Benutzer:Axel Krueger/Thermoelektrische Energieumwandlung

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TEG-WP Grundprinzipschema (Bild 1)

Bei der thermoelektrischen Energieumwandlung wird Wärmeenergie ohne mechanische Bewegung direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der thermoelektrische Generator (TEG) nutzt dazu den Seebeck-Effekt der Festkörperphysik aus, nach dem aus einer Temperaturdifferenz an den Kontaktstellen zweier Metalle eine Gleichspannung zwischen diesen Kontaktstellen anliegt. Damit stellen sie eine Alternative zu einer Kombination aus Wärmekraftmaschinen und elektrischen Generatoren dar, bei denen Wärmeenergie über den Zwischenschritt einer Turbine erst in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

In der Praxis wird dabei zur Erhöhung des Wirkungsgrades ein Generatorsystem mit einem Wärmepumpen-System (WP) thermisch eng gekoppelt, um eine effektive Gleichspannung zu erzeugen, mit der gleichzeitig auch die Wärmepumpe selbst versorgt werden kann. Das Prinzip findet Anwendung im Fahrzeugbau, zur Energie-Rekuperation aus Abwärme, in wärmeintensiven Industrieprozessen sowie auch als primäre Stromversorgung für autarke Wärmepumpen.

TEG-WP idealisiertes Funktionsprinzip (Bild 2)

Grundfunktion

Der thermoelektrische Generator wird thermodynamisch mit einem Wärmepumpen-System verbunden, um damit aus der Umweltluftwärmeenergie oder Abwärme einen elektrischen Betriebs- und Nutzstrom (Qel) in einem „relativ“ niedrigen, in der Praxis leicht zu realisierenden, Temperaturbereich von 0 °C bis maximal 140 °C zu erzeugen. Alle anderen in der Thermoelektrik verfügbaren TEG-Stromerzeugungssysteme erzeugen den Gleichstrom auf der Basis eines „relativ“ hohen Temperaturbereiches von ca. 300 °C bis 600 °C oder durch zusätzliche Energiegewinnung im Blockheizkraftwerk (BHKW). Eine Standard-Wärmepumpe transportiert thermische Energie von einem niedrigen Temperaturniveau (z. B. −10 °C) auf ein höheres (z. B. 80 °C). Zur Grundfunktion eines thermoelektrischen Generators (TEG) gehört, dass er im Gegensatz zur Wärmepumpe Energie bei Stromabgabe von einem höheren Temperaturniveau (z. B. 140 °C) auf ein niedriges Temperaturniveau (z. B. 0 °C) transportiert und dabei die potenzielle Energiekapazität des Kältemittels reduziert. Wenn nun beide Systeme mit inverser Arbeitsweise thermisch direkt miteinander (über WT1) koppelt werden, dann kann man bei optimaler Auslegung des Prozesskreises (z. B. durch moderne, effiziente Kompressoren), ein dauerhaft thermodynamisch Wärmeleistungs- und Energiepotential wechselndes System, mit relativ geringen Wärmeverlusten, realisieren. Wenn man nun diesem geschlossenen Kreissystem, eine aus der Umweltluft gewonnene Wärmeenergie (Qua) zuführt, dann kann man dem System eine nutzbare Teilenergie wieder entziehen (Qen). Voraussetzung dabei ist allerdings, dass man dem Prozesskreis eine ausreichende Arbeitsenergie – zur Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Kreisprozesses – über den TEG-Strom (Cn), für die Versorgung der Kompressoren, zuführt. Die von außen zugeführte thermische Energie (ca. 20 % aus der Umweltluft) kann dann wieder aus dem geschlossenen Kreislauf ausgekoppelt werden und extern als Überschussenergie (ca. 15 %, Qen) genutzt werden. Diese Grundfunktions-Prinzipien und Arbeitsweisen der thermisch-, elektronischen Energieumwandlung werden im TEG-WP-System genau beschrieben (siehe Bild 2).

