Thermoelektrische Generatoren im Hochtemperaturbereich für BHKW | 2014-07

Wie wirtschaftlich ein BHKW ist, hängt wesentlich von dessen elektrischem Wirkungsgrad ab. Wärmetauscher mit thermoelektrischen Generatoren können aus dem heißen Abgas des BHKWs zusätzlich Strom gewinnen und damit den Wirkungsgrad erhöhen. Thermoelektrische Generatoren wandeln Wärmeströme zwischen einer warmen und einer kalten Seite in elektrische Energie um. Sie sind robust, weitgehend wartungsfrei und langlebig, jedoch eigneten sich herkömmliche Generatoren nur für Temperaturen bis 200 °C. So bleibt die Wärmeenergie aus dem Abgasstrom ungenutzt. Das Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik (IPM) hat in den vergangenen Jahren erstmals Module entwickelt, die sich für Temperaturen bis 550 °C eignen. Zusammen mit der Firma Schleif Automation, spezialisiert auf den innovativen Anlagenbau, entwickelte das IPM einen thermoelektrischen Generator, der parallel zum vorhandenen Wärmetauscher die BHKW-Abwärme nutzt. Hierdurch kann neben der reinen Brauchwassererwärmung zusätzlich mit Hilfe des Wärmetauschers elektrischer Strom generiert werden.

Das Projektteam simulierte zunächst das Verhalten des thermoelektrischen Wärmetauschers bei Betrieb im Abgasstrom eines BHKWs, um eine möglichst hohe Ausbeute an elektrischer Leistung zu erzielen. Danach wurde ein eigens optimierter thermoelektrischer Wärmetauscher hergestellt und in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW eingesetzt. Die anfallenden Daten integrierten die Forscher in die BHKW-Steuerungssoftware, um einen reibungslosen und effektiven Betrieb zu garantieren. Nach dieser Testphase kam der Wärmetauscher in einem von badenova betriebenen Schleif-BHKW zum Einsatz. Das Ergebnis des Projekts zeigte, dass damit der elektrische Wirkungsgrad des BHKWs um etwa 3 % gesteigert kann. In Zukunft könnten solche thermoelektrische Generatoren nicht nur in BHKWs, sondern auch in Fahrzeugen Verwendung finden und so dazu beitragen Treibstoff und CO2 einzusparen.

Drei wesentliche Erkenntnisse aus dem Projekt

• Thermoelektrische Module zur Abwärmeverstromung sind verfügbar und einsatzbereit für Anwendungen
• Thermoelektrische Module haben ein hohes TRL-Level erreicht und es waren während des Testbetriebs in der realen Anwendung keine Alterungseffekte ersichtlich. Ein Betrieb über 1000 h konnte ohne technische Probleme und ohne Leistungsreduktion nachgewiesen werden.
• Systemintegrationskonzept von thermoelektrischen Modulen in Anwendungen ist entscheidend für Wirkungsgrad und RoI.

Die Erkenntnisse und Erfahrungen aus diesem Projekt haben zu einem neuen Innovationsfonds Antrag geführt, zu einem Projekt mit dem Anwendungsfall der Nutzung von thermoelektrischen Elementen, für die Versorgung von Regelungseinheiten für eine effizientere Feststoffverbrennung. Wie es beispielsweise bei Stückholzkaminen der Fall ist. Damit können solche Feuerungsanlagen ohne Stromanschluss nachgerüstet und der Ausstoß von Schadstoffen verringert werden.