Holzvergaserkraftwerk

Holzvergaserkessel

Prinzip des Holzvergaserkessels (Druckgebläse)

Der Holzvergaserkessel ist ein Heizkessel und eine Variante des Stückholzkessels.

In Holzvergaserkesseln findet der Prozess der Holzvergasung räumlich getrennt von der Holzgasverbrennung statt, was eine separate und bessere Steuerung ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Festbrennstoffkesseln werden sehr niedrige Schadstoffemissionen und ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht.

Nach dem Prinzip des autothermen Festbettvergasers arbeiten ebenfalls Kohlevergaserkessel und Vergaserkessel, die verschiedene Brennstoffe verwenden können^[1] (zum Beispiel Scheitholz, Holzbriketts und Braunkohlenbriketts).

Auf diese Weise erzeugtes Holzgas wurde auch (vor allem wegen Treibstoffmangels im Zweiten Weltkrieg) zum Antrieb von Kraftfahrzeugen genutzt, die Vergaserkessel waren dazu auf den PKWs und LKWs installiert, siehe dort.

Als Besonderheit brennt beim Holzvergaserkessel das Brenngut nach unten hin ab und die heißen Verbrennungsabgase sammeln sich im unteren Bereich des Ofens. Ein Ofen dieser Bauart wird Sturzbrandofen genannt. Siehe dazu auch Kaminofen#Sturzbrandöfen.

Technik

Das Holz wird dem Verbrennungsraum chargenweise zugeführt und durch die im Betrieb entstehende Verbrennungswärme unter kontrollierter Luftzufuhr kontinuierlich vergast. Das dabei entstandene Holzgas wird sofort verbrannt. Die Verbrennungsgase erwärmen die Wasserrohre und damit das Wasser, das durch Heizkörper gepumpt oder als Warmwasser verbraucht wird.

Der Holzvergaserkessel ist durch eine Brennerplatte aus feuerfester Keramik in eine Oberkammer und eine Unterkammer geteilt. Die Brennerplatte besitzt viele kleine Bohrungen. In der Oberkammer liegen das Holz, die Holzkohle und die Asche übereinander auf der Brennerplatte. Die Oberkammer ist, abgesehen von der Einfüllöffnung, die während des Betriebs nur kurzzeitig geöffnet werden darf, nach oben dicht.

Wenn der Kessel angefeuert wird, verdampfen durch die Wärme des brennenden Holzes alle flüchtigen Holzbestandteile entsprechend ihrer Verdampfungspunkte (beispielsweise Terpene), was als Holzvergasung bezeichnet wird

Dabei verdampft auch das in dem Holz enthaltene (nicht chemisch gebundene) Wasser. Dem Holz wird also die Holzfeuchte entzogen. Je nachdem wie Holzgas definiert wird, werden ihm der Wasserdampf und der inerte Luftstickstoff zugezählt oder nicht.

Die leicht zündbaren Holzgase, die aufgrund des statischen Auftriebs zuerst aufsteigen, verbrennen in der Oberkammer. Deren Verbrennungsgase gelangen gemeinsam mit schwerer zündbaren Holzgasen durch die in der Oberkammer liegende glühende Holzkohle und Asche und durch die Bohrungen der Brennerplatte in die Unterkammer. Der Zug durch die Verbrennungszone führt einerseits wegen Restsauerstoffs zur Erhitzung der dort glühenden Stoffe und andrerseits zur turbulenten Vermischung des durchgesaugten Brenngases gleichzeitig mit Zündung und Verbrennung aller noch brennbaren Gasbestandteile.

Damit werden die schwerer zündbaren Holzgase sowie im Verbrennungsgas enthaltenes Kohlenstoffmonoxid bei Temperaturen um 1100 °C gut verbrannt, Gase die ansonsten bei ‘oberem Abbrand’ unverbrannt und ungenutzt in den Kamin oder die Umwelt gelangt wären. Die Abgase strömen von der Unterkammer in den oben liegenden Abgasanschluss.

Durch diese Verbrennungstechnik wird der Gehalt an Kohlenstoffmonoxid und unverbrannten Stoffe im Abgas wesentlich reduziert. Unverbrannte Stoffe würden ansonsten an mitgerissenen (oder rekombinierten) Aschestäuben kondensieren und adsorbiert werden und den Staubgehalt an Masse erhöhen.

Nur bei speziellen Naturzugholzvergasern kann der gegebene Zug des Kamins (Kamineffekt) ausreichen, um die heißen Verbrennungsgase entgegen dem natürlichen Auftrieb in die Unterkammer (und schließlich weiter zum Abgasanschluss) zu befördern. In der Regel bedarf es hierzu eines (meist elektrisch angetriebenen) Gebläses. Je nach Bauart befindet sich ein hitzefester Saugzugventilator im Abgasstrom oder ein Druckgebläse in der Frischluftzufuhr. Ohne Gebläse würden sich die heißen Abgase in der oberen Brennkammer stauen und der Ofen ließe sich nicht anfeuern. Im Betrieb würde der Kamineffekt von Menge und Gasdurchlässigkeit der Brennraumfüllung beeinflusst und der Luftdurchsatz wäre damit schwer zu regeln.