Zweistufiges Wärmepumpen-System (WP)

Um für die TEG-Module eine möglichst hohe, effizient arbeitende Temperaturdifferenz (ΔT von ca. 140 °C) zwischen der Warm- und Kaltseite der Leistungsmodule zu erreichen, ist es erforderlich, ein zweistufiges Wärmepumpensystem (WP1 und WP2) vorzusehen. Dies wird mit einer Niederdruckwärmepumpe (WP1), die mit einer Hochdruckwärmepumpe (WP2) direkt thermisch über einem Plattenwärmetauscher (WT1) gekoppelt ist, realisiert. Diese Kopplung geschieht über den WT1-Kondensator der Niederdruckwärmepumpe und über den WT1-Verdampfer der Hochdruckwärmepumpe (s. Bild 5: TEG-WP-Blockdiagramm Stromversorgung). Systembedingt arbeiten die Wärmepumpen vorteilhaft mit einer erhöhten Gasvolumen-Flächenübertragungsdichte des Kältemittelgases, d. h. mit einer hohen spezifischen Leistungsdichte, sowie mit einer konstanten Kältemitteltemperatur (T) bei konstantem Kältemitteldruck (p), gegenüber einem System mit energieübertragenden Flüssigkeiten, was sich ungünstig im gesamten Wärmeübertragungs-Prozess durch hohe Temperaturschwankungen auswirkt.

Integration der Thermomodule (TEG) in das Wärmepumpen-System

TEG-WP-Funktionsprinzip im Energiegleichgewicht (Bild 3)

Die Kaltseite der TEG-Thermomodule dient der Niederdruckwärmepumpe (WP1) als Verdampfer, und damit ist eine Energieabsorption in der Wärmesenke gegeben. Die Warmseite der TEG-Thermomodule ist direkt mit dem Kondensator der Hochdruckwärmepumpe (WP2) verbunden. Mehrere Thermo-Leistungsmodule sind in einer gut wärmeübertragenden, fest verschraubten, Cu-Multimodul-Blockeinheit, mit inneren Finnen für eine hohe Gas- Wärmeleitfähigkeit (λ für Cu = 380) zusammengefasst und mit einer geringen Gasströmungsgeschwindigkeit, infolge eines speziellen Gasaufprallsystems, ausgelegt. Die TEG-Modulblöcke sind in Serie und/oder parallel in den Kältemittelkreislauf der beiden Wärmepumpen mit einer hoch wärmeisolierenden Energieübertragung an den entsprechenden Kondensator bzw. Verdampfer der Wärmepumpen (WP1 bzw. WP2) angeschlossen (s. Bild 4: TEG Multimodul-Block). Die Grundlage für eine nutzbare Stromerzeugung (Qen) bildet hierbei eine etwa 40%ige Prozesskreis Energierückführung über die Niederdruckwärmepumpe, d. h. Energietransfer im Prozesseskreislauf von A1 nach B1 über den Wärmetauscher WT2, sowie eine ca. 60%ige elektronische Energietransfer Rückführung über das TEG-System von A2 nach B2. Nur durch eine TEG-Strombelastung entsteht auch die elektronische Energierückführung der TEG zur Erzeugung der Wärmesenke (0 °C). Zwei Rollkolbenkompressoren in WP1 (CP1 und CP2) erhöhen die potentielle Wärmeenergie des Kältemittels in zwei Kompressionsphasen durch die Kältemittelgas Komprimierung bei 100%tigem Sättigungsgrad des Kältemittels (s. Enthalpie-Erhöhung), während im Expansionsventil umgekehrt die potentielle Energie im Kältemittels in WP1 wieder reduziert wird. Alle Wärmeübertragungsverluste (z. B.: die WT- und Kompressor-Wirkungsgrade) gehen aus dem Energiebilanzplan hervor (s. Bild 2: TEG-WP idealisiertes Funktionsprinzip, d. h. ohne Verluste).

