Titel

Thermoelektrizität –
Ein weiterer Baustein hin zu einem nachhaltigen Umgang mit Energie?

Format

Vortrag

Umfang

45 min

Themen

Begriffsbestimmung und historischer Abriss

Grundlagen der Thermoelektrizität

Kenngrößen und Materialeigenschaften von Thermoelektrika

Thermoelektrische Module

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Artikel

PDF – schriftliche, ausführlichere Fassung des Vortrags

Glossar

PDF – Zusammenfassung wichtiger Begriffe

Als Thermoelektrizität wird die direkte Umwandlung von thermischer und elektrischer Energie ineinander über den Seebeck-, Peltier- und Thomson-Effekt bezeichnet. Bekannteste Anwendungen sind das Peltier-Element zur Kühlung bzw. Temperaturregelung und der Radioisotopengenerator (Isotopenbatterie) als langlebige Quelle elektrischer Energie mit Verwendung insbesondere in der Raumfahrt. In jüngster Zeit werden thermoelektrische Generatoren verstärkt auf ihren Einsatz zur Nutzung von Abwärme in industriellem Maßstab untersucht. Inwieweit sie ein Baustein zu einem nachhaltigen Umgang mit Energie werden können, ist noch offen. Der Fokus liegt auf der Darstellung der Grundlagen der Thermoelektrizität und der Beschreibung wichtiger Kenngrößen von Thermoelektrika. Das soll den Interessierten dazu befähigen, sich zur im Titel gestellten Frage eine informierte eigene Meinung zu bilden.

• Thermoelektrizität ist die Umwandlung zwischen Wärme
  und Elektrizität: Seebeck-, Peltier- und Thomson-Effekt.
• Thermoelektrische Materialien sollten eine hohe elektrische
  und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
• Eine Strategie für die Materialoptimierung lässt sich
  als „Elektronenkristall/Phononenglas“ beschreiben.
• Thermoelektrische Module sind weitgehend
  verschleißfrei, aber vergleichsweise ineffizient.
• Thermoelektrische Generatoren gewinnen an Bedeutung
  für die Nutzung von Abwärme im industriellen Maßstab.

Die nachfolgenden Fragen sollten sich mit den im Vortrag vermittelten Inhalten beantworten lassen und dienen der eigenständigen Nacharbeit bzw. Beschäftigung mit der Thematik.

• Was versteht man unter Thermoelektrizität? Welche drei Effekte sind konstituierend?
  Was beschreiben sie jeweils?
• Welche Vorteile weisen thermoelektrische Module gegenüber herkömmlichen Methoden
  der Umwandlung von elektrischer und Wärmeenergie auf?
• Aus welchen beiden Anteilen setzt sich die Wärmeleitfähigkeit eines Materials zusammen?
  Welcher Parameter lässt sich unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit verändern?
• Welche (widersprüchlichen) Eigenschaften sollten Thermoelektrika idealerweise aufweisen?
  Mit welcher Metapher wird diese Kombination beschrieben, und welche Strategien
  werden eingesetzt, um sie zu erreichen?
• Welche Kriterien müssen erfüllt sein, damit Thermoelektrizität im großen Maßstab
  für den nachhaltigen Umgang mit Energie relevant wird?

Eine kommentierte und handverlesene Liste mit Websiten zum Thema. Die Auswahl ist zwangsläufig subjektiv. Der Autor übernimmt keinerlei Garantie für die Verfügbarkeit und Inhalte der verlinkten Seiten.

Das in Freiburg ansässige Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (Fraunhofer IPM) hat eine Abteilung, die sich mit thermischen Energiewandlern befasst:

• https://www.ipm.fraunhofer.de/de/gf/energiewandler-thermische.html

Auf diesen Seiten findet sich Informationsmaterial rund um die Entwicklung thermoelektrischer Module zur Abwärmeverstromung.

Eine kommentierte und handverlesene Liste mit weiterführender Literatur zum Thema. Die Auswahl ist zwangsläufig subjektiv.

