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Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz von Abwärme durch den Einsatz der Thermoelektrik und Magnetokalorik

Bachelorarbeit 2017 77 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungen

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel der Arbeit
1.3 Gang der Untersuchung

2. Grundlagen
2.1 Elementarladung
2.2 Elektrischer Strom
2.3 Elektrische Spannung
2.4 Joulsche Erwärmung
2.5 Elektrischer Widerstand
2.6 Leiter, Halbleiter und Nichtleiter
2.7 Magnetismus
2.8 Wärme
2.8.1 Wärmeleitfähigkeit
2.8.2 Wärmewiderstand
2.8.3 Wärmekapazität
2.9 Entropie

3. Thermoelektrik
3.1 Der Seebeck-Effekt
3.2 Peltier-Effekt
3.3 Thomson-Effekt
3.4 Thermoelektrischer Wirkungsgrad ZT
3.5 Thermoelektrische Materialien
3.6 Leistungsfähigkeit thermoelektrischer Generatoren
3.7 Thermoelektrik im Stahlwerk
3.7.1 Testumsetzung
3.7.2 Schlussfolgerung
3.8 Thermoelektrik in Kraftwagen
3.8.1 Anforderungen an TEG im PKW
3.8.2 Simulierende Untersuchungen
3.8.3 Prototypen und Testanwendungen
3.8.3.1 Umsetzung bei BMW
3.8.3.2 Umsetzung bei Honda
3.8.3.3 Abwärmenutzung mittels PKW-Kühler
3.8.3.4 Range Extender - „RExTEG“
3.9 Thermoelektrik im Blockheizkraftwerk
3.10 Abwärmenutzung in einer Pelletheizung
3.11 Thermoelektrische Projekte

4. Magnetokalorik
4.1 Grundlagen der Magnetokalorik
4.2 Kühlen mit Magnetokalorik
4.3 Magnetokalorische Materialien
4.4 Swiss Blue Energy
4.4.1 Entwicklung des Prototyps
4.4.2 Funktionsweise des Prototyps

5 Ausblick, Fazit, Diskussion

Literaturverzeichnis

Sonstige Quellen

Anhang 1: Weltweite Stahlproduktion

Anhang 2: Stahlproduktion nach Ländern

Anhang 3: Erklärung Peltierelement von Conrad Elektronikhandel

Zusammenfassung

Die Thesis befasst sich mit der Nutzung von Abwärme von Kraftwagen, Heizanlagen, Stahlproduktion und sonstiger anfallender Abwärme. Die theoretischen Grundlagen der Thermoelektrik und Magnetokalorik werden erklärt und wichtige Begriffe und Einheiten definiert, sowie die Zusammenhänge erläutert. Es werden Laboruntersuchungen und tatsächlich durchgeführte Anwendungen detailliert dargestellt, um einen Überblick über Möglichkeiten und Grenzen der Thermoelektrik und der verwendeten Materialien zu zeigen. Des Weiteren wird die Nutzung der Magnetokalorik in der Kühlung, die Funktionsweise und Prototypen vorgestellt. Darüber hinaus wird die Möglichkeit zur Verstromung von Abwärme mit Hilfe der Magnetokalorik erläutert und das einzige Unternehmen, welches daran arbeitet und deren Prototyp erklärt.

Schlagwörter: Abwärme, Abwärmenutzung, Thermoelektrik, Magnetokalorik, Abgaswärme, thermoelektrische Generatoren, thermoelektrische Module, thermoelektrische und magnetokalorische Materialien, theoretische Grundlagen

Abstract

The thesis deals with the use of waste heat from cars, heating systems, steel production and other waste heat. The theoretical fundamentals of thermoelectric and magnetocaloric are explained and important terms and units are defined and the relationships explained. Laboratory investigations and applications are presented in detail in order to provide an overview of the possibilities and limits of the thermoelectric and of the background which materials were used. Furthermore, the use of magnetocaloric in cooling, the functioning and prototypes is presented. In addition, the possibility of power generation of waste heat with the help of magnetocaloric is explained and the only company that works on it is presented.

