Genutzt statt verpufft: Ein kleines Bauteil am Auspuff könnte künftig elektrischen Strom aus den Abgasen von Autos und anderen Vehikeln mit Verbrennermotoren gewinnen. Möglich macht das ein thermoelektrischer Generator, der aus Temperaturunterschieden elektrische Energie erzeugt.
In ersten Tests produzierte ein Prototyp rund 40 Watt elektrische Leistung aus dem Abgasstrom eines Autos und sogar 146 Watt aus den Abgasen eines Helikopters.
Thermoelektrische Materialien sind kristalline Halbleitermaterialien, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, aber Strom sehr gut leiten. Beim einseitigen Erwärmen entsteht dadurch ein starker Temperaturgradient, der Elektronen im Kristallgitter mobilisiert – es fließt ein Strom, der abgeleitet und genutzt werden kann. Solche thermoelektrischen Generatoren (TEG) können die Abwärme von Computern und anderen Geräten, aber auch unsere Körperwärme nutzen, um daraus Strom zu gewinnen.
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Ein Generator für den Auspuff
Jetzt demonstriert ein Forschungsteam, dass thermoelektrische Generatoren auch die Abgase von Autos und anderen Vehikeln mit Verbrennermotoren effizient zur Stromgewinnung nutzen können. Das Team um Rabeya Bosry Smriti von der Pennsylvania State University hat dafür ein Bauteil entwickelt, das einfach am Auspuff angebracht wird. Herzstück des thermoelektrischen Generators ist ein thermoelektrischer Generator aus einer Bismut-Tellurid-Verbindung. Diese weist gegenüber anderen thermoelektrischen Materialien ein besonders günstiges Verhältnis von Größe und Umwandlungsleistung auf, wie das Team erklärt.
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Diesen Generator kombinierten die Forscher mit einem speziell angepassten Wärmetauscher-System. Dabei nehmen Reihen dünner Plättchen die Hitze des Abgasstroms auf und leiten sie an den thermoelektrischen Halbleiterblock. Auf der Außenseite dieses Blocks sitzt ein Kühler, der den Gradienten im thermoelektrischen Material aufrechterhält. “Diese mit trapezförmigen Finnen besetzte Wärmesenke ist darauf ausgelegt, die Hitze durch forcierte Konvektion abzugeben”, erklären Smriti und sein Team. Erleichtert wird dies durch den Fahrtwind von Auto, Hubschrauber und Co.
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Genug für eine Glühlampe
In ersten Tests untersuchten die Forscher anschließend, wie viel elektrischen Strom dieses Bauteil aus typischen Abgasströmen eines Autos sowie eines Hubschraubers gewinnen kann. Im Stand erreichte der Prototyp für den Autoauspuff bei einem typischen Temperaturgradienten von rund 190 Grad eine Leistung von 40 Watt – genug, um eine klassische Glühlampe zu versorgen.
Während der Fahrt erhöht sich diese Leistung sogar noch, wie eine ergänzende Simulation ergab: Für Autoabgase erhöhte sich die elektrische Leistung bei schneller Fahrt auf 56 Watt – das entspricht der Leistung von fünf Lithium-Ionen-Akkus des Typs 18650 mit 3.500 Milliamperestunden. Mit dem simulierten Abgasstrom eines Hubschraubers produzierte der thermoelektrische Generator sogar 146 Watt elektrische Leistung.
Nach Ansicht von Smriti und seinem Team könnte ihr thermoelektrischer Generator dazu beitragen, die bisher verloren gehende Wärmeenergie von Abgasen sinnvoll zu nutzen. Ein Vorteil dabei: Das Generator-Bauteil lässt sich leicht am Auspuff anbringen und funktioniert ohne zusätzliche Kühlung – der Fahrtwind reicht.
