrums von Technologien, einschließlich thermoelektrischer Geräte, und führt 1999 den ersten beheiz- und kühlbaren Sitz ein, der auf einer thermoelektrischen Technologie basiert. Mit dem Erwerb der W.E.T. im Jahr 2011 gelingt es Amerigon, seine Palette von thermischen Komfort bietenden Produkten signifikant zu erweitern.

Im Juni 2012 wird BSST in Gentherm umbenannt (deren Homepage zum Zeitpunkt dieses Updates eine lustige Mischung aus deutschen und englischen Menüs aufweist). Es ist inzwischen ein Unternehmen mit 11 Standorten und 5.000 Mitarbeitern weltweit.

Das Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der schon mehrfach erwähnten TU Wien entwickelt Mitte 2011 zusammen mit der EADS Deutschland GmbH ein Netz von Sensoren, das in Zukunft Flugzeuge wie ein Nervensystem durchziehen soll, ohne daß dazu eine äußere Stromversorgung nötig wäre. Diese wird für jeden einzelnen Sensor durch einen thermoelektrischen Generator mit einem kleinen wärmespeichernden Wasserreservoir gesichert – bzw. aus dem Temperaturunterschied zwischen der bodennahen Luft, deren Wärme eine Weile in dem Reservoir gespeichert bleibt, und der eisigen Kälte in großer Flughöhe erzeugt.

Mit den direkt an der Flugzeugwand angebrachten Sensoren soll überwacht werden, ob sich bei den genutzten, modernen Kohlefasermaterialien feine, unsichtbare Risse bilden, deren Erkennung während der Wartung aufwendig und kostenintensiv ist. Die Hunderte Sensoren zu verkabeln ist aber kompliziert und ebenfalls teuer. Als Lösung bietet sich daher das thermoelektrische Energie-Harvester-Modul an, das die gemessenen Daten auch per Funk weitergibt. Bei einem Flug kann jedes Modul eine elektrische Energie von 8 mWh - 10 mWh bereitstellen, was für den drahtlosen Sensorknoten völlig ausreicht.

Die Idee, Strom durch Temperaturunterschiede am Flugzeug zu erzeugen, soll aber auch noch auf andere Bereiche ausgeweitet werden. Entsprechende Sensoren könnten beispielsweise überwachen, ob die Passagiere angeschnallt oder die Tische hochgeklappt sind. Ebenso könnte der Flugbegleiter durch Knopfdruck per Funk gerufen werden – ohne jede Verkabelung, und nur durch die Körperwärme der Passagiere selbst betrieben.

Im Juni 2011 beginnt die japanische Firma TES NewEnergy Co. (Thermo Electric Systems) mit dem Verkauf eines Camping-Kochtopfs, der über einen USB-Anschluß im Griff nebenbei Handys auflädt. Der HC-5 (auch Hatsuden-Nabe genannt) kostet 280 $ und kann mit seinem Output von 400 mA bei 5 V ebenso problemlos MP3-Player oder Smartphones aufladen. Bis der Akku eines iPhones voll geladen ist, bedarf es aber mindestens 3 - 5 Stunden Wasserkochen. Den Strom erzeugen Streifen einer speziellen thermoelektrischen Keramik, die in den Topf eingearbeitet sind und ihre Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Topfboden (550°C) und dem kochenden Wasser (100°C) beziehen.

Die TES ist eine Ausgründung des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology  (AIST) vom Mai 2010 und in Osaka beheimatet, ihre Kerntechnologie ist die Stromerzeugung aus Abwärme in einem breiten Temperaturbereich (zwischen 100°C und 1.000°C). Dies erfolgt mittels einer Kaskaden-Technologie aus thermoelektrischen Modulen, die auf der im Jahr 2000 gemachten Entdeckung einer speziellen Oxid-Verbindung basieren.

Panasonic stellt auf der Electronic Materials Conference im Juni 2011 in Santa Barbara thermoelektrische Rohre vor, die ein einfaches und kompaktes System darstellen, um die bislang ungenutzte Wärme aus heißen Quellen oder Fabriken zu nutzen. Die röhrenförmige Form ermöglicht eine direkte und effiziente Wärmeübertragung ohne zusätzliche Wärmetauscher, wodurch sich die hohe Dichte der nutzbaren Energie erklärt: Aus innen fließendem Warmwasser von 90°C, und einem äußeren Kaltwasserstrom von 10°C, sollen mit einem nur 10 cm langen Rohr 1,3 W erzeugt werden können. Bestehen tut das Panasonic-Rohr aus Stapeln von Konusringen aus Wismut-Tellurid als Thermoelektrikum, und Nickel als Metall.

Funktionieren tun diese Rohre aufgrund eines unkonventionelle Phänomens, das als transversaler thermoelektrischer Effekt bekannt ist. Dieser wurde erstmals vor einigen Jahren an verkippt aufgewachsenen Dünnschichten des Hochtemperatursupraleitermaterials YBa₂Cu₃O_7-δ (YBCO) beobachtet: Die Erwärmung der Schichtoberfläche bei Bestrahlung durch einen Laserpuls erzeugt elektrische Spannungssignale, die an den Schichträndern abgegriffen werden können. Später läßt er sich auch bei gekippten Multilayer-Schichten aus thermisch-resistiven thermoelektrischen Materialien und thermisch leitenden Metallen nachweisen. Dieser Effekt macht es möglich, den Wärmefluß und den elektrischen Strom unabhängig voneinander zu steuern.

Der Einsatz dieser Technologie ermöglicht die Entwicklung kompakter Kraftwerke, die 10 kW pro 1 m² Heißwasser erzeugen, was schon recht beeindruckend klingt. Panasonic hält diese Technologie durch 29 japanische und 12 ausländische Patente. Nun stehen die Weiterentwicklung des System-Designs, die Optimierung der Fertigung sowie Machbarkeitsstudien auf dem Plan. Ziel ist die Realisierung kompakter, effizienter und wirtschaftlicher Generatoren, die von Erdwärme und Abwärme betrieben werden können.

Im Juli 2011 präsentiert die Tellurex Corp. mit Stammsitz in Traverse City, Michigan, einen winzigen thermoelektrischen Generator, der von einer einzigen Kerze betrieben wird. Das marktführende Pionierunternehmen in thermoelektrische Anwendungen – wie es sich selbst bezeichnet –, entwickelt eigene Hochleistungsprodukte und kooperiert auch mit dritten Seiten, um die thermoelektrische Technik in einer Vielzahl von Anwendungen umzusetzen, wie dem Pacific Northwestern National Laboratory sowie diversen Universitäten in Michigan. Die bereits 1986 von Charles J. Cauchy gegründete Firma bietet seit 2009 insgesamt 64 verschiedene thermoelektrische Module in einer Vielzahl von Größen an, wobei es Stromerzeugungsmodule zu Preisen zwischen 25 $ und 110 $ gibt.

Ein thermoelektrischer Stromerzeuger PG-1 ist als Demonstrationsanlage für Wissenschaftler, Pädagogen oder Hobbyisten gedacht, hat eine einstellbare Ausgangsspannung zwischen 3 V und 14 V, und kostet 249 $, während es den tragbaren Stromgenerator tPod5, (Thermoelectric Power on Demand), der über einem Lagerfeuer, Gaskocher oder Küchenherd durchgängig 5 W produziert, 1,3 kg wiegt und einen USB 2.0-Anschluß besitzt, für 139 $ gibt. Für die 3. Welt war auch kurz von einem Tellurex World Pot die Rede, einem handelsüblichen Teekessel mit eingebautem thermoelektrischen Modul und USB-Anschluß, von dem man später aber nichts mehr hört.

Der nun vorgestellte tPod1 wandelt die Hitze eines Teelichts in 0,25 W Strom um, der per USB nicht nur eine Lampe mit 25 LEDs betreiben, sondern auch externe USB Akkus aufladen kann. Im Koffer, samt LED-Leseleuchte und 20 Teelichtern, soll der knapp 350 g schwere tPod1, der so groß wie eine kleine Konservendose ist, etwa 90 $ kosten.

Ein Jahr später, im Mai 2012, stellt Tellurex die Innovation auf Kickstarter vor, der Internet-Plattform zur Projektfinanzierung über Crowdfunding, um das portable Minikraftwerk ab dem Sommer in Serie produzieren zu können. Benötigt werden dafür 85.000 $. Tatsächlich zahlen 1.342 Förderer in kurzer Zeit über 110.000 $ ein – ein 131 %-iger Erfolg.

Im Juli 2011 findet in Traverse City, Michigan, die bereits 30. International Conference on Thermoelectrics statt.

Das MIT, das uns in diesem Kapitel schon mehrfach begegnet ist, zeigt in einer im Oktober 2011 veröffentlichten und vom DOE geförderten Studie, daß thermoelektrisch/solare Hybrid-Systeme (hybrid solar thermoelectric, HSTE) beträchtliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen oder Solarthermie-Anlagen besitzen. Evelyn Wang und ihr Team entwickeln eine Kombination aus Parabolrinnen und thermoelektrischen Receivern, die den elektrischen Strom direkt erzeugen. Das zentrale Rohr mit der Wärmeflüssigkeit wird durch eine Reihe von konzentrischen Rohren ersetzt: Eine schmalere Röhre im Inneren der ersten enthält das thermoelektrische Material, während ein noch schmaleres Rohr in der Mitte der Konstruktion einen sogenannten Thermosiphon enthält, der die Wärme passiv von der kalten Seite der Thermoelemente abführt, um Wasser für die Raumheizung, für industrielle Prozesse oder den Heißwasserbedarf zu erwärmen.

Die Wissenschaftler untersuchen bei ihrer Arbeit thermoelektrische Elemente aus Wismut-Tellurid, Blei-Tellurid und Silizium-Germanium, und zwar in Verbindung mit zwei verschiedenen Kombinationen von Wärmereceiver und Betriebsflüssigkeit: Edelstahl/Quecksilber bzw. Nickel/Flüssig-Kalium. Die Effizienz des Systems wird in einem Temperaturbereich von 150°C bis 650°C und bei Solar-Konzentrationen von 1 - 100 Sonnen analysiert. Dabei zeigt sich, daß das HSTE-System Wirkungs elektrischen Strom grade bis zu 52,6 % erreichen kann. Außerdem sind thermoelektrische Elemente wesentlich preisgünstiger als Solarzellen und gegenüber hohen Temperaturen unempfindlich.