Keywords: waste heat, waste heat recovery, thermoelectric, magnetocaloric, exhaust heat, thermoelectric generators, thermoelectric modules, thermoelectric and magnetocaloric materials, theoretical foundations

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Elektronen im Leiter

Abbildung 2: Werkstoffe und Kennzahlen

Abbildung 3: Thermoelektrischer Stromkreis

Abbildung 4: Klassisches Erklärungsmodell

Abbildung 5: Prinzipdarstellung eines Peltier-Elements

Abbildung 6: Funktionsweise eines Peltier-Elements

Abbildung 7: Thomson-Effekt

Abbildung 8: Thermoelektrische Materialien

Abbildung 9: ZT-Werte verschiedener Materialien

Abbildung 10: ZT-Werte kommerzieller Materialien

Abbildung 11: Schematische elektrotechnische Darstellung eines TEG

Abbildung 12: Thermoelektrische Generatoren

Abbildung 13: Thermoelektrischer Generatorenverbund

Abbildung 14: Versuchsaufbau zur Funktionsfähigkeit des TEG

Abbildung 15: Installation im Stahlwerk

Abbildung 16: Leistung in Abhängigkeit von Breite und Lage

Abbildung 17: Simulations- und Testdaten im Vergleich

Abbildung 18: Typische Energieaufteilung in einem PKW mit Verbrennungsmotor

Abbildung 20: Temperaturabfall Zirconiumoxidkeramik

Abbildung 19: Temperaturabfall Aluminiumnitrid

Abbildung 21: ZT-Werte in Abhängigkeit von Temperatur und Entfernung vom Motor

Abbildung 22: Temperaturmessung im Zeitverlauf

Abbildung 23: Testfahrten im Vergleich

Abbildung 24: Errechnete Kennzahlen und wirtschaftliche Betrachtung

Abbildung 25: Modell zur Nutzung von PKW-Abgaswärme

Abbildung 26: Explosionszeichnung des Prototyps

Abbildung 27: TEG in einem BMW 535i

Abbildung 28: Sicht auf von unten auf im Abgasweg verbauter Versuch

Abbildung 29: ZT-Werte für p-dotierte Thermoelemente

Abbildung 30: ZT-Werte für n-dotierte Thermoelemente

Abbildung 31: Ergebnisse der elektrischen Leistung und relativen Kraftstoffeinsparung

Abbildung 32: Vergleich entscheidender Größen des TEG-Radiatorslung nach Baatar/Kim

Abbildung 33: Perspektivische Darstellung eines PKW-Kühlers mit Thermoelektrischen Modulen

Abbildung 34: Materialgegenüberstellung

Abbildung 35: Bauteil für den Abgasstrang eines Range-Extender PKW

Abbildung 36: Blockheizkraftwerk

Abbildung 37: Rauchgaskanal mit TEG-Segment

Abbildung 38: TEG-Segment

Abbildung 39: Leistung und Strom bei verschiedenen Temperaturen

Abbildung 40: Europäische Patente für Thermoelektrikanwendungen

Abbildung 41: T-s-Diagramm

Abbildung 42: Prinzip der magnetokalorischen Kühlung

Abbildung 43: Gadolinium im Vergleich zweier Flussstärken (T)

Abbildung 44: Verschieden Legierungen magnetokalorischer Materialien

Abbildung 45: Magnetokalorischer Motor 1 ...

Abbildung 46: Magnetokalorischer Motor 2 ...

Abbildung 47: Magnetokalorischer Motor 3

Abbildung 48: Magnetokalorischer Motor 4

Abbildung 49: Taupunkt über Luftzahl

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

Durch weltweit dauerhaft steigende Nachfrage nach Energie, aufgrund von anhaltendem industriellem Wachstum und den damit verbundenen Problemfeldern wie ökologische Ausbeutung und klimatischer Veränderung, insbesondere durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe, ist eine hohe Effizienz bei der Energieerzeugung und Nutzung wünschenswert. Bei der Umwandlung von Brennstoffen in elektrische Energie entsteht in der Regel mehr Abwärme als elektrische Nutzenergie. Des Weiteren werden Brennstoffe verwendet, um lediglich die Wärme zu nutzen: Gießereien und Heizanlagen. Durch die Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie wird die Energieausbeute erhöht und mehr nutzbare elektrische Energie steht zur Verfügung, bei gleich hohem Einsatz von Primärenergie. Anfang des 19. Jahrhunderts wurde der sogenannte Seebeck-Effekt entdeckt, welcher die direkte Umwandlung eines Temperaturunterschiedes in elektrische Energie erklärt. Ende des 19. Jahrhunderts wurde die Magnetokalorik entdeckt, welche neben der Nutzung als Kältemaschine, auch genutzt werden kann, um aus relativ geringer Abwärme elektrische Energie zu erzeugen. Der kommerzielle Durchbruch beider Technologien blieb bisher aus.