Wie bei jedem Ofen zur Holzverbrennung teilt sich die Zufuhr der Verbrennungsluft in Primär- und Sekundärluft. Die Primärluft wird der Oberkammer zugeführt, mit ihr wird die Vergasung und damit die Kesselleistung gesteuert. Die Sekundärluft wird dem Holzgas in der Unterkammer zu dessen vollständiger Verbrennung zugeführt. Die Regelung der Primär- und Sekundärluftzufuhr erfolgt getrennt.

Die Luftmengen werden je nach Hersteller und Bauart manuell eingestellt oder elektronisch geregelt. Bei Kesseln mit elektronischer Regelung werden entweder nur der Saugzugventilator bzw. das Druckgebläse drehzahlgeregelt oder zusätzlich auch die Menge der Sekundärluft geregelt, wobei der Restsauerstoffgehalt der Abgase permanent mit einer Lambdasonde gemessen werden muss.

Wie alle Holzheizkessel benötigt auch ein zur Wassererwärmung dienender Holzvergaserkessel eine Rücklaufanhebung zur Vermeidung der Bildung aggressiver Kondensate und Teerablagerungen bei Rücklauftemperaturen unter 55 °C; es sind aber bereits korrosionsfestere Brennwertkessel für Stückholz auf dem Markt, die die Abgase tiefer abkühlen können. Wie alle Feststoffbrennkessel ist ein Holzvergaserkessel zudem mit einer thermischen Ablaufsicherung zu versehen.

Bauarten:

– Handbeschickte Heizkessel für feste Brennstoffe

– raumluftabhängige handbeschickte Heizkessel für feste Brennstoffe ohne motorische Antriebe

– raumluftabhängige handbeschickte Heizkessel für feste Brennstoffe mit motorischem Antrieb

– raumluftabhängige automatisch beschickte Heizkessel für feste Brennstoffe mit motorischen Antrieben

Typprüfung

Holzvergaserkessel, die ab dem 22. März 2010 errichtet werden, dürfen nur betrieben werden, wenn dies durch Typprüfung des Herstellers belegt werden kann. §4 BImSchV. Die Typprüfung (heiztechnische Prüfung) wird bei einem unabhängigen Prüfinstitut im Auftrag des Herstellers durchgeführt. Prüfgegenstand: DIN 303-5. Durch die Konformitätserklärung des Herstellers nach ISO/IEC 17050-1, wird die Erfüllung der Norm öffentlich bestätigt.

Der Bericht über die Typprüfung (heiztechnische Prüfung) muss unter -anderem- das Folgende enthalten: 

• die Brennstoffanalyse
• der gesamte zugeführte Brennstoff über die Prüfdauer in Kilogramm
• der zugeführte Brennstoff in Kilogramm pro Stunde
• die Prüfdauer
• der Wasserkreislauf
• die Wassertemperatur bei Kesseleintritt
• die Wassertemperatur bei Kesselaustritt
• die sich ergebende Temperaturdifferenz
• die gemessenen Kohlenmonoxidemissionen mit dem entsprechenden Sauerstoffgehalt
• Kesselwirkungsgrad
• die gemessenen Staubemissionen mit dem entsprechenden Sauerstoffgehalt [mg/m³]
• die Brennstoffwärmeleistung [kW]
• die nutzbar gemachte Wärmeleistung des Kessels
• bei autom. beschickten Anlagen eine detaillierte Anlagenbeschreibung
• bei handbeschickten Anlagen eine detaillierte Anlagenbeschreibung (Verbrennungsluftgebläse, Feuerungsregelung, Lambdasonde bzw. Temperaturfühler hinter der Verbrennungskammer)

Die konstruktiven Anforderungen müssen in der Anlagenbeschreibung des Prüfberichtes aufgeführt sein.

Bei einer handbeschickten Anlage (Holzvergaserkessel) muss eine -zweifelsfreie-, konkrete Stellungnahme des prüfenden Institutes, aus der hervorgeht, in welcher Weise die geprüfte Anlage auch für eine Verfeuerung von Kohle, Koks etc. geeignet ist bzw. ausschließlich Scheitholz verfeuert werden kann.

Anhand dieses Prüfberichtes müssen die Vorgaben der geltenden Richtlinien, in Bezug auf die Kohlenmonoxidemissionen, die Staubemissionen, des Kesselwirkungsgrades und der konstruktiven Anforderungen, nachgewiesen werden.

