1.  Der Begriff Energie  3

2.  Thermoelektrische Energieumwandlung  4

2.1  Thermovoltaik  4

2.2  Seebeck-Effekt  5

2.3  Thermoelektrischer Generator  7

2.4  Wirkungsgrad  10

2.5  Zusammenfassung und Ausblick  11

3.  Blockheizkraftwerke  12

3.1  Erklärung der Grundbegriffe  14

3.2  Das Prinzip einer Kraft-Wärme -Kopplung  14

3.3  Umwandlung von Wärme in Arbeit  22

3.4  Funktionsweise eines BHKW-Systems  16

3.4.1  Wärmenutzung:  16

3.5  Energiebilanz  23

3.5.1  Getrennte Erzeugung von Wärme und Strom im Heizkessel und Kondensationskraftwerk  23

3.5.2  Gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom mit einem Heizkraftwerk  24

3.5.3  Gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom in einem Blockheizkraftwerk  24

3.6  Kennzahlen der Energieerzeugungssysteme  25

3.7  Zusammenfassung und Ausblick  27

Literaturverzeichnis   28

Tabellen und  Abbildungen  30

Tabellenverzeichnis   30

Abbildungsverzeichnis   30

Anhang   31

1. Der Begriff Energie

Wir verwenden den Begriff Energie in sehr unterschiedlichen Zusammenhängen; so spricht man von Lebensenergie oder im Sinne von Tatkraft oder Temperament auch von einem Energiebündel. Im technischen Sinne sind uns Energieformen wie mechanische Energie oder kinetische Energie ebenso bekannt wie auch die elektrische Energie. In dieser Semesterarbeit gehe ich speziell auf zwei Techniken zu Energiegewinnung näher ein. Dies ist zum einen die Thermovoltaik und zum anderen Blockheizkraftwerke. Beides sind zukunftsweisende Techniken, um dem steigenden Energiebedarf möglichst umweltschonend gerecht zu werden, da sie sehr effizient und damit umweltschonend arbeiten. Laut Volker Quaschning ist Energie „die Fähigkeit eines Systems, äußere Wirkungen he r-vorzubringen, wie zum Beispiel eine Kraft entlang einer Strecke.“ ¹ Als Folge kann ein Körper durch Zufuhr oder Abgabe von Arbeit die Energie verändern und dabei in unterschiedlichen Formen vorkommen.

Auch Wärme nennt der Autor als eine Energieform. Beobachtet man ein Mobile, welches sich durch die aufsteigende warme Luft einer Kerze wie ein Karussell dreht, so verdeutlicht sich, dass auch Wärme eine Energieform ist, da diese Drehung nur durch eine Kraft (Energie) verursacht werden kann.

Obwohl Energie nach dem Energieerhaltungssatz nicht vernichtet oder erzeugt werden kann, spricht man oft von Energieverlusten oder Energiegewinnung. Dies ist im physikalischen Sinne aber nicht ganz richtig, denn ein Kraftfahrzeug verbraucht keine Energie, sondern wandelt lediglich chemische Energie in thermische und kinetische Energie um. ² Genauso wird auch bei Photovoltaikanlagen Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um-gewandelt. Hierbei wird die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie überführt, also in eine für den Menschen besser nutzbare Energieform.

Somit gilt in jedem geschlossenen System ohne Energietausch mit der Umgebung durch Re ibung o.ä. der Energieerhaltungssatz: E pot + E kin = const = E ges (Gl. 1.1) E pot - potentielle Energie E kin - kinetische Energie E ges - Gesamtenergie

¹ Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme; Technologie - Berechnung - Simulation, 1998, S. 1

² Vgl. Energieerhaltungssatz, online unter: http://de.wikipedia.org/wiki/Energieerhaltungssatz (Stand

21.5.2005, letzter Zugriff: 01.07.2005)

3

Energie und Arbeit wird in J (Joule), Ws (Wattsekunde) oder Nm (Newtonmeter) gemessen; Leistung hat die Einheit W (Watt). Die Qualität einer Umwandlung vo n einer Energie-form in eine andere wird durch den Wirkungsgrad ? beschrieben:

Wirkungsgrad

Auf die Wirkungsgrade der beiden Technologien werde ich im jeweiligen Teil der Arbeit näher eingehen.

