Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnung – Dieser Ausdruck findet heute hauptsächlich in der Industrie seine Anwendung. Im Rahmen der Energie-Verbrauchsordnung (EnVo) wurde seitens des BMFT ernsthaft vorgeschlagen, eine Abwärmestrafe für jene Industrieunternehmen einzuführen, die ihrer Abluft oder ihrem Abwasser nicht die sonst an die Umwelt abgegebene und somit verlorengehende Wärme vorher entziehen, was ja im Prinzip mittels Wärmeaustauschern leicht zu bewerkstelligen ist.

Der Umfang der (möglichen) Wärmerückgewinnung läßt sich wohl erst dann erfassen, wenn erwähnt wird, daß die im Ruhrgebiet 1975 durchgeführten Messungenergeben haben, daß der damalige Anteil der technischen Prozesswärme bereits rund ein Drittel der gesamten Sonneneinstrahlung dieses Gebiets ausmachte.

Das bereits unter ‚Wärmepumpen’ erwähnte Prinzip der Wärmerückgewinnung aus Kuhmilch ist zwar nicht gerade großindustriell zu nennen, es kann aber sehr gut der Veranschaulichung dienen, denn inzwischen werden praktisch alle neuen Milchkuhanlagen mit einem Wärme-Rückgewinnungssytem ausgerüstet. Von den 35°C Eutertemperatur muß die Milch auf eine Transporttemperatur von 5°C abgekühlt werden – dabei heizen 2 l Milch 1,5 l Wasser auf 60°C auf. Das Wasser kann dann zu Heizzwecken usw. benutzt werden. In sehr ähnlicher Weise funktionieren auch die vom BMFT geförderten Wärmerückgewinnungsanlagen für Gewächshäuser, welche mit Wärmepumpen, einem Wärmeaustauscher und Wärmespeichern ausgerüstet sind.

Zu erwähnen sind auch jene Pläne, die eine Nutzung von Industrieabwärme unterschiedlichster Herkunft zur Einspeisung in Fernwärmeschienen zum Inhalt haben. Besonders Kompressoren könnten hierfür sehr gut genutzt werden, sie stellen bis zu 94 % ihrer Energie als Abwärme zur Verfügung.

In kleinerem Maßstab experimentierte die AEG-Telefunken Mitte der 1980er Jahre mit der Abwärmerückgewinnung von Haushaltskühlschränken – ein 150-W-Gerät würde etwa 3 kW/h Wärmeenergie zur Verfügung stellen.

Ein Abwärme-Projekt, das der besonderen Erwähnung bedarf, ist der Agrotherm-Versuch des Braunkohlekraftwerks in Neurath, nahe bei Köln. Auf einem 7 Hektar großen Feld wurde dort im Oktober 1975 ein 70 km langes Kunststoffrohrnetz in 75 cm Tiefe und jeweils 100 cm Abstand ver­legt, der Rohrdurchmesser betrug 5 cm. Während sich das 30°C warme Wasser im Boden in einem geschlossenen Kreislaufsystem abkühlte untersuchte man, ob die Erwärmung von landwirtschaftlich genutzten Bodenflächen tatsächlich verbesserte Erträge erzielte oder nicht. Wie es sich herausstellte, hatte der Boden eine konstant 8°C höhere Temperatur als die unbeheizte Vergleichsfläche. Der Mehrertrag betrug 69 %. An diesem Projekt hatten sich mehrere Firmen beteiligt, die Federführung oblag der August Thyssen Hütte AG, und das BMFT förderte das Ganze mit 11,5 Mio. DM. Neben dem genannten Mehrertrag wurden bei diesem Versuch auch rund 27.000 Kubikmeter Wasser gespart, die sonst ein Naßkühlturm um­weltbelastend verdampft hätte. Negativ zeigte sich ein verstärkter Abbau von Humus sowie ein höherer Schädlings­befall auf dem erwärmten Boden.