Pufferspeicher

Holzkessel mit mehr als 4 kW Leistung bedürfen in Deutschland nach der Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV) eines Puffers. Dadurch verringern sich die Emissionen, da es die Zwischenspeicherung der erzeugten Wärme erlaubt, den Kessel stets bei Nennlast, also im optimalen Betriebszustand, zu betreiben. Ebenfalls erhöht sich der Komfort, da der Kessel nicht ständig angefeuert bleiben muss, sondern nur bedarfsweise zum Aufheizen des Pufferspeichers in Betrieb genommen wird. Die Puffergröße nach BImSchV sowie nach den Förderrichtlinien der BAFA muss mindestens 55 l je kW Kesselleistung und 12 Liter je Liter Füllschachtvolumen betragen.^[2] Vorzugsweise sollte sie oberhalb 75 l je kW Kesselleistung und 17–20 Liter Puffer je Liter Füllschachtvolumen liegen. Auch die Kesselleistung sollte nicht zu klein gewählt werden, um vernünftige Pufferaufheizzeiten zu erreichen und im Hochwinter ausreichend Heizleistung zu erzeugen, während zugleich Puffer aufgeheizt wird. Als Richtwert sollte auf die Leistung eines Öl-/Gaskessels nach herkömmlicher Berechnungsart 50 % aufgeschlagen werden. Dieser Richtwert gilt nur für handbeschickte Holzvergaserkessel.

Förderungen

Deutschland: Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gibt für den Einbau von bestimmten Scheitholzvergaserkesseln und anderen Biomassebrennern Zuschüsse. Daneben sind über die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) an entsprechende Bedingungen geknüpfte zinsgünstige Kredite erhältlich. Auch Länder und Kommunen bieten gelegentlich einschlägige Fördermittel an.

Kritik

Nach einer Studie der Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik, die Kapitalkosten und laufende Kosten von Heizungsanlagen unter verschiedenen Heizwärmeverbräuchen und Energiepreisszenarien vergleicht, „‚erweist‘ sich die Scheitholzheizung (inkl. Pufferspeicher etc.) in acht der neun betrachteten Szenarien als kostengünstigstes Heizsystem.“. Nur bei einem geringen Verbrauch von 20.000 kW/h und einem gleichbleibend geringen Energiepreisniveau von 70 $/bbl ist der Weiterbetrieb einer alten Ölheizung über einen Zeitraum von 20 Jahren günstiger.^[3]

Die Europäische Umweltagentur warnt, dass vermehrte Verbrennung von Biomasse in privaten Heizanlagen die Luftqualität verschlechtern könnte, da Holzrauch Feinstaub und Ruß enthält und giftige Stoffe wie etwa Dioxine enthalten kann.^[4][5] Etwa von 2000 bis 2005 wurden Feinstaubreduktionen mittels emissionsärmerer Formen der Holzverbrennung durch eine Zunahme der Holzverfeuerungsanlagen zunichtegemacht. Die Feinstaubemissionen aus Holzfeuerungsanlagen überstiegen nach einer Untersuchung des Umweltbundesamtes die Emissionen aus dem Straßenverkehr (nur Verbrennung) von 22.700 Tonnen.^[6] → Hauptartikel: Holzheizung#Emissionen von Holzheizungen

Siehe auch

• Holzheizung
• Pelletheizung

Weblinks

• BAFA: Zuschüsse für Erneuerbare Energien
• Liste der durch die BAFA geförderten Holzvergaserkessel (PDF; 257 kB)
• 1. BImSchV: Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen
• Entwurf DIN EN 303-1

Quelle: Seite „Holzvergaserkessel“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 15. Juli 2021, 16:24 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Holzvergaserkessel&oldid=213908851 (Abgerufen: 23. Juli 2021, 08:16 UTC)

Holzvergaser BHKW Seebeck 300 Kaminofen

Wenn der Kamin neben Wärme auch Strom erzeugt | Einfach genial | MDR-Video:

https://www.youtube.com/watch?v=F4pfvURNSw8

Der Seebeck 300W zur Erzeugung von elektrischem Strom und Erwärmung
für Zentralheizung, Brauchwasser, Raumwärme mit Thermoelektrischen Generator

– 10-20 kW für Heizung und Brauchwasser mit hocheffizienter Holzvergaser-Technik
– Wasserführend
– Wirkungsgrad > 90%, niedrige Abgastemperaturen
– 60 Liter Füllvolumen für Holzscheite einer Größe von 35 cm
– Bis zu 4 Stunden Brenndauer mit einer Ladung Holz
– Ab Spätherbst auch als Kessel für den Heizungsraum verfügbar
– Mit verschiedenen Designverkleidungen erhältlich
– Made in Germany by Thermoelect GmbH

Pluspunkte
– Optimal in Kombination mit Photovoltaik-Anlagen
– Gemeinsam mit PV und Solarthermie
– Angestrebt – Nahezu unabhängig von Heizöl oder Gas
– Mit beliebigen Heiztechnologien kombinierbar
– Versorgungssicherheit – Arbeitet bei Netzstromausfall

SEEBECK 300W, mit Strommodul
Mit Reinigungsbesteck.