1.2 Ziel der Arbeit

Ziel der Arbeit ist es die Möglichkeiten der Abwärmenutzung zur Stromerzeugung darzustellen. Die technischen Grundlagen der Thermoelektrik und Magnetokalorik dienen dem Verständnis der erläuterten Studien, Veröffentlichungen und Simulationen. Ziel ist es, die Möglichkeiten der Thermoelektrik und Magnetokalorik zu zeigen und die bereits umgesetzten und möglichen Anwendungen offen zu legen. Daraus folgt eine Übersicht über den aktuellen Stand der Forschung und Umsetzung, sodass offene Forschungsfelder sowie Problemstellungen und Herausforderungen der Umsetzung und Materialforschung verdeutlicht werden. Aufgrund der geleisteten Recherche und dem entstandenen Überblick soll die Möglichkeit der Nutzung von Thermoelektrik und Magnetokalorik in Brennwertkesseln diskutiert werden.

1.3 Gang der Untersuchung

Es werden die Grundlagen der Elektrotechnik, Thermodynamik und Magnetismus erläutert. Die Grundlagen dienen dem Verständnis der im weiteren Verlauf dargestellten Themen. Es folgen die Entdeckungen, Grundlagen und Theorie der Thermoelektrik. Die auftretenden Effekte werden erklärt und die Erklärungen durch Abbildungen unterstützt. Daraufhin werden theoretische Ausarbeitungen, Anwendungen der Thermoelektrik in Form von thermoelektrischen Modulen mit verschiedenen Materialien vorgestellt. Untersuchungen der Abwärmenutzung in einem Stahlwerk und in Automobilen und die Problemfelder der Technik und Umsetzung sollen den Ausblick auf offene Forschungsfelder geben. Des Weiteren werden Anwendungen der Thermoelektrik in einem Warmwassererzeuger und die Möglichkeiten der Thermoelektrik bei Blockheizkraftwerken beschrieben.Zum Abschluss des Themas Thermoelektrik wird ein kurzer Abriss der Thermoelektrik in der Forschung gegeben. Das Themengebiet Magnetokalorik wird theoretisch erläutert, sodass im Anschluss die Möglichkeit zur Verstromung von Abwärme mit Hilfe der Magnetokalorik dargestellt werden kann. Das einzige Unternehmen, welches in Kooperation mit Hochschulen, die Magnetokalorik zur Erzeugung elektrischen Stromes nutzt wird vorgestellt und die praktische Umsetzung und die aufgetretenen Herausforderungen der Entwicklung werden veranschaulicht. Die Möglichkeit zur Kühlung mit Hilfe der Magnetokalorik wird thematisiert und die verfügbaren Materialien und deren Eigenschaften werden aufgezeig

2. Grundlagen

In diesem Kapitel wird die grundlegende Physik und wichtige Begrifflichkeiten erläutert und dargestellt.

2.1 Elementarladung

Die Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladung, alle weiteren Ladungen [Q] sind ganzzahlige Vielfache der Elementarladung. Die Ladung ܳ hat das Einheitensymbol C, welches in SI-Einheiten ausgedrückt Ampere multipliziert mit Zeit ist. Ein Coulomb (C) ist die elektrische Ladung, die durch einen Leiter transportiert wird, indem ein elektrischer Strom von 1 Ampere für 1 Sekunde fließt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Elektron hat die Ladung -e, ein Proton hat die Ladung +e.[1] [2] Die Definition der

Elementarladung ist grundlegend für die Erklärung des elektrischen Stroms.

2.2 Elektrischer Strom

Wenn sich Ladungsträger bewegen, entsteht ein elektrischer Strom. Die Größe des elektrischen Stroms ist die Stromstärke I. Die Stromstärke ist definiert als Ladung (oder Elektrizitätsmenge) durch Zeit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Maßeinheit des elektrischen Stroms ist das Ampere.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Elektronen im Leiter Quelle: Serlo Education e. V. (Hrsg.), (o.J.)