2. Thermoelektrische Energieumwandlung

Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl sind endlich. Die Kernenergie bleibt mit Risiken behaftet. Und regenerative Energien wie Sonne, Wind und Biomasse können den weltweiten Bedarf bis auf weiteres nicht ersetzen. Verschärft wird das Problem durch den wachsenden Energiehunger stark wachsender Länder wie Indien oder China. Bleibt nur ein Ausweg: Energie sparen und effizienter einsetzen. Hier bietet sowohl die Thermovoltaik als auch die Blockheizkraftwerke einen Lösungsansatz, der nachhaltig den Verbrauch senkt - und neue Handlungsspielräume eröffnet. Quaschning und andere Wissenschaftler vertreten die These, dass bei anhaltendem oder steigendem Energieverbrauch sämtliche erreichbaren Vorkommen an fossilen Brennstoffen auf der Erde bereits im 21. Jahrhundert aufgebraucht seien. ³ Daher stellt sich die Frage, wie eine ge forderte Reduzierung der Nutzung fossiler Energien kompensiert werden soll.

2.1 Thermovoltaik

Die Thermovoltaik ist das Arbeitsgebiet der Physik, das sich mit der Umsetzung von Wärmeenergie in elektrische Energie befasst. Schon Seebeck beschäftigte sich um 1820 mit diesem Gebiet, doch aufgrund fehlender technischer Mittel geriet diese Technik lange in Vergessenheit, feiert jedoch im Moment eine Art Renaissance, da heute die Voraussetzungen für eine effiziente Umwandlung gegeben sind. Es geht hierbei darum, eine niedrige elektrische Spannung mit relativ hoher Stromdichte zu erzeugen, wenn zwei unterschiedliche Metalle oder Legierungen zusammen kontaktiert und erhitzt werden.

³ Vgl. Quaschning, Volker: Regenerative Energiesysteme; Technologie - Berechnung - Simulation, 1998, S.

11

4

2.2 Seebeck-Effekt

1822 entdeckte Thomas Johann Seebeck den thermoelektrischen Effekt, der eine direkte Umwandlung der Wärme in Strom ermöglicht. Der Seebeck-Effekt ist also die Umsetzung einer Temperaturdifferenz in einen elektrischen Strom. Seebeck entdeckte zufällig, dass zwischen zwei Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. ⁴ Metalle besitzen sehr viele freie Elektronen. So kommen auf etwa 1 bis 10 Atome des Kristallgitters ein freies Elektron, das sich zwischen den Atomen unregelmäßig hin- und herbewegt. 5

Abbildung 1:Normale Anhäufung von Elektronen im Metalldraht (Quelle: Skizzen von R. Zölde)

Frei bewegliche Elektronen können die Oberfläche eines Metalls verlassen, wenn ihre kinetische Energie größer oder gleich der Austritts- oder Ablösearbeit ist. Bei Zunahme der Temperatur am Drahtanfang A werden die Elektronen am Drahtende E verdrängt.

Da die kinetische Energie materialabhängig ist, treten bei einer festen Berührung zweier Metalloberflächen einige Elektronen vom Metall mit niedrigerer Austrittsarbeit in das andere über. Es entsteht eine Berührungsspannung, deren Größe temperaturabhängig ist. Ein Thermoelement besteht aus zwei dieser Berührungsstellen. Besteht zwischen diesen keine Temperaturdifferenz gleichen sich die beiden Berührungsspannungen aus. Herrschen an beiden Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen, so fließt in dessen Folge ein Thermostrom. Die Größe dieses Stroms hängt außer vom Stromkreiswiderstand von den Materialien und der Temperaturdifferenz an den Verbindungsstellen ab. 6

⁴ Vgl. Seebeck, Th.: Magnetische Polarisation, S.11

⁵ Vgl. Prinzip eines Thermoelements, online unter: http://www.temp -

web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=20 (Stand: 22.05.2004, letzter Zugriff 01.07.2005)

⁶ Vgl. Prinzip eines Thermoelements, online unter: http://www.temp -

web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=20 (Stand: 22.05.2004, letzter Zugriff 01.07.2005)

5

Abbildung 3: Spannungsdifferenz in einem thermovoltaischen Element (Quelle: Skizzen von R. Zölde)

In einem Kreis mit zwei Leitern A und B aus verschiedenen Metallen stellt sich also eine Potentialdifferenz zwischen den Kontaktstellen, die eine unterschiedliche Temperatur besitzen, ein. Einer der effektivsten Werkstoffe für Thermoelemente ist Wismuttellurid Bi 2 Te 3 , das durch eine geeignete Technologie als negativer und positiver Leitertyp verwendet werden kann. 7

Die Höhe der Potentialdifferenz in einem Thermoelement ist von dem Stoffpaar der Leiter und von der Temperaturdifferenz zwischen den Lötstellen abhängig. Der Seebeck-Koeffizient ist die relative Elektronenmenge am Drahtende E zu den am Drahtanfang A noch verbliebenen Elektronen mal dem Temperaturunterschied. Daraus ergibt sich folge nde Gleichung der Thermospannungen: U = (Q a - Q b ) * (T1 - T2) (Gl. 2.1)