Für eine deutschsprachige, knappe Einführung in die Thematik sei auf [Bartholomé, 2017Bartholomé, Kilian; König, Jan D.; Pernau, Hans-Fridtjof; Balke, Benjamin (2017): Abwärme als Energiequelle, Physik in unserer Zeit 48:89-95] verwiesen. [Zeier, 2011Zeier, Wolfgang; Panthöfer, Martin; Janek, Jürgen; Tremel, Wolfgang (2011): Strom aus Abwärme: Thermoelektrische Verbindungen, Chemie in unserer Zeit 45:188-200, Schierle-Arndt, 2013Schierle-Arndt, Kerstin; Hermes, Wilfried (2013): Eine Chance für die Abwärmenutzung: Thermoelektrik, Chemie in unserer Zeit 47:92-101], obwohl an eine ähnlich breite Zielgruppe gerichtet, weisen leider eine Reihe von Inkonsistenzen und kleinen Fehlern auf und können daher nicht uneingeschränkt empfohlen werden. Viele Physik-Lehrbücher (auch im universitären Kontext) liefern eine falsche Erklärung für Seebeck- und Peltier-Effekt. Eine Ausnahme ist [Raith, 2006Raith, Wilhelm (2006): Bergmann Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2: Elektromagnetismus, Walter de Gruyter, Berlin]. Vergleiche zu dieser Problematik auch [Pelster, 2005Pelster, Rolf; Pieper, Reinhard; Hüttl, Ingo (2005): Thermospannungen - viel genutzt und fast immer falsch erklärt!, Physik und Didaktik in Schule und Hochschule 4:10-22].

Eine ältere, lesenswerte Monographie, die gut in die Grundlagen einführt, ist [MacDonald, 1962MacDonald, D. K. C. (1962): Thermoelectricity: an introduction to the principles, John Wiley & Sons, New York]. Das „CRC Handbook of Thermoelectrics“ [Rowe, 1995Rowe, D. M. (Hg.) (1995): CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC Press, Boca Raton] ist nach wie vor das Standardwerk der Thermoelektrizität. Gute neuere Zusammenfassungen sind die folgenden Überblicksartikel: [Snyder, 2008Snyder, G. Jeffrey; Toberer, Eric S. (2008): Complex thermoelectric materials, Nature Materials 7:105-114, Tritt, 2006Tritt, Terry M.; Subramanian, M. A. (2006): Thermoelectric materials, phenomena, and applications: A bird's eye view, MRS Bulletin 31:188-198, He, 2017He, Jian; Tritt, Terry M. (2017): Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward, Science 357:eaak9997, Bell, 2008Bell, Lon E. (2008): Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems, Science 321:1457-1461, Shakouri, 2011Shakouri, Ali (2011): Recent developments in semiconductor thermoelectric physics and materials, Annual Review of Materials Research 41:399-431].

• Rowe, D. M. (Hg.) (1995): CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC Press, Boca Raton
• Bartholomé, Kilian; König, Jan D.; Pernau, Hans-Fridtjof; Balke, Benjamin (2017): Abwärme als Energiequelle, Physik in unserer Zeit 48:89-95
• Bell, Lon E. (2008): Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems, Science 321:1457-1461
• He, Jian; Tritt, Terry M. (2017): Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward, Science 357:eaak9997
• MacDonald, D. K. C. (1962): Thermoelectricity: an introduction to the principles, John Wiley & Sons, New York
• Pelster, Rolf; Pieper, Reinhard; Hüttl, Ingo (2005): Thermospannungen - viel genutzt und fast immer falsch erklärt!, Physik und Didaktik in Schule und Hochschule 4:10-22
• Raith, Wilhelm (2006): Bergmann Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 2: Elektromagnetismus, Walter de Gruyter, Berlin
• Schierle-Arndt, Kerstin; Hermes, Wilfried (2013): Eine Chance für die Abwärmenutzung: Thermoelektrik, Chemie in unserer Zeit 47:92-101
• Shakouri, Ali (2011): Recent developments in semiconductor thermoelectric physics and materials, Annual Review of Materials Research 41:399-431
• Snyder, G. Jeffrey; Toberer, Eric S. (2008): Complex thermoelectric materials, Nature Materials 7:105-114
• Tritt, Terry M.; Subramanian, M. A. (2006): Thermoelectric materials, phenomena, and applications: A bird's eye view, MRS Bulletin 31:188-198
• Zeier, Wolfgang; Panthöfer, Martin; Janek, Jürgen; Tremel, Wolfgang (2011): Strom aus Abwärme: Thermoelektrische Verbindungen, Chemie in unserer Zeit 45:188-200