Lieferbar ab Frühjahr 2022, jetzt vorbestellen! AUTARKIE-PAKET
Holzständer mit geprüftem und zugelassenem Wechselrichter, leistungsstarkem Akkumulator und Zubehör.

MwSt., Fracht, Ofenverkleidung, weiteres Angebot
Alle Preise sind inklusive 19 % Mehrwertsteuer.  Anlieferung per Spedition, Frachtkosten je nach Aufwand. Metallverkleidung schwarz oder anthrazit im Preis inbegriffen. Weitere Materialien und Entwürfe auf Anfrage. Weitere Angebote auf Anfrage, z.B. Thermische Solaranlagen, Pufferspeicher, PV-Anlagen, Akkumulatoren.

Garantie
3 Jahre, ausgenommen Verschleißteile und feuerbelastete Teile.Garantieverlängerung auf 5 Jahre für 250 Euro möglich. Es wird garantiert, dass der gelieferte Stromgenerator während eines Zeitraums von fünf Jahren, beginnend ab Lieferung an den Erstkäufer mindestens 92% der Mindestleistung (=Nennleistung laut Datenblatt) erbringt.

Ihr Ansprechpartner für den Vertrieb
Horst Erichsen

HEE – Horst Erichsen Energy
Große Elbstr. 146
22767 Hamburg
Norddeutschland

Telefon +49 40 81 79 91
E-Mail info (at) he-energy.de
Web www.he-energy.de

Holzvergasung

Der Seebeck arbeitet mit dem Prinzip der Holzvergasung und hat zwei Brennkammern. Die obere Brennkammer wird mit Scheitholz befüllt, einem regenerativen Energieträger. Die Abgase aus der oberen Holzbrennkammer werden durch Verbrennungsdüsen zur Nachverbrennung in eine zweite, untenliegende Brennkammer umgelenkt. Erst danach strömen die heißen Abgase aus dem unteren Brennraumtunnel in die Rauchzüge der Ofenrückwand und münden oben um einen Wasserwärmetauscher herum in das Kaminrohr. Auf dem Weg nach oben erhitzen die Abgase das Heizungswasser im Wärmetauscher.

Umweltschonend

Holz ist Biomasse, ein nachwachsender Rohstoff sowie ein alternativer, natürlicher Energieträger. Die Energieausnutzung erhöht sich von Scheitholz durch die Technologie der Holzvergasung auf > 90%.

Vorteile der Holzvergasung

– Universell einsetzbar und mit
  beliebigen Heiztechnologien kombinierbar
– Hohe Energieausnutzung
– Auch als Heizkessel für den Heizungsraum

Wohnraumofen

Auf Grund seiner hohen thermischen Leistung ist das Holzvergaser-BHKW Seebeck als Zusatzheizung und Wohnraumofen nutzbar und darüber hinaus als Alleinheizung und Warmwassererzeuger für das Haus einsetzbar.

Autark – Strom zum Eigenverbrauch

Je nach verwendeter Elektrotechnik kann der erzeugte Strom direkt zum Eigenverbrauch genutzt oder in einem entsprechenden Akkusystem gespeichert werden beziehungsweise über einen Inselwechselrichter als Notstromversorgung für Heizung, Kühlschrank, Ladegeräte und Ähnliches genutzt werden.

Unser Service 

Die Montage erfolgt in der Regel durch einen Heizungsbauer Ihrer Wahl. Die Planungen des Heizungsbauers werden bei Bedarf von der Thermoelect GmbH unterstützt.

Alle technischen Möglichkeiten besprechen wir vor dem Erwerb eines BHKWs bei Ihnen vor Ort oder bei Neubauvorhaben gerne gemeinsam mit Ihrem Architekten und Heizungsbauer. Wir beraten Sie unverbindlich und kostenlos. Gerne können Sie auch zu uns ins Werk kommen und den Seebeck einmal in Funktion sehen oder auch bei Nutzern in Ihrer Region.

Animation Seebeck 300W

http://he-energy.gmbh/files/theme_files/mov/ThermoelectGmbH_Animation_Seebeck_MartyFriedrich.mp4

Autarkie mit Holz Video

http://he-energy.gmbh/files/theme_files/img/Winter-Video.mp4

Stromgenerator

Der Stromgenerator mit 250 Watt (peak) ist für den nachträglichen Einbau in das Holzvergaser-BHKW Seebeck zero entwickelt worden.

Die Strom Erzeugung unseres Holzvergaser-BHKWs Seebeck erfolgt mittels Thermoelektrischer Generatoren (TEG), welche eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie des Holzfeuers in elektrische Energie ermöglichen.

Thermoelektrika bestehen aus speziellen Legierungen und Halbleiterverbindungen und erzeugen aufgrund eine Temperaturunterschieds Strom. (Seebeck-Effekt)

Wartungsfrei und geräuschlos
Im Gegensatz zu konventionell betriebenen BHKWs mit serviceintensiven Stirlingmotoren sind Thermoelektrische Module vollkommen wartungsfrei und arbeiten geräuschlos.

