Die Thesis befasst sich mit der Nutzung von Abwärme von Kraftwagen, Heizanlagen, Stahlproduktion und sonstiger anfallender Abwärme. Die theoretischen Grundlagen der Thermoelektrik und Magnetokalorik werden erklärt und wichtige Begriffe und Einheiten definiert, sowie die Zusammenhänge erläutert. Es werden Laboruntersuchungen und tatsächlich durchgeführte Anwendungen detailliert dargestellt, um einen Überblick über Möglichkeiten und Grenzen der Thermoelektrik und der verwendeten Materialien zu zeigen.
Des Weiteren wird die Nutzung der Magnetokalorik in der Kühlung, die Funktionsweise und Prototypen vorgestellt. Darüber hinaus wird die Möglichkeit zur Verstromung von Abwärme mit Hilfe der Magnetokalorik erläutert und das einzige Unternehmen, welches daran arbeitet und deren Prototyp erklärt.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel der Arbeit
1.3 Gang der Untersuchung
2. Grundlagen
2. 1 Elementarladung
2.2 Elektrischer Strom
2.3 Elektrische Spannung
2.4 Joulsche Erwärmung
2.5 Elektrischer Widerstand
2.6 Leiter, Halbleiter und Nichtleiter
2.7 Magnetismus
2.8 Wärme
2.8.1 Wärmeleitfähigkeit
2.8.2 Wärmewiderstand
2.8.3 Wärmekapazität
2.9 Entropie
3. Thermoelektrik
3.1 Der Seebeck-Effekt
3.2 Peltier-Effekt
3.3 Thomson-Effekt
3.4 Thermoelektrischer Wirkungsgrad ZT
3.5 Thermoelektrische Materialien
3.6 Leistungsfähigkeit thermoelektrischer Generatoren
3.7 Thermoelektrik im Stahlwerk
3.7.1 Testumsetzung
3.7.2 Schlussfolgerung
3.8 Thermoelektrik in Kraftwagen
3.8.1 Anforderungen an TEG im PKW
3.8.2 Simulierende Untersuchungen
3.8.3 Prototypen und Testanwendungen
3.8.3.1 Umsetzung bei BMW
3.8.3.2 Umsetzung bei Honda
3.8.3.3 Abwärmenutzung mittels PKW-Kühler
3.8.3.4 Range Extender – „RExTEG“
3.9 Thermoelektrik im Blockheizkraftwerk
3.10 Abwärmenutzung in einer Pelletheizung
3.11 Thermoelektrische Projekte
4. Magnetokalorik
4.1 Grundlagen der Magnetokalorik
4.2 Kühlen mit Magnetokalorik
4.3 Magnetokalorische Materialien
4.4 Swiss Blue Energy
4.4.1 Entwicklung des Prototyps
4.4.2 Funktionsweise des Prototyps
5 Ausblick, Fazit, Diskussion
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Potenzial und die technologischen Möglichkeiten der Nutzung von Abwärme aus verschiedenen industriellen und privaten Quellen wie Kraftwagen, Stahlwerken und Heizsystemen. Ziel ist es, den aktuellen Stand der Forschung und Umsetzung von Thermoelektrik und Magnetokalorik darzulegen und deren Eignung zur Stromerzeugung zu bewerten, um die Energieeffizienz zu steigern.
- Grundlegende physikalische Wirkungsweisen der Thermoelektrik und Magnetokalorik
- Analyse technischer Umsetzungen in der Stahlindustrie und bei Automobilen
- Vergleichende Untersuchung von Materialeigenschaften für thermoelektrische Anwendungen
- Wirtschaftliche Betrachtung und Einsatzpotenziale in Brennwertkesseln und Blockheizkraftwerken
- Vorstellung von Prototypen und aktuellen Forschungsprojekten
Auszug aus dem Buch
3.7 Thermoelektrik im Stahlwerk
Im Jahr 2013 hat die Unternehmensgruppe JFE Steel Corporation begonnen, in einem Stahlwerk in Japan, mit Hilfe thermoelektrischer Generatoren (TEG) die Strahlungswärme von durchlaufenden gegossenen Brammen zu nutzen. Die TEG waren über den Zeitraum eines Jahres in dem Werk installiert.