Wirkungsgraderhöhung nach Carnot (COP)

Durch die Rückkopplung (Qut) über WT2, d. h. Energierückführung 1, wird gleichzeitig die Eingangstemperatur des Kompressors CP1 der Niederdruckwärmepumpe erhöht, wodurch sich eine geringere Carnot-Wirkungsgradbegrenzung ergibt: (ɳc = 1/COPmax, COPmax=Twarm/(Twarm-Tkalt). Damit ist eine Erhöhung des Leistungsfaktors COP (Coefficient of Performance) verbunden, und es ergibt sich in WP1 ein höherer, auch praktisch realisierbarer, Wirkungsgrad der Wärmepumpe (ηwp1). Der Wirkungsgrad der Hochdruckwärmepumpe (ηwp2) wird ebenfalls, infolge der Entropie-konstanten Kompression des Kältemittels von CP3 – und der Energierückführung 2 – erhöht (s. WT5), weil dies auch mit einer Stromreduzierung des Kompressors (CP3) verbunden ist.

Wärme-Verlustausgleich über die Modulanzahl des TEG

TEG-Multimodulblock (Bild 4)

Blockschaltbild Stromversorgung (Bild 5)

Die effektive Stromerzeugung besteht für den thermoelektrischen Generator gerade darin, dass der geringe Modulwirkungsgrad der einzelnen TEG-Elemente – (von ca. 4 %, bei einer Kennzahl ZT von 1,3 – bei einer Modul-Parallel- bzw. Reihenschaltung im TEG-Multimodul-Generatorblock, praktisch bedeutungslos ist, bei dieser Art einer modulparallelen Wärmeenergie Übertragung. Grund dafür ist die Temperatur- und Druckkonstants bei Änderungen des Sättigungsgrads der Kältemittel. Dies gilt für die TEG-Warmseite, als auch für die TEG-Kaltseite, für alle zu übertragenden Wärmeleistungen, d. h. für Qvw und Qvk. Deswegen kann die zu erzeugende elektrische Gesamt-Nennleistung (Qel = n·(Qvw – Qvk) s. Bild 1) – inkl. aller Übertragungsverluste – immer über die Anzahl (n) der TEG-Module komplett ergänzt bzw. ausgeglichen werden. So kann ein Überschussstrom von ca. 15 %, (z. B. für eine DC-gepufferte Batterie oder über einen Wechselrichter für eine 220-V-Wechselspannungs-Netzeinspeisung) im Dauerbetrieb kostengünstig realisiert werden. Das bedeutet aber auch umgekehrt, dass das gesamte Wärmepumpensystem, über die Leistung der Kompressoren der gesamten Prozesskreis Netto-Energieübertragung – und damit auch der maximalen Stromerzeugung (Qel) – automatisch immer genau angepasst wird. Deshalb kann mit dem TEG-WP-System ein solch hoher gesamtthermischer Wirkungsgrad von über 80 % erreicht werden. Dabei entsteht keine nutzlose, von einem äußeren System - offenes System - extern zugeführte Überschusswärme- und Überschusskälteenergie, die den Wirkungsgrad negativ reduzieren würde. Es handelt sich hier nicht um ein offenes Prozesskreissystem, indem die Wärmeenergien für die Warm- und Kaltseiten der Module von außen extern zugeführt werden, sondern es ist ein geschlossenes System mit einer „elektronischen“ TEG-Prozesskreis-Energierückführung. Das bedeutet, dass nur die Differenz der zugeführten Leistungen, z. B. für die Warmseite 200 Watt und die Kaltseite 190 Watt ( = 200 Watt – 5 % Modulwirkungsgrad), für die Module vom Wärmepumpensystem aufgebracht werden muss (hier also z. B. für jedes Modul nur 200 Watt − 190 Watt = 10 Watt Moduleinzelleistung). Die Leistungssumme aller Module (n × Einzelmodulleistung) entspricht gleich der gesamt aufzubringenden Wärmepumpenleistung und damit auch der gesamten TEG-WP-Auslegungsleistung. Nur die Verluste im Prozesskreissystem und die potentielle Energiezuführung (Kompressorströme) für den erhöhten Kältemittel Energiezustand (Druck und Temperatur) muss zusätzlich vom Wärmepumpensystem aufgebracht werden. Der geringe Einzelmodulwirkungsgrad – von hier angenommen nur 5 % – hat daher in dem hier dargestellten TEG-WP-Energieumwandlungsprozess keine Bedeutung mehr. Es ergibt sich ein Gesamtsystem-Wirkungsgrad von fast 80%. Zum Vergleich erreicht ein modernes Atomkraftwerk kaum einen gesamtthermischen Kraftwerkssystemwirkungsgrad von über 40%.