Normwerte TÜV

Vom TÜV-Rheinland im Rahmen der Normen-Prüfung gemessene Werte:

Bei 10 KW Teillast und 13% O²
– CO-Gehalt 179 mg/m³
– NOxGehalt 126  mg/m³
– CnHm 10 mg/m³
Bei 20KW Vollast und 13% O²
– CO-Gehalt 118 mg/m³
– NOxGehalt 148 mg/m³
– CnHm 2,60 mg/m³
– Staubgehalt 15,8 mg/m³  

Seebeck in Zahlen

Mit 250 Watt (peak) Strom für das ganze Haus
– Ofen als Energieverbraucher (Steuerung und Gebläse) 50 W
– Kesselpumpe 20 W
– Heizkreispumpe 15 W
– Licht (LED) (14 Lampen à 5 W) 70 W
– Kühl- /Gefrierkombi A++ (Privileg PRB376, 196 l Kühlanteil,
  111 l Gefrierteil, Spitzenlast 150 W) 233 kW/h je Jahr
  ergibt eine Durchschnittsleistung von 27 W
– MacBook Pro im Netzbetrieb (100% hell, MP4 Film) 20 W
– iPhone laden 10 W
– Tablet laden 10 W

Die restliche elektrische Energie wird im Akku gespeichert.

Ofenverkleidung

Modulares Design von Glaskeramik bis Sandstein

Unsere Ofenverkleidung ist modular aufgebaut, um eine größtmögliche Vielfalt an Designs anbieten zu können. In der Standardausführung umkleiden den Seebeck Bleche in schwarz oder anthrazit.

In Absprache mit unserer Abteilung für Produktdesign kann je nach individuellem Wunsch aus einer ganzen Palette von Materialien und Farbvarianten ausgewählt werden.

Sandstein, Granit, Speckstein sowie pulverbeschichtete Materialien oder auch Glaskeramik sind denkbar. Prinzipiell kommen alle nichtbrennbaren Baustoffe in der Klasse A1 für eine Ofenverkleidung in Frage. Besprechen Sie Ihre Materialwünsche mit uns, wir beraten Sie gerne.

Unsere Ofenverkleidungen sind Entwürfe von Marty Friedrich, Dipl.-Des. (FH)

Metallverkleidung, schwarz oder anthrazit sind im Preis inbegriffen.
Weitere Materialien und Entwürfe auf Anfrage.

Quelle: http://he-energy.gmbh/de/Seebeck.html geladen am 23.07.2021

Peltier-Element

Ein Peltier-Element [pɛl.tje] ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt (nach Jean Peltier, 1785–1845) bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss (Seebeck-Effekt) erzeugt. Peltier-Elemente können sowohl zur Kühlung als auch zum Heizen verwendet werden. Eine übliche Abkürzung für Peltier-Elemente und Peltier-Kühler ist TEC (engl. thermoelectric cooler).

Prinzip, Grundlagen

Schematische Zeichnung eines Peltier-Elements

Seitenansicht eines Peltier-Elements. Der elektrische Strom fließt durch die quaderförmigen Halbleiter zwischen Ober- und Unterseite

Grundlage für den Peltier-Effekt ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau (entweder p- oder n-leitend) der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinanderliegende Kontaktstellen dieser Materialien, so muss an der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden, damit das Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt, folglich kommt es zur Abkühlung. An der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird.

Da n-dotierte Halbleiter ein niedrigeres Energieniveau des Leitungsbandes aufweisen, erfolgt die Kühlung dabei an der Stelle, an der Elektronen vom n-dotierten in den p-dotierten Halbleiter übergehen (technischer Stromfluss also vom p-dotierten zum n-dotierten Halbleiter).

Der Effekt tritt auch bei Metallen auf, ist hier jedoch sehr gering und wird fast vollständig durch die Verlustwärme und die hohe Wärmeleitfähigkeit überlagert.

Ein Peltier-Element besteht aus zwei oder mehreren kleinen Quadern je aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial (Bismuttellurid, Siliciumgermanium), die abwechselnd oben und unten durch Metallbrücken miteinander verbunden sind. Die Metallbrücken bilden zugleich die thermischen Kontaktflächen und sind durch eine aufliegende Folie oder eine Keramikplatte isoliert. Immer zwei unterschiedliche Quader sind so miteinander verbunden, dass sie eine Reihenschaltung ergeben. Der zugeführte elektrische Strom durchfließt alle Quader nacheinander. Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlen sich die oberen Verbindungsstellen ab, während die unteren sich erwärmen. Der Strom pumpt somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten.