Die Abbildung zeigt, wie der Stromfluss gemessen und definiert wird: Der Fluss von

Ladungsträgern durch eine Stelle, bezogen auf die Zeit. Zur vollständigen Definition gehört die aktuelle international Definition des Ampere: „Die Basiseinheit 1 Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der, durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigen Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je 1 Meter Leiterlänge die Kraft 2 x 10-[7] Newton hervorrufen würde.“[4] Daraus folgt die implizite Festlegung der magnetischen Konstanten μ0.[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Ampere wird mit hoher wahrscheinlich ab 2018 neu definiert. „Demnach soll das Ampere zukünftig definiert werden über den Fluss von Ladungsquanten (= Anzahl pro Zeiteinheit) mit der Elementarladung e.“[6] Der elektrische Strom erklärt den Transport von Ladungsträgern, jedoch bleibt er den Grund für diesen schuldig.

2.3 Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung ܷ ist die Ursache des Ladungstransports, d. h. des Stromflusses. Da aber Ladungen nur fließen werden, wenn unterschiedlich viele positive und negative Ladungsträger vorhanden sind, müssen diese im neutralen Zustand getrennt werden. Deshalb ist die Spannung ܷ ein Maß für die Ladungstrennungsarbeit ܹ je Ladung ܳ, und es gilt:[7]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

„In der Zusammenfassung (…) bedeutet dies: Sind positive und negative Ladungen getrennt worden (die dazu notwendige Energie W pro Ladung ist die zugehörige Spannung U), dann gibt es einen positiven Pol (positiver Ladungsüberschuss) und einen negativen Pol (negativer Ladungsüberschuss). Zwischen diesen Polen herrscht eine Spannung U. Werden diese Pole miteinander verbunden, so findet ein Ladungstransport und damit ein Stromfluss statt. Die Ladungsunterschiede gleichen sich aus.“[8]

Der elektrische Strom und die Begründung für dessen Fluss wurden erläutert. Der Fluss von elektrischem Strom bringt stets weitere Effekte mit sich, diese folgen im weiteren Verlauf.

2.4 Joulsche Erwärmung

Eine Auswirkung des elektrischen Stroms ist, dass wenn ein Leiter mit Strom durchflossen wird, sich dieser erwärmt. „Die Erwärmung ist proportional zum Quadrat des Ladungstransports, indirekt proportional zum Leiterquerschnitt und proportional zur Länge des Leiters.“[9] Joulsche Wärme entsteht durch die Überwindung der Reibungskräfte im Leiter. In ohmschen Leitern, in denen das Ohmsche Gesetz gilt, kann man für die Wärmeleistung das Joulsche Gesetz schreiben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5 Elektrischer Widerstand

Jeder Stoff der von elektrischem Strom durchflossen wird, leitet diesen unterschiedlich. Jeder stromdurchflossene Körper hat einen elektrischen Widerstand ܴ. Der elektrische Widerstand wird durch den vorhandenen Spannungsabfall ܷ und den durch den Körper fließenden Strom I definiert:[10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

„Der elektrische Widerstand ist ein Maß für die Hemmung des Ladungstransports.“[11]

Der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters der Länge l und dem Querschnitt A ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der spezifische elektrische Widerstand ist ein Materialwert[12], dies bedeutet, dass er je nach Material oder Legierung deutlich unterschiedlich sein kann. Mit Hilfe der Proportionalitätskonstante P erfolgt im nächsten Abschnitt (2.6 Leiter, Halbleiter, Nichtleiter) die Klassifizierung der Materialien anhand ihrer Leitfähigkeit.

Die Ausprägung des elektrischen Widerstands ist sowohl materialabhängig als auch temperaturabhängig. Um die Temperaturabhängigkeit zu veranschaulichen, gibt es den Temperaturkoeffizienten ߙ. Der Wert des Temperaturkoeffizienten kann positiv oder negativ sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Temperaturdifferenz οT wird in der Literatur auch mit οߴ bezeichnet.[13]

„Der Temperaturkoeffizient gibt an, welche relative Widerstandänderung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Leiter bei einer Änderung um [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] erfährt.“[14] Der Temperaturkoeffizient beschreibt um wie viel ȳ sich der Widerstand eines Materials ändert, wenn die Temperatur des Materials um [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] geändert wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Werkstoffe und Kennzahlen Quelle: gekürzte Tabelle nach Hering et al., 2013, S.7

