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Thermovoltaik: Umwandlung der Wärme in Solarstrom

Die Thermovoltaik basiert auf dem thermoelektrischen Effekt. Werden zwei verschiedene elektrische Leiter miteinander in Kontakt gebracht, so fließt ein elektrischer Strom, wenn einer von beiden erwärmt wird. Dieser physikalische Effekt wurde vor nahezu 200 Jahren eher zufällig durch Johann Seebeck entdeckt, weswegen er gelegentlich auch als Seebeck-Effekt bezeichnet wird. Damals erschien dieser Effekt recht mysteriös, heute erscheint er nahezu selbstverständlich: Elektronen diffundieren von der heißen Seite zur kalten, wodurch eine elektrische Spannung entsteht. Für die Stromerzeugung ist dieser Effekt interessant, weil er eine direkte Umsetzung von Wärme in Strom ermöglicht. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist allerdings eher bescheiden. Lange Zeit lag er unter ein Prozent, konnte aber durch den Einsatz von Halbleitern zumindest auf etwa vier bis fünf Prozent gesteigert werden. Höhere Werte im Bereich von zehn Prozent sind denkbar. Noch höhere Wirkungsgrade sind neuerdings mittels Nanokristallen erreichbar, demonstriert wurden bereits 14 Prozent.

Einsatzmöglichkeiten der Thermovoltaik

Thermovoltaik ist keine Alternative zur Photovoltaik, sondern allenfalls eine Ergänzung. Die Idee, die Wärme einer Solarthermie Anlage vollständig mittels eines thermoelektrischen Generators in Strom umzuwandeln, ist aufgrund des geringen Wirkungsgrades nicht empfehlenswert. Grundsätzlich eignet sich die Thermovoltaik eher als eine Art energetischer Resteverwertung. Bei vielen Prozessen fällt Abwärme an, die ohnehin nicht genutzt wird. Die Thermovoltaik eignet sich daher für Hybridsysteme unterschiedlicher Art. So kann beispielsweise die Wärme einer Photovoltaik Anlage teilweise in Strom umgesetzt werden. Denkbar wäre auch, die Wärme einer Solarthermie Anlage mit Heizunterstützung im Sommer in Strom umzuwandeln. Wirkungsgrade sind von geringer Bedeutung, wenn die Wärme ansonsten vollkommen ungenutzt bliebe.

Entwicklungspotenzial der Thermovoltaik beschränkt

Die Thermovoltaik besitzt auch perspektivisch nicht das Potenzial, dort eingesetzt zu werden, wo hohe Wirkungsgrade wichtig sind. Das liegt auch daran, dass für die Umwandlung von Wärme in Arbeit eine Obergrenze für den Wirkungsgrad existiert, der so genannte Carnot Wirkungsgrad. Dieser ist einfach zu berechnen als 1-TN/TH, wobei TN und TH die niedrigere und die höhere Temperatur der beiden beteiligten Substanzen bezeichnen. Beide Temperaturen werden in Kelvin gemessen (= Temperatur in Celsius + 273). Angenommen, bei der thermischen Stagnation einer Solarthermie Anlage wird Wärme genutzt, um eine Seite des thermoelektrischen Generators auf 100 Grad Celsius zu erwärmen, während die andere sich auf Raumtemperatur bei 25 Grad Celsius befindet. Dann ist der theoretisch höchstmögliche Wirkungsgrad 1 – 298/373 = 0,2. Selbst diese theoretisch maximal möglichen 20 Prozent Wirkungsgrad sind heute aber noch Science Fiction, ein Drittel davon wäre schon exzellent. Typisch sind etwa 17 Prozent des Carnot Wirkungsgrades, was in diesem Beispiel einem Wirkungsgrad von 0,17*0,2= 0,034 entspricht, also knapp 3,5 Prozent.

Bildquelle: self-made unter CC BY-SA 3.0

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