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Thermoelektrischer Generator

Ein Geoelektrischer Generator oder genauer ein Geothermischer Geoelektrischer Generator (GTEG) ist eine Anlage, die aus einem Temperaturunterschied elektrischen Strom erzeugt, in Wesenlichen ohne bewegte Teile. Er überführt Wärme in elektrische Energie aufgrund des thermoelektrischen Effektes wie bei Thermoelementen. Aber anders als bei diesen werden statt Metallen hier Halbleitermaterialien verwendet, ähnlich dem Peltier-Element, wodurch sich die Effizienz gegenüber metallischen Thermoelementen wesentlich steigern lässt. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren beträgt mit im Bestfall ca. 17 % (oft deutlich weniger) ein Bruchteil des Carnot-Wirkungsgrades. Hinsichtlich einfachem Aufbau, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sind sie jedoch allen anderen Verfahren überlegen. Insbesondere gibt es keine beweglichen Teile und keinen sonst damit verbundenen Verschleiß.

Gebräuchliche Materialien sind Bi2Te3, Bleitellurid PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit erzielbaren Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent. Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kalten und der warmen Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.

Mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstete Petroleumlampen, Petroleum-Gasbrenner oder Holzkohlegrills werden als elektrische Energiequellen für kleine Leistung in abgelegenen Gebieten verwendet, beispielsweise zum Betrieb eines Rundfunkempfängers.

Thermoelektrische Generatoren werden auch in Radionuklidbatterien, unter anderem für Raumsonden (z. B. wegen zu großer Entfernung von der Sonne) oder in abgelegenen Mess-Sonden, verwendet, wenn Solarzellen nicht zur Energieerzeugung eingesetzt werden können. Radioaktiver Zerfall künstlich hergestellter Radioisotope (zum Beispiel Plutonium-238 oder Strontium-90) liefert hier die zum Betrieb erforderliche Wärme.

Zunehmende Bedeutung erlangen thermoelektrische Generatoren in der Kraftfahrzeugtechnik, wo bisher ungenutzte Wärme von Abgasen für die Energieerzeugung zur Verfügung steht.

Bedeutung in der Geothermie

In der Geothermie können GTEG dort eingesetz werden, wo extreme Temperaturgradienten vorliegen, beispielsweise in den obersten Schichten einer Vulkanlandschaft. Ein Beispiel ist hier Lanzerote mit Temperaturen von 400 °C in wenigen Metern Tiefe. Das System auf Lanzerote benutzt Thermoelemente vom Typ Marlow TG12-8LS, mit 127 Bismuth-Telluride-Thermoelementen und einer maximalen Arbeitstemperatur von 230 °C.

Um brauchbare Spannungen und brauchbare Leistungen zu erreichen müssen viele Elemente hintereinander und parallel geschaltet werden. In der praktischen Anwendungen werden die keramischen Thermoelmente oft mit heatpipes (Phasenwechsel-Sonden) kombiniert, um Wärme bzw. Kälte an die entsprechende Pole des Thermoelementes heranzuführen.

Literatur

Catalan, Leyre, Patricia Alegria, Miguel Araiz, David Astrain, Field test of a geothermal thermoelectric generator without moving parts on the Hot Dry Rock field of Timanfaya National Park, Applied Thermal Engineering  207, S 118303, 2020,  https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118303

Weblinks

https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrischer_Generator

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544220314109?via%3Dihub

zuletzt bearbeitet Mai 2023, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de