Mit etwa 2 Mio. t SKE weist die Glasindustrie den höchsten Energieeinsatz innerhalb der Verbrauchsgüterindustrie auf. Mit Hilfe des BMFT entwickelte die Zippe Industrieanlagen in Wertheim daher Ende der 80er Jahre ein System zur Abwärmenutzung von Glasschmelzwannen, wobei die Fördersumme 785.000 DM betrug. In dem Wärmetauscher werden Schmelzgut und Rauchgase in voneinander getrennten Schächten im Gegenstrom geleitet, wobei sich das aufbereitete Altglas auf 320°C vorwärmte, während die Abgastemperatur von 650°C auf 380°C absank.

Als weitere Beispiele für besondere Quellen der Abwärmenutzung sollen hier noch zwei folgenden genannt werden:

• das Bruchsaler Justus-Knecht-Gymnasium, das mit der Abwärme der Schüler beheizt wird,
• und das Krematorium Berlin-Wedding, das seine Abwärme ebenfalls zu Heizzwecken nutzt

Im Rahmen einer Studie des Bremer Energie-Konsens GmbH, die Anfang 2004 veröffentlicht wird zeigt sich, daß die Abwasser-Wärme der öffentlichen Kanalisation für das Heizen von Gebäuden und die Bereitung von warmen Wasser wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist. Die Studie untersuchte die Situation in Bremerhaven, wo täglich rund 17,5 Mio. Liter Abwässer mit einer Durchschnittstemperatur von 14°C anfallen. Das Verfahren wird besonders interessant, wenn kostengünstige Systeme einzelnen Haushalten erlauben, die Wärme des eigenen Abwasser zurück zu gewinnen – ganz gleich, ob sie aus der Waschmaschine oder von einem warmen Sommerregen stammt. Die Reduktion der Wärme des Abwassers hat zudem den Vorteil, daß sich darin befindliche Keime weniger gut vermehren können.

Das Umweltministerium in Nordrhein-Westfalen trägt die Hälfte der Baukosten von 550.000 € für ein Pilotprojekt in Leverkusen, bei dem 40 Wärmetauscher in der Sohle eines Abwasserkanals etwa 4/5 der benötigten Heizwärme für eine benachbartes, 12.500 m² großes Gesundheitszentrum liefern.

Das Abwasser im 2.300 Kilometer langen Wiener Kanalnetz weist im Jahresschnitt eine Temperatur von 16°C auf, selbst im Winter wird der Wert von 12°C nicht unterschritten. Doch nur dort, wo eine Mindestmenge von rund 90 Liter/Sekunde Abwasser fließen, macht die Energiegewinnung auch wirtschaftlichen Sinn. Die Österreich-weit erste Pilotanlage zur Energiegewinnung aus dem öffentlichen Kanalnetz wird im Sommer 2006 in Blumental in Betrieb genommen und soll bis Frühjahr 2008 optimiert werden. Sie versorgt das Hauptquartier von 160 Mitarbeitern und einer Nutzfläche von 4.900 m² der neu errichteten Betriebsaußenstelle Süd der Stadt Wien. Unter der Außenstelle wird ein 30 m langer Wärmetauscher in den dort verlaufenden Kanal eingebaut, und eine Wärmepumpe nützt den Temperaturunterschied zwischen Abwasser und Außenluft. Im Winter wird dem fließenden Abwasser Wärme zur Beheizung des Gebäudes und zur Warmwasseraufbereitung entzogen, während im Sommer der umgekehrte Effekt zur Kühlung des Gebäudes genutzt wird. Die Anlage liefert rund 190 kWh Heizleistung und 150 kWh Kühlleistung.

Abschließend anzumerken wäre noch, daß ich die Wärmeausnutzung aus dem Meer unter dem Stichwort Temperaturgradient im Teil ‚Wasserenergie’ behandle.