Q a und Q b sind jeweils die Seebeck-Koeffizienten der Metalle. Daraus ergibt sich für das oben beschriebene Beispiel die Gleichung: (Gl. 2.2) ⁸ U = (Q a - Q b ) * (800 - 20)

Beispielsweise beträgt der Seebeck-Koeffizient Q für ein Thermoelement mit Kupfer und Konstantandraht 0,04 mV/K. Bei einer Temperaturdifferenz von 600 K in einem Thermoelement entsteht dann eine Spannung von 24 mV. ⁹ Das bedeutet, dass für eine höhere Potentialdifferenz mehrere Thermoelemente parallel geschaltet werden müssen. Die Erforschung intermolekularer thermovoltaischer Prozesse mit geeigneten Legierungen und die Weiterentwicklung in Bezug auf grossdimensionierte Elemente eröffnen neue Wege auf der Suche nach leistungsfähigeren Thermoelementen, um den Anforderungen der Industrie in punc to Kosten, Standfestigkeit und Stabilität zu genügen. Diese Palette wurde in der derzeitig gültigen internationalen Norm IEC 584-1 erfasst und definiert. Diese Norm definiert 10 verschiedene Thermomaterialkombinationen in ihren Eigenschaften.

⁷ Vgl. Khartchenko, N.: Umweltschonende Energietechnik, S. 256

⁸ Vgl. Prinzip eines Thermoelements, online unter: http://www.temp -

web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=20 (Stand: 22.05.2004, letzter Zugriff 01.07.2005

⁹ Vgl. Khartchenko, N.: Umweltschonende Energietechnik, S. 256

6

Typ / Kennbuchstabe K Nickel-Chrom / Nickel-Aluminium T Kupfer / Kupfer-Nickel J Eisen / Kupfer-Nickel N Nickel-Chrom-Silizium / Nickel-Silizium E Nickel-Chrom / Kupfer-Nickel R Platin-13%Rhodium / Platin S Platin-10%Rhodium / Platin B Platin-30%Rhodium / Platin U Kupfer / Kupfer-Nickel L Eisen / Kupfer-Nickel

Tabelle 1: Thermomaterialkombinationen (Quelle: online unter: http://www.temp-

web.de/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=37 [Stand: 17.9.2002, letzter Zugriff

1.7.2005])

2.3 Thermoelektrischer Generator

Strom lässt sich mit Hilfe eines thermoelektrischen Generators erzeugen. Für die Nutzleistung eines thermoelektrischen Generators gilt: P el = I 2 R [W] (Gl. 2.3) I Strom [A] R äußerer Lastwiderstand [O] Für den Strom gilt:

I =

Q Seebeck-Koeffizient [

?T Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Lötstelle [K]

R i Innenwiderstand [O]

Zur Erhöhung der Nutzleistung eines thermoelektrischen Generators werden die Parallel-und Reihenschaltungen verwendet.

Ein Thermogenerator (Patent DE 43 13 827 A1) besteht aus mehreren in Reihe flächig kontaktierten Graphitplatten. Diese dienen als Träger (Substrat) von dünnschichtig aufgetragenen thermoelektrischen Materialien wie NiCu-NiCr, die gegenseitig flächig kontak-

7

tiert sind. Eine Seite wird erhitzt; die andere Seite kann mit Wasser, oder besser mit flüssigem Wasserstoff gekühlt werden, der danach gasförmig als Brennstoff in den Brennraum geleitet wird. Durch die Temperaturdifferenz der entgegengesetzt angeordneten Thermoelementenpaare entsteht eine elektrische Gleichspannung mit hohem Stromwert. Durch die Verwendung mehrerer zu Säulen identischer Thermopaare zur Spannungsgewinnung ist eine bequeme Kompromisslösung möglich, jedoch wird so die Energieumwandlung nicht voll genutzt.

Eine weitere Möglichkeit stellt die neue Thermogeneratoren-Generation nach der RZ-Additivmethode mit Thermozellen dar. Sie ist effektiver im Vergleich zum eben beschriebenen Temperaturgradientenverfahren.

Eine Thermozelle besteht aus zwei Schichten thermoelektrischer Materialien und zusätzlich einer Richtleiterschicht, die zusammen flächig kontaktiert sind. In Verbindung mit einem Verbraucher entsteht ein hoher Stromfluss (mm²/Ampere), eine typische Eigenschaft der flachen Thermoelemente.

Abbildung 4: ADD-System eines Thermo-Generators (Quelle: Skizzen von R. Zölde)

Verbindet man flächig mehrere Thermozellen in Reihe als Thermosäulenblock, um höhere Spannung zu gewinnen, addieren sich die Zellenspannungen (RZ-Additivmethode), vergleichbar mit in Reihe geschalteten Trockenbatterien, eine Kühlung ist so nicht erforderlich.