Thermoelektrik und Salzspeicher schlachten Abwärme aus Photovoltaik könnte viel effizienter werden

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de

Thermoelektrik und Salzspeicher schlachten Abwärme aus

Photovoltaik könnte viel effizienter werden

Anzeige
Thermophotovoltaik | Wie sich die Energie-Ausbeute einer Photovoltaikzelle vervielfachen lässt, demonstrieren die Firmen Duropan und Airoblock: Die Abwärme nutzen sie für zusätzliche Stromgewinnung und speichern darüber hinaus Abwärme für zeitversetzte Heizaufgaben. ❧ Olaf Stauß

„Mit vierfacher Investition ernten wir die zwölffache Leistung“, sagte Dr. Wolfgang Beck im April auf der Hannover Messe. Was der Geschäftsführer der Duropan Alliance GmbH als Motto ausgab, war nicht nur so dahin gesagt zu Werbezwecken. Was dahinter steckt, lässt sich am besten mit einem Blick auf die Entwicklungsgeschichte erfassen: Duropan ist darauf spezialisiert, elektrischen Strom „thermoelektrisch“ aus Abwärme zu gewinnen – genauer gesagt aus Temperaturgefällen. Das gelingt schon bei niedrigen Temperaturunterschieden: 90 K sind optimal, doch auch 40 K reichen aus.