Anwendung als umweltfreundliche Heizungs- oder Klimaanlage

Damit die physikalisch notwendigen „Entropie-konstanten“ Kompressionen in den beiden Wärmepumpenkreisen (WP1 und WP2) entstehen können, ist es erforderlich, dass Wärmekapazitätsreduzierungen, d. h. auch eine Enthalpie-Reduzierung in den Prozesskreisen WP1 und WP2, zur Abkühlung der Kältemittel, mit der daraus folgenden GAS-Volumenreduzierung – über die Wärmetauscher WT3 und WT4 eingeführt werden müssen. Diese erforderlich abzuführende Wärmekapazität, die gleichzeitig auch eine günstige Kennlinienverschiebung für die Arbeitsweise der Kompressoren darstellt, kann für allgemeine Heizzwecke (z. B. für eine Heizungs- oder Warmwasseranlage) extern wieder nutzbar gemacht werden. Der Gesamtwirkungsgrad COP beträgt, bei Einsatz des TEG-WP-Systems als Heizungsanlage, dann ca. 10.

Beispiel:

• abgegebenen Leistung = 1 kW
• aufgenommene Leistung = 0,1 kW
• Ergebnis von COP: 1 kW/0,1 kW = 10.

Die aufzubringende Leistung von ca. nur 100 W wurde sehr klein angenommen, da das Wärmepumpensystem – vom „eigenen“ Strom der TEGs – für die Kompressoren komplett versorgt wird. Die gesamte TEG-WP-Stromerzeugung (Qel) arbeitet somit wartungsarm, umweltfreundlich, kostenlos und CO₂ frei. Damit auch eine elektrische Überschussenergie aus dem geschlossenen Gesamtwärmepumpensystem realisiert werden kann, muss eine ca. 20%ige Umweltluft-Wärmeenergie (Qua) in das Niederdrucksystem über einen Verdampfer – aus dem äußeren „offenen“ System – eingespeist werden. Diese eingespeiste Wärmeenergie (Quv) ist dann direkt proportional der gewonnenen elektrischen Überschussenergie (Q_en) und verlässt das „geschlossene“ System wieder als Kaltluft (−Q_uw) für allgemeine Kühlzwecke: Zum Beispiel für die Kühlung der eigenen Kompressoren oder zur Kaltluftversorgung einer Klimaanlage.

Kältemitteldiagramm WP1 Beispiel für R134a (Bild 6)

Thermodynamisch/elektrische Systemvoraussetzungen zur Energieumwandlung

Kältemitteldiagramm WP2 Beispiel für HCFC-123 (Bild 7)

