Thermophotovoltaik

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Thermophotovoltaik
kombiniert
Strom- und Wärmeerzeugung

 Die leuchtende Heizung

 

          Eine Wärmequelle – beispielsweise ein Gasbrenner – emittiert Strahlung, die in ihrem Spektrum auf handelsübliche Photozellen zugeschnitten ist. Die spektrale Übereinstimmung von Emitter und Generator führt zu einem höheren elektrischen Wirkungsgrad der Zellen. Diese Variante der Wärmekraftkopplung wird als Thermophotovoltaik bezeichnet und ist Forschungsgegenstand in mehreren europäischen Ländern, auch in der Schweiz: Am Paul Scherrer Institut wird mit Unterstützung des Gas-Forschungsfonds das Potential dieser Technologie ausgelotet.

 

Funktionsmuster eines thermophotovoltaischen
Generators am Paul Scherrer Institut in Villigen

          Mit 1 % ist der elektrische Wirkungsgrad der mit photovoltaischen Zellen bestückten „Campinglampe" am Paul Scherrer Institut (PSI) äusserst bescheiden. Und doch, in dieser Technik der Wärmekraftkopplung liegen grosse Hoffnungen - nicht nur von Forschern in Villigen. Allein in Europa beschäftigen sich Gruppen in fünf Ländern mit der Thermophotovoltaik (TPV), zum Teil seit Jahren. Die Idee selbst ist noch älter: Zu Beginn der sechziger Jahre schlugen Blair und andere vor, eine Lichtquelle in ihrer spektralen Verteilung derart auf photovoltaische Zellen abzustimmen, dass ein wesentlich höherer Zellenwirkungsgrad resultiert [1]. Für die heute bekannten Silizium-Zellen unter der breitbandigen, terrestrischen Sonnenstrahlung beträgt das theoretische Limit 33,4 %. Zum Vergleich: Auf 25,4 % kommt die beste - im Labor produzierte - monokristalline Silizium-Zelle, jede weitere Effizienzsteigerung ist mit unverhältnismässig hohen Kosten verbunden. Für Photozellen, die in ihrem „Fenster" (Bandgap) – das heisst: wellenlängenmässig optimal – beleuchtet werden, liegen theoretisch 70 % drin. Das Sonnenlicht ist demnach für unsere handelsüblichen Zellen eine eher ungünstige Strahlungsquelle.

Um fossile Energien - insbesondere Erdgas - auf diesem thermophotovoltaischen Weg in Elektrizität zu konvertieren, sind vier Prozessstationen nötig: eine Wärmequelle, ein selektiver Emitter, ein Filter und schliesslich die Photozelle (die traditionelle Bezeichnung Solarzelle ist naturgemäss unzutreffend).

 

Die Wärmequelle - ein Gasbrenner

          Gas bietet sich schon aus praktischen Gründen als Energieträger an, doch sind auch Heizöl oder sogar radioisotopische Generatoren sowie regenerative Energien wie Holz und Biogas einsetzbar. Die Wärmequelle erhitzt den Emitter; je höher dessen Temperatur ist, desto besser. Denn der Wirkungsgrad des Gesamtsystems steigt mit der Emitter-Temperatur, weil der verwertbare Strahlungsanteil zunimmt. Gleiches gilt allerdings auch für die Stickoxid-Emissionen: Hier setzt die Luftreinhalteverordnung Grenzen. Sofern aus lufthygienischen Gründen tiefere Temperaturen gefahren werden müssen, bringen Photozellen mit kleinerer Bandlücke bessere Wirkungsgrade. Bei den am PSI eingesetzten selektiven Emittern wächst bei einer Temperatur von 1'500°C die Leuchtkraft proportional zu T8 (T: absolute Temperatur).

 