Abbildung 2 stellt in einer Tabelle einige Werkstoffe und den spezifischen elektrischen Widerstand [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], die elektrische Leitfähigkeit κ und den Temperaturkoeffizienten ߙ dar. Die Begriffe des spezifischen Widerstands und des Temperaturkoeffizienten wurden im oberen Abschnitt erklärt. Die elektrische Leitfähigkeit κ ist der Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstandes.[15] Die elektrische Leitfähigkeit gibt an, wie gut ein Stoff in der Lage ist elektrischen Strom zu leiten. Ein relativ höherer Wert bedeutet, der Stoff leitet Strom gut, respektive bedeutet ein relativ niedrigerer Wert eine schlechtere Leitfähigkeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Einheit Siemens, mit dem Formelzeichen ܵ ist die Einheit des elektrischen Leitwertes ܩ, auch Konduktanz, welcher lediglich der Kehrwert des elektrischen Widerstandes ܴ ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.6 Leiter, Halbleiter und Nichtleiter

„Halbleiter sind Festkörper, deren spezifischer elektrischer Widerstand stark temperaturabhängig ist. In der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts sind sie perfekte Isolatoren; bei höheren Temperaturen (z. B. bei Raumtemperatur) weisen sie eine elektrische Leitfähigkeit auf. Der spezifische Widerstand der Halbleiter liegt etwa im Bereich [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].“[16] Dies impliziert, dass Materialien mit einem spezifischen Widerstand unter [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] als Leiter und Materialien mit einem spezifischen Widerstand größer [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] als Nichtleiter bezeichnet werden.

Die Leitfähigkeit ist temperaturabhängig. Halbleiter sind in der Regel am absoluten Nullpunkt ideale Isolatoren und leiten keinen Strom, bei Raumtemperatur sind sie jedoch leitfähig. Des Weiteren sinkt die Leitfähigkeit ab einem gewissen Punkt bei Leitern und Halbleitern wieder, denn durch das wärmebedingte Schwingen der Atome wird die Leitung von Elektronen erschwert.[17]

Dass Halbleiter am absoluten Nullpunkt nicht leiten und mit steigender Temperatur immer besser, erklärt das Bändermodell. Das Bändermodell postuliert, das sowohl Halb- und Nichtleiter als auch Leiter über ein Valenzband und ein Leitungsband verfügen, welche durch eine Bandlücke getrennt sein können, diese gilt als verbotene Zone, da sich hier keine Elektronen aufhalten dürfen. Bei Nichtleitern ist diese Bandlücke so groß, dass sie nur unter sehr großer Energieaufwendung überwunden werden kann. Bei Leitern hingegen gibt es keine Bandlücke und die Elektronen gelangen mit wenig Energie vom Valenz- in das Leistungsband. Halbleiter erhöhen die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur. Durch Dotierungen werden Fremdatome in den Halbleiter eingebracht, sodass mehr Elektronen zur Verfügung stehen können.[18]

Diese freien Elektronen im Valenzband werden auch Leistungselektronen genannt.[19]

2.7 Magnetismus

Magnetismus ist ein Phänomen, welches Anziehungskräfte auf magnetische oder magnetisierbare Stoffe ausübt oder von diesen ausgeübt wird. Die entstehenden Magnetfelder wirken ohne Materie, also auch im Vakuum. Magnetfelder werden durch Dauermagnete oder auch durch elektrische Ströme erzeugt. Die von einem Magnet hervorgerufenen Kräfte wirken über große Entfernungen und auch im leeren Raum. Der Raum in dem diese Kräfte wirken, wird als magnetisches Feld bezeichnet.[20]

Das magnetische Feld wird durch die magnetische Flussdichte ܤ definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die magnetische Feldstärke ܪ ist eine vektorielle Größe und ordnet jedem Punkt im Magnetfeld eine Stärke und eine Richtung zu.[21] Die Permeabilitätszahl gibt an, wie sich die Stärke der magnetischen Flussdichte ändert, wenn ein Material in das Magnetfeld geführt wird. Mit Hilfe der Permeabilitätszahl wird später die Klassifizierung von Stoffen nach ihren [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]magnetischen Eigenschaften durchgeführt. Die magnetische Feldkonstante [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gibt die magnetische Permeabilität des Vakuums an; wird dieser Wert mit der stoffspezifischen Permeabilitätszahl multipliziert, ergibt sich die Permeabilität.[22] Die Einheit der magnetischen Flussdichte ist Tesla [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

„Die Einteilung der Stoffe nach ihren magnetischen Eigenschaften, d.h. nach ihrem Verhalten bezüglich der Magnetisierung und damit der Änderung der magnetischen Flussdichte im Stoff bei Einbringen in ein Magnetfeld, erfolgt nach der Größe der Permeabilitätszahl [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] […].[23]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diamagnetische Stoffe haben eine Permeabilitätszahl die kleiner als die des Vakuums ist. Wird ein diamagnetischer Stoff in ein Magnetfeld gebracht, wird dieser aus dem Magnetfeld herausgedrängt. Diamagnetismus tritt bei Stoffen auf, die selbst keine magnetischen