Das TEG-WP-System basiert auf der Grundlage des potentiellen Energiewechsels, d. h. Erhöhung bzw. Erniedrigung, der beiden unterschiedlichen Arbeitsweisen vom TEG und der Wärmepumpe. Man muss hierbei aber unterscheiden, dass es sich ausschließlich um potentielle Energien handelt und nicht um Wärme-Leistungsübertragungen. Am deutlichsten ist das mit der mechanischen „einseitigen Wippe“ (siehe Bild 2) vergleichbar. Hier sei noch vermerkt, dass es mit einem WP-System grundsätzlich nicht möglich ist, eine 100%ige Wärmeleistungsabgabe (Enthalpie-Reduzierung) eines Mediums von hoher Temperatur auf eine niedrige Temperatur zu transferieren. Das WP-System kann aber wohl über ein Expansionsventil nur die potentielle Energie des Mediums von hoher Temperatur auf eine niedrige Temperatur reduzieren. Dabei wird die Energie wieder abgegeben, die vorher in das Medium gesteckt worden ist, um den hohen vorherigen Energiezustand erreicht zu haben. Man kann hier anschaulich die Differenzierung der Arbeitsweise im Prozesskreis zwischen einer Wärmeleistungs-Abgabe bzw. Aufnahme und eines potentiellen Energiewechsels (s. Wippe) erkennen. Der große Vorteil eines WP-Systems ist aber, dass man schon eine Teilleistungs-Wärmeübertragung – von ca. 40 % - über die Energierückführung 1 (siehe WT2) realisieren kann. Das geschieht z. B. hier im WP1 Prozesskreislauf mit der Wärme-Energierückführung 1 (siehe Bild 2 und 5). Allgemein bewirken die Energierückführungen 1 und 2 eine vorteilhafte Reduzierung der aufzubringenden Kompressor-Leistungen (Cn). Die erforderlichen Mehrleistungen (ohne Rückführungen) müssten sonst in die Kompressor Leistungsberechnungen – (um die hohen Kältemitteltemperaturen und Druckerhöhungen erreichen zu können) – mit einbezogen werden. Nebenbei wirkt sich das auch auf eine COP-Erhöhung aus, und dadurch verbessern sich auch die Gesamtwirkungsgrade von WP1 und WP2. In WP2 kommt noch als weiterer bedeutender Leistungsvorteil hinzu, dass die Stromaufnahme (Enthalpie) von CP3 im Kältemitteldiagramm von WP2 sich positiv auf den Kennlinienverlauf auswirkt, und so zur Kondensations-Wärmeübertragungsleistung (TEG-Warmseite) von WP2 faktisch addiert werden kann (s. Bild 7). Die Leistungsrückführung 1 (Qut) verursacht positiv auch, dass sich die Kältemittel-Eingangstemperatur des ersten Kompressors (CP1) erhöht (s. Verdampfungstemperatur), und dadurch tritt nach Carnot eine geringere Wirkungsgradbegrenzung ein, was faktisch eine COP bzw. Wirkungsgraderhöhung bedeutet (s. Abschnitt: Wirkungsgraderhöhung nach Carnot (COP)).

Ein weiterer Systemvorteil ist, dass prinzipiell alle Leistungsübertragungen über Sättigungsgradänderungen des Kältemittels mit konstanter Temperatur und konstantem Druck, bei den verschiedenen Wärme-Energiegehalten, umgesetzt werden. Nur diesem Umstand ist es zu verdanken, dass es möglich ist, die TEG-Module thermisch in Reihe oder parallel zu schalten, ohne dass dabei Energieübertragungsverluste – durch Reduzierungen variabler Strömungsenergieinhalte – hingenommen werden müssen. Der geringe Wirkungsgrad der Thermoelemente – von ca. 4 %, und auch die ZT-Gütezahl – bleibt also bei allen Wärmetransferleistungen immer ohne Auswirkungen. Nur so wird es möglich, dass alle Leistungs- und Prozesskreisverluste (zum Beispiel: Nennleistungsreduzierungen durch Wärmeübertragungsverluste) über die Anzahl der TEG-Module (n) auszugleichen werden können (s. Abschnitt: Wärme-Verlustausgleich über die Anzahl der Module). Ohne diese wichtigen physikalischen Zusammenhänge der Druck- und Temperaturkonstanz des Kältemittels im Kondensations- bzw. Verdampfungsprozess – mit einer ca. 3-fach erhöhten Wärmekapazität als bei Flüssigkeiten – könnte man keine nutzbringende thermoelektrische Energieumwandlung realisieren. (siehe Bild 6 , TEG-Kältemitteldiagramm für R134a)