Die gebräuchlichste Form von Peltier-Elementen besteht aus zwei meist quadratischen Platten aus Aluminiumoxid–Keramik mit einer Kantenlänge von 20 mm bis 90 mm und einem Abstand von 3 mm bis 5 mm, zwischen denen die Halbleiter-Quader eingelötet sind. Die Keramikflächen sind hierzu an ihren zugewandten Flächen mit lötbaren Metallflächen versehen.

Ohne weitere Maßnahmen kann die Wärmedifferenz zwischen der kalten bzw. heißen Seite des Peltier-Elements und der Umgebung (z. B. Luft) hauptsächlich nur über Wärmestrahlung ausgeglichen werden, viel weniger durch Konvektion. Die zwischen der heißen und der kalten Seite transportierte Wärmemenge bleibt aber gleich, und somit auch die Temperaturdifferenz. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten kann, je nach Element und Strom, bei einstufigen Elementen bis ca. 70 Kelvin betragen.

Erhöht man auf einer Seite die Konvektion mittels eines aufgesetzten Kühlkörpers mit Ventilator, so wird sich auf dieser Seite eine Temperatur näher an der Umgebungstemperatur einstellen. Die Temperatur auf der anderen Seite wird entsprechend weiter von der Umgebungstemperatur abweichen. Ein Heizwiderstand kann Strom sehr viel einfacher in Wärme umwandeln, daher ist der Kühleffekt die interessantere Aufgabe eines Peltier-Elements und so wird typischerweise die heiße Seite aktiv belüftet um den Kühleffekt zu verstärken.

Die Umkehrung des Peltier-Effekts ist der Seebeck-Effekt. So ist es möglich, durch Herstellen einer Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten eines Peltier-Elements elektrischen Spannung zu erzeugen (siehe auch Thermoelektrischer Generator, Energy Harvesting).

Effizienz

Wichtige Faktoren für die Effizienz (ähnlich dem Wirkungsgrad) eines Peltier-Elements sind Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Widerstand des verwendeten Halbleitermaterials. Der erzeugte Wärmestrom ist proportional zum elektrischen Strom. Durch die Temperaturdifferenz zwischen den Seiten entsteht im Element ein Wärmerückstrom, und zwar proportional zur Temperaturdifferenz und zur Wärmeleitfähigkeit. Durch den fließenden Strom entsteht Verlustwärme, die quadratisch mit der Stromstärke steigt und proportional zum spezifischen Widerstand ist. Die Effizienz (Leistungszahl) als Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu nutzbarem Wärmestrom sinkt daher – eine Verdoppelung des elektrischen Stroms verdoppelt den Wärmestrom, aber vervierfacht die Verlustwärme. Der Wärmerückstrom kann reduziert werden, wenn für effiziente Wärmeleitung an den Außenflächen (Kühlkörper, Ventilation) gesorgt wird, und damit auch die Temperaturdifferenz gering gehalten wird.^[1]

Zusammenfassend sinkt die Effizienz mit steigendem Strom und steigt mit guter Wärme-Zu- und Ableitung.

Vor- und Nachteile

Die größten Vorteile eines Peltier-Elements sind die geringe Größe, das geringe Gewicht, die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile, Gase und Flüssigkeiten. Eine Kältemaschine benötigt dagegen immer ein Kältemittel und in den meisten Fällen einen Kompressor.

Mit Peltier-Elementen ist sowohl Kühlen als auch Heizen möglich. Damit kann eine Temperaturregelung von Bauteilen auch erreicht werden, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb oder auch unterhalb der Solltemperatur liegt.

Ein Nachteil der Peltier-Elemente ist der niedrige Wirkungsgrad von ca. 1/10 des Carnot-Wirkungsgrades, der zu einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme bei vergleichsweise geringer Kühlleistung bzw. Temperaturdifferenz führt. Ferner sind Elemente größer als 50 mm × 50 mm kaum erhältlich.

Verwendung

Handelsübliches Peltier-Element

Aufgebrochenes Peltier-Element

Aufschlüsselung der Nummer, mit der viele Peltierelemente ausgezeichnet sind

Peltier-Elemente können überall dort eingesetzt werden, wo Kühlung mit geringem Temperaturunterschied oder ohne Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit erforderlich ist. Peltier-Elemente werden beispielsweise in Kühlboxen eingesetzt, bei denen sich der Einsatz einer Kältemaschine aus Platzgründen verbietet oder nicht rentabel wäre, weil die benötigte Kühlleistung gering ist. Es wird lediglich ungeregelt eine Temperaturdifferenz zwischen innen und außen erzeugt. Die Effizienz ist gering.

Peltier-Elemente werden verwendet, um besonders langwellige oder empfindliche CCD-Sensoren zu kühlen. Dadurch verringert sich bei langen Belichtungszeiten (z. B. in der Astrofotografie) das Bildrauschen deutlich. Mehrstufige Peltier-Elemente werden zur Kühlung von Strahlungsempfängern in Infrarotsensoren verwendet.

