Die Hitze einer Gasflamme bringt eine Keramikplatte zum Glühen: die Platte gibt Infrarotstrahlung ab und diese Strahlung wird von einer Photovoltaikzelle in Strom umgewandelt. Aus Wärme entsteht also Strom: das ist das Prinzip der Thermophotovoltaik. Jochen Bard entwickelt solche Thermophotovoltaiksysteme am Institut für Solare Energieversorgungstechnik in Kassel.
Eine Idee ist, dass man eine Standheizung, wie sie heute in Campingmobilen üblich ist, mit Thermophotovoltaik zusätzlich ausstattet und dadurch dann neben der Wärme, die das System erzeugt, auch noch eine kleine Menge elektrischer Energie erzeugt, die ausreichend ist, um dieses elektrische System mit elektrischer Energie zu versorgen. Und damit kann man dann eben vermeiden, dass der Betrieb einer solchen Standheizung die Fahrzeugbatterie entlädt.
Thermophotovoltaiksysteme eignen sich im Moment nur für solche kleinen Anwendungen: die Wirkungsgrade liegen noch unter zehn Prozent. Die Entwickler hoffen aber, wesentlich höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Möglich werden soll das durch den so genannten Emitter – eben jene Keramikplatte, die zwischen der Flamme und der Photovoltaikzelle sitzt. Auf diese Platte werden spezielle Metalle aufgebracht – und zwar Oxide der seltenen Erden. Diese Verbindungen konzentrieren das breite Wellenlängenspektrum der Infrarotstrahlung auf einen eng begrenzten Wellenlängenbereich. Wenn es den Forschern gelingt, damit genau den Wellenlängenbereich zu finden, in dem die Photovoltaikzelle Strahlung optimal absorbiert, könnten sie Wirkungsgrade von deutlich mehr als 30 Prozent erreichen. Einen entscheidenden Vorteil hat die Thermophotovoltaik jetzt schon, gegenüber herkömmlichen Systemen: sie geht nicht so leicht kaputt. Denn die Hitzequelle, der Emitter und die Photovoltaikzelle – alle diese Teile sind unbeweglich und dadurch kaum störanfällig.
Wir haben hier ein sehr wartungsarmes System, was auch sehr große Lebensdauern erreichen kann, wenn man bei den hohen Temperaturen alles in den Griff bekommt - also viele 10.000 Stunden. Das bedeutet, man hat vielleicht eine etwas höhere Anfangsinvestition, aber man bekommt ein System, das viel haltbarer ist, als zum Beispiel ein Verbrennungsmotor, und das überdies wesentlich weniger Wartung benötigt.
Gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren hat die Thermophotovoltaik einen weiteren Vorteil: sie funktioniert vollkommen geräuschlos. In den USA interessiert sich deshalb das Militär für thermophotovoltaische Stromquellen – als Ersatz für verräterisch laute Dieselgeneratoren. Hierzulande suchen die Forscher nach zivilen Anwendungsmöglichkeiten: mit Hilfe der Thermophotovoltaik können andere Energielieferanten effektiver genutzt werden:
Wenn man zum Beispiel Biomasse als Energiequelle betrachtet, dann würde man in einem geeigneten Brenner zum Beispiel Holz oder Biogas verbrennen und dann die Strahlung des Emitters in der Photovoltaikzelle nutzen, denn man hat in einem solchen System sehr viel Abwärme.
Damit könnte man aus der Biomasse gleichzeitig Wärme und Strom gewinnen. Darüber hinaus planen Jochen Bard und seine Kollegen, die Thermophotovoltaik mit solarer Photovoltaik zu kombinieren: dadurch könnte die Photovoltaikzelle einen Wirkungsgrad von 30 Prozent erreichen.
Man hat die Möglichkeit, die Solarstrahlung sehr stark zu konzentrieren, das bedeutet zum Beispiel, mit einem Parabolspiegel oder mit Flachspiegeln sehr viel Licht auf einen Punkt zu konzentrieren, und dann an diesem Punkt einen Emitter anzubringen, eine Strahlenquelle, die man so präpariert, dass sie eine Strahlung erzeugt mit einem Spektrum, das für die nachfolgende Photovoltaikzelle besonders gut geeignet ist.