Damit der WP1-Prozesskreislauf auch effektiv arbeiten kann, muss das Kältemittel nach der ersten Kompression von CP1 (infolge der Temperaturerhöhung durch eine Gas-Komprimierung) gekühlt werden. So wird erreicht, dass die erforderliche Kompression des Kältemittels in CP2 – (ebenfalls wie die Kompressionen von CP1 und CP3) – nach der Entropie-konstanten Kennlinie (s. Kältemitteldiagramm, Bild 6) verlaufen kann. In WP1 sind deswegen zwei Kompressoren (CP1 und CP2) in Reihe geschaltet für eine Gesamtenthalpie-Erhöhung eines 100%ig gesättigten Kältemittels, damit die erwünschten hohen thermischen Zustandsparameter für Temperatur und Druck erreicht werden können (siehe Bild 6 : TEG-Kältemitteldiagramm für R134a). Die Kältemittelkühlungen über WT3 und WT4 bewirken eine Energie-Auskopplungsmöglichkeit (Warmluft) im Kreislauf der beiden Wärmepumpen, und kann in Form einer Wärmeabgabe (zum Beispiel: für Heizzwecke) genutzt werden. Das bedeutet auch eine Reduzierung der Enthalpie, die physikalisch immer mit einer Verringerung des Gasvolumens verbunden ist. (Vergleiche z. B. auch: Die Wasserkühlung in einem Kühlturm eines Atomkraftwerkes, indem ebenfalls eine Enthalpie-Reduzierung des Wasserdampfes für die Betriebsfunktion der Dampfturbinen notwendig ist).

Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist eine hocheffektive wärmeübertragende Integration aller TEG-Module der Warm- und Kaltseiten im Multimodul-Block für eine optimale, hochwärmeisolierende Gesamtenergiebilanz. Dabei ist zu bemerken, dass die zu übertragende Wärmeenergie für die Kaltseite infolge des TEG-Einzelmodulwirkungsgrades von nur ca. 5 % um etwa 5 % geringer ausfallen kann. Das bedeutet auch eine vorteilhafte Reduzierung um 5 % der TEG-Kaltseitenabsorption für die Wärmesenke (s. im R134a-Kennliniendiagramm: TEG kalt). Deswegen kann – nach der geringen elektrischen Leistungsübertragung eines Einzel-TEG-Moduls von ca. nur 5 % – eine um 5 % höhere Wärmeenergie (Qua) aus der Umweltluft in WP1 eingespeist werden (Siehe auch Einzelnachweis Nr. 7 Leistungsbilanz). Alle diese Voraussetzungen sind bei einer Primärenergie-Zuführung (z. B.: Umweltluft, Abwärme oder Abgassysteme ) erforderlich, für eine effektiv nutzbare, umweltfreundliche und CO₂-freie thermoelektrische Energieumwandlung zur allgemeinen kostenlosen Stromversorgung.

Nutzung und Anwendung von thermoelektrischen Generatoren

Beispiele von Veröffentlichungen und Dokumentationen zur Anwendung von thermoelektrischer Generatoren:

• Direkte Umwandlung von Wärmeströmen in elektrische Energie
• Stromerzeugung mit einer umweltfreundlichen und CO₂-freien modernen Heizungsanlage (Ofenheizung)
• Anwendung von ungenutzten Wärmeenergieströmen, z. B.: Strahlungsabwärme im industriellen Bereich. Hier kann man eine Parallelschaltung von TEG-Modulen anschaulich erkennen, allerdings in einem hohen Temperaturbereich zwischen 400C und 500 °C. Auch hier nimmt die Modul-Eintrittstemperatur für jedes Einzelelement mit der Anzahl der in Reihe (hintereinander) geschalteten Module ab, infolge des im Wärmegasstrom „laufenden“ Energieentzuges.
• Anwendungspotential thermoelektrischer Generatoren zur Abwärmenutzung in stationären Systemen im relativ hohen Temperaturbereich und parallel angeordneten Modulblöcken.
• Überblick der zukünftigen Entwicklung der thermoelektrischen Leistungsgeneratoren (engl. Thermoelectric Power Generation, TEG) in Japan.