Immer häufiger finden Peltier-Elemente auch in Labor-Messgeräten Anwendung, bei denen die Temperatur ein wesentlicher Parameter ist, wie beispielsweise in Dichtemessgeräten, Viskosimetern, Rheometern oder Refraktometern.

In Taupunktspiegelhygrometern kühlen üblicherweise ein oder mehrere hintereinandergeschaltete Peltier-Elemente den Spiegel auf bis zu −100 °C ab. Hier macht man sich zunutze, dass man die Kühlleistung von Peltier-Elementen schnell elektrisch regeln kann.

Diodenlaser werden oft mit Peltier-Elementen gekühlt und thermostatiert, um deren Emissionswellenlänge und/oder Wirkungsgrad konstant zu halten. Auch nachgeschaltete optische Elemente von Dioden- und anderen Lasern werden oft mit Peltier-Elementen thermostatiert.

Peltier-Elemente werden vereinzelt als Bestandteil von CPU-Kühlern eingesetzt. Das Peltier-Element erlaubt es hier, die CPU auf Temperaturen unterhalb der Gehäuseinnentemperatur abzukühlen, was entweder die Übertaktung der CPU ohne Einbußen an Stabilität erlaubt, oder aber die Lebensdauer des Prozessors erhöht. Das Element wird dabei am Boden eines Kühlkörpers mit Lüfter verbaut und vom Netzteil mit dem erforderlichen Strom versorgt. Bis dato haben sich solche Lösungen aber aufgrund ihres zusätzlichen Energieverbrauchs, die eingesetzte elektrische Energie wird als Abwärme in das Gehäuseinnere abgegeben, nicht durchgesetzt.

Photodioden, z. B. zum Auslesen von Szintillatoren, lassen sich aufgrund ihrer geringen Fläche mit Peltier-Elementen kühlen und so Rauschen und Dunkelstrom verringern.

In Diffusionsnebelkammern werden Peltier-Elemente verwendet, um die Temperaturdifferenz zwischen Boden und Deckel aufrechtzuerhalten.

Die in der Molekularbiologie heute zur Grundausstattung gehörenden Thermocycler verwenden Peltier-Elemente, um Proben schnell zu erwärmen und abzukühlen, was zum Beispiel bei der Polymerase-Kettenreaktion notwendig ist.

In kleinen Luftentfeuchtern werden zuweilen Peltier-Elemente eingesetzt. Hier strömt die feuchte Luft über das Kühlelement, durch die Abkühlung kondensiert das enthaltene Wasser, welches in einem Auffangbehälter gesammelt wird.

Quelle: Seite „Peltier-Element“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 24. Juni 2021, 22:57 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Peltier-Element&oldid=213265538 (Abgerufen: 4. August 2021, 12:53 UTC)

Bezugsquelle Peltierelement

Peltierelemente werden vorrangig zur Kühlung durch elektrischen Strom auf engstem Raum verwendet.

Eine Bezugsquelle für Peltierkühlgeräte lautet: https://www.uweelectronic.de

Peltierkühlgeräte Peltierheizgeräte Air to Air

für Schaltschrankkühlung, Schaltpultkühlung und Display-Kühlung

Der Wirkungsgrad in umgekehrter Reihenfolge ist zu niedrig:

Z. B. Grundwasser mit 5 °C auf der Kaltseite und Heißwasser vom Solarkollektor mit 80 °C auf der Heißseite bei ca. 5 % elektrischem Wirkungsgrad.

Z. B. Kaltluft mit 4 °C auf der Kaltseite und Warmluft mit 40 °C auf der Heißseite bei ca. 1 % elektrischem Wirkungsgrad.

Energy Harvesting

Als Energy Harvesting (wörtlich übersetzt Energie-Ernten) bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung. Die dafür eingesetzten Strukturen werden auch als Nanogenerator bezeichnet.^[1] Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batterien.

Das Energy Harvesting hat eine Bedeutung für die Energieversorgung von Miniaturgeräten in der digitalen Welt.^[2] Die nationale Normung wird in Deutschland von der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik und die internationale Normung wird vom Technical Committee 47 “Halbleitergeräte” der International Electrotechnical Commission bearbeitet.^[2]

