Wie Thermovoltaik Wärmeenergie in Strom umwandelt

Thermovoltaik kombiniert die Strom- und die Wärmegewinnung durch Sonnenenergie. Sonnenlicht liefert Energie, die mit zwei gängigen Technologien ausgebeutet wird. Die Fotovoltaik gewinnt mittels elektrochemischer Prozesse durch Sonneneinstrahlung Strom. Die Solarthermie schöpft die Wärme mittels Konzentration ab und wandelt sie in Brauchwärme um. Wenn beide technischen Prinzipien kombiniert werden, kann Strom aus Wärme erzeugt werden. Die Thermovoltaik verbindet beide Prinzipien. Sie dient dazu, die überschüssige Wärmeproduktion durch die Solarthermie in Strom umzuwandeln. So nutzen Eigentümer auch überschüssige Wärme optimal aus.

Thermovoltaik Grafik

Definition

Das physikalische Prinzip besteht aus der Wanderung von Elektronen, wenn zwei leitfähige Pole in Kontakt gebracht werden und eines erwärmt wurde. Die generelle Fähigkeit der Thermovoltaik Module, aus Wärme Strom zu generieren, kann sich auch aus anderen Quellen wie Ab- und Restwärme speisen. Die Leistungsfähigkeit der Thermovoltaik ist stark beschränkt und nur als Zusatztechnik sinnvoll einsetzbar.

So hat die Ausbeute von Sonnenenergie einen entscheidenden Nachteil: Sie unterliegt Schwankungen. Je nach intensität des Sonnenscheins wird mal mehr, mal weniger Energie erzeugt. Nicht selten kommt es zu Leistungsspitzen. Bei starkem Sonnenschein produziert die Solarheizung mehr Wärmeenergie als der Eigentümer verbraucht. Hier kommt Thermovoltaik zum Einsatz. Sie nutzt die überschüssige Wärmeenergie und wandelt sie in Strom um.

Resteverwerter in Hybridfunktion

In Fotovoltaiksystemen und allen anderen Wärme erzeugenden Anlagen sind temporäre Überkapazitäten und damit verbundene Wärmeverluste unvermeidlich.

  • Typischer Wärmeabfall entsteht durch die Erhitzung der Fotovoltaikmodule bei der chemisch verursachten „Stromproduktion“
  • Nachgeschaltete Thermovoltaik Module können diese sonst nutzlos verpuffende Wärme nutzen, um einen seiner beiden Pole zu erwärmen
  • Die Ausnutzungspotenziale der Thermovoltaik sind allerdings technisch bedingt sehr gering

Die höchstmöglichen Effizienzgrade liegen im einstelligen Prozentbereich. Daher ist der „Resteverwerter“ nur in Großanlagen mit einem hohen Anfall von Wärmeüberschuss sinnvoll einsetzbar. Zielobjekte sind Einrichtungen mit großem Umschlag an Wärme, wie sie in Schwimmbädern, Saunen oder Wohnheimen entstehen. Erst eine hohe Menge abschöpfbarer Wärme macht die Anschaffung und Arbeit thermovoltaischer Technik wirtschaftlich vertretbar.

Einflüsse auf den Wirkungsgrad

Der gegenwärtige Stand der Entwicklung, Strom aus Wärme zu gewinnen, kämpft vor allem mit den sowohl bei Fotovoltaik als auch in der Solarthermie dominierenden starken Schwankungen. Der sowieso schon niedrige Wirkungsgrad von Thermovoltaik wird entscheidend von den Temperaturdifferenzen beeinflusst.

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Bei einer Differenz von 100 Grad Celsius kann ein moderner Thermovoltaik Generator bis zu fünf Prozent der Wärmeenergie in Strom umwandeln. Dazu benötigt er zusätzlich einen Flächen- und Platzbedarf, der im Privathausbereich die Ausmaße der Wirtsanlage meist übertrifft.

Mit dem Sinken der Temperaturdifferenz sinkt der Wirkungsgrad proportional, mit dem Anstieg erhöht er sich. Thermovoltaikmodule haben Obergrenzen bezüglich ihrer Verträglichkeit von Erwärmung und Hitze.

Bei großer Erwärmung müssen die Kollektoren durch Ableitung beispielsweise in parallel geschaltete Pufferspeicher vor technischer Beschädigung durch Überhitzung geschützt werden. In der Folge entsteht eine Begrenzung der Höchstausnutzungsgrade, die bei den bisherigen Anlagen unter zehn Prozent liegt.

Der Energiesaldo entscheidet

Thermovoltaik eignet sich nur als Ergänzung und eingebunden in ein Gesamtsystem, das über die erforderliche Dimensionierung verfügt. Neben der Quantität der abschöpfbaren Wärme müssen auch die „besten“ Temperaturdifferenzen zur Verfügung gestellt werden. Um diese technisch zu erreichen oder zu unterstützen, verbraucht sich der Stromertrag aus der Wärme zu großem Teil für die Produktion desselben. Auf diese Weise entsteht bei unpassenden Rahmenbedingungen ein negatives „Perpetuum mobile“. Pumpen, Speicher und Kühler müssen weniger Energie verbrauchen, als anfällt. Diese Differenz ergibt den thermovoltaisch gewonnenen Strom, der aus ungenutztem Potenzial eine nutzbare Zugabe zum gesamten Energie- und Effizienzmix generiert.

Thermovoltaik: Perspektiven

An der spannenden technischen Herausforderung, eine Art Kraft Wärme Kopplung in der Solarenergie effizient zu lösen, arbeiten viele Ingenieure in der ganzen Welt. Eine Art Durchbruch ist nicht erreicht und noch nicht absehbar. Der Fotovoltaik ging es vor wenigen Jahrzehnten ähnlich.