Andere Wärmeenergie-Systeme

Zu Beginn möchte ich die grundlegenden Effekte aufzählen, die uns im Bereich der Wärmeenergie begegnen, um anschließend die wichtigsten umgesetzten Technologien im Rahmen der aktuellen Entwicklung darzustellen.

Der Curie-Effekt bei der Wärmerückgewinnung

Im Rahmen der Wirkungen von Wärmeeinflüssen ist als erstes der sogenannte Curie-Effekt zu nennen, bei welchem es sich um eine Art molekularen ‚Erinnerungseffekt’ handelt. Alle ferromagnetischen Körper verlieren oberhalb einer für die einzelnen Substanzen charakteristischen Temperatur ihre ferromagnetischen Eigenschaften. Dies stellte 1895 Pierre Curie fest, und nach ihm ist dieser Temperatur-Schwellenwert benannt worden (Curie-Temperatur).

Genau betrachtet handelt es sich um einen Temperaturintervall mit Hysterese, und die hier angegebenen Zahlen sind der Einfachheit halber Mittelwerte:

Auch wenn man ferromagnetische Legierungen erhitzt, so werden diese beim Erreichen einer genau festliegenden Sprungtemperatur plötzlich paramagnetisch. Im Zusammenhang mit Elektromotoren und Elektrogeneratoren wurde versucht, diesen Effekt zur Energieerzeugung zu nutzen.

Der thermoelektrische Effekt bei der Wärmerückgewinnung

Der Thermoelektrische Effekt wurde 1821 in Berlin von Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) entdeckt. Seine Umsetzung erfolgte in  sogenannten ‚Thermoelementen’. Ausgenutzt wird dabei, daß stark erhitzte Substanzen beständig Elektronen emittieren, wobei diese von kühleren Materialien aufgefangen werden. Durchschnitt­liche Temperaturen sind z.B. am Emitter 1.700°C und am Kollektor 700°C. Das System erlaubt eine direkte Erzeu­gung elektrischer Energie, ohne den verlustreichen Umweg über mechani­sche Energieformen. Neue Anwendung soll das System, das auch auf Thomas Edison bezogen wird (1883), in der Raumfahrttechnik fin­den.

Daß der Thermoelektrische Effekt so lange in Vergessenheit geraten war liegt daran, daß sich mit Metalldrähten nur der Bruchteil eines Promilles der zugeführten Wärme in Elektrizität umwandeln läßt. Halbleiter-Thermoelemente moderner Bauart aus einer Germanium-Silizium-Legierung liefern dagegen bei Tempe­raturdifferenzen zwischen 800°C und 400°C schon mehrere zehntel Volt, der Wirkungsgrad beträgt etwa 5 %. Moderne ‚Thermoionische Wandler’ erreichen Wirkungsgrade bis zu 15 % und – auf die gleiche Heizfläche bezogen ­– eine mindestens fünfmal so hohe elektrische Leistung.

1998 entwickeln Wissenschaftler des Forschungsinstituts Fahrzeugtechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden ein neues Konzept für die Stromversorgung von Kraftfahrzeugen, das auf dem Thermoelektrischen Effekt beruht. Anstatt mit einer Lichtmaschine wird der Strom hier mittels spezieller Halbleiter aus der Abwärme des Kühlsystems gewonnen.

Der Peltier-Effekt

Die Besonderheit des Seebeck-Effekts ist es, dass dieses Prinzip auch umkehrbar ist. Dies ist der Peltier-Effekt, benannt nach seinem Entdecker Jean Charles Athanase Peltier (1785 – 1845).

Wird ein Strom durch das Thermoelement geschickt, so kühlt es sich ab. In diesem Fall findet also eine ‚Temperaturtrennung’ statt. Überlagert wird dieser Effekt allerdings durch eine Wärmeentwicklung, so daß ein immer größerer Strom nicht gleichzeitig eine größere Kälteleistung ergibt. Ein derartiges Element wird Peltierelement genannt.