Eigenschaften besitzen. Erst durch das Einbringen in ein magnetisches Feld, tritt der

Diamagnetismus bei diamagnetischen Stoffen auf.[24]

Paramagnetische Stoffe haben eine Permeabilitätszahl, welche etwas über der des Vakuums liegt. Sowohl bei diamagnetischen, als auch paramagnetischen Stoffen besteht eine Proportionalität zwischen der magnetischen Feldstärke und der magnetischen Flussdichte, folglich ist die Permeabilitätszahl für diese Stoffe konstant.[25] Paramagnetische Stoffe zeichnen sich dadurch aus, dass die Atome permanente magnetische Dipolmomente haben, diese aber aufgrund ihrer zufälligen Anordnung nach außen kein resultierendes magnetisches Moment haben. Jedoch bedeutet dies, wenn ein paramagnetischer Stoff in ein Magnetfeld eingebracht wird, dass dieser Stoff vom Magnetfeld angezogen wird.[26]

Ferromagnetische Stoffe haben keine konstante Permeabilitätszahl, diese hängt bei Ferromagneten von der magnetischen Feldstärke und von der Vorbehandlung des Stoffes ab. Bei ferromagnetischen Stoffen ist die Permeabilitätszahl eine Funktion der magnetischen Feldstärke.[27] Die Metalle Eisen, Cobalt und Nickel sind bei Raumtemperatur ferromagnetisch. Bis zu ihrer Curie-Temperatur, welche zum Beispiel bei der chemischen Gruppe der Lanthanoide nah an der Raumtemperatur liegt, zu denen auch Gadolinium (Curie-Temperatur ܶ஼௨௥௜௘ ൌ ͳͻǡ͵ιܥ) zählt, sind Eisen, Cobalt und Nickel Ferromagnete.

Werden ferromagnetische Stoffe in ein Magnetfeld gebracht, erhöht sich die magnetische Flussdichte im ferromagnetischen Stoff mehr, als die Flussdichte des Magnetfeldes in das der Stoff gebracht wurde. Der Faktor um wie viel stärker die Magnetisierung im Vergleich zum Vakuum ist, bringt die Permeabilitätszahl ߤ௥ zum Ausdruck.[28]

Die oben bereits erwähnte Curie-Temperatur, welche insbesondere im Abschnitt Magnetokalorik eine Rolle spielt, ist jene Temperatur eines ferromagnetischen Materials bei der es seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert und paramagnetisches Verhalten aufweist. Die Curie-Temperatur von Eisen liegt bei ܶ஼௨௥௜௘ ൌ ͹͹Ͳιܥ.[29] Der Temperaturbegriff ist eng verbunden mit dem der Wärme. Die Definition und Erklärung eben dieser ist entscheidend, um Abwärme und deren Nutzung umfassend zu erläutern.

2.8 Wärme

Die Wärme ist, wie die Arbeit, eine Prozessgröße und hat die Einheit Joule ሾܬሿ.[30] „Wärme ist die zwischen einem System und seiner Umgebung aufgrund eines Temperaturunterschieds ausgetauschte Energie.“[31] Wärme wird in der Regel mit dem Formelzeichen ܳ bezeichnet. Die Wärme und die Umwandlung der Wärme in andere Energieformen ist zentraler Bestandteil der Thesis. Es folgen in den weiteren Kapiteln nähere Beschreibungen der Eigenschaften von Wärme und wie diese in Erscheinung treten.

2.8.1 Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt wie gut oder schlecht ein Material in der Lage ist Wärme zu leiten. Um die Wärmeleitfähigkeit ɉ zu erläutern, muss zuerst der Wärmestrom ܳ definiert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

je [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Länge und je [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Fläche ein Temperaturgefälle von ͳܭ hervorruft.“[32]

Metalle haben in der Regel eine relativ hohe Leitfähigkeit, z.B. Silber [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].[33] Je höher der Wert der Wärmeleitfähigkeit ist, desto besser wird die Wärme durch das Material geleitet. Eine hohe Leitfähigkeit ist wünschenswert, wenn das Material lediglich eine Schutzschicht darstellt und die Wärme möglichst schnell zum darunterliegenden, zu schützenden, Material gelangen soll. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit ist gefragt, wenn Wärme möglichst in einem Material verbleiben soll; in diesen Fällen wird eine Isolation mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit angebracht.