„Aus einer Temperaturdifferenz von 40 bis 80 Kelvin können wir je nach Auslegung bis zu 800 Watt pro Quadratmeter und mehr gewinnen“, erklärte Beck schon auf der Hannover Messe 2012 vor vier Jahren. Den Stromfluss generieren spezielle Halbleiter-Elemente, die sich den „Seebeck-Effekt“ zunutze machen. Ihre Wurzeln reichen bis in die 70er-Jahre zurück, als die Raumsonden Voyager 1 und 2 mit thermoelektrischen Geräten entsandt wurden – und sie funktionieren heute immer noch.
Das patentgeschützte Know-how von Duropan besteht darin, solche Thermogeneratoren mit einem Minimum an thermischen Verlusten in ein Substrat einzubetten. Unter anderem sind hier Erkenntnisse der Nanotechnologie eingeflossen. Mikroporositäten konnten weitgehend ausgeglichen, Lufteinschlüsse ausgeschaltet und die Trennschichten sehr dünn gestaltet werden. So wird der Wärmeübergang entscheidend verbessert. „50 Jahre war die thermische Ankopplung ein Problem für die Thermoelektriker, wir haben nun eine Lösung entwickelt“, nennt der Geschäftsführer das Pfund, mit dem sein Unternehmen wuchern kann. Dr. Beck und seine chemische Leiterin Anja Krichler haben außerdem eine Deckschicht entwickelt, die als „Thermischer Akkumulator“ infrarote Strahlung gut adsorbieren und weiterleiten kann. Duropan-Elemente können also auch Wärmestrahlung auffangen und daraus Strom ernten.
Damit eröffnen sich Anwendungsoptionen für Energy Harvesting („Energieernte“) in allen Bereichen, in denen Abwärme anfällt. Und zwar auch bei niederen Temperaturen – an Gebäuden ebenso wie an Maschinen und Motoren oder an prozesstechnischen Anlagen (wie Gießereien).
Beck hat sich konsequenterweise auf den Weg gemacht, mit Partnern unterschiedliche Einsatzgebiete zu erschließen. Ein Volltreffer ist die Photovoltaik(PV)-Zelle, ihre erhöhte Ausbeute geradezu ein Hattrick: „Bringt die übliche Zelle gerade mal 150 Watt pro Quadratmeter, so holen wir durch einen dreifachen Effekt bis zu 800 Watt raus“, erklärte Beck im April in Hannover.
Erster Effekt: Die übliche PV-Zelle hat ihren Nenn-Betriebspunkt bei 25 °C, wird aber von der Sonne oft bis auf 130 °C aufgeheizt (also auch über die meist vorgegebene 85°-Betriebsgrenze hinaus). Jedes Kelvin über 25 °C lässt die Leistungsausbeute um 0,5 % sinken – häufig geht viel Leistung verloren. Bei dem von Duropan konzipierten „Thermophotovoltaik-System“ ist die PV-Zelle stoffschlüssig mit einem thermoelektrischen Element verbunden. Die integrierte, fluiddurchströmte Leiterplatte kühlt die PV-Zelle auf ihre Nenn-Betriebstemperatur herunter und lässt sie damit ihre Nennleistung von 200 W/m² bringen. Zweiter Effekt: Aus der Temperaturdifferenz erzeugen die Thermogeneratoren zusätzlich bis zu 400 W/m² elektrische Leistung. Und drittens fließt die noch verbleibende Abwärme von bis zu 300 W/m² in neuartige Salzspeicher ein, die zu Heizzwecken wieder entladen werden können – ein innovatives Produkt des Partners Airoblock. Mehr dazu später.
Durch ihren modularen Aufbau aus Thermischem Akkumulator, Thermischem Transmitter (Thermogeneratoren), Thermischem Diffusor und fluiddurchströmter Leiterplatte sind die Duropa-Elemente sehr vielseitig. Sie lassen sich an sehr unterschiedliche Anwendungen anpassen. Gilt es zum Beispiel, Strahlungswärme von bis zu 800 °C heißem Walzgut aufzunehmen, so wird der Thermische Akkumulator zur Schlüsselkomponente. Die Leiterplatte muss die Kühlung übernehmen. Als Beispiel für einen umgekehrten Ansatz nennt Beck die Idee, die Hitze des Kühlwassers im Auto zu nutzen. Das Kühlwasser durchströmt dann die Leiterplatte, der Fahrtwind muss sie kühlen. Auch hier erzeugen die Thermogeneratoren elektrischen Strom aus der Temperaturdifferenz.
Besonderes Aufsehen erregte in Hannover aber die Thermophotovoltaik. Seit sie auf der Messe vorgestellt wurde, ist das Interesse an der Technologie mächtig gestiegen. Gab es bisher nur Kleinserien, so plant die Duropan Alliance jetzt die Serienfertigung. „Bis zum Juli 2017 wollen wir produktionsbereit sein“, so Dr. Wolfgang Beck.
Auch beim Technologiepartner Airoblock geht es hektisch zu nach der Hannover Messe 2016. Nicht zuletzt deswegen, weil das Bundeswirtschaftsministerium seit Anfang August die „offensive Abwärmenutzung“ in Form von Tilungszuschüssen für KfW-Kredite fördert, teilt Klaus Borrmann mit, Airoblock-Vertriebsbeauftragter in Deutschland. „Abwärme gilt jetzt als Energie“, hält er zufrieden fest.
Airoblock vertreibt Latentwärmespeicher, bei denen die Energie im Phasenwechsel von Salzen von fest nach flüssig gespeichert wird – und Stunden später zu einem sehr hohen Prozentsatz für Heizzwecke zurückgeholt werden kann. Ihre Speicherdichte ist extrem hoch – bis zu zwölfmal höher als die von Wasser. Eine wichtige Besonderheit ist auch, dass dafür Salze (aus China) mit definierten Schmelzpunkten zwischen 4 und 700 °C zur Verfügung stehen, so dass sich die Speicher für nahezu jeden industriellen Prozess nutzen lassen. Derzeit wird eine deutsche Produktion für die Geräte aufgebaut.
Einige Salzspeicher sind schon im Einsatz, andere in der Projektierungsphase für Anlagen: Bei einem Pulverbeschichter zum Beispiel wird der rund 180 °C heiße Abgasstrom des Ofenbrenners die Salzspeicher aufladen. Die über dem Tag gespeicherte Energie wird dann ausreichen, um mehr als 1000 l Waschlauge auf stetig 55 °C zu temperieren und gleichzeitig die Halle zu beheizen. Der Energiegewinn wird grob geschätzt bei rund 200 kWh pro Tag liegen.
Anzeige

Industrieanzeiger

Newsletter

Unsere Dosis Wissensvorsprung für Sie. Jetzt kostenlos abonnieren!

Tipps der Redaktion

Unsere Technik-Empfehlungen für Sie!

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Aktuelle Whitepaper aus der Industrie

Anzeige