Möglichkeiten des Energy Harvesting

• Mikroeffekte
  • Piezoelektrische Kristalle erzeugen bei Krafteinwirkung, beispielsweise durch Druck oder Vibration, elektrische Spannungen
  • Thermoelektrische Generatoren und pyroelektrische Kristalle gewinnen aus Temperaturunterschieden elektrische Energie
  • Über Antennen kann die Energie von Radiowellen, eine Form von elektromagnetischer Strahlung, aufgefangen und energetisch verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind die passiven RFIDs.
  • Photovoltaik, elektrische Energie aus der Umgebungsbeleuchtung.
  • Osmose
• Makroeffekte (mechanisch mit oder ohne Induktion)
  • Einige Armbanduhren werden durch die Bewegung des Handgelenks angetrieben. Dabei wird zumeist eine starke Unwucht auf einer Achse durch den Träger meist unwillkürlich zum Rotieren gebracht und die Rotationsenergie mechanisch oder elektromagnetisch der Kernfunktion der Uhr zugeführt. Variationen mit elektrischen Lineargeneratoren finden sich z. B. in Taschenlampen, wobei hier die Beschleunigung des beweglichen Kerns auf Grund des eher hohen Energiebedarfs einer Taschenlampe zumeist sehr intensiv und damit willkürlich zu sein hat.
  • Bodenplatten erzeugen Energie durch darüberlaufende Fußgänger. Dabei wird durch das Gewicht der Personen die Platte um bis zu 1 cm abgesenkt und damit bis zu 50 Watt an Leistung vom System aufgenommen. In Toulouse/ Frankreich gibt es dazu das Projekt Trott-Elec (Trott-Élec; Trottoir Électrique – elektrischer Bürgersteig). Die erzeugte Energie soll zur Beleuchtung der Straße genutzt werden.^[3][4] Ähnliches wurde für Tanzböden und elektrische Kleingeräte von einer Firma aus Rotterdam realisiert.^[5]
  • Rucksäcke produzieren beim Auf-und-Ab auf dem Rücken Elektroenergie, um ein Funktelefon zu laden.^[6]

Energieumwandlung durch den piezoelektrischen Effekt

Der direkte piezoelektrische Effekt wandelt mechanischen Druck in elektrische Spannung um. Als Energieerzeuger sind insbesondere Piezozünder bekannt, welche die in die Taste eingebrachte mechanische Energie in einen Zündfunken wandeln. Neuere Anwendungen in diesem Bereich sind Funkschalter, bei denen die für das codierte Funksignal notwendige Energie ebenfalls durch von Hand betätigte Piezoelemente bereitgestellt wird.^[7] Im Bereich autarker Sensoren können Piezoelemente die für das Messverfahren und eine eventuelle Funkübertragung benötigte Energie erzeugen, in dem sie in der „Umgebung“ vorhandene Schwingungsenergie wandeln, ähnlich dem Prinzip selbstaufziehender Uhren.

Energieumwandlung durch den thermoelektrischen Effekt

→ Hauptartikel: „Seebeck-Effekt“ im Artikel Thermoelektrizität

1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck, dass zwischen Enden einer Metallstange eine elektrische Spannung entsteht, wenn in der Stange ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) herrscht. Mit geeigneten Materialien gelingt es dadurch in Peltier-Elementen, aus Temperaturdifferenzen elektrischen Strom zu erzeugen.^[8]

Vorteile sind:

• keine beweglichen Teile
• wartungsfrei aufgrund der verwendeten Materialien
• mögliche Nutzung von natürlichen Wärmequellen oder Restwärme

Ein Nachteil von thermoelektrischen Generatoren ist der geringe Wirkungsgrad von unter 10 %. Thermoelektrische Generatoren gibt es für Petroleumlampen.

Siehe auch Radionuklidbatterie.

Energieumwandlung durch photoelektrischen Effekt

Bei der Nutzung des photoelektrischen Effekts in der Photovoltaik wird Lichtenergie mittels Solarzellen direkt für elektrische Verbraucher nutzbar gemacht. Es ist das verbreitetste Verfahren autarker Energieversorgungen und betreibt z. B. Parkuhren, Verkehrsleiteinrichtungen, Nachtlichter und Taschenrechner.

Schaltungstechnik

Die Spannungen und Leistungen, die aus thermoelektrischen Generatoren zur Verfügung stehen, sind in der Regel sehr klein und benötigen entsprechende Elektronik. Ein für die Thermoelektrizität entwickelter integrierter Schaltkreis benötigt z. B. nur 20 mV Eingangsspannung.^[9] Auch Amateure versuchen sich mit einfachen Mitteln, zum Beispiel mit Fotodioden als Speisespannungsquelle.^[10]

Photovoltaisch betriebene Einrichtungen sind dagegen gut etabliert und benötigen zum Betrieb außer einer Solarzelle zusätzlich oft nur einen Akkumulator. Um Überladung zu vermeiden, muss überschüssiger Strom der Solarzelle abgeleitet werden – es sei denn, der Akkumulator ist ausreichend überladefest.

Quelle: Seite „Energy Harvesting“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 9. Juni 2021, 14:34 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Energy_Harvesting&oldid=212814169 (Abgerufen: 4. August 2021, 12:56 UTC)

Rechenbeispiel

Der Seebeck 300 W erzeugt 0.3 kW/h.

Wenn wir es schaffen, den Ofen im Winter über 16 Stunden täglich zu betreiben (4 x 4 h), könnten wir knapp 5 kW Strom am Tag erzeugen. Bei 30 Tagen im Monat ergibt dies max. 150 kW Strom im Monat.

Anwendungsbeispiel