Der Ferroelektrische Effekt

Ferroelektrizität beschreibt das Phänomen, daß gewisse Stoffe auch ohne das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes ein elektrisches Dipolmoment aufweisen. Ferroelektrizität kommt nur in Kristallen vor, in welchen die kristalline Symmetrie eine polare Achse zulässt. Ferroelektrische Stoffe sind deshalb immer auch piezoelektrisch und pyroelektrisch (s.d.). Im Unterschied zu piezoelektrischen Stoffen kann die spontane elektrische Polarisation in Ferroelektrika durch das Anlegen einer Spannung um 180° umgepolt werden.

Die Vorsilbe ‚Ferro-‚ bezieht sich bei den Ferroelektrika nicht auf eine Eigenschaft von Eisen, sondern auf die Analogie zum Ferromagnetismus: Wie bei den Ferromagnetika die Magnetisierung, so verschwindet bei Ferroelektrika die Polarisation bei hohen Temperaturen – das Material ist paraelektrisch. Bei Abkühlung des Materials findet bei Unterschreiten ein Phasenübergang statt, der in der Regel mit einer Strukturveränderung (Verringerung der Kristallsymmetrie) zusammenfällt, und das Material wird ferroelektrisch. Die Polarisation kann durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgepolt werden und folgt dabei einer Hysteresekurve. Eine wichtige Anwendung von Ferroelektrika sind die ferroelektrischen Arbeitsspeicher (FRAM). Die Ferroelektrizität verschwindet auf Grund eines Phasenüberganges oberhalb einer kritischen Temperatur, der sogenannten ferroelektrischen Curie-Temperatur.

Der Formgedächtnis-Effekt

Ein dem Curie-Effekt ähnlicher, sich aber sehr viel stärker mechanisch auswirkender Effekt zeigt sich beim Erhitzen von Nitinol – hier springt das verformte Nitinol bei einer genau festliegenden Sprungtemperatur plötzlich in seine ursprüngliche Form zurück, eine mechanische Energieentfaltung, die relativ einfach genutzt werden kann. Das Nitinol ist daher auch als ‚Memory-Metall‘ bekannt.

Der Effekt an sich sei erstmals von Chang und Read im Jahr 1932 beobachtet worden – an einer Gold-Cadmium-Legierung. Andere Quellen nennen den Schweden Arne Ölander als Entdecker des Effekts.

Das Nitinol selbst ist eine 1952 (oder 1958 oder 1962) im Naval Ordnance Laboratory entwickelte korrosionsbeständige und hochfeste Nickel-Titan-Legierung mit 55 % Nickel und 45 % Titan. Daher auch der Name: NIckel TItanium Naval Ordnance Laboratory). Auch hier gibt es andere Quellen, denen zufolge das Nitinol auf den deutschstämmigen Wissenschaftler William Bühler zurückgeht, der im Auftrag der US-Navy 1963 eine superfeste, extrem leichte und rostfreie Metall-Legierung entwickelte.

Hier eine kleine Anekdote dazu: Bei dem Beplanken des Buges eines Unterseebootes wurden Nitinol-Platten mit Hilfe von Nieten befestigt. Einer der Arbeiter versuchte die Form dieser Platten besser an den Untergrund anzupassen und dies mit Hilfe, wie bei normalem Stahl üblich, durch erhitzen. Hier passierte genau das Gegenteil des Gewünschten. Die Nitinol-Platten wurden in ihre ursprüngliche Form zurück geformt und zogen dabei Nieten aus dem Bug. Man spricht sogar davon, daß hierbei der Arbeiter nur durch Glück einer massiven Verletzung entgangen ist.

Diese bis ca. 8 % elastisch verformbare Legierung ist bis 650°C verwendbar. Alternativ zum Nitinol kann auch eine, allerdings nicht so stabile Kupfer-Aluminium-Zink-Legierung genutzt werden.