2.8.2 Wärmewiderstand

Der Wärmewiderstand ist der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit. Der Wärmewiderstand ist in dem Sinne des Widerstandes eines Materials gegenüber Wärme zu verstehen, der Widerstandsbegriff wird nicht in Verbindung mit Elektrizität gebracht, jedoch besteht eine gewisse Analogie. Der Begriff wird erläutert, da er in einigen englischsprachigen Texten verwendet wird.[34]

Der Wärmewiderstand ist wie folgt definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wärmewiderstand ist ein Maß dafür, um wie viel sich die Temperatur in einem Stoff ändert, wenn er von einem Wärmestrom durchdrungen wird.

2.8.3 Wärmekapazität

Die Wärmekapazität ist die materialabhängige Proportionalitätskonstante zwischen der zuoder abgeführten Wärme und der Temperaturänderung.[35]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die spezifische Wärmekapazität ܿ gibt an wie viel Wärmemenge benötigt wird, um ͳ ݇݃ eines Stoffes um ͳܭ zu erwärmen. Die oben genannte Wärmekapazität ܥ wird durch die Masse m dividiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine hohe spezifische Wärmekapazität bedeutet, dass eine relativ größere Wärmemenge nötig ist, um die Temperatur des Materials zu erhöhen. Eine kleinere spezifische Wärmekapazität hingegen sagt aus, dass mit der gleichen Wärmemenge eine höhere Temperatur des Materials erreicht wird.

2.9 Entropie

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist der Satz der begrenzten Umwandelbarkeit von Energieformen. Er liefert folgende empirische Beschränkung: Nur ein Teil der Wärme lässt sich in Arbeit umwandeln; bzw. nur am absoluten Nullpunkt der Temperatur lässt sich Wärme vollständig in Arbeit umwandeln.[36] Der zweite Hauptsatz bedient sich hierzu einer für diese Zwecke speziell entwickelten Zustandsgröße, der Entropie S. „Die Entropie ist keine unmittelbar messbare Größe. Sie ist auch nicht direkt zu veranschaulichen.“[37] Mit der Entropie ist es möglich die Richtung von Prozessen zu bestimmen und die Reversibilität respektive Irreversibilität darzustellen.[38]

Die Einheit der Entropie ist Joule pro Kelvin ሾܬȀܭሿ.

3. Thermoelektrik

Thermoelektrik ist die Umwandlung eines elektrischen Stroms in einen Wärmefluss und umgekehrt. Die Thermoelektrik wurde durch die Entdeckung des thermoelektrischen Effekts, auch Seebeck-Effekt genannt, begründet. Die grundlegenden Effekte und Funktionsweisen der Bauteile werden erläutert und dargestellt. Des Weiteren werden Testanwendungen zur Verstromung von Abwärme und deren Ergebnisse dargestellt und Schlussfolgerungen gezogen.

3.1 Der Seebeck-Effekt

„Gemäß dem Seebeck-Effekt (1821), benannt nach Thomas Johann Seebeck, entsteht in einem Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung.“ [39]

Abbildung 3: Thermoelektrischer Stromkreis Quelle: Hoerstel, o.J., S.486

Abbildung 3 zeigt den exemplarischen Aufbau zweier verschiedener Materialien, damit ein thermoelektrischer Strom fließen kann. Es muss eine Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 bestehen; beträgt die Temperaturdifferenz [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], dann ist die Spannung ܷ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]ܸ. Auf Grund der Temperaturdifferenz entsteht eine elektrische Spannung, welche auch als Thermospannung bezeichnet wird.

Aus jeder Leiterkombination zweier Materialien A und B ergibt sich die Thermokraft, auch Seebeck-Koeffizient[40] genannt. Der Seebeck-Koeffizient wird in[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (Mikrovolt dividiert durch Kelvin) angegeben. Bezeichnet wird der Seebeck-Koeffizient in der Literatur mit αAB, S AB und S.

Der Seebeck-Koeffizient ist negativ bei n-Typ Leitern (Elektronenleitern). Ein positiver Wert liegt folglich bei p-Typ Leitern (Defektelektronenleiter) vor.

Zur Veranschaulichung: „Der Koeffizient ist positiv, wenn der Thermostrom am wärmeren der beiden Übergänge von Material A zu Material B fließt.“[41]. N-Halbleiter [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] weisen einen Seebeck-Koeffizienten von ܵ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] aus, p-Halbleiter hingegen ܵ [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].[42]

Die Höhe der Spannung wird dabei nicht nur durch die Temperaturdifferenz, sondern auch durch die Eigenschaften der einzelnen Materialien und deren Kombination bestimmt. Des Weiteren wird er auch als „(absolute) differentielle Thermokraft“ bezeichnet.[43]

Abbildung 4: Klassisches Erklärungsmodell

zur Thermodiffusion

Quelle: Pelster et al., 2005, S.19

Die obige Abbildung zeigt einen Metallstab der an den jeweiligen Enden verschiedene Temperaturen hat. Je wärmer ein Körper ist, desto schneller ist die thermische Bewegung der Elektronen in ihm. Die eingezeichneten Pfeile symbolisieren die Geschwindigkeitsvektoren der Elektronen. Die von warm nach kalt laufenden Teilchen haben eine höhere Geschwindigkeit, sodass ein sich mittlerer Geschwindigkeitsvektor (unterster Teil der Abbildung) in Richtung des kalten Endes zeigt. „Diese resultierende gerichtete Bewegung nennt man Thermodiffusion. Sie führt dazu, daß sich das kalte Ende gegenüber dem warmen negativ auflädt (bei p-Halbleitern ist es auf Grund der Löcherleitung genau umgekehrt.)“[44] Unter der Vernachlässigung von chemischen Potenzialen ist die entstehende Thermodiffusionsspannung nur vom Seebeck-Koeffizient abhängig. (Eine theoretisch vollständige Erklärung inklusive chemischen Potenzialen gibt Pelster et al., 2005 in Kapitel 2)

[...]


[1] S. Clausert et al., 2014, S. 1

[2] S. Dorn/Bader, 2000, S.8

[3] S. Clausert et al., 2014, S.1

[4] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Hrsg.), 2017

[5] S. Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Hrsg.), 2017

[6] Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Hrsg.), 2017

[7] S. Hering et al., 2013, S.4

[8] Hering et al.,2013, S.5

[9] Pfeiler, 2017, S.94

[10] S. Lindner, 2006, S.445

[11] Hering et al., 2013, S.6

[12] S. Lindner, 2006, S.445

[13] S. Hering et al., 2013, S.107

[14] Hering et al., 2013, S.6

[15] Hering et al., 2013, S.6

[16] Hering et al., 2013, S.65

[17] S. Laube (Hrsg.), (o.J)

[18] S. Hering et al., 2013, S. 66f.

[19] S. Halliday et al., 2003, S.626

[20] S. Lindner, 2006, S. 499

[21] S. Heinert, o.J., S. 26

[22] S. Lindner, 2006, S.514

[23] Lindner, 2006, S.514

[24] S. Pfeiler, 2017, S.219

[25] S. Lindner, 2006, S.516

[26] S. Halliday et al., 2003, S. 910

[27] S. Lindner, 2006, S.516

[28] S. Halliday et al., 2003, S.914

[29] S. Lindner, 2006, S.517

[30] S. Thielen, 2010, S. 51

[31] Halliday et al., 2003, S.536

[32] Lindner, 2006, S.335

[33] S. Lindner, 2006, S.335

[34] S. Hering et al., 2013, S.106

[35] S. Halliday et al., 2003, S.537

[36] S. Thielen, 2010, S.10

[37] Thielen, 2010, S. 70

[38] S. Thielen, 2010, S.72

[39] Feldmeier, 2015, S.2

[40] S. BINE Informationsdienst/FIZ Karlsruhe (Hrsg.), 2016, S.6

[41] BINE Informationsdienst/FIZ Karlsruhe (Hrsg.), 2016, S.6

[42] S. Pelster et al., 2005, S.17

[43] S. Pelster et al., 2005, S.17

[44] Pelster et al., 2005, S.19

Details

Seiten
77
Jahr
2017
ISBN (eBook)
9783668605848
ISBN (Buch)
9783668605855
Dateigröße
2.2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v385532
Institution / Hochschule
Technische Hochschule Mittelhessen
Note
1,9
Schlagworte
Magnetokalorik Thermoelektrik Strom Magnetokalorische Materialien Curie-Temperatur Abwärmenutzung Abwärmeverstromung Abgasnutzung PKW Abgasnutzung Stahlwerk Abwärme Nutzung

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Titel: Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizienz von Abwärme durch den Einsatz der Thermoelektrik und Magnetokalorik