Das entscheidende Element: der selektive Emitter

Emessivität

Emissionsspektren von drei für die Thermo-
photovoltaik geeigneten Emittermaterialien
(von links):
Ytterbiumoxid, Erbiumoxid und Holmiumoxid.
          Emissionsspektren von drei für die Thermophotovoltaik geeigneten Emittermaterialien (von links): Ytterbiumoxid, Erbiumoxid und Holmiumoxid. Herzstück und eigentliche Innovation des TPV-Generators bildet der Emitter. Denkbar einfach präsentiert sich dessen Pflichtenheft: Da Körper ihre Energie über Leitung, Konvektion oder Strahlung verlieren, sind zur Maximierung des Strahlungsanteiles - und damit zur Optimierung der Emissivität - minimale Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion erwünscht. Schwieriger wird es mit der Realisierung. Zwar unterbinden heisse Verbrennungsgase um den Emitter dessen konvektive Verluste weitgehend, doch wie lässt sich die Wärmeleitung drastisch reduzieren? Bei dieser kniffligen Frage erinnerten sich die PSI-Forscher an einen prominenten Kollegen. Karl Auer von Welsbach stellte um 1890 in Wien sein „Gas-Glüh-Licht" vor, ein aus Seltenerdmetallen gewirkter Glühstrumpf. Seltene Erdmetalle sind Oxide der Lanthaniden, eine Gruppe von 14 chemischen Elementen, die in der Natur nur in oxidierter Form vorkommen. Selten sind sie indessen nicht. Der österreichische Baron sah in seinem Auer-Strumpf einen Technologiesprung, um dem „Gas" die Marktanteile zu sichern, in stark zunehmender Konkurrenz zur elektrischen Beleuchtung. Tatsächlich ist mit gasbeschickten Leuchtkörpern in der Bauart von Auer eine deutlich höhere Lichtausbeute möglich als mit anderen, als „Brenner" konfigurierten Gaslampen.
(Glühstrümpfe sind bei Gasbeleuchtungen noch heute üblich; eine weitverbreitete Variante geht auf Tilley zurück.) In Villigen kommen versuchsweise die Oxide von Ytterbium (Yb2O3, 1794 im schwedischen Steinbruch Ytterby entdeckt), Erbium (Er2O3) und Holmium (Ho2O3) zum Einsatz. Diese Seltenerdmetalle sind für selektive Emitter besonders geeignet (in Abbildung 1 sind die Emissionspektren aufgezeichnet). Interessant ist nun, dass für alle drei Emittermaterialien Photozellen mit passenden Bandlücken verfügbar sind (Tabelle 1). Aus Kostengründen kommen am PSI indessen nur Silizium-Zellen in Frage.

 

Emittermaterial Passende Photozelle Bandlücke
Ytterbiumoxid (Yb2O3) Silizium (Si, monokristallin) 1'100 nm
Erbiumoxid (Er2O3) Gallium-Antimonid (GaSb) 1'770 nm
Holmiumoxid (Ho2O3) Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) 2'200 nm

Tabelle 1: Photozellen und ihre Bandlücken für drei verschiedene Emittermaterialien.

 

Die niedrige Wärmeleitfähigkeit empfiehlt, wie erwähnt, die Seltenerdmetalle zum Einsatz in Emittern. Da sich die Kühlwirkung im wesentlichen auf die Strahlung beschränkt, entstehen sehr hohe Temperaturen mit dem dafür typischen weissen Licht. Nachteilig sind die geringe mechanische und chemische Stabilität. Schon Auer zerfielen die Strümpfe in den Händen. Ziel des PSI-Projektes ist es, mit dem Emitter vier - teilweise gegensätzliche - Forderungen zu erfüllen: Neben der niedrigen Wärmeleitung und einer hohen Festigkeit sind eine dichte Oberfläche (ermöglicht hohe Flächenhelligkeit) sowie eine an die PV-Zelle weitgehend angepasste Selektivität erforderlich. Die Lösung liegt in einem Kompromiss.

 

Photozellen – noch aus Silizium

          Kompromisse sind auch beim Einsatz der Photozellen angesagt. Denn einige der bekanntenTechnologien, wie die Niederbandgapzellen in Gallium-Antimonid und in Indium-Gallium-Arsenid, sind zwar aufgrund der Bandlücke sehr geeignet, in ihrem Wirkungsgrad aber bislang ungenügend. Insofern liegen zwischen der Silizium-Zelle und den Gallium-Zellen Jahrzehnte der Forschung und der Entwicklung. Zudem sind diese neuen Zellen, selbst für Laborarbeiten, „unbezahlbar". Handelsübliche Silizium-Zellen dagegen sind vergleichsweise kostengünstig und garantieren einen Wirkungsgrad von bis zu 16 % (bei Solarstrahlung).

 

Der Filter als Wärmetauscher

          Zwischen Glühstrumpf und Photozellen liegt ein Filter. Im TPV-Funktionsmuster in Würenlingen besteht dieser Filter aus zwei konzentrisch angeordneten Gläsern in einem Abstand von 5 mm. Der mit Wasser gefüllte Zylindermantel hat zwei Funktionen: Als Hitzeschutzschild filtert das Wasser die für die Si-Zellen nicht verwertbare und wirkungsgradsenkende Infrarot-Strahlung weg; der Mantel bildet zudem einen Wärmetauscher, um die Wärme aus dem Gerät auszukoppeln. Im PSI-Muster ist der Filter mit einem Wasserbehälter verbunden, der sinnvollