Halbleitertechnik : Strom aus dem Auspuff

Autos sind keine Fortbewegungsmittel, sondern in erster Linie bewegliche Heizungen – zumindest wenn man sich ihre Energiebilanz ansieht. Mit Thermogeneratoren lässt sich der Spritverbrauch senken.

Ralf Nestler

Nur 15 Prozent der im Kraftstoff gespeicherten Energie wird für den Vortrieb genutzt. Mehr als die Hälfte jedoch wird im Motor zu Wärme und als Abgas oder über die Kühlung nutzlos an die Umwelt abgegeben.

Künftig könnte zumindest ein Teil der Wärme genutzt werden, um die Effizienz von Autos zu verbessern. Der Autohersteller BMW hat kürzlich einen Prototyp vorgestellt, der mithilfe spezieller Halbleiterelemente, Thermogeneratoren genannt, aus der Hitze des Abgases Strom gewinnt – was wiederum die Lichtmaschine entlastet. Wenn die Technik ausgereift ist, könnte sie den Spritverbrauch der Autos um fünf bis sieben Prozent senken.

In der Raumfahrt wird das Verfahren seit Jahrzehnten genutzt, um Forschungssonden mit Energie zu versorgen. Sie haben radioaktive Substanzen an Bord, die beim Zerfall Hitze erzeugen – die dann von Thermogeneratoren in Strom umgewandelt wird. Für das Auto ist das Verfahren bislang aber zu teuer.

Deshalb suchen Forscher Materialien, die Strom aus Wärme gewinnen. Sie nutzen einen Vorgang, den Physiker als Seebeck-Effekt bezeichnen. Thomas Seebeck beobachtete 1821, dass in einem elektrischen Leiter eine Spannung entsteht, wenn es zwischen den beiden Polen einen Temperaturunterschied gibt. Diese Fähigkeit variiert je nach Material.

Damit ein Thermogenerator effizient arbeitet, muss die Wärmeleitfähigkeit gering sein, damit das Temperaturgefälle aufrechterhalten bleibt. Die elektrische Leitfähigkeit hingegen sollte sehr gut sein, um den Strom nutzen zu können. Und das verwendete Material muss hitzebeständig sein, denn Autoabgas ist mehr als 600 Grad heiß. „Eigentlich stehen diese drei Eigenschaften im Widerspruch zueinander“, sagt Harald Böttner vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg. Nur wenige Materialien, meist Halbleiter, kommen infrage.

BMW verwendet in seinem Prototyp Wismut-Tellurid, das auch in Raumsonden für Strom sorgt. Doch dieser Stoff hält nur Temperaturen bis 300 Grad Celsius aus. Deshalb haben die Entwickler in ihrem Auto einen Bypass eingebaut, der einen Teil des Abgases am Generator vorbeileitet, falls es zu heiß wird. Das ist einer der Gründe, warum der Prototyp kaum mehr als 200 Watt elektrische Energie gewinnt. Wenig im Vergleich zu den rund 1000 Watt, die ein Mittelklassewagen für Licht, Klimaanlage und Fensterheber braucht.

Nun suchen die Ingenieure nach einem Material, das auch bei höheren Temperaturen funktioniert und einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Eine Prognose darüber, wann die ersten Autos mit Thermogenerator über die Straßen fahren, wollen weder der IPM-Forscher Böttner noch die BMW-Ingenieure wagen. Aber fünf bis zehn Jahre müsse man noch mindestens warten. Ralf Nestler

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