Zurzeit ist die Thermophotovoltaik für einen solchen Einsatz noch viel zu teuer. Ein Watt Strom kostet zehnmal soviel wie herkömmlich erzeugter Strom. Aber wenn es den Forschern gelingt, die Effektivität zu steigern und damit den Preis zu senken, findet die Technik vielleicht eines Tages den Weg aus dem Labor auf den Markt.
Eine Idee ist, dass man eine Standheizung, wie sie heute in Campingmobilen üblich ist, mit Thermophotovoltaik zusätzlich ausstattet und dadurch dann neben der Wärme, die das System erzeugt, auch noch eine kleine Menge elektrischer Energie erzeugt, die ausreichend ist, um dieses elektrische System mit elektrischer Energie zu versorgen. Und damit kann man dann eben vermeiden, dass der Betrieb einer solchen Standheizung die Fahrzeugbatterie entlädt.
Thermophotovoltaiksysteme eignen sich im Moment nur für solche kleinen Anwendungen: die Wirkungsgrade liegen noch unter zehn Prozent. Die Entwickler hoffen aber, wesentlich höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Möglich werden soll das durch den so genannten Emitter – eben jene Keramikplatte, die zwischen der Flamme und der Photovoltaikzelle sitzt. Auf diese Platte werden spezielle Metalle aufgebracht – und zwar Oxide der seltenen Erden. Diese Verbindungen konzentrieren das breite Wellenlängenspektrum der Infrarotstrahlung auf einen eng begrenzten Wellenlängenbereich. Wenn es den Forschern gelingt, damit genau den Wellenlängenbereich zu finden, in dem die Photovoltaikzelle Strahlung optimal absorbiert, könnten sie Wirkungsgrade von deutlich mehr als 30 Prozent erreichen. Einen entscheidenden Vorteil hat die Thermophotovoltaik jetzt schon, gegenüber herkömmlichen Systemen: sie geht nicht so leicht kaputt. Denn die Hitzequelle, der Emitter und die Photovoltaikzelle – alle diese Teile sind unbeweglich und dadurch kaum störanfällig.
Wir haben hier ein sehr wartungsarmes System, was auch sehr große Lebensdauern erreichen kann, wenn man bei den hohen Temperaturen alles in den Griff bekommt - also viele 10.000 Stunden. Das bedeutet, man hat vielleicht eine etwas höhere Anfangsinvestition, aber man bekommt ein System, das viel haltbarer ist, als zum Beispiel ein Verbrennungsmotor, und das überdies wesentlich weniger Wartung benötigt.
Gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren hat die Thermophotovoltaik einen weiteren Vorteil: sie funktioniert vollkommen geräuschlos. In den USA interessiert sich deshalb das Militär für thermophotovoltaische Stromquellen – als Ersatz für verräterisch laute Dieselgeneratoren. Hierzulande suchen die Forscher nach zivilen Anwendungsmöglichkeiten: mit Hilfe der Thermophotovoltaik können andere Energielieferanten effektiver genutzt werden:
Wenn man zum Beispiel Biomasse als Energiequelle betrachtet, dann würde man in einem geeigneten Brenner zum Beispiel Holz oder Biogas verbrennen und dann die Strahlung des Emitters in der Photovoltaikzelle nutzen, denn man hat in einem solchen System sehr viel Abwärme.
Damit könnte man aus der Biomasse gleichzeitig Wärme und Strom gewinnen. Darüber hinaus planen Jochen Bard und seine Kollegen, die Thermophotovoltaik mit solarer Photovoltaik zu kombinieren: dadurch könnte die Photovoltaikzelle einen Wirkungsgrad von 30 Prozent erreichen.
Man hat die Möglichkeit, die Solarstrahlung sehr stark zu konzentrieren, das bedeutet zum Beispiel, mit einem Parabolspiegel oder mit Flachspiegeln sehr viel Licht auf einen Punkt zu konzentrieren, und dann an diesem Punkt einen Emitter anzubringen, eine Strahlenquelle, die man so präpariert, dass sie eine Strahlung erzeugt mit einem Spektrum, das für die nachfolgende Photovoltaikzelle besonders gut geeignet ist.
Zurzeit ist die Thermophotovoltaik für einen solchen Einsatz noch viel zu teuer. Ein Watt Strom kostet zehnmal soviel wie herkömmlich erzeugter Strom. Aber wenn es den Forschern gelingt, die Effektivität zu steigern und damit den Preis zu senken, findet die Technik vielleicht eines Tages den Weg aus dem Labor auf den Markt.