Niedertemperaturige Abwärme verpufft meist ungenutzt. Dabei gibt es Technologien, die diese nutzen können – auch zur Umwandlung in elektrische Energie, wie etwa mit Thermionische Energie-Generatoren.
Versuchsanordnung mit einer Quarzuhr als Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Thermionischen Energie-Generators mit Festkörperbauelement.
bionic surfaces
Alle drei Sektoren der Energiewandlung – Mobilität, Wärme und Elektrizität – nutzen Verbrennungstechnologien. "Überwiegend kommen in allen drei Sektoren fossile Brennstoffe zum Einsatz, die aufgrund der getrennten Infrastruktur nur unzureichend genutzt werden, da ungenutzte größere Abwärmepotenziale bestehen", benennt Springer-Gabler-Autor Thomas Göllinger in seinem Buchkapitel Zukünftige Phasen der Energiewende auf Seite 43 eines der Potenziale dieser Form der Energiewandlung, die sich für die Abwärme deutschlandweit auf 200 TWh belaufen.
Diese Abwärme könnte in Gebäuden mit wenig Heizwärmebedarf direkt genutzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, niedertemperaturige Abwärme in Strom umzuwandeln. Das geht etwa indirekt mittels des Organic Rankine Cycle (ORC) oder durch Thermionische Energie-Generatoren (TEG). Letztere zeichnen sich dadurch aus, dass sie Abwärme direkt in Strom umwandeln.
Aufgebaut wie Radioröhren
"Im Wesentlichen sind TEG ähnlich wie die altbekannten Radioröhren aufgebaut: Zwei Elektroden, die Kathode und die Anode, sind durch ein Vakuum voneinander getrennt. Anstatt mithilfe von Strom, Stichwort Glühkathode, die Kathode zum Glühen zu bringen, wird bei einem TEG die Kathode auf eine Temperatur von mehreren 100 Grad Celsius erhitzt. Elektronen des Kathodenmaterials besitzen somit genügend kinetische Energie, um aus der Kathode auszutreten und nach Durchqueren des Vakuums in das kältere Anodenmaterial einzutreten", erklärt der Mediziner Rolf Siegel, Inhaber der Firma bionic surfaces in Würzburg, die Arbeitsweise eines TEG.
Ein konstanter Elektronenfluss, also elektrischer Strom, wird aber nur dann erzielt, wenn sich während des Betriebs der Abstand zwischen Kathode und Anode nicht grundlegend ändert. Bei TEG liege der Abstand zwischen Kathode und Anode, der vacuum gap, im unteren Mikrometer-Bereich, so Siegel weiter. Die Einhaltung dieser geringen Abstände sei, in Anbetracht der erforderlichen Temperaturunterschiede zwischen Kathode und Anode, eine technologische Herausforderung. Sie werde insbesondere in Asien und den USA verstärkt angegangen.
Laut Siegel kann die Problematik des vacuum gap mit einem von ihm entwickelten Festkörperbauelement umgangen werden: Anstelle des vacuum gap tritt ein hitzestabiles Halbleitermaterial, das heiße, aus dem Kathodenmaterial freigesetzte Elektronen gerichtet über das Leitungsband des Halbleitermaterials zur Anode leitet. Voraussetzung für ein derartiges Festkörperbauelement, das thermische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt, ist, dass alle zur Anwendung kommenden Materialien energetisch genau aufeinander abgestimmt sind.
Material muss energetisch abgestimmt sein
Energetisch abgestimmt bedeutet dabei, dass die Austrittsarbeit des Kathodenmaterials größer als die Austrittsarbeit der Anode ist. Zudem muss das Halbleitermaterial ein n-Typ-Halbleitermaterial mit großer Bandlücke sein, dessen Leitungsband energetisch über der Austrittsarbeit von Kathode und Anode liegt.
Als Kathodenmaterial wird Graphit, als n-Typ-Halbleitermaterial Zinnoxid und als Anodenmaterial Magnesium eingesetzt. Der Aufbau entspricht einem Plattenkondensator mit Platten aus Graphit und Magnesium. Dieses Festkörperbauelement zur Direktumwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie ist nach Siegels Angaben bis zum sogenannten Technology Readiness Level (TRL) 5 entwickelt und zum Patent angemeldet. Siegel und bionic surfaces suchen sowohl die wissenschaftliche Diskussion als auch Partner zur Weiterentwicklung.
Das wäre auch nötig. Denn die Technologie ist schon lange bekannt, konnte sich bisher aber nicht durchsetzen. "Die 'konventionellen' Verfahren, die innere Energie eines Energieträgers (zu nutzen, Anm. d. Red.) […], und dann sind […] noch einige Technologien im Zusammenhang mit der Fusion aufgeführt (Thermoelement, thermionischer Wandler, MHD-Wandler), die heute keine wesentliche Rolle mehr spielen", beschreibt dies Springer-Autor Wolfgang Osterhage in seiner Einführung zu dem Buch Chancen und Grenzen der Energieverwertung auf Seite 5.