Die JFE Steel Corp. war 2016 mit einer Stahlproduktionsmenge von 30,29 Mio. Tonnen der achtgrößte Stahlhersteller der Erde. Die Untersuchung der TEG in dem Stahlwerk wird mit den volatilen Energiepreisen, der sicheren Versorgung mit Energie, dem Klimaschutz und der Notwendigkeit einer effizienteren Energienutzung, insbesondere in der energieintensiven Stahlindustrie begründet. „One of the key technologies to achieve the requirement is waste heat recovery. “ (Dt.: Eine der Schlüsseltechnologien zum Erreichen dieser Anforderung ist die Nutzung von Abwärme.)
In Abbildung 12 sind zwei TEG zu sehen, welche die Maße 50 mm * 50 mm * 4,2 mm haben und aus Bismut-Tellurid gefertigt sind. Die maximale Leistung eines Moduls beträgt P = 24W, welche erreicht wird, wenn die heiße Seite Th = 553K und die kalte Seite Tc = 303K misst. Bei den genannten Temperaturen ist der maximale Effizienzgrad von 7,2% erreicht.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die globale Energienachfrage, die Problematik der Abwärme und das Ziel der Arbeit, Möglichkeiten der Abwärmenutzung mittels Thermoelektrik und Magnetokalorik zu explorieren.
2. Grundlagen: Vermittelt das notwendige physikalische Basiswissen über elektrische Ladung, Strom, Wärme und Magnetismus, welches für das Verständnis der weiteren technologischen Kapitel erforderlich ist.
3. Thermoelektrik: Erläutert die grundlegenden Effekte (Seebeck, Peltier, Thomson) und präsentiert konkrete Anwendungen in der Industrie, im Automobilsektor und in Heizsystemen.
4. Magnetokalorik: Behandelt die physikalischen Grundlagen des magnetokalorischen Effekts sowie den aktuellen Stand bei der Nutzung für Kühltechnologien und zur Stromerzeugung.
5 Ausblick, Fazit, Diskussion: Synthetisiert die Ergebnisse, bewertet die Einsetzbarkeit der Technologien in der Brennwerttechnik und erörtert politische sowie wirtschaftliche Rahmenbedingungen für die Zukunft.
Schlüsselwörter
Abwärme, Abwärmenutzung, Thermoelektrik, Magnetokalorik, Energieeffizienz, Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt, Brennwerttechnik, thermoelektrische Generatoren, magnetokalorische Materialien, Stromerzeugung, Stahlproduktion, Kraftwagen, Abgaswärme
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen Nutzung von Abwärme aus verschiedenen industriellen und privaten Prozessen zur Stromerzeugung, um die Energieeffizienz zu steigern.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Thermoelektrik und die Magnetokalorik als technologische Lösungsansätze zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist die Darstellung aktueller Möglichkeiten der Abwärmenutzung sowie die Untersuchung offener Forschungsfelder und Herausforderungen, speziell hinsichtlich des Einsatzes in Brennwertkesseln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer tiefgehenden Literaturrecherche, der Auswertung wissenschaftlicher Studien, Veröffentlichungen und Simulationen zu den genannten Technologien.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fundierte physikalische Grundlagenvermittlung sowie eine detaillierte Analyse spezifischer Anwendungsbeispiele in der Industrie (Stahlwerk), in PKW (Abgasstrom) und in Heizungssystemen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind insbesondere Abwärmenutzung, Thermoelektrik, Magnetokalorik, Energieeffizienz und der Seebeck-Effekt.
Warum ist das Stahlwerk ein besonderes Anwendungsbeispiel?
Das Stahlwerk wird als Beispiel für eine energieintensive Industrie gewählt, in der hohe Wärmemengen durch Brammen anfallen, die mittels TEG genutzt werden können.
Welche Rolle spielt die Brennwerttechnik im Fazit?
Die Brennwerttechnik dient als Anwendungskontext, in dem die diskutierten Technologien zur weiteren Steigerung des ohnehin hohen Wirkungsgrades beitragen sollen.
- Quote paper
- Luca Reiser (Author), 2017, Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz von Abwärme durch den Einsatz der Thermoelektrik und Magnetokalorik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/385532