Auch die bereits 2006 in Waltham, Massachusetts, gegründete GMZ Energy Inc. arbeitet an der Entwicklung thermoelektrischer Systeme, die sowohl für den industriellen Einsatz als auch für Kältetechnik in der Dritten Welt geeignet sind. Die Firma scheint die am MIT und Boston College entwickelte Festkörper-Technologie zu nutzen – und damit das thermoelektrische Material mit der höchsten Leistung, das zu diesem Zeitpunkt zur Verfügung steht.

Im September 2011 nimmt GMZ in einer Finanzierungsrunde C von Mitsui Global Investment, I2BF Global Ventures, Energy Technology Ventures, Kleiner Perkins Caufield & Byers und BP Alternative Energy Investitionsmittel in Höhe von 14 Mio. $ ein. Nun entwickelt das Unternehmen sein erstes Produkt für den privaten, gewerblichen und industriellen Markt der Solarthermie-Heißwasserbereitstellung und hofft, im Laufe des Jahres 2012 seine thermoelektrischen Wärmewandler direkt in herkömmliche Solar-Warmwasser-Kollektoren integrieren zu können, was neben der Erzeugung von Wärme und Warmwasser auch die Bereitstellung von Strom erlaubt. Es wären die weltweit ersten thermovoltaischen Solar-Kollektoren.

Im November 2011 bekommt ein neu gegründetes Startup namens Silicium Energy Inc. in Ann Arbor, Michigen, von dem Greentech-Investor Vinod Khosla eine Anschubfinanzierung in Höhe von 1,65 Mio. $, um seine Laborforschungen zur Verwendung von Silizium-basierten Nanodrähten als thermoelektrisches Material fortzuführen. Der Ansatz soll auf Arbeiten am Caltech sowie auf eine Entwicklung der University of Michigan um Prof. Akram Boukai zurückgehen, der schon im Januar 2008 einen Fachartikel über Silizium-Nanodrähte als effizientes Thermoelektrikum veröffentlichte.

Zeitgleich kursiert auch eine Meldung aus Norwegen in den Blogs. Wissenschaftler am Zentrum für Materialwissenschaft und Nanotechnik der Universität Oslo um Prof. Johan Taftø arbeiten zusammen mit der norwegischen Stiftung für Wissenschaftliche und Industrielle Forschung (SINTEF) daran, die in thermoelektrischen Elementen noch immer häufig verwendeten giftigen Substanzen Blei und Tellur durch umweltfreundliche, billigen und leicht zugänglichen Alternativen zu ersetzen. Natürlich testen sie auch das in Norwegen vorkommende Cobalt-Arsenid-Mineral Skutterudit. Bei ihrer Problemlösung setzen die Forscher auf Nanotechnologie, um in dem Material eine atomare Barriere zu erzeugen, die den Wärmefluß verhindert. Ähnlich die ihre Kollegen am Boston College (s.o.) nutzen sie hierfür eine spezielle Mühle, welche die Halbleiter in Nano-große Körner zermahlt. Dies geschieht durch die Abkühlung des Mahlguts mit flüssigem Stickstoff auf minus 196°C, was das Material spröde macht, weniger haftend und leichter zu zerdrücken. Danach werden die Körner wieder zusammengeklebt und auf diese Weise die Barrieren hergestellt, wobei die entstehenden kleinen Unregelmäßigkeiten die Hitzewellen reflektieren. Mit einem Elektronenmikroskop werden die neuen Mikro-Strukturen, wie Nano-Hohlräume, entdeckt und sichtbar gemacht.

Doch auch in den Niederlanden ist man aktiv. Das Holst Centre in Eindhoven und IMEC entwickeln ein Hemd mit einem integrierten und völlig verborgenen thermoelektrischen Generator, das Ende 2011 vorgestellt wird. Der TEG erzeugt eine durchschnittliche Leistung von 1 mW beim Sitzen im Büro bei 22°C, und 2 mW beim Herumlaufen. Sinkt die Außentemperatur auf 17°C, verdoppeln sich diese Werte. Da der TEG komplett in dem Textilmaterial versteckt ist, bildet das Hemd eine große Verbesserung in Bezug auf den Komfort und die potentielle Marktakzeptanz im Vergleich zu einem früheren Modell. Es bietet eine ideale Stromversorgung für tragbare, geringverbrauchende elektronische Geräte wie Gesundheits-Überwachungseinrichtungen. Eine drahtlose EKG-Aufzeichnung beispielsweise erfordert heutzutage rund 0,4 mW, und wird in naher Zukunft voraussichtlich nur noch 0,1 mW benötigen.

Das Hemd besitzt 16 Thermoelemente, die – auf einem Stück Baumwollstoff aufgenäht – zwischen dem warmen Pol (ein Plättchen von 3 cm im Durchmesser) und dem kalten (ein Plättchen in den Maßen 3 x 3,5 cm) sitzen, was insgesamt zu einer Dicke von 5 mm führt. Das kalte Plättchen ist an Kohlenstoffgewebe geklebt, das an der Innenseite des Hemdes vernäht wurde und als flexible Wärme-Ausbreitungsschicht wirkt. Und jawohl, das Hemd kann sogar gewaschen und gebügelt werden.

Eine weitere Firma, die hier aufgeführt werden muß, ist die MTPV Corp. in Boston, Massachusetts, die 2006 von Bob DiMatteo gegründet wird, um die Forschung, Entwicklung und Kommerzialisierung der patentierten Micron-gap ThermalPhotoVoltaics (MTPV) Technologie fortzusetzen, die auf den über zehnjährigen Arbeiten des Teams am MIT und am Charles Stark Draper Laboratory basiert. Die ersten Patente für die Technologie, die mikro-elektromechanische Systeme (MEMS), Photonik und Halbleiter vereint, waren 2000 und 2001 erteilt worden. Das Unternehmen beschreibt die Vorteile wie folgt:

Ein konventionelles Solarpaneel absorbiert zwar Licht aus dem gesamten Spektrum, wandelt aber nur bestimmte Farben effizient um, während ein Großteil der Energie der anderen Wellenlängen des Lichts verloren geht. Als Ergebnis gelten 30 % als theoretisch maximale Effizienz einer herkömmlichen Solarzelle - beziehungsweise 41 %, wenn das Sonnenlicht zuvor unter Verwendung eines Spiegels oder einer Linse konzentriert wird.

In einem thermisch-photovoltaischen System wird das Licht dagegen auf ein Material konzentriert, um dieses zu erwärmen. Das Material ist so gewählt, daß es bei seiner Erhitzung Licht in genau den Wellenlängen emittiert, die von der Solarzelle effizient umgewandelt werden können: Der Silizium-basierte MEMS-Emitter nimmt Wärme in einem Temperaturbereich von 100°C bis 1.400°C auf, und überträgt dafür seine Abstrahlung auf eine Germanium-Solarzelle. Die Mikron-kleine Lücke zwischen dem beheizten Teil und der Photovoltaik-Teil (anstelle der traditionell wesentlich größeren Lücken) erhöht dabei den Fluß der Photonen im Solarpaneel im Vergleich zu herkömmlichen TPV-Technologien um das zehnfache. Die theoretische maximale Effizienz einer thermischen Photovoltaikanlage beträgt dadurch 85 % (!), und Computermodelle zeigen, daß ein Wirkungsgrad von 50 % möglich sein sollte. Bislang hat das Unternehmen allerdings erst 10 % bis 15 % erreicht.

Im Juni 2008 sucht MTPV 6 Mio. $, um die Arbeit voranzubringen, soll einen Forschungsauftrag der Sandia National Laboratories erhalten haben und eng mit dem französischen Glashersteller Saint-Gobain zusammenarbeiten, um die MTPV Technologie anzuwenden. Doch erst 2011 geht es einen wesentlichen Schritt weiter, als das Unternehmen im September bei einer zweiten Finanzierungsrunde 6,75 Mio. $ durch Investoren wie Spinnaker Capital LLC (die auch schon die erste Investition in das Unternehmen geleistet hatten), Applied Ventures LLC, dem Massachusetts Clean Energy Center, Ensys Capital LLC u.a. einnimmt. Bis Januar 2012 kommen dann noch mal 3,5 Mio. $ von Northwater Capital Management Inc. dazu.

Die bislang in Boston gebauten Emitter-Prototypen sollen nun bald in relativ bescheidenen kommerziellen Mengen bei der Halbleiterfirma SVTC Technologies in Austin hergestellt werden, und die Entwicklung der Firma könnte schon im nächsten Jahr auf dem Markt kommen.. Doch auch die Forschung geht weiter. Germanium hat zwar den Vorteil, billig zu sein, dennoch entwickelt MTPV mit staatlicher Forschungsförderung und in Zusammenarbeit mit Prof. Peter Hagelstein vom MIT (s.u. Thermionischer Generator) eine zweite Generation der ThermoPhotovoltaik-Geräte, die Nutzen aus den Bandlücken-Eigenschaften anderer Halbleitermaterialien ziehen. Diese Generation soll mehr Energie liefern können, indem sie Quantenpunkte und Quantentöpfe nutzt, die auch bei relativ niedrigen Temperaturen im 100°C-Bereich eine höhere Effizienz versprechen. (Mehr über die Technologie findet auch sich im Solarzellen-Kapitel unter Thermophotovoltaik).

Anfang 2012 bekommt die seit 2006 bestehende und in Tucson, Arizona, beheimatete Tempronics von Tarek Makansi gute Presse, da auch sie mit einem interessanten Produkt herauskommt: Ein Bürostuhl, bei dem man sich seine ganz persönliche Wohlfühltemperatur selbst einstellen kann. Die Stühle werden von einem Akku betrieben, der weniger als 75 W benötigt, können die heizen oder kühlen, und kosten einzeln 1.100 €. Die thermoelektrische Solid-State-Technologie soll zukünftig auch in normale Stühle, Betten und Autos integriert werden. Außerdem arbeitet die Firma an Geräten zur Stromerzeugung aus Wärme, die sehr viel effizienter als die bisherigen Systeme sein sollen. Strategischer Partner des Unternehmens ist die die in San Francisco ansässige Venture Capital-Gesellschaft Nth Power, die im Februar für 2,7 Mio. $ Investitionskapital sorgt.

Im Laufe des Jahres 2012 wird der Stuhl am Center for the Built Environment der University of California in Berkeley, getestet, und Tempronics plant die Fertigung von mehreren hundert Stühlen, die in der Bay Area verkauft werden sollen, um Feedback zur weiteren Entwicklung seiner innovativen Technologie zu erhalten. Außerdem arbeitet das Unternehmen an einem Projekt in West Virginia, um aus der Abwärme einer Fabrik bis zu 45 MW Strom zu erzeugen.

