Thermoelektrische Generatoren
Download #73: “Presentation-Development-of-a-New-Micro-CHP-Pellet-Stove-Technology-EUBCE2017.pdf”
Beschreibung der Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von thermoelektrischen Generatoren
Die Kraft-Wärme-Kopplungs-Technologie auf Basis von thermoelektrischen Generatoren (TEG) stellt eine innovative und interessante Anwendung zur Stromerzeugung aus fester Biomasse in kleinen Kesselanlagen oder Kaminöfen dar. Der elektrische Leistungsbereich liegt dabei nur bei wenigen Watt bis einigen hundert Watt und ist besonders zur Abdeckung des Eigenstrombedarfs des Ofens bzw. der Feuerung interessant. Dadurch wird ein netzunabhängiger Betrieb der Wärmeerzeugung ermöglicht und die Ausfallssicherheit wesentlich erhöht.
Für den Betrieb eines thermoelektrischen Generators (TEG) sind neben der Wärmequelle (Biomassekessel oder Kaminofen) geeignete thermoelektrische Module mit einer entsprechenden Leistungselektronik sowie eine adäquate Kühlung erforderlich. Die von der Kühlung aufgenommene Wärme kann, je nach gewähltem Kühlsystem, über einen Wasserkreis oder direkt über Konvektionsluft an den Wohnraum abgegeben werden.
TEGs stellen eine geräuschlose und wartungsfreie Technologie dar, die ohne bewegte Teile auskommt. Damit ist sie besonders für den Einsatz in privaten Haushalten geeignet. Ein sinnvoller thermischer Leistungsbereich der Feuerung bzw. des Kaminofens für den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren liegt bei 5 bis 50 kWth.
Arbeitsprinzip und Einbindung in den Kessel oder Ofen
Das Prinzip des TEG basiert auf dem Seebeck-Effekt, bei dem durch zwei miteinander verbundenen und unterschiedlich dotierten Halbleitern, die unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, Wärme direkt in elektrischen Strom umgewandelt wird. In Abbildung 1 ist die allgemeine Struktur eines thermoelektrischen Moduls dargestellt und Abbildung 2 zeigt ein thermoelektrisches Modul mit (links) und ohne (rechts) Keramiksubstrat.
Abbildung 1: Prinzipbild eines thermoelektrischen Moduls
Abbildung 2: Thermoelektrisches Modul ohne (links) und mit (rechts) Keramiksubstrat
Die elektrische Leistung des TEG wird durch die Art der thermoelektrischen Module, die Anzahl der verwendeten Module, die Temperaturdifferenz zwischen der kalten und heißen Seite der Module (mit steigender Temperaturdifferenz steigt die elektrische Leistung) und der Kaltseitententemperatur der Module (bei steigender Kaltseitentemperatur sinkt der Wirkungsgrad) beeinflusst. Somit ist die Zielsetzung eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der kalten und heißen Seite der Module, kombiniert mit einer niedrigen mittleren Temperatur der Module, zu erreichen, um eine hohe elektrische Leistung des TEG zu erreichen.
Da ein sehr guter Wärmeübergang auf beiden Seiten des TEG und gleichzeitig ein hoher Wärmedurchgang durch die vergleichsweise kleine Querschnittsfläche der Module entscheidend ist um eine hohe Stromausbeute zu erzielen, muss ein besonderes Augenmerk auf die Heizung und Kühlung des TEG gelegt werden. Die heiße Seite des TEG befindet sich im Rauchgasweg des Heizsystems. Dabei ist anzustreben, dass die Rauchgase bereits vollständig ausgebrannt sind und trotzdem noch eine möglichst hohe Temperatur aufweisen, wenn sie an dem TEG vorbeigeführt werden. Um die kalte Seite des TEG zu kühlen, sind folgende Kühlvarianten möglich:
- Luftkühlung durch natürliche Konvektion oder Lüfter (für Kaminöfen relevant)
- Kühlung mittels Wärmespeicher (für Kaminöfen relevant)
- Kühlung durch einen Wasserkreislauf (für Kaminöfen und Kessel relevant)
Abbildung 3: Prinzipskizze der Integration eines TEG in einen Pellet-Kaminofen
Beim Betrieb des Kessels oder Kaminofens versorgt der TEG die Heizungsanlage mit Strom und überschüssiger Strom wird in einem Akkumulator gespeichert (siehe Abbildung 3). Beim nächsten Start liefert der Akkumulator Strom für die Zündung und andere Verbraucher (Rauchgasgebläse, Brennstoffzuführung und Steuerung), bis der TEG die Stromerzeugung wieder aufnehmen kann. Wenn der Akkumulator vollständig aufgeladen ist, kann der zusätzlich erzeugte Strom auch für andere Verbraucher verwendet werden (z.B. um externe Geräte über einen USB-Anschluss zu laden). Ein wichtiger Schritt hin zu einem stromautarken Betrieb des Kaminofens oder des Kessels ist es, den Stromverbrauch der Heizungsanlage zu reduzieren. Dies kann durch die Einführung eines Niederspannungssystems (TEG und Akkumulator sind Niederspannungs-Gleichstromkomponenten), Auswahl geeigneter Komponenten, sowie durch Optimierung der Regelung erreicht werden.
Relevante technische Daten und Wirkungsgrade von thermoelektrischen Generatoren
Da eine hohe elektrische Leistung des TEG stark von der Temperaturdifferenz zwischen Kalt- und Heißseite abhängt, ist eine optimierte, genau den Anforderungen entsprechende, Beheizung und Kühlung der Module unerlässlich (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Abhängigkeit der elektrischen Leistung des TEG in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite
Typische Parameter für den Einsatz eines TEG in einer Biomassefeuerung oder in einem Kaminofen:
- Rauchgastemperatur an der Heißseite des TEG: bis zu 900°C
- Heißseitige Temperatur des TEG: 300-400°C
- Wasser / Lufteintrittstemperatur um den TEG zu kühlen: 30 - 50°C
- Kaltseitige Temperatur des TEG: 40°C und höher
- Leistungsbereich der Heizungsanlage: 5 - 50 kWth
- Leistungsbereich des TEG: einige hundert Watt
- Elektrischer Wirkungsgrad (basierend auf der thermischen Eingangsleistung in den TEG): 2 - 5%
Realisierte Projekte und weitere Informationen zu thermoelektrischen Generatoren
BIOS hat in Kooperation mit dem Kaminofenhersteller RIKA im Rahmen des ERANET-Projektes „Small-scale biomass based CHP“ bereits einen TEG-Technologie für Pelletkaminöfen erfolgreich entwickelt und auch getestet. In Zuge dieses Projektes zeigte sich, dass der TEG in der Lage ist, den Kaminofen stromautark zu betreiben und auch noch eine gewisse Menge Überschussstrom erzeugt, die z.B. zur Handyladung verwendet werden kann.