Thermoelektrischer Generator: Seebeck-Effekt, Aufbau und Anwendungen

Der Seebeck-Effekt: Wie aus Wärme Spannung wird

Der deutsch-baltische Physiker Thomas Johann Seebeck beobachtete 1821, dass in einem geschlossenen Kreis aus zwei verschiedenen Leitern eine Magnetnadel ausschlägt, sobald die beiden Verbindungsstellen unterschiedlich warm sind. Seebeck deutete den Effekt zunächst magnetisch, tatsächlich handelt es sich um ein elektrisches Phänomen: Der Temperaturunterschied erzeugt eine Spannung. Dieser thermoelektrische Effekt trägt bis heute seinen Namen.

Physikalisch dahinter steht die Bewegung der Ladungsträger. Auf der heißen Seite eines Materials besitzen Elektronen mehr thermische Energie und diffundieren zur kalten Seite. Dort sammeln sie sich an, es entsteht ein Ladungsungleichgewicht und damit eine messbare Spannung. Wie stark eine gegebene Temperaturdifferenz eine Spannung erzeugt, beschreibt der Seebeck-Koeffizient S mit der Einheit Volt pro Kelvin. Die erzeugte Spannung ist näherungsweise U = S · ΔT, wobei ΔT die Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite ist.

Metalle haben meist nur kleine Seebeck-Koeffizienten von wenigen Mikrovolt pro Kelvin, dotierte Halbleiter dagegen einige hundert Mikrovolt pro Kelvin. Deshalb bestehen moderne thermoelektrische Generatoren aus Halbleitern und nicht aus Metalldrähten.

Peltier und Seebeck: zwei Seiten desselben Effekts

Der Seebeck-Effekt hat ein Gegenstück, das dieselbe Physik in umgekehrter Richtung nutzt. 1834 entdeckte der französische Uhrmacher und Physiker Jean Charles Athanase Peltier, dass ein durch zwei verschiedene Leiter fließender Strom an der einen Verbindungsstelle Wärme freisetzt und an der anderen Wärme aufnimmt. Schickt man also Strom hindurch, kühlt eine Seite ab und die andere erwärmt sich. Dieser Peltier-Effekt ist die Grundlage elektrischer Kühlelemente.

Das Begriffspaar Peltier-Seebeck bezeichnet damit dieselbe thermoelektrische Kopplung, einmal als Wärme-zu-Strom (Seebeck, Generator) und einmal als Strom-zu-Wärme (Peltier, Kühler oder Heizer) gelesen. Ein drittes, kleineres Phänomen ergänzte William Thomson, der spätere Lord Kelvin, 1851 mit dem nach ihm benannten Thomson-Effekt und lieferte damit die thermodynamische Verbindung zwischen beiden. Ob ein Bauteil als Generator oder als Peltier-Kühler arbeitet, hängt allein davon ab, ob man ihm Wärme oder Strom zuführt.

Aufbau eines TEG: n- und p-Halbleiter im Paar

Das Grundelement eines thermoelektrischen Generators ist ein Thermopaar aus zwei Halbleiterschenkeln: einem n-dotierten, in dem negativ geladene Elektronen die Ladung tragen, und einem p-dotierten, in dem positiv geladene Löcher wandern. Beide Schenkel stehen thermisch parallel zwischen einer heißen und einer kalten Platte, sind elektrisch aber in Reihe geschaltet.

Diese Reihenschaltung ist entscheidend. Ein einzelnes Thermopaar liefert nur wenige Millivolt. Indem man hunderte solcher Paare elektrisch hintereinander und thermisch nebeneinander schaltet, addieren sich die Spannungen zu nutzbaren Werten. Ein handelsübliches Modul enthält typischerweise mehrere hundert Paare, eingefasst zwischen zwei Keramikplatten, die elektrisch isolieren, Wärme aber gut leiten. Für einen hohen Ertrag braucht ein TEG dauerhaft eine große Temperaturdifferenz. Deshalb sitzt auf der kalten Seite meist ein Kühlkörper, der die Wärme abführt und ΔT aufrechterhält.

Materialien und der ZT-Gütefaktor

Ein gutes thermoelektrisches Material muss drei teils widersprüchliche Eigenschaften vereinen: einen hohen Seebeck-Koeffizienten, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Es soll Strom gut leiten, Wärme aber schlecht, damit die Temperaturdifferenz nicht kurzgeschlossen wird. Diese Anforderungen fasst der dimensionslose Gütefaktor ZT zusammen: ZT = S²·σ·T/κ, wobei S der Seebeck-Koeffizient, σ die elektrische Leitfähigkeit, κ die Wärmeleitfähigkeit und T die absolute Temperatur ist.