Im März 2012 wird in der Fachpresse gemeldet, daß es einem internationalen Team von Forschern gelungen sei, ein neues Material erfolgreich auf seine thermoelektrischen Eigenschaften zu überprüfen, nämlich Kupfer-Selen. Beteiligt daran sind Wissenschaftler des Shanghai Institute of Ceramics der chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Brookhaven National Laboratory, des California Institute of Technology (Caltech) und der University of Michigan. Dieses Material besitzt eine einzigartige Kristallgitterstruktur und hat einen thermoelektrischen Gütefaktor von 1,5 bei einer Temperatur von 727°C, womit es jedes andere gegenwärtig genutzte Material aus dem Rennen wirft.

Die Untersuchungen ergeben, daß das Kupfer-Selen-Material in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit wie ein Festkörper wirkt, wobei es sich jedoch, wenn es um die Wärmeübertragung geht, eher wie eine Flüssigkeit verhält.

In der Abbildung stellen die blaue Kugeln Selen-Atome unter Ausbildung eines Kristallgitters dar, während die orangefarbenen Regionen zwischen den Atomen die Kupfer-Atome repräsentieren, welche wie eine Flüssigkeit durch die Kristallstruktur strömen. Es ist dieses Flüssigkeit-ähnliche Verhalten, das dem Selen-Kupfer-Material seine einzigartigen thermoelektrischen Eigenschaften verleiht.

Unterstützt und gefördert wird das Team dabei von der National Natural Science Foundation of China, der Shanghai Science and Technology Kommission, dem CAS / SAFEA International Partnership Program for Creative Research Teams, ddem National Basic Research Program of China, dem US Department of Energy und der Air Force.

Im April 2012 folgt wieder einmal ein thermoelektrischer Kochtopf, der diesmal unter dem Namen PowerPot bekannt gemacht wird. Die Unternehmer David Toledo und Paul Slusser stellen das Konzept einer ganzen Linie von thermoelektrischen Kochtöpfen vor, welche die Hitze eines Campingfeuers zur Stromerzeugung nutzen und über einen USB-Anschluß bereitstellen.

Um das Projekt zu verwirklichen suchen die Initiatoren auf der Crowdfunding-Plattform Kickstarter nach Investoren. Sofern sich genügend davon finden – wovon auszugehen ist –, sollen zwei Versionen des PowerPot gebaut werden: ein PowerPot V mit 5 W und ein PowerPot X mit 10 W Ausgangsleistung. Das kleinere Modell ist für Rucksacktouristen gedacht, besteht aus hart-eloxiertem Aluminium, hat gummierte Faltgriffe, hat ein Volumen von 1,4 l und wiegt etwa 340 g. Das größere Modell hat ein Volumen von 1,9 l und soll eher in Küchen auf Gasherden genutzt werden. In der Planung befindet sich auch noch ein PowerPot XV mit 3,8 l Inhalt, der seinem Namen entsprechend mit 15 W aufwarten soll.

Die Initiatoren rechnen damit, daß ihre Erfindung nicht nur bei Outdoor-Fans gut ankommen wird, sondern auch in Entwicklungsländern, wo es noch keine flächendeckende Stromversorgung gibt. Den veröffentlichten Preisvorstellungen zufolge soll der PowerPot V 149 $ kosten, wenn er auf den Markt kommt, was möglicherweise schon im August 2012 der Fall sein wird – denn statt den benötigten 50.000 $ haben 1.047 Spender und Förderer sogar 126.204 $ einbezahlt, vieles davon als Vorbestellung. Verglichen mit den weiter oben vorgestellten Modellen wirkt das Teil allerdings nicht besonders innovativ – und ich frage mich auch, warum so viele verschiedene Gruppen und Teams das Ei immer wieder von neuem ‚erfinden’ müssen, anstatt gemeinsam ein optimales System zu entwickeln.

Auch der im November 2011 gestartete und am 6. August 2012 erfolgreich auf dem Mars gelandete und weitgehend autonome Rover Curiosity wird von einem thermoelektrischen Generator betrieben, der seine Energie aus Radioisotopen bezieht (Plutonium-238 Dioxid) und durchgehend 125 W produziert. Zumindest in der ersten Zeit, denn nach 14 Betriebsjahren sinkt die Leistung auf etwa 100 W – sofern der Rover dann immer noch die Wüsten des Mars durchquert. Der Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) wurde von der NASA entwickelt und wird von Rocketdyne Propulsion and Power hergestellt, einer Tochterfirma von Pratt and Whitney (siehe auch: Nukleare Mikrobatterie).

Andere Firmen, die sich mit der Entwicklung und Herstellung von Thermoelektrika beschäftigen sind die INB Thermoelectric Inc. in West Hills, Kalifornien (Tochter der Watronix Inc., Module in verschiedenen Qualitätsstufen aus Wismut-Tellurid, Arbeitstemperaturen zwischen - 150ºC und + 200ºC); die 1988 gegründete Hi-Z Technology Inc. San Diego, Kalifornien (Module aus Wismut-Tellurid, Arbeitstemperaturen - 20°C bis + 300°C, Leistungen im mW- bis kW-Bereich); sowie die 1997 gegründete und in Gibraltar beheimatete Power Chips plc. (Tochter der Borealis Technical Ltd., entwickelt die sogenannte Power Chip-Technologie, welche die physikalischen Mechanismen der Thermoionik und des Quanten-Thermotunnelling nutzt, Spaltbreite 0,2 - 5 Mikron, möglicher Wirkungsgrad bis 75 %, letzte Meldungen von 2007; die Schwesterfirma Cool Chips plc. nutzt die Technik zur Entwicklung von Kühlanwendungen).

Über weitere Firmen wie Amerigon Inc. berichte ich im Kapitel Micro Energy Harvesting unter dem Stichwort Wärme, da es dort ebenfalls primär um thermoelektrische Anwendungen geht, von denen ich auch diverse vorstelle (s.d.).

Zusätzliche Informationen kann man bei der Deutschen Thermoelektrischen Gesellschaft e.V., der International Thermoelectric Academy (Ukraine), der European Thermoelectric Society sowie deren Mutterorganisation International Thermoelectric Society erhalten.

Der Peltier-Effekt

Die Besonderheit des o.g. Seebeck-Effekts ist es, daß er umkehrbar ist. Dies ist der Peltier-Effekt, benannt nach seinem Entdecker Jean Charles Athanase Peltier (1785 – 1845).

Wird ein Strom durch das Thermoelement geschickt, so kühlt es sich ab. In diesem Fall findet also eine Art ‚Temperaturtrennung’ statt. Überlagert wird dieser Effekt allerdings durch eine Wärmeentwicklung, so daß ein größerer Strom nicht gleichzeitig eine größere Kälteleistung ergibt. Ein derartiges Element wird Peltierelement genannt.

Da es sich nicht um eine stromerzeugende Anwendung handelt, werde ich den Peltier-Effekt auch nicht so ausführlich behandeln wie den thermoelektrischen Effekt. Ein interessantes Beispiel, das sehr viele Facetten der Realität wiederspiegelt, möchte ich aber präsentieren.

In Boston, Massachusetts, beschäftigt sich auch das Ende 2007 gegründete MIT-Spin-off Promethean Power Systems mit der modernsten thermoelektronischen Technologie, um einen solarbetriebenen Kühlschrank ohne bewegliche Teile für die Dritte Welt herzustellen und zu vermarkten. Die Idee hierzu stammt von Studenten des MIT, die eine Nonprofit-Organisation namens Solar Turbine Group ins Leben gerufen hatten, um eine solches Kühlgerät zu bauen, das den Namen Promethean Power erhält. Ich berichte darüber im Kapitel Parabolrinnen-Kraftwerke (s.d.).

Nachdem es den Gründern Sorin Grama und Sam White aber nicht gelingt, eine exklusive Lizenz für die ursprüngliche Technologie zu bekommen, entscheiden sie sich für einen anderen Weg, und zwar die Anwendung des Peltier-Effekts (die Umkehrung des thermoelektronischen Effekts). Der Plan lautet, während des Tages mit den Sonnenkollektoren Eis zu machen, das gespeichert wird und in der Nacht oder wenn die Sonne nicht scheint für die Kühlung sorgt. 2007 gewinnt Promethean 10.000 $ beim jährlichen Businessplan-Wettbewerb des MIT. Damit wird 60 l Kühler im Labormaßstab gebaut.

Im September 2008 erhält das Unternehmen eine Startfinanzierung aus dem Quercus Trust in Höhe von 50.000 $, die dazu beitragen wird, daß Promethean eine 500 l Prototyp bauen und im Jahr 2009 in Indien testen kann. Das erste Ziel sind Milchverarbeiter, die entsprechende Kühleinheiten auf den Farmen aufstellen wollen, mit denen sie zusammenarbeiten, und es gibt bereits mehrere diesbezügliche Absichtserklärungen von indischen Molkereien (man rechnet, daß in Indien aufgrund der inadäquaten Kühlkette 50 % der Milch verdirbt). Ebenfalls im September zeigen die Gründer auf der Emerging Technologies Conference am MIT den Prototyp, der speziell für die ländlichen Gebiete Indiens entwickelt worden ist. Promethean zufolge würde es dort einen Multi-Millionen-Markt geben, da ein großes Bedürfnis besteht, die bisherige Stromversorgung mit sogenannten Backup-Dieselgeneratoren durch weniger umweltverschmutzende Alternativen zu ersetzen, die auch geringere laufende Betriebs- und Wartungskosten hervorrufen.

Endprodukt des Unternehmens wird ein kleines Gebäude, in dem Milch, Medikamente oder andere verderbliche Waren gekühlt werden. Eine Reihe von Solarmodulen auf dem Dach versorgen die elektronischen Bauteile, die thermoelektronische Module nutzen um den Strom der Solarzellen in kalte Luft umzuwandeln. Im Mittelpunkt des Systems steht ein sogenannter Hybrid-Kompressor, d.h. eine Kühleinheit, die sowohl von einem Diesel-Generator als auch von drei bis fünf 180 W Solarpaneelen betrieben werden kann. Daran angeschlossen ist ein Wärmeaustauscher-System aus Wasserrohren, welches das Eis für die Kühllagerung produziert. Die zentrale technische Herausforderung ist die Entwicklung eines Systems, das energieeffizient genug ist, um wirtschaftlich lebensfähig zu sein.