In ihrer Mikrostruktur bestehen diese Metalle aus Kristallen, die mehrere stabile Zustände zulassen. Je nach Temperatur ‚verschieben’ sich diese mikroskopischen Bereiche. So kann ein Memorymetall zwischen zwei verschiedenen Formen hin und herpendeln (je nach Temperatur).

Die Herstellung bei einer Verarbeitungstemperatur um 500°C ist ziemlich aufwendig, da nur durch eine äußerst exakte Mischung der Metalle die Temperaturbereiche für die stabilen Formen ‚eingestellt’ werden können. Da es sich hier um Legierungen handelt und nicht um das ‚Zusammenkleben’ zweier Metalle, ist ein Memorymetall auch kein Bimetall.

Die Idee, daß sich mit einem derartigen Effekt durch die zyklische Umwandlung von thermischer in mechanische Energie auch Arbeit gewinnen läßt, scheint wohl zuallererst Ridgway M. Banks gekommen zu sein, da dieses System mit seiner ‚endogenen Energieentfaltung’ in der Literatur unter ‚Banks Engine’ geführt wird.

Das System ist sehr einfach: Nitinolschleifen werden abwechselnd in kaltes und heißes Wasser getaucht und verändern bei jedem Wechsel schlagartig ihre Form – wobei diese Veränderungen durch ihre starke mechanische Kraftentfaltung in der Lage sind, über entsprechende Zwischenstufen Energie in nutzbarer Form zu erzeugen. Die Sprungtemperatur, d.h. der Unterschied zwischen hart und starr als der einen, und weich und biegsam als der anderen Materialbeschaffenheit, liegt bei 30°C bis 40°C (andere Nennungen sprechen sogar von 50°C, möglicherweise hängt dies mit unterschiedlichen Legierungen zusammen).

Ab 1971 beschäftigt sich das Krupp-Forschungsinstitut in Essen mit der Entwicklung eines Nitinol-Motors, der aus drei Nitinol-Stäben besteht und warmen und kaltes Wasser nutzt.

Joachim Jorde, bei Krupp für die Weltraumforschung zuständig, erklärt: „Verbiegt man einen Nitinol-Teil, dann ändert diese mechanische Spannung das Atomgefüge. Wird das Metall auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, passiert das umgekehrte: Die Legierung bekommt dabei so viel Energie zugeführt, daß ihre Atome schlagartig in die ursprüngliche Formation zurückspringen. Diesen Vorgang nennt man eine spannungsinduzierte martensitische Umwandlung, die reversibel ist.“

Im Gegensatz zu den bekannten Bimetallen kann Nitinol auf Dauer belastet werden und verformt sich schlagartig – und dies beliebig oft. Bei Krupp hat ein Draht seit 1976 schon über 2 Millionen mal den Temperatur- und Formwechsel schadlos überstanden (Stand 1983).

Es liegen auch Vorschläge vor, denen zufolge derartige Maschinen in Form von ‚Riesenrädern’ die Abwärme von Kraftwerken nutzen sollen – und sei es auch nur, um diese Abwärme statt an das Wasser an die Luft abzugeben. An einem Modell 1973 wird an der Universität Berkeley ein Wirkungsgrad von 25 % festgestellt, ansonsten spricht man von Wirkungsgraden um einige Promille.

Ridgway Banks entwickelte in Berkeley eine funktionierende Maschine, die auch auf den Nobelpreisträgertagung 1974 in Lindau vorgeführt wird. Die Nitinol-Schleifen tauchen während der Rotation eines Rades abwechselnd in das 30°C beziehungsweise 40°C warme Wasser ein, wobei sich das Material ständig spannt und wieder entspannt. Diese mechanische Energie wird in Nutzarbeit leistende Drehung umgesetzt.

Interessanterweise veröffentlicht das Institute of Parapsychological Research der American Parapsychological Society im Jahre 1975 einen Bericht, dem zufolge Menschen mit höherem Psi-Faktor Teile aus Nitinollegierung unabhängig von der Temperatur auf psycho­kinetischem Wege leicht zum Wechsel zwischen den beiden Formen bringen können.

