TE+

Effizienzsteigerung von Thermoelektrizität durch Vermeidung von phononischem Wärmeübertrag

Kurzbeschreibung:

Die thermoelektrische Energieumwandlung über das Vakuum lässt einen deutlich höheren Wirkungsgrad erwarten, als man dies derzeit mit Festkörpern erzielen kann. Im Forschungsprojekt TEplus werden mehrere physikalische Einflussfaktoren sowie ihre Auswirkungen auf den Umwandlungswirkungsgrad untersucht. Im Benchmarking erfolgt unter anderem auch die techno-ökonomische Bewertung des neuen Verfahrens.

Projektinhalt – Ziel des Projekts:

Bei der Energieumwandlung von Wärme zu Strom wird im Normalfall der Umweg über die mechanische Bewegung genommen (Verbrennungskraftmaschinen, Dampfturbine, Stirlingmotor, etc.). Es existiert aber auch die Möglichkeit, Wärme mittels Thermoelektrizität direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Das Prinzip dazu ist seit ca. 200 Jahren bekannt, mit Metallen sind die erzielten Wirkungsgrade allerdings minimal. Mit der Entwicklung der Halbleiter wurde ab ca. 1950 eine deutliche Verbesserung erzielt, die Wirkungsgrade liegen je nach Material und Temperaturbereich aber nur bei ca. 6-8 Prozent. Bei Festkörpern ist jedoch die Wärmeleitung über das Gitter sehr groß und nach dem Gesetz von Wiedemann/Franz auch nicht markant zu verändern. Um die Gitterwärmeleitfähigkeit zu vermeiden, kann der Weg gegangen werden, die Gitterstruktur entfallen zu lassen. Im Vakuum ist die thermische Leitfähigkeit unterbunden. Bei geeigneten Temperaturen werden aber Elektronen in das Vakuum emittiert, die zu einer thermoelektrischen Energieumwandlung führen. Bisherige Anwendungen des Vakuumverfahrens sind vorwiegend auf Satellitenanwendungen konzentriert. Für terrestrische Anwendungen der Thermoelektritzität sind noch einige Hürden zu bewältigen, die das gegenständliche Projekt behandelt. Vorarbeiten am Institut für Experimentalphysik an der JKU Linz haben mehrere Möglichkeiten aufgezeigt, den thermoelektrischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Wie sind Wirkungsgrade zu erzielen, die deutlich über denen liegen, die derzeit mit thermoelektrischen Festkörperelementen zu erreichen sind? Indem geeignete Materialien, Oberflächenstrukturen und Beschichtungen, Geometriefaktoren, Gasfüllungen, Magnetfelder ausgewählt werden sowie  der phononischen Einfluss in Kombination mit dem richtigem Temperaturbereich berücksichtigt wird.

Resultate:

Im Forschungsprojekt TE+ wurden die Einflüsse der einzelnen physikalischen Effekte unabhängig voneinander und in Kombination miteinander untersucht. Theoretische Berechnung und Simulation sowie Verifizierung über experimentelle Aufbauten arbeiteteten die relevanten Aspekte heraus und bewerteten sie. Gleichzeitig erfolgte eine techno-ökonomische Bewertung der Verfahrensentwicklung, um das Innovationspotential aus ökonomischer Sicht abzuschätzen. Aus diesen Untersuchungen ließen sich Empfehlungen zum späteren Bau von thermoelektrischen Energiewandlern mit Vakuum ableiten.

Die Ergebnisse dienten auch als Basis für das Folgeprojekt „ModiSys Power – Entwicklung einer Mikro-Kraft-Wärmekopplung mit Thermogeneratoren als modulares integratives System für Biomassekessel“,  (Projektnummer 853688) welches aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen der 2. Ausschreibung des Programms „Energieforschung“ durchgeführt wird.

Vortrag1

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Datum: 00.00.2015
Ort: Wien

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Datum: 00.00.2015
Ort: Wien

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Dieses Projekt (Projektnummer 848868) wurde aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Forschungsprogramms „Energieforschungsprogramm“ durchgeführt.

Neu: Poster – Thermal Electron Emission from LaB and BaO in a Thermionic Set-Up
Hier steht in Kürze der publizierbare Endbericht des Projektes zum download bereit.
Download – Poster
  • Projektstatus: abgeschlossen (03/2015 – 04/2016)

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