Nach mehreren Reisen durch Indien ist das Unternehmen 2009 auf der Suche nach 3 Mio. $ Startkapital. Bekommen tut es zwar nur 1 Mio. $, was aber ausreicht, damit im April 2010 in Savoiverem, Bundesstaat Goa, das erste professionelle Milchkühlsystem, das täglich 500 l kühlen kann, in die praktische Erprobung geht. In nur einem Monat kann die Milchmenge des Dorfes, das keine regelmäßige Stromversorgung hat, erheblich gesteigert werden. Da die Rate des Bakterienwachstums in der Milch direkt proportional zur Temperatur ist, steigt die Qualität der Milch signifikant, wenn diese sofort nach dem Melken abgekühlt wird. Und genau das tut der Solar-Hybrid-Milchkühler von Promethean, der die Milch bis zu 48 Stunden lang kalt halten kann. Das System besteht aus zwei Teilen, einem schnellen und einem langsamen Kühler. Während der schnelle Kühler die Milch mittels eines speziellen Wärmetauschers in weniger als einer Minute von 33°C auf 10°C herunterkühlt, braucht der langsame Kühler anschließend drei Stunden, um die Milchtemperatur bis auf 4°C zu senken. Außerdem nimmt das System auch alle relevanten Informationen auf, wie die Menge der gesammelten Milch, fällige Zahlungen an die Milchwirte usw. Die Temperatur wird ständig von einem Gerät überwacht, dessen Batterie mit Solarenergie versorgt wird.

Nach verschiedenen Änderungen und Optimierungen hofft Promethean, Ende 2010 mit dem Verkauf der neuen Version beginnen zu können. Ein Marktpreis ist noch nicht festgelegt worden, soll aber, je nach Größe, zwischen 3.000 $ und 12.000 $ liegen. Inzwischen ist sogar der Rüstungsgigant Raytheon an der angepaßten Technologie interessiert. Im Juni 2011 erhält das junge Unternehmen eine Förderung der National Science Foundation in Höhe von 150.000 $, und im August zieht es in die Greentown Labs (ein Nonprofit-Inkubator für Startups, die sich mit ‚sauberer Technologie’ beschäftigen). Außerdem gewinnt die Firma im Laufe des Jahres verschiedene Ehrungen und Preise und verkauft sogar ein erstes System an eine private Molkerei in Karumapuram, Bundesstaat Tamil Nadu, im Südosten Indiens.

Im praktischen Betrieb stellt sich bald heraus, daß das Promethean-System zu teuer, zu kompliziert und zu groß ist. Als Resultat wird auf die Solarenergie verzichtet, und die Firma schwenkt um zu einem neuartigen Energiespeicher-System, das billiger ist (8.000 $) und die unzuverlässige Stromversorgung kompensiert. Die entsprechende ‚thermische Batterie’ war gemeinsam mit dem Olin College entwickelt und durch die National Science Foundation gefördert worden. Sie ist ein großer Behälter mit einer speziell entwickelten Flüssigkeit, die sogar unter den Gefrierpunkt (von Wasser) nicht gefriert. Die frisch gemolkene Milch wird über einen zylinderförmigen Tank gegossen, der durch die thermische Batterie gekühlt wird. Auch ohne Strom kann die thermische Batterie für mehrere Stunden mit einer Autobatterie betrieben werden. Die ersten Maschinen von Promethean haben etwa die Größe eines großen Kühlschranks. Um die Wärme aus der Kühlflüssigkeit wieder zu entfernen, zirkuliert diese durch eine traditionelle Kompressor-Schleife, wie sie in Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlschränken verwendet wird.

Im Januar 2012 wird bekannt, daß in den kommenden Monaten bei drei Milchverarbeitungsbetrieben in Indien Anlagen installiert werden sollen, die über die neuartige Energiespeicher-Technologie verfügen. Im Mai verkündet Außenministerin Hillary Clinton persönlich Promethean und Icelings, den indischen Partner, als Gewinner des Förderzuschusses des indisch-amerikanischen Science and Technology Endowment Board. Da sich die Technologie inzwischen aber weit von den ursprünglichen Intentionen entfernt hat, werde ich sie hier auch nicht weiter verfolgen.

Ein weiteres Beispiel für die Anwendung des Peltier-Effekts wird Anfang 2008 seitens der Firma Nextreme gemeldet, die auch miniaturisierte thermoelektrische Generatoren anbietet (s.o.). Das Unternehmen stellt nun einen Chip vor, der seine eigenen, eingebauten Peltier-Kühler hat. Die äußerst winzigen Elemente sitzen dabei so auf dem Chip, daß sie gezielt bestimmte ‚hot spots’ kühlen können (thin-film thermal bump technology).

Ebenfalls 2008 präsentiert die in beheimatete Rittal GmbH & Co. KG als Weltneuheit ein Peltier-Kühlgerät in Leichtbauweise mit 100 W Kühlleistung, den Rittal Thermoelectric Cooler. Er verfügt über einen COP (Coefficient of Performance) von größer als 1, hat eine Größe von nur 125 x 155 x 400 mm (BxHxT) und ein Gewicht von rund 3 kg. Im Vergleich zu herkömmlichen Geräten sei die Effizienz um über 100 % größer, zudem sollen sich über 60 % Energiekosten einsparen lassen. Die komplett anschlußfertigen Einheiten sind in zwei Versionen erhältlich: in 24 V DC (ohne Netzteil) oder in 94 V bis 264 V, 50/60 Hz (AC) mit integriertem Netzteil.

Der Ferroelektrische Effekt

Ferroelektrizität beschreibt das Phänomen, daß gewisse Stoffe auch ohne das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes ein elektrisches Dipolmoment aufweisen. Ferroelektrizität kommt nur in Kristallen vor, in welchen die kristalline Symmetrie eine polare Achse zuläßt. Ferroelektrische Stoffe sind deshalb immer auch piezoelektrisch und pyroelektrisch (s.d.). Im Unterschied zu piezoelektrischen Stoffen kann die spontane elektrische Polarisation in Ferroelektrika durch das Anlegen einer Spannung um 180° umgepolt werden.

Die Vorsilbe ‚Ferro-’ bezieht sich bei den Ferroelektrika nicht auf eine Eigenschaft von Eisen, sondern auf die Analogie zum Ferromagnetismus: Wie bei den Ferromagnetika die Magnetisierung, so verschwindet bei Ferroelektrika die Polarisation bei hohen Temperaturen – und das Material wird paraelektrisch. Bei Abkühlung des Materials findet bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur ein Phasenübergang statt, der in der Regel mit einer Strukturveränderung (Verringerung der Kristallsymmetrie) zusammenfällt, worauf das Material ferroelektrisch wird. Ebenso verschwindet die Ferroelektrizität auf Grund eines Phasenüberganges oberhalb einer kritischen Temperatur, der sogenannten ferroelektrischen Curie-Temperatur.

Eine wichtige Anwendung von Ferroelektrika sind ferroelektrische Arbeitsspeicher (FRAM). Über einen Einsatz in Verbindung mit energiewandelnden Systemen habe ich bislang noch nichts finden können.

Der Formgedächtnis-Effekt

Ein dem Curie-Effekt ähnlicher, sich aber sehr viel stärker mechanisch auswirkender Effekt zeigt sich beim Erhitzen von Nitinol – hier springt das verformte Nitinol bei einer genau festliegenden Sprungtemperatur plötzlich in seine ursprüngliche Form zurück. Dies ist eine mechanische Energieentfaltung, die relativ einfach genutzt werden kann. Das Nitinol ist auch als Memory-Metall bekannt, als Oberbegriff wird der Ausdruck Shape Memory Alloys (SMA) gebraucht.

Der Effekt an sich sei erstmals von Chang und Read im Jahr 1932 an einer Gold-Cadmium-Legierung beobachtet worden. Andere Quellen nennen den Schweden Arne Ölander als Entdecker des Effekts.

Das Nitinol selbst ist eine 1952 (oder 1958 oder 1962, da streiten sich die Quellen) im Naval Ordnance Laboratory entwickelte korrosionsbeständige und hochfeste Nickel-Titan-Legierung mit 55 % Nickel und 45 % Titan. Daher auch der Name: NIckel TItanium Naval Ordnance Laboratory). Auch hier gibt es andere Quellen, denen zufolge das Nitinol auf den deutschstämmigen Wissenschaftler William Bühler zurückgeht, der im Auftrag der US-Navy 1963 eine superfeste, extrem leichte und rostfreie Metall-Legierung entwickelt hat.

Dazu eine kleine Anekdote: Bei dem Beplanken des Buges eines Unterseebootes wurden Nitinol-Platten mit Hilfe von Nieten befestigt. Einer der Arbeiter versuchte die Form dieser Platten besser an den Untergrund anzupassen und dies, wie bei normalem Stahl üblich, durch erhitzen. Hier passierte genau das Gegenteil des Gewünschten. Die Nitinol-Platten formten sich in ihre ursprüngliche Form zurück und zogen dabei die Nieten aus dem Bug. Man sagt, daß der Arbeiter dabei nur durch Glück einer massiven Verletzung entgangen ist. Die Energieentfaltung ist nämlich ziemlich stark, wie man sehen konnte.

Die bis ca. 8 % elastisch verformbare Legierung ist bis 650°C verwendbar. Alternativ zum Nitinol kann auch eine Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung genutzt werden, die allerdings nicht ganz so stabil ist.

In ihrer Mikrostruktur bestehen diese Metalle aus Kristallen, die mehrere stabile Zustände zulassen. Je nach Temperatur ‚verschieben’ sich diese mikroskopischen Bereiche. So kann ein Memorymetall, je nach Temperatur, zwischen zwei verschiedenen Formen hin und herpendeln.

Die Herstellung bei einer Verarbeitungstemperatur um 500°C ist ziemlich aufwendig, da nur durch eine äußerst exakte Mischung der Metalle die Temperaturbereiche für die stabilen Formen ‚eingestellt’ werden können. Da es sich hier um Legierungen handelt, und nicht um das ‚Zusammenkleben’ zweier Metalle, ist ein Memory-Metall auch kein Bimetall.

Die Idee, daß sich mit einem derartigen Effekt durch die zyklische Umwandlung von thermischer in mechanische Energie auch Arbeit gewinnen läßt, scheint zuallererst wohl Ridgway M. Banks gekommen zu sein, da dieses System mit seiner ‚endogenen Energieentfaltung’ in der Literatur auch unter Banks Machine geführt wird. Ich liste ihn auch in der Datenbank der neuen Energie auf.