In Deutschland wird Ende der 1970er Jahre die Kernforschungsanlage Jülich damit beauftragt, Versuche mit Nitinol-Modellmaschinen durchzuführen.

Mitte der 1980er wird auch ein dreifacher Memory-Effekt entwickelt: Bei einer Raumtemperatur von 25°C sind zum Beispiel die Streifen gestreckt. In kochendem Wasser bei 100°C oder in einer Kältemischung von minus 38°C rollen sich die Streifen auf, jeweils in entgegengesetzter Richtung.

Herstellerfirmen für Nitinol sind zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich IBM, Hitachi, Westinghouse, Furukawa und Memory Metalls. Einige Unternehmen beginnen billigere Legierungen auf Kupferbasis zu entwickeln, werden anfänglich jedoch mit der Schwierigkeit einer schnellen Versprödung konfrontiert. 1988 werden jedoch schon Legierungen entwickelt, die bis zu 90 Millionen Veränderungen aushalten (Wechsel zwischen Alpha- und Beta-Phase).

Ebenfalls 1988 bekommt Professor Ingo Müller der TU-Berlin einen Förderpreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft für seine Forschungen an Nitinol. Unter anderem hat er ebenfalls eine Kraftmaschine gebaut.

Weitere Nitinol-Wärmekraftmaschinen wurden von Frederick Wang, F.-U. Glasauer und A. D. Johnson entwickelt. Obwohl es geeignete natürliche Wärmedifferenzen auf der Erde reichlich gibt, ist es bislang noch zu keiner nennenswerten kommerziellen Anwendung des Formgedächtnis-Effekts gekommen.

Der Pyroelektrische Effekt

Als Pyroelektrizität bezeichnet man das Erscheinen positiver bzw. negativer elektrischer Ladungen auf entgegengesetzt orientierten Oberflächenbereichen von polarisierten dielektrischen Materialien infolge einer Temperaturänderung, von deren Geschwindigkeit die Intensität des Effektes abhängt. Den pyroelektrischen Effekt zeigen Kristalle mit spontaner Polarisation (Polarisation ohne äußeres elektrisches Feld) unterhalb ihrer Curietemperatur. Als Ursachen gelten die Längenänderung in der Kristallachse, d.h. in Richtung der Polarisation (Piezoelektrische Aufladung) sowie die Änderung der permanenten Polarisation.

Pyroelektrische Materialien mit praktischer Bedeutung sind: TGS, LiTaO3, LiNbO3, Nb2O6, NaNO2, modifiziertes Bleizirkonat (Keramik), Pb5Ge3O11 sowie Polyvinylidenfluorid PVDF (Polymerfolie). Zur Anwendung gelangt der Effekt zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung, wobei die Vorteile des pyroelektrischen Detektors seine wellenlängenunabhängige Empfindlichkeit, die reine Wechsellichtempfindlichkeit, eine kurze Ansprechzeit sowie sie Funktion bei Raumtemperatur sind.

Der Elektrokalorische Effekt

Bei dem elektrokalorischen Effekt handelt es sich um die Umkehrung des pyroelektrischen Effekts, bei dem Wärme zur Ausbildung eines elektrischen Feldes führt. Statt dessen werden hier die Moleküle von bereits vorgekühlten Ionenmischkristallen durch ein elektrisches Feld ausgerichtet. Nach Ausschalten des Feldes können die Molekülrichtungen zwei zusätzliche Freiheitsgrade einnehmen und nutzen zur größeren Bewegung die Umgebungsenergie. Dadurch kommt es zu einer adiabatischen Abkühlung.

Der elektrokalorische Effekt genoß vor allem in den 50er- bis 70er-Jahren die Aufmerksamkeit der weltweiten Forschergemeinde. Allerdings waren die Ausprägungen dieses Effekts bei den bisher darauf untersuchten Materialien stets so gering, daß eine großtechnische Anwendung unmöglich schien. Das mangelnde mikroskopische Verständnis verhinderte lange Zeit, daß man effektiv in der Computersimulation nach passenden Materialien suchen konnte.

