Prozess- und Abwärme Wandlung in elektrischen Strom (PAWELS)

Problemstellung
Die begrenzten Ressourcen für Primärenergie und der weltweit steigende Energiebedarf beschleunigen die Suche nach erneuerbaren Energiequellen. In vielen industriellen Prozessen wird eine große Menge an Energie benötigt, die nur zum Teil genutzt wird oder werden kann. Das heißt, es fällt in großen Mengen Abwärme an.
Thermoelektrische Generatoren (TEGs) können eine wichtige Rolle bei der sauberen Energieproduktion oder Wandlung übernehmen. TEGs sind Festkörpermodule ohne bewegliche Teile und damit sehr zuverlässig. TEGs können Abwärme, die sonst an die Umgebung abgegeben würde, in elektrischen Strom wandeln. Der Wirkungsgrad ist zurzeit zwar relativ niedrig, die Effizienz der Wandlung von Wärme in elektrischen Strom liegt in der Größenordnung von 5%. Neueste wissenschaftliche Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Wirkungsgrad mit der Entwicklung neuer Materialien stark erhöht werden kann und in Laboraufbauten auch bereits erhöht wurde.
In der aluminiumproduzierenden Industrie fällt eine große Menge an Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau an. Es besteht Interesse, diese Abwärme zu nutzen, um die Effizienz des Gesamtprozesses zu steigern. Die Schmelzöfen selbst dürfen nicht verändert werden, um die Qualität des Produktes nicht zu beeinflussen. Allerdings werden Al-Blöcke oder Al-Coils nach Erstarren mit einer Menge Wärmeinhalt zum Abkühlen einfach draußen gelagert. Bisher wurde keine Möglichkeit gesehen, diese Abwärme sinnvoll zu verwerten.

Projektziele
Das Ziel dieses Vorhabens war es, Abwärme, die in der industriellen Produktion (hier spezifisch die Aluminiumproduktion) anfällt zu nutzen, und einen Teil davon in höherwertige elektrische Energie umzuwandeln.
Prozesswärme, die nicht genutzt werden kann, fällt in vielen Industriezweigen wie z.B in der Glas- und Keramikindustrie, der Halbleiterproduktion und der chemischen Industrie. Selbst bei Wärmekraftwerken ist eine Nutzung der Abwärme mit Hilfe thermoelektrischer Generatoren denkbar.
Dieses Forschungsvorhaben sollte eine Vorreiterrolle dabei einnehmen, Anwendungen zu etablieren, bei denen bisher ungenutzte Abwärme zumindest teilweise in nutzbare elektrische Energie gewandelt wird.
Entwicklungsschwerpunkte waren:
– Anpassung eines TEGs an die Gegebenheiten der Aluminium-Produktion
– Entwicklung geeigneter Systemtechnik
– Entwicklung geeigneter Meßtechnik
– Stromproduktion aus Abwärmenutzung

Vorgehensweise
Der Ablauf des Vorhabens sah zunächst Vorarbeiten zur Entwicklung eines Labormusters vor, einschließlich der Auswahl von geeigneten TEG Modulen. Mit den ausgewählten Modulen und geeigneten Wärmetauschern wurde dann ein Muster aufgebaut, das schrittweise zum einsatztauglichen Demonstrationsaufbau entwickelt wurde.
Parallel wurde eine geeignete Meßtechnik aufgebaut und getestet.
An einem heißen Aluminium-Barren sollte beim Abkühlprozeß mit Hilfe des Demonstrationsaufbaus elektrischen Strom erzeugt werden, diesern gemessen und verfügbar gemacht werden.
Ein thermoelektrischer Generator wurde mitsamt Isolierungen, Kühlkörpern und Abfuhr der Wärmeenergie aufgebaut und im Labor getestet. Ein wichtiger Punkt war die Ankopplung des TEG an die Wärmequelle und -senke, um nicht zu große Verluste an Wärmewiderständen zu haben und die Entwicklung einer angepassten Leistungselektronik.
Nach Anfertigung der Komponenten, Aufbau und Test des TEG Systems im Labor und dem Umsetzen möglicher Verbesserungen wurde das System bei einer Al-Produktionsfirma angebaut.
Das System zur thermoelektrischen Stromerzeugung bei Aluminiumbarren besteht aus 8 Subsystemen. Diese Subsysteme wurden so verschaltet, dass wahlweise eine elektrische Reihen- oder Parallelschaltung der Subsysteme mit Hilfe einer eigens dafür entwickelten Schaltmatrix möglich ist. Thermisch liegt sowohl warmseitig, als auch kaltseitig eine Parallelschaltung vor. Die erzeugte elektrische Leistung wurde in einen geregelten DC/AC Spannungswandler mit ¿Maximum Power Tracking¿ zur Erzeugung von 230V Netzspannung eingespeist.
Die Subsysteme selbst bestehen aus einer Wärmekoppelplatte und einem Flüssigwärmetauscher, der von Kühlwasser durchflossen ist. Dazwischen sind jeweils 14 in Reihe geschaltete TEG Module montiert. Eine Isolierung zwischen den Subsystemen soll einen parasitären Wärmefluß zur Kaltseite hin vermindern.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Mit einem Versuchsaufbau wurden TEG an Al-Barren aus der Gießerei positioniert und der erzeugte Strom ermittelt. Bei hohen Barrentemperaturen war der erzeute Strom so hoch, dass der Versuchsaufbau den erzeugten Strom nicht weiter verarbeiten konnte. Insgesamt wurden die ursprünglichen Erwartungen deutlich übererfüllt.
Der Versuchsaufbau mit den empfindlichen TEGs direkt am Barren war jedoch für die Industrieumgebung nicht alltagstauglich. Daher wurde ein Lösungsansatz verfolgt, bei dem die Wärme aus dem Barren nicht direkt an den TEG angekoppelt wird, sondern bei der ein Flüssigwärmetauscher in Kontakt mit dem heißen Barren gebracht wird und ein geeignetes Thermoöl dabei aufgeheizt wird. Dieses heiße Thermoöl gibt dann mit Hilfe eines weiteren Wärmetauschers die aufgenommene Wärmeenergie an den TEG ab, der sich dabei an einer ganz anderen Stelle befinden kann. Das System wurde im Laborbetrieb mit einer Schwerkraftpumpe, die den Kreislauf ohne eigenen elektrischen Energiebedarf antreibt, erfolgreich getestet.
Durch Trennung von TEG und Wärmequelle muss nur noch der Primarwärmetauscher eine gewisse Robustheit aufweisen. Bei anderen Wärmequellen muss neben der Leistungselektronik auch nur der Primärwärmetauscher modifiziert werden, so dass nun die Abwärmequellen verschiedenster Industrie- und Produktionszweige erschlossen werden können.

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