Das System ist sehr einfach: Nitinolschleifen werden abwechselnd in kaltes und heißes Wasser getaucht und verändern bei jedem Wechsel schlagartig ihre Form – wobei diese Veränderungen durch ihre starke mechanische Kraftentfaltung in der Lage sind, über entsprechende Zwischenstufen Energie in nutzbarer Form zu erzeugen. Die Sprungtemperatur, d.h. der Unterschied zwischen hart und starr als der einen, und weich und biegsam als der anderen Materialbeschaffenheit, liegt bei 30°C bis 40°C (andere Nennungen sprechen sogar von 50°C, möglicherweise hängt dies mit unterschiedlichen Legierungen zusammen).

Ab 1971 beschäftigt sich das Krupp-Forschungsinstitut in Essen mit der Entwicklung eines Nitinol-Motors, der aus drei Nitinol-Stäben besteht und warmes und kaltes Wasser nutzt.

Joachim Jorde, bei Krupp für die Weltraumforschung zuständig, erklärt: „Verbiegt man einen Nitinol-Teil, dann ändert diese mechanische Spannung das Atomgefüge. Wird das Metall auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, passiert das umgekehrte: Die Legierung bekommt dabei so viel Energie zugeführt, daß ihre Atome schlagartig in die ursprüngliche Formation zurückspringen. Diesen Vorgang nennt man eine spannungsinduzierte martensitische Umwandlung, die reversibel ist.“

Im Gegensatz zu den bekannten Bimetallen kann Nitinol auf Dauer belastet werden und verformt sich schlagartig – und dies beliebig oft. Bei Krupp hat ein Draht seit 1976 schon über 2 Millionen mal den Temperatur- und Formwechsel schadlos überstanden (Stand 1983).

Es liegen auch Vorschläge vor, denen zufolge derartige Maschinen in Form von ‚Riesenrädern’ die Abwärme von Kraftwerken nutzen sollen – und sei es auch nur, um diese Abwärme statt an das Wasser an die Luft abzugeben. An einem Modell von Banks aus dem Jahr 1973 wird an der Universität Berkeley ein Wirkungsgrad von 25 % festgestellt, was verwundelich ist, denn ansonsten spricht man zumeist von Wirkungsgraden um einige Promille.

Banks entwickelte in Berkeley eine funktionierende Maschine, die auch auf den Nobelpreisträgertagung 1974 in Lindau vorgeführt wird. Die Nitinol-Schleifen tauchen während der Rotation eines Rades abwechselnd in das 30°C bzw. 40°C warme Wasser ein, wobei sich das Material ständig spannt und wieder entspannt. Diese mechanische Energie wird in die Drehbewegung des Rades umgesetzt.

Interessanterweise veröffentlicht das Institute of Parapsychological Research der American Parapsychological Society im Jahre 1975 einen Bericht, dem zufolge Menschen mit höherem Psi-Faktor Teile aus Nitinollegierung unabhängig von der Temperatur auf psycho­kinetischem Wege leicht zum Wechsel zwischen den beiden Formen bringen können. Leider habe ich keine weiteren Informationen über dieses interessante Experiment finden können, eine Verifizierung steht daher noch aus.

In Deutschland wird Ende der 1970er Jahre die Kernforschungsanlage Jülich damit beauftragt, Versuche mit Nitinol-Modellmaschinen durchzuführen.

Mitte der 1980er wird sogar ein dreifacher Memory-Effekt entwickelt: Bei einer Raumtemperatur von 25°C sind zum Beispiel die Streifen gestreckt. In kochendem Wasser bei 100°C bzw. in einer Kältemischung von - 38°C rollen sich die Streifen auf, und zwar jeweils in entgegengesetzter Richtung.

Herstellerfirmen für Nitinol sind zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich IBM, Hitachi, Westinghouse, Furukawa und Memory Metalls. Einige Unternehmen beginnen billigere Legierungen auf Kupferbasis zu entwickeln, sehen sich anfänglich aber mit der Schwierigkeit einer schnellen Versprödung konfrontiert. 1988 werden jedoch schon Legierungen entwickelt, die bis zu 90 Millionen Veränderungen aushalten (Wechsel zwischen Alpha- und Beta-Phase).

Ebenfalls 1988 bekommt Prof. Ingo Müller der TU-Berlin einen Förderpreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft für seine Forschungen an Nitinol. Unter anderem hat er ebenfalls eine Kraftmaschine gebaut. 1996 veröffentlicht Müller gemeinsam mit F.-U. Glasauer eine Konzeptstudie mit dem Titel ,Drum- and Disc-Engine with Shape Memory Wires’. Von diesem Konzept wird an der TU auch ein Prototyp gebaut.

Weitere Nitinol-Wärmekraftmaschinen werden von Frederick Wang, F.-U. Glasauer und A. D. Johnson entwickelt. Doch obwohl es reichlich geeignete natürliche Wärmedifferenzen auf der Erde gibt, ist es bislang noch zu keiner nennenswerten kommerziellen Anwendung des Formgedächtnis-Effekts gekommen.

2005 wird bekannt, daß Ridgeway Banks inzwischen an einem Gerät arbeitet, das einen elektrischen Generator betreiben kann.

Im Jahr 2009 wird schon von verschiedenen Anwendungen berichtet, für die der Einsatz von Formgedächtnislegierungen ideal ist. Beispielsweise in der Weltraumtechnik: Sonnensegel können sich dank Formgedächtnismetallen im Weltall entfalten. Oder in der Kardiologie: Stents sind kleine röhrchenförmige Gittergerüste aus Memorymetall. Sie werden zusammengefaltet in Blutgefäße eingeführt, dehnen sich hier aus und verhindern, daß die Gefäße verstopfen.

Der Weg zum ausgereiften Produkt ist jedoch lang und schwierig, da die Eigenschaften der Formgedächtnis-Werkstoffe äußerst komplex und nur schwer vorherzusagen sind. Anstatt wie bisher viele Prototypen herzustellen, bevor ein Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften zum Einsatz gebracht werden kann, entwickeln Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) um Dirk Helm eine numerische Simulation, mit der viele Fragen schon im Vorfeld beantwortet werden können.

Mit Hilfe dieser Simulation wird u.a. ein winziger Greifer für die Endoskopie entwickelt, wie sie normalerweise nur mit Hilfe von Gelenken realisiert werden können. Die Forscher können nun die wichtigsten Eigenschaften des Bauteils, wie dessen Festigkeit oder Schließkraft, vorausberechnen und das elastische Bauteil, das gut sterilisierbar ist und ohne Gelenke auskommt, wesentlich leichter entwickeln und herstellen. Mit der Simulation kann zudem abgeschätzt werden, wie langlebig diese modernen Werkstoffe sind.

Ende 2009 verlautet aus den USA, daß das Department of Energy mit 2,7 Mio. $ General Motors fördert, um den funktionierenden Prototyp eines mit Shape Memory Alloys ausgestatteten Geräts zu bauen, das die Wärmeenergie von Motorabgases nutzt, um die Energie über einen elektrischen Generator in Strom zum Aufladen der Batterien von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zu wandeln.

Im Juli 2010 folgt eine Meldung der University of Maryland, wo ein neues ‚smartes’ Metall entwickelt wurde, das die Effizienz von Klima- und Kälteanlagen um bis zu 175 % steigern und gleichzeitig flüssige Kältemittel ersetzen soll. Die als ‚thermisch-elastisch’ bezeichnete Legierung funktioniert wie ein herkömmliches Kompressor-System, verbraucht aber weit weniger Energie. Das Team (Ichiro Takeuchi, Manfred Wuttig and Jun Cui) nutzt bei seinem Prototyp eine Zwei-Zustands-Formgedächtnislegierung, die abwechselnd Wärme absorbiert oder erzeugt. Das mit 0,5 Mio. $ vom DOE unterstützte Projekt, das mit General Electric Global Research und dem Pacific Northwest National Laboratory kooperiert, will bald mit den ersten Test beginnen, auch wenn der Weg bis zur kommerziellen Produktion noch sehr lang sein mag. Im April 2011 wird das neue ‚smartes’ Metall vom Office of Technology and Commercialization der Universität als ‚Physical Sciences Invention of the Year’ ausgezeichnet.

Der Pyroelektrische Effekt

Als Pyroelektrizität bezeichnet man das Erscheinen positiver bzw. negativer elektrischer Ladungen auf entgegengesetzt orientierten Oberflächenbereichen von polarisierten dielektrischen Materialien infolge einer Temperaturänderung, von deren Geschwindigkeit die Intensität des Effektes abhängt. Den pyroelektrischen Effekt zeigen Kristalle mit spontaner Polarisation (Polarisation ohne äußeres elektrisches Feld) unterhalb ihrer Curietemperatur. Als Ursachen gelten die Längenänderung in der Kristallachse, d.h. in Richtung der Polarisation (piezoelektrische Aufladung) sowie die Änderung der permanenten Polarisation.

Pyroelektrische Materialien mit praktischer Bedeutung sind: TGS, LiTaO₃, LiNbO₃, Nb₂O₆, NaNO₂, modifiziertes Bleizirkonat (Keramik), Pb₅Ge₃O₁₁ sowie Polyvinylidenfluorid PVDF (Polymerfolie). Zur Anwendung gelangt der Effekt zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung, wobei die Vorteile eines pyroelektrischen Detektors seine wellenlängenunabhängige Empfindlichkeit, die reine Wechsellichtempfindlichkeit, eine kurze Ansprechzeit sowie die Funktion bei Raumtemperatur sind.

Der Elektrokalorische Effekt

Bei dem elektrokalorischen Effekt handelt es sich um die Umkehrung des pyroelektrischen Effekts, bei dem Wärme zur Ausbildung eines elektrischen Feldes führt. Statt dessen werden hier die Moleküle von bereits vorgekühlten Ionenmischkristallen durch ein elektrisches Feld ausgerichtet. Nach Ausschalten des Feldes können die Molekülrichtungen zwei zusätzliche Freiheitsgrade einnehmen und nutzen zur größeren Bewegung die Umgebungsenergie. Dadurch kommt es zu einer adiabatischen Abkühlung.

Der elektrokalorische Effekt genoß vor allem in den 1950er bis 1970er Jahren die Aufmerksamkeit der weltweiten Forschergemeinde. Allerdings waren die Ausprägungen dieses Effekts bei den bisher darauf untersuchten Materialien stets so gering, daß eine großtechnische Anwendung unmöglich schien. Das mangelnde mikroskopische Verständnis verhinderte auch lange Zeit, daß man in Computersimulationen effektiv nach passenden Materialien suchen konnte.