Nun haben Forscher beobachtet, daß dieser schon länger bekannte Effekt überraschend stark in dünnen Schichten eines Ferroelektrikums auftritt und dadurch möglicherweise herkömmliche Kühlverfahren ablösen kann. Dem Team um Alex Mischenko von der University of Cambridge gelingt es 2005 einen Stoff zu finden, der den elektrokalorischen Effekt in ‚gigantischem Ausmaß’ aufweist. Mischenko und seine Kollegen berichten von Messungen an dünnen Filmen aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), wie sie unter anderem in Infrarot-Sensoren Verwendung finden. Bei 226°C reduziert eine angelegte Spannung von 25 V die Temperatur immerhin um 12° Kelvin. Zum Vergleich: Den bisher stärksten Effekt hatte man mit einer Temperaturveränderung von 2,5° Kelvin gemessen – wozu allerdings eine Spannung von 750 Volt nötig war.

Wodurch diese Wirkung auf mikroskopischer Ebene hervorgerufen wird ist noch nicht eindeutig geklärt. Möglicherweise führt das Anlegen eines elektrischen Feldes bei den Molekülen eines Ionenkristalles dazu, daß diese sich ausrichten, also einen geordneteren Zustand einnehmen – denn genau so beschreibt die Physik eine Temperaturabnahme. Schaltet man das Feld aus, können die Moleküle wieder all ihre Ausrichtungen einnehmen. Das erfordert Energie, die der Umgebung entzogen wird – die Außenwelt wird abgekühlt.

Das Team hat inzwischen auch ein elektrisches Festkörper-Kühlgerät entworfen, das Kühler nach dem Peltier- oder dem magnetokalorischen Effekt in seiner Wirkung übertreffen könnte. In diesem Modell wird das elektrokalorische Element (EC-Element) durch thermoelektrische Schalter (zum Beispiel nach dem Peltier-Prinzip) von Wärmequelle und Wärmeabfuhr isoliert. Die Peltier-Elemente benötigt man, um den Wärmefluss zum EC-Kühler zu steuern. Für eine praktische Anwendung müsste man allerdings die Dicke der Filme erhöhen, um ihre Kühlkraft zu steigern. Zum Abdecken eines weiten Temperaturbereich benötigt man EC-Elemente mit unterschiedlichen Arbeitstemperaturen.

Das Prinzip könnte zum Beispiel Computer-Komponenten zur Wärmeabfuhr verhelfen. Parallel wäre es möglich, mit dem Umkehreffekt Abwärme in nützliche elektrische Energie zu verwandeln. Optimiert man den einen Effekt, führt das notwendigerweise auch zur Verbesserung des anderen.

Der Thermionische Generator auch thermoelektrischer Generator

Peter Hagelstein vom Massachusetts Institute of Technology entwickelt 2001 zusammen mit seinem Kollegen Yan Kucherov ein Gerät, das ohne Umwege Wärme direkt in elektrische Energie überführt. Zwar leistet dergleichen jedes Thermoelement, doch ist dessen Wirkungsgrad vergleichsweise schlecht. Die Technik von Hagelstein und Kucherov baut dagegen auf einem anderen rund 100 Jahre alten Gerät auf – einem sogenannten thermionischen Generator: Hier befinden sich zwei Metallelektroden, eine Kathode und eine Anode, gegenüber in einer evakuierten Glasröhre. In dieser Hochtemperatur-Röhre treten nun Elektronen aus der heißen Kathode aus und werden von der kalten Anode absorbiert. Die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie erfolgt dabei durch den Transport der Elektronen entgegen das elektrische Feld über die Vakuumlücke. Die Wissenschaftler ersetzten nun die Vakuumlücke durch eine Viellagen-Halbleiterstruktur.