Je höher ZT, desto effizienter das Material. Die meisten kommerziell genutzten Werkstoffe erreichen ZT-Werte um etwa 1. Der klassische Werkstoff für Raumtemperatur ist Bismuttellurid (Bi₂Te₃) mit einem ZT nahe 1 im Bereich um 300 Kelvin. Für höhere Temperaturen kommen Bleitellurid (PbTe) und für die stärkste Hitze in Raumsonden Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) zum Einsatz. Die Materialforschung arbeitet an Nanostrukturen, Skutteruditen und Halb-Heusler-Verbindungen, um ZT deutlich über 1 zu heben, was sich mit jedem Zehntelpunkt spürbar in höheren Wirkungsgrad übersetzt.

Ehrlicher Wirkungsgrad und Leistungsdimensionen

Der praktische Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist bescheiden. Reale Module wandeln typischerweise nur etwa 5 bis 8 Prozent der durchgeleiteten Wärme in Strom um. Der theoretische Grenzwert ist durch den Carnot-Wirkungsgrad und den ZT-Wert gedeckelt; erst ZT-Werte weit über 2 würden zweistellige Prozentzahlen zuverlässig zugänglich machen.

Diese Zahlen einzuordnen ist wichtig, weil ein TEG kein Energie-Wunder ist, sondern ein Wandler mit klaren physikalischen Grenzen. Sein Vorteil liegt nicht im hohen Wirkungsgrad, sondern in Zuverlässigkeit, Wartungsfreiheit und Langlebigkeit. Ein TEG erzeugt keine Energie aus dem Nichts, er nutzt eine bereits vorhandene Temperaturdifferenz und folgt dabei dem Energieerhaltungssatz. Ohne diesen Unterschied, also im thermischen Gleichgewicht, fließt kein Strom. Genau deshalb sind thermoelektrische Generatoren dort stark, wo ohnehin Abwärme oder eine stetige Wärmequelle vorhanden ist.

Reale Anwendungen: von Voyager bis Wearable

Die bekannteste Anwendung ist der Radioisotopen-Generator (RTG), ein thermoelektrischer Generator, dessen Wärmequelle der radioaktive Zerfall von Plutonium-238 ist. RTGs versorgen die 1977 gestarteten Sonden Voyager 1 und 2, die bis heute Daten aus dem interstellaren Raum senden, ebenso wie Cassini, New Horizons und die Mars-Rover Curiosity und Perseverance. Weil weder Sonnenlicht noch bewegliche Teile nötig sind, arbeiten diese Generatoren über Jahrzehnte praktisch ausfallsicher.

Auf der Erde dient die Thermoelektrik vor allem der Abwärmenutzung. In Fahrzeugen, Industrieöfen und Kraftwerken lässt sich ein Teil der sonst verlorenen Wärme in Strom zurückgewinnen. Am unteren Ende der Leistungsskala treiben winzige Module über die Körperwärme des Trägers Sensoren und Wearables an, die nur Mikrowatt bis Milliwatt benötigen. Diese ehrlichen Leistungsdimensionen, von hunderten Watt bei Raumsonden bis zu wenigen Milliwatt am Handgelenk, zeigen, wofür TEGs taugen und wofür nicht.

Einordnung: Thermoelektrik und die Forschung zum Umgebungsflux

Der thermoelektrische Generator gehört in die größere Familie des Energy Harvesting, also der Nutzung schwacher, allgegenwärtiger Energieformen aus der Umgebung. Er steht dort neben Photovoltaik, piezoelektrischen Wandlern und weiteren Ansätzen der Energieumwandlung und neuen Energietechnologien.

In dieselbe Forschungslandschaft ordnet sich die von der Neutrino Energy Group in Berlin untersuchte Neutrinovoltaic-Technologie ein. Sie verfolgt einen anderen physikalischen Weg als die Thermoelektrik: Während ein TEG einen Temperaturunterschied nutzt, erforscht der Neutrinovoltaic-Ansatz, ob sich winzige Impulse aus dem Umgebungsflux, darunter Neutrinos und andere Strahlung, über eine patentierte Graphen-Silizium-Mehrschicht in elektrische Ladung überführen lassen. Wissenschaftliche Bezugspunkte sind der Nobelpreis für Physik 2015 für die Entdeckung der Neutrinooszillation, die eine von null verschiedene Neutrinomasse belegt, sowie Arbeiten von Thibado et al. (2020) zur Ladungstrennung in freischwebendem Graphen. Wichtig zur Einordnung: Es handelt sich um Grundlagenforschung im Entwicklungsstadium, nicht um ein fertiges, käufliches oder bewiesenes Produkt. Der thermoelektrische Generator hingegen ist eine ausgereifte, seit Jahrzehnten im Feld erprobte Technik mit klar vermessenen Grenzen. Mehr dazu unter Neutrinovoltaic.