Nun haben Forscher beobachtet, daß dieser Effekt überraschend stark in dünnen Schichten eines Ferroelektrikums auftritt und dadurch möglicherweise herkömmliche Kühlverfahren ablösen kann. Dem Team um Alex Mischenko von der University of Cambridge gelingt es 2005 einen Stoff zu finden, der den elektrokalorischen Effekt in ‚gigantischem Ausmaß’ aufweist. Mischenko und seine Kollegen berichten von entsprechenden Messungen an dünnen Filmen aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), wie sie unter anderem in Infrarot-Sensoren Verwendung finden. Bei 226°C reduziert eine angelegte Spannung von 25 V die Temperatur immerhin um 12° Kelvin. Zum Vergleich: Den bisher stärksten Effekt hatte man mit einer Temperaturveränderung von 2,5° Kelvin gemessen – wozu allerdings eine Spannung von 750 V nötig war.

Wodurch diese Wirkung auf mikroskopischer Ebene hervorgerufen wird, ist noch nicht eindeutig geklärt. Möglicherweise führt das Anlegen eines elektrischen Feldes bei den Molekülen eines Ionenkristalles dazu, daß diese sich ausrichten, also einen geordneteren Zustand einnehmen – denn genau so beschreibt die Physik eine Temperaturabnahme. Schaltet man das Feld aus, können die Moleküle wieder all ihre Ausrichtungen einnehmen. Das erfordert Energie, die der Umgebung entzogen wird – die Außenwelt wird abgekühlt.

Das Team hat inzwischen auch ein elektrisches Festkörper-Kühlgerät entworfen, welches Kühler nach dem Peltier- oder dem magnetokalorischen Effekt in seiner Wirkung übertreffen könnte. In diesem Modell wird das elektrokalorische Element (EC-Element) durch thermoelektrische Schalter (zum Beispiel nach dem Peltier-Prinzip) von Wärmequelle und Wärmeabfuhr isoliert. Die Peltier-Elemente benötigt man, um den Wärmefluß zum EC-Kühler zu steuern. Für eine praktische Anwendung müßte man allerdings die Dicke der Filme erhöhen, um ihre Kühlkraft zu steigern. Und zum Abdecken eines weiten Temperaturbereich benötigt man EC-Elemente mit unterschiedlichen Arbeitstemperaturen.

Das Prinzip könnte zum Beispiel Computer-Komponenten zur Wärmeabfuhr verhelfen. Parallel wäre es möglich, mit dem Umkehreffekt Abwärme in nützliche elektrische Energie zu verwandeln. Optimiert man den einen Effekt, führt das notwendigerweise auch zur Verbesserung des anderen.

Der Thermionische Generator

Peter Hagelstein vom Massachusetts Institute of Technology entwickelt ab 2001 zusammen mit seinem Kollegen Yan Kucherov ein Gerät, das ohne Umwege Wärme direkt in elektrische Energie überführt. Zwar leistet dergleichen jedes Thermoelement, doch ist dessen Wirkungsgrad vergleichsweise schlecht. Die neue Technik baut dagegen auf einem anderen, rund 100 Jahre alten Gerät auf – einem sogenannten thermionischen Generator. Bei diesem befinden sich zwei Metallelektroden, eine Kathode und eine Anode, in einer evakuierten Glasröhre gegenüber. In dieser Hochtemperatur-Röhre treten Elektronen aus der heißen Kathode aus und werden von der kalten Anode absorbiert. Die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie erfolgt dabei durch den Transport der Elektronen entgegen dem elektrischen Feld über die Vakuumlücke. Die Wissenschaftler ersetzen diese Vakuumlücke nun durch eine vielschichtige Halbleiterstruktur.

Während der thermionische Generator nur bei Temperaturen oberhalb von 1.000°C arbeitet, funktioniert diese sogenannte thermische Diode schon bei 200°C bis 450°C – der typischen Temperatur von Abwärme also. Dabei erreicht sie einen Wirkungsgrad, der doppelt so hoch ist wie bei anderen vergleichbaren Methoden.

Im November 2009 gelingt es dem MIT-Team gemeinsam mit Kollegen des IISc in Bangalore, Indien, und der Firma HiPi Consulting aus Maryland, bei der Umwandlung von Wärme in Elektrizität mittels ihrer thermischen Diode experimentell eine Effizienz nachzuweisen, die schon 40 % des Carnot-Limits erreicht. Diese Grenze basiert auf einer Formel aus dem 19. Jahrhundert um die maximale Effizienz zu bestimmen, die ein Gerät bei der Umwandlung von Wärme in Arbeit (Energie) erreichen kann. Die aktuellen kommerziellen thermoelektrischen Geräte erreichen dagegen nur etwa ein Zehntel dieses Limit. In ihren Berechnungen stellen die Wissenschftler fest, daß das neue System zumindest theoretisch bis zu 90 % des Grenzwerts erreichen könnte

Die neue Technologie basiert auf einem Quantenpunkt-Chip, in dem geladene Teilchen in einen sehr kleinen Bereich sehr dicht gepackt sind. Als ein Schlüssel zu einem verbesserten Durchsatz erwies sich nämlich die Verringerung des Abstands zwischen der heißen Oberfläche und dem Umwandlungsgerät. Eine aktuelle Analyse von MIT-Prof. Gang Chen zeigt, daß die Wärmeübertragung zwischen einander sehr nahen Oberflächen mit einer Rate erfolgen kann, die um Größenordnungen höher ist als von der Theorie vorhergesagt.

Hagelstein zufolge arbeitet eine Firma namens MTPV Corp. bereits an der Entwicklung einer neuen Technologie, die eng mit der Arbeit des MIT-Teams verwandt ist (s.u. Thermoelektrischer Effekt sowie Thermophotovoltaik).

Wärmerohre

Bei Prozessen der Wärmerückgewinnung können vor allem sogenannte Wärmerohre Einsatz finden, da sie eine 1.000-fache Wärmleitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer haben. Ihr Prinzip wurde im Jahre 1942 von Richard S. Gaugler bei der US-Firma GM entdeckt und 1962 von G. M. Grover in eine Erfindung umgesetzt. Später wurde es insbesondere für Anwendungen in der Raumfahrt weiterentwickelt, u.a. auch von Dornier.

Das Besondere an diesen luftdicht abgeschlossenen Rohren ist, daß sie durch einen kontinuierlichen Verdampfungs- und Kondensationsprozeß von Alkohol, Freon o.ä., aber ohne jegliche mechanisch bewegten Teile funktionieren. Es gibt daher keinen Verschleiß und auch keinen Wartungsbedarf. Die Rohre sind im Temperaturbereich von - 200°C bis + 1.500°C einsetzbar und haben eine Diodenwirkung, wobei die Wärmetransportrichtung durch die Einbaulage wählbar ist. Die Wärmeübertragung findet nahezu verzögerungsfrei statt, und die Rohre bieten auch eine hohe Sicherheit bei toxischen oder radioaktiven Stoffen.

Unter dem Namen Heat-Pipe bringt 1987 der japanische Hersteller Furukawa kleine Wärmerohre für den Einsatz als Elektronik-Kühlkörper auf den Markt. Es können Verlustleistungen von 40 W bis 3.000 W abgeführt werden, und die Heat-Pipe-Kühlkörper wiegen nur die Hälfte eines vergleichbaren Aluminiumprofils. In den aus Kupfer gefertigten Rohren befindet sich eine geringe Menge sehr reinen Wassers unter Vakuum. Der Verdampfungsprozeß setzt bei etwa 5°C Temperaturdifferenz zwischen Wärme- und Kühlzone ein, und der Rückfluß nach der Kondensierungsphase erfolgt durch eine kapillare Innenwandstruktur. Diese Heat-Pipes haben eine maximal zulässige Betriebstemperatur von 200°C.

Nanotechnik

IBM-Forscher in Rüschlikon bei Zürich entwickeln, wie sie meinen, 1998 die erste Maschine der Welt, die Wärmeenergie vollständig in mechanische Energie umwandeln kann – was den physikalischen Gesetzen zufolge ja immerhin seit vielen Jahrzehnten als ‚nicht machbar’ galt.

Allerdings mißt diese Maschine nur ein millionstel Millimeter und besteht aus einem einzigen Molekül.

Die Nanotechnik spielt aber auch in anderen Bereichen der thermischen Energieumwandlung eine zunehmend breitere Rolle, z.B. in Form von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in diesem Kapitel schon mehrfach erwähnt wurden.

Der Thermal Chip

Die Entwicklungsfirma Eneco Inc. am Forschungspark der University of Utah in Salt Lake City gibt 2005 bekannt, daß man mit dem Thermal Chip einen Halbleiter-Energiewandler erfunden und patentiert habe, der mit einem Wirkungsgrad bis 50 % Wärme direkt in Elektrizität umwandelt – beziehungsweise umgekehrt angelegten Strom in Kälte bis minus 200°C. Die erreichte Energiedichte sei bereits jetzt schon fünf mal so hoch wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Bei einer Speisetemperatur von 300°C liefert das auf den Chips ‚gepackte’ neue Material 9 W/cm².

Der Thermal Glider

Das Konzept des Thermal Glider ist so interessant, daß ihm ein eigener Absatz gebührt.

Die Idee wird erstmals in den 1980er Jahren von Doug Webb, ehemaliger Forschungsspezialist der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) und späterer Gründer der Webb Research Corp., aufgebracht. Sein Partner, der WHOI-Ozeanograph Henry Stommel, veröffentlicht dann 1989 in der Zeitschrift Oceanography einen Artikel über eine (noch fiktive) Flotte von Webbs Gleitern, die selbständig durch den Ozean schaukeln. Webb und Stommel nennen die Fahrzeuge Slocum-Glider – in Erinnerung an Joshua Slocum, den ersten Menschen, der die Welt im Alleingang umsegelt hat (1895 – 1898).

Zum Antrieb nutzt der 2 m lange Gleiter ausschließlich die Temperaturdifferenzen in verschiedenen Meerestiefen. In den wärmeren Oberflächenwassern schmilzt Wachs, das sich in Röhren in seinem Inneren befindet, dehnt die Röhren und treibt damit mechanisch interne Pumpen an, die durch das Umpumpen von Öl von einer Tankblase im Inneren zu einer außen angebrachten den Auftrieb des Schwimmkörpers verändern. Im kühleren Tiefenwasser kehrt sich der Prozeß um, so daß sich der Gleiter im ständigen Auf und Ab durch den Ozean bewegt. Damit wird für den Antrieb eine praktisch unbegrenzte Energiequelle angezapft, so daß die Gleiter rund um die Uhr in allen Wetterbedingungen arbeiten können. Seitliche Tragflächen sorgen für die gerichtete Bewegung nach oben oder unten, während eine senkrechte Seitenflosse und ein Ruder die horizontale Lenkung kontrollieren.