Während der thermionische Generator nur bei Temperaturen oberhalb von 1.000°C arbeitet, funktioniert diese so genannte thermische Diode schon bei 200°C bis 450°C – der typischen Temperatur von Abwärme also. Dabei erreicht sie einen Wirkungsgrad, der doppelt so hoch ist wie bei anderen vergleichbaren Methoden.

Wärmerohre

Bei Prozessen der Wärmerückgewinnung können vor allem sogenannte Wärmerohre Einsatz finden, die eine 1.000-fache Wärmleitfähig­keit im Vergleich zu Kupfer haben. Ihr Prinzip wurde im Jahre 1942 von Richard S. Gaugler bei der US-Firma GM ent­deckt und 1962 von G. M. Grover in eine Erfindung umgesetzt. Später wurde es insbesondere für Anwendungen in der Raumfahrt weiterentwickelt, u.a. auch von Dornier.

Das Besondere an diesen luftdicht abgeschlossenen Rohren ist, daß sie durch einen kontinuierlichen Verdampfungs- und Kondensations­prozeß von Alkohol, Freon o.ä., aber ohne jegliche mechanisch bewegten Teile funktionieren. Es gibt daher keinen Verschleiß und auch keinen Wartungsbedarf. Die Rohre sind im Temperaturbereich von minus 200°C bis plus 1.500°C einsetzbar und haben eine Diodenwirkung, wobei die Wärmetransportrichtung durch die Einbaulage wählbar ist. Die Wärmeübertragung findet nahezu verzögerungsfrei statt und die Rohre bieten eine hohe Sicherheit bei toxischen oder radioaktiven Stoffen.

Unter dem Namen ‚Heat-Pipe’ bringt 1987 der japanische Hersteller Furukawa kleine Wärmerohre für den Einsatz als Elektronik-Kühlkörper auf den Markt. Es können Verlustleistungen von 40 bis 3.000 W abgeführt werden, und die Heat-Pipe-Kühlkörper wiegen nur die Hälfte eines vergleichbaren Aluminium-Profils. In den aus Kupfer gefertigten Rohre befindet sich unter Vakuum eine geringe Menge sehr reinen Wassers. Der Verdampfungsprozeß setzt bei etwa 5°C Temperaturdifferenz zwischen Wärme- und Kühlzone ein, und der Rückfluß nach der Kondensierungsphase erfolgt durch eine kapillare Innenwandstruktur. Diese Heat-Pipes haben eine maximal zulässige Betriebstemperatur von 200°C.

Nanotechnik

IBM-Forscher in Rüschlikon bei Zürich entwickelen 1998 die erste Maschine der Welt (wie sie meinen), die Wärmeenergie vollständig in mechanische Energie umwandeln kann – was den physikalischen Gesetzen zufolge ja immerhin seit vielen Jahrzehnten als ‚nicht machbar’ galt. Allerdings mißt diese Maschine nur ein millionstel Millimeter und besteht aus einem einzigen Molekül.

Der Thermal Chip

Die Entwicklungsfirma Eneco Inc. am University of Utah Research Park in Salt Lake City gibt 2005 bekannt, daß man mit dem ‚Thermal Chip’ einen Halbleiter-Energiewandler erfunden und patentiert hätte, der mit einem Wirkungsgrad bis 50 % Wärme direkt in Elektrizität umwandelt – beziehungsweise umgekehrt angelegten Strom in Kälte bis minus 200°C. Die erreichte Energiedichte sei bereits jetzt schon fünf mal so hoch wie die von Lithium-Ionen-Batterien. Bei einer Speisetemperatur von 300°C liefert das aus den Chips ‚gepackte’ neue Material 9 W/cm²

Der Stirling-Motor

Über den Stirlingmotor berichten wir ausführlich im Kapitel ‚Solarenergie ’. Er wird dort  hauptsächlich in Verbindung mit Dish-Systemen eingesetzt.