Nach frühen Tests vor den Bahamas Anfang 2003 wird im Dezember 2007 der Prototyp des ersten Roboterfahrzeugs vor der Küste von St. Thomas im Karibischen Meer zu Wasser gelassen um Umweltdaten zu sammeln. Theoretisch könnte es ewig weiterfahren, allerdings laufen die Meßcomputer und Sendegeräte an Bord derzeit noch mit herkömmlichen Batterien, was alle paar Monate einen Wartungsstopp erfordert. Ansonsten kommt der autonome Gleiter nur gelegentlich an die Wasseroberfläche, um per GPS seine Position zu korrigieren und seine Datensammlung über Satellit zu funken.

Bis April 2008 gleitet das Unterwasserfahrzeug ununterbrochen mehr als 75 mal durch das 4.000 m tiefe Meeresbecken zwischen St. Thomas und St. Croix, wobei es insgesamt über 1.600 nautische Meilen (3.000 km) zurücklegt.

Das von Dave Fratantoni (WHOI) und Roy Watlington (Universität der Virgin Islands) geleitete Forscherteam arbeitet nun daran, den Strombedarf der Instrumente zu verringern und gleichzeitig auch einen Teil der thermischen Energie direkt in elektrischen Strom umzuwandeln, um die Energieversorgung des Gleiters komplett autonom zu gestalten. Die Meßgleiter können unterschiedlichste Sensoren tragen und Informationen zu Salzgehalt und Temperaturen der jeweiligen Meeresumgebung liefern, aber auch zu ihrer biologischen Aktivität. Da Motorgeräusche entfallen, eignen sie sich auch ideal für akustische Untersuchungen unter Wasser.

Die Vision von Fratantoni und Kollegen umfaßt eine ganze Flotte der thermischen Gleiter, welche die subtropischen Regionen des Nordatlantiks erforschen und möglicherweise wesentliche Hinweise auch zur Klimaveränderung liefern könnten.

Ähnlicher Gleiter, die allerdings ohne eigene Energieversorgung auskommen müssen, sind beispielsweise der 2001 von Wissenschaftlern des Scripps Institute und des WHOI entwickelte Spray, sowie der Liberdade class flying wing glider, den 2004 die US-Navy baut.

Der Stirling-Motor

Über den Stirlingmotor berichte ich ausführlich im Kapitel Solarenergie (s.d.), da er hauptsächlich in Verbindung mit Dish-Systemen eingesetzt wird.

Weitere Wärmeenergie-Systeme

In dem deutschen Magazin Hobby wird Anfang 1983 darüber berichtet, daß Techniker der Firma Krupp-Widia ein Laufrad hergestellt haben, das ähnlich den o.g. Nitinol-Laufrädern durch einen Temperaturunterschied in Bewegung gesetzt wird – wobei dies hier allerdings über einen magnetischen Effekt erreicht wird.

Die genutzten Magnetwerkstoffe sind Thermopern und Koermax. Thermopern ist eine Eisen-Nickel-Legierung, die bei 70°C unmagnetisch wird, während Koermax aus Kobalt und einem Seltenerdmetall besteht und sich nur schwer entmagnetisieren läßt. Der Aufbau besteht aus einem 2 mm dicken Reifen aus Thermopern, der um ein Aluminium-Rad herumgelegt ist. Oben sitzt ein Dauermagnet aus Koermax. Nun wird mittels einem 60 W Strahler eine Stelle des Rades auf 70°C erwärmt, wobei der Reifen kurz vor dem Dauermagnet entmagnetisiert wird. Da der Reifen und der Magnet entgegengesetzt gepolt sind, stoßen sie sich ab. Das Rad bekommt einen Stoß, worauf sich die entmagnetisierte Stelle in Richtung Magnet dreht und abkühlt – womit der Zyklus erneut beginnen kann.

Im Jahr 2008 stellt der Erfinder Lloyd Tanner ein Gerät vor, das mittels Reibungswärme Wasser zum kochen bringt und Dampfdruck erzeugt. In seinem Prototyp pressen zwei Eichenholzblöcke gegen eine Metallplatte, die von einem Elektromotor gedreht wird. Die radförmige Platte wird bald so heiß, daß sie in einem Boiler Dampf macht, der einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Ich kann mir allerdings nicht vorstellen, daß diese Wärmeerzeugungsmethode besonders effizient ist.

Ein wenig erinnert diese Erfindung an ein Konzept, von dem das US-Magazin Modern Mechanix in seiner Ausgabe vom Dezember 1933 berichtet. Der Motor, der nur von einem einzigen Gummiband betrieben wird, ist ein Exponat der Chicago Century of Progress Exposition. Er bezieht seine Energie aus Wärme, die auf das Gummiband gerichtet wird, beispielsweise aus Solarwärme (wie schon damals angedacht wurde!).

Die Vorrichtung besteht aus einem elektrischen Heizer auf jeder Seite eines vertikalen Trägers, auf dem ein gewöhnliches Pendel schwingt. Das eine Ende des Gummibandes ist in der Nähe der Oberseite des Trägers, und das andere an dem unteren Ende des Pendels befestigt. Der Motor wird durch Einschalten des Stroms und Anstoß des Pendels gestartet. Wenn das Pendel das Ende seines Ausschlags erreicht, ist das Gummiband um etwa 300 % gestreckt und befindet sich direkt vor einer der Heizungen. Die Hitze bewirkt, daß sich das Gummi zusammenzieht und das Pendel zu einer weiteren Schaukelbewegung veranlaßt. Dabei kommt das Gummiband durch den Schatten des Schildes, wird abgekühlt und ermöglicht dem Pendel in Richtung der anderen Heizvorrichtung auszuschwenken. Leider gibt es keine weiteren Details darüber, auch nicht, ob die Bewegung des Pendels irgendeine nützliche Arbeit verrichten konnte.

Aus dem Jahr 1979 stammt das US-Patent (Nr. 4.143.639) von Eugene Fernette, das eine Reibungswärme-Maschine beschreibt, die diese Wärme durch zwei sich drehende Zylinder erzeugt, zwischen denen sich Öl befindet. Ein ähnliches Patent stammt von Eugene Perkins aus dem Jahr 1984 (US-Nr. 4.424.797), und es gibt noch viele weitere.

Möglicherweise kann diesen auch eine Innovation von Peter Davay aus Christchurch, Neuseeland, zugeordnet werden, der diese 1944 in seiner Heimat patentieren läßt. Die Modelle seiner AC Heater (oder sonic boiler) bestehen anfangs aus unterschiedlich großen Glocken von Fahrradklingeln, die zusammenmontiert zum Vibrieren mit 50 Hz gebracht werden – und dabei extrem viel Wärme erzeugen sollen.

2008, inzwischen im Alter von 92 Jahren, ist der Erfinder allerdings immer noch am experimentieren.

Wesentlich praktischer ist in meinen Augen der Ansatz des japanischen Designers Kiyoe Hamada. Sein Onsui (Warmwasser) ist für Opfer in Katastrophengebieten gedacht, die oftmals der Wärme bedürfen. Das Gerät erzeugt Wärme ohne Feuer: Man muß nur Wasser in den Onsui gießen, ein bißchen warten, und kann dann heißes Wasser daraus ausgießen. Kern des Ganzen ist eine auswechselbare Heizpatrone, welche durch die Hydratation von Wasser und ungelöschtem Kalk (Calciumoxid) funktioniert.

Im September 2007 lese ich erstmals von einem Wärmesystem britischer Wissenschaftler einer Firma namens Ecowatts in Lancing, West Sussex, das als ‚Wunderrohr’ durch die Presse geht. Grundlage soll eine elektrisch angestoßene Katalyse von Wasser, Pottasche und einem geheimen Katalysator auf Basis von Chrome sein, deren Hitze anschließend über einen Wärmetauscher an das Brauch- und Heizungswasser abgegeben wird. Dabei soll die sogenannte thermal energy cell, an der seit fast 10 Jahren gearbeitet wird, weit mehr Wärmeenergie abgeben, als sie zu ihrem Betrieb verbraucht. Die Idee soll auf den irischen Erfinder Christopher Robert Eccles zurückgehen, der 1998 mit Firmenchef Paul Calver zusammentraf.

Auch die Macher des Geräts können noch nicht genau erklären, wie die Sache funktioniert, doch von unabhängigen (und skeptischen) Wissenschaftlern durchgeführte Prüfungen ergeben, daß das 30 cm lange und 5 cm durchmessende Rohr tatsächlich weit mehr Wärmeenergie abgibt, als die eingespeiste elektrische Energie implizieren würde. Jim Lyons von der University of York mißt einen Überschuß von 150 % bis 200 %. Die Forscher glauben daher, auf eine bisher unbekannte Quelle von Energie gestoßen zu sein, deren Reservoir in einer sub-atomaren Ebene innerhalb der Wasserstoffatome des Wassers liegt. Man hofft nun, innerhalb von anderthalb Jahren ein marktfähiges Produkt für Haushalte zu haben. Immerhin hat das Unternehmen bereits 1,4 Mio. £ investiert. Als geplanter Verkaufspreis werden 1.500 £ bis 2.000 £ genannt. Bislang ist davon aber noch nicht zu sehen.

Anfang 2011 erfahre ich das erste Mal etwas über die sogenannte Non-Inertive-Feedback Thermofluidic Engine (NIFTE), ein patentiertes Gerät zum Pumpen von Flüssigkeiten und/oder Gasen, die über eine relativ geringe Temperaturdifferenz betrieben wird. Die Entwicklung der 2006 gegründeten Firma Thermofluidics Ltd. im Oxford University Science Park basiert auf den mehr als zehn Jahre langen Arbeiten von Mark Bryant und Tom Smith über angewandte Thermofluide, für die es auch Auszeichnungen wie den Graduate of the Year Award 2004 gab. Als Einsatzgebiete werden solarbetriebene Wasserpumpen für Bauern in der 3. Welt genannt, die mit billiger Solarthermie (Warmwasser) statt mit teuren Solarzellen arbeiten, sowie Wasserzirkulation- und Heizungssysteme.

Die NIFTE-Pumpe ist ein leistungsstarker Thermofluid-Oszillator, der die geringe Temperaturdifferenz zwischen seiner Wärmequelle und dem Kühlkörper ohne, oder mit nur sehr wenigen mechanisch bewegten Teilen und ohne jeden Stromverbrauch in mechanische Kraft umsetzt. Statt dessen besitzt die Pumpe Flüssigkeitskolben, die sich aufgrund von Druckschwankungen auf und ab bewegen, welche durch das Sieden und die Kondensation einer Betriebsflüssigkeit verursacht werden.

Das Unternehmen wird im März 2010 vom Carbon Trust Incubator und dem SDSU - Aztec Business Alliance Förderprogramm in San Diego unterstützt. In Kombination mit neuen Beteiligungen ermöglicht dies Thermofluidics, bis Juli 5 Prototypen ihrer solarbetriebenen Wasserpumpen herzustellen und für Vorfeldversuche in Devon bereitzustellen. Später sollen Feldversuche in der Landwirtschaft in Brasilien, Indien, Äthiopien, Kalifornien und entweder Portugal oder Spanien stattfinden. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten erfolgen in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern und Studenten der Kryotechnik Gruppe an der Universität Oxford und dem Imperial College.

Bei einer Demonstration im Juli 2011 wird eine skalierbare NIFTE-Pumpe gezeigt, die mit einem Wärmeeintrag von 1 kW eine Fließgeschwindigkeit von 1.300 Litern pro Stunde erreicht. Thermofluidics hofft, die Pumpen mit ihrer größerer Effizienz als alle bekannten Vorgänger zu einem Preis von 50 £ pro Stück auf den Markt bringen zu können.

Durch Fördermittel aus dem Public Interest Energy Research Program der California Energy Commission wird ferner die Entwicklung eines Hydraulischen Widders auf Grundlage der NIFTE-Pumpe finanziert, der auf dem Mongolfier-Modell dieser Technologie beruht (die ich ausührlich im Kapitel Wasserenergie unter Wellenenergie beschreibe, s.d.). Mit der High Pressure Double Acting Hydraulic Ram pump (DAHR pump) soll Wasser aus einer Tiefe von bis zu 100 m heraufgepumpt werden können. Ein Prototyp wird im März 2011 erfolgreich getestet. Außerdem schließt Thermofluidics erfolgreich eine erste Finanzierungsrunde ab, die 400.000 £ einbringt.

Im November 2011 ist Thermofluidics eine der ausgewählten Firmen des LAUNCH: Energy Wettbewerbs, der als globale Initiative von der NASA, der U.S. Agency for International Development (USAID), dem U.S. Außenministerium und der Firma NIKE Inc. lanciert wird.

Bereits im Juni 2011 wird gemeldet, daß Forscher der Universität von Minnesota um Prof. Richard James eine revolutionäre Metalllegierung entwickelt haben, die durch die Kombination verschiedener Elemente auf Atom-Ebene erzeugt wurde. Unter Wärmezufuhr ‚transformiert’ sich die Multieisen-Legierung Ni45Co5Mn40Sn10 von einem festen Zustand in einen anderen festen Zustand, wobei eine Veränderung in den magnetischen Eigenschaften des Materials stattfindet, die zur Energieerzeugung genutzt wird.

So wird demonstriert, daß das eigentlich nicht magnetische Material schon bei geringer Wärmezufuhr zu einem hochmagnetischen Material transformiert, wodurch in einer umgebenden Spule Strom erzeugt werden kann. Zwar geht ein Teil der Wärmeenergie in einem als Hysterese bezeichneten Prozeß verloren, doch die Forscher haben bereits ein Verfahren zur Minimierung dieses Energieverlusts entwickelt. Die Arbeiten sind sehr vielversprechend, weil damit eine völlig neue Methode zur Energieumwandlung präsentiert wird, die es zuvor noch nie gegeben hat. Besonders interessant ist dabei der geringe Temperaturunterschied, der die Legierung von dem einen in den anderen Zustand transformieren läßt.

Mindestens seit 1995 wird an einer einfachen, effizienten und kostengünstigen Vorrichtung namens Monothermal gearbeitet, die aus einem mehrschichtigen Laminat besteht und ebenfalls Umweltwärme nutzt um Strom zu erzeugen. Die Technik ist tatsächlich sehr einfach: Auf einem Träger aus Aluminium/Magnesium befindet sich eine Chromoxid-Schicht, gefolgt von einer Lage Phosphor und abgedeckt von Kupfer. Dazu kommt noch Polyvinylacetat als polymeres Bindemittel.

Als mir die Technologie erstmals Mitte 2011 begegnet, wird sie als erprobt, patentiert und anwendungsbereit beschrieben. Die unglaublich einfache Konstruktion nutzt gängige Werkstoffe und arbeitet in jeder Umgebung. Ihr Erfinder ist Walter Lovell, der die Eiterentwicklung und potentielle Vermarktung mittels seiner sinnig benannten Firma Lovell Patented Technology vorantreibt und eine Vielzahl weiterer Patente besitzt, die zum Teil auch schon erfolgreich kommerzialisiert worden sind, wie z.B. Dosenverschlüsse. Mit dem Monothermal scheint es aber noch zu dauern, denn von irgendwelchen Umsetzungen war bislang noch nichts zu hören.

Daß sogar das Löschen von Informationen Wärme erzeugt, wird Anfang 2012 von einem europäischen Forscherteam nachgewiesen, Bereits 1961 hatte der deutsch-amerikanische Physiker Rolf Landauer eine entsprechende These formuliert und begründet, die auf den Vorarbeiten von James Maxwell und später Leó Szilárd beruhte und die daraufhin den Namen Landauer-Prinzip erhielt: Wenn man in einem irreversibel arbeitenden Computer (und das sind bislang alle Rechner) ein Bit löscht, wird dabei eine Wärmemenge frei, die einem Entropiewert S=k*ln(2) entspricht.

Nun haben die Physiker ein mikroskopisches Single-Bit-System konstruiert, das per Laser zwischen seinen zwei Zuständen umgeschaltet wird. Dieses System unterwerfen sie einer Vielzahl von Löschvorgängen und messen die dabei im Mittel freigesetzte Wärme wobei sich zeigt, daß der Meßwert sich tatsächlich dem von Landauer gesetzten Limit annähert. Der Beweis der These war allerdings etwas kompliziert, denn bei Raumtemperatur erzeugt die Löschung eines Bits gerade einmal 3 x 10^-21 Joule.

Eine Meldung, die gut in dieses Unterkapitel paßt, stammt vom Mai 2012 und aus dem Georgia Institute of Technology, wo Wissenschaftler um Zachary Douglas eine 17 %-ige Steigerung der Effizienz beim Kochen erreichen – indem sie ein akustisches Feld einsetzen, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Das akustische Feld tut dies durch das wirkungsvolle Entfernen von Dampfblasen aus der erwärmten Oberfläche sowie durch die Unterdrückung der Bildung eines isolierenden Dampffilm. Die Entfernung der Blasen wird verbessert, weil das akustische Feld Kapillarwellen in die Blase induziert, wodurch deren Berührungslinien kontrahieren und die Blase von der Oberfläche lösen.

Grenzen der Wärmeenergie-Nutzung

Die theoretische Grenze bildet eigentlich erst der Absolute Nullpunkt mit seinen minus 273,15°C.

Bei Wärmepumpen hört die Wirtschaftlichkeit bei etwa plus 5°C Außentemperatur auf, andere Negativpunkte des derzeitigen technischen Produktniveaus wurden bereits genannt.

Isolierungen sind nur so lange sinnvoll, wie sie den Luftaustausch mit der Außenwelt nicht unterbinden und – wie leider sogar schon mehrfach vorgekommen – dadurch zum Erstickungstod führen.

Hierzu noch eine besondere Meldung. Im Oktober 2006 häuft sich die Kritik an der angeblich umweltbewußten Wärmedämmung. Durch verbilligte Kredite will die Regierung Hauseigentümer dazu bringen, Fassaden und Dächer dämmen zu lassen. Bis 2009 können insgesamt 6 Mrd. € als zinsverbilligte Darlehen über die Kreditanstalt für Wiederaufbau abgerufen werden. Eine neue Vorschrift wird die Eigentümer Anfang 2008 außerdem dazu zwingen, den Energieverbrauch der 18 Millionen Wohngebäude in Deutschland messen und in sogenannten Energiepässen erfassen zu lassen. Hier befürchtet man eine Abzocke durch inkompetente Energieberater, welche diese Energiepässe auszustellen haben. Bei einem Test des Bundesverbands deutscher Wohnungs- und Immobilienunternehmen errechneten die angeblichen Fachleute Werte, die um bis zu 60 % auseinanderlagen.

Der bayerische Architekt und Altbau-Spezialist Konrad Fischer kritisiert jedoch schon seit Jahren, daß die staatlich subventionierten Dämm-Arbeiten, die vor allem von der chemischen Industrie als Hersteller der Dämmstoffe Gewinn bringen, auch erheblichen Schaden anrichten können: „Unsere Häuser werden zu Tode gedämmt.“ Durch starke Dämmung von über 6 – 8  cm wird bei älteren Häusern oft die Luftzirkulation abgewürgt, Schimmelpilze wachsen und Holzbalken faulen. Die Dämmung von südwärts gelegenen Fassaden führt außerdem zu dem gegenteiligen Effekt – das natürliche Sonnenlicht und seine Wärme werden fern gehalten.

Ein weiterer Hinweis stammt vom November 2011 und betrifft die Styropor-Platten, die als Wärmedämmung von Fassaden verbaut werden. Reporter des NDR lassen an der Materialprüfanstalt Braunschweig ein Brand-Experiment durchführen, der einem simulierten Zimmerbrand entspricht. Das erschreckende Resultat: Die 160 mm dicken Dämmplatten aus Polystyrol, geschützt durch Armierung, Putz und Anstrich, ein sogenanntes Wärmedämmverbundsystem (WDVS), fangen so schnell Feuer, daß der Versuch bereits nach acht Minuten abgebrochen werden muß – während die Dämmung den Flammen eigentlich zwanzig Minuten hätte standhalten müssen.

Insgesamt gesehen bietet die Wärme unserer Umwelt ein unerschöpfliches Reservoir – wenn wir lernen, es intelligent zu nutzen. Eines der Systeme, denen ich eine besondere Wichtigkeit zubillige, die erneuerbare Wärme in Elektrizität umzusetzen, ist das in Teil D ausführlich dargestellte Synergetische Modell.

In diesem Teil C wenden wir uns nun dem umfangreichen Bereich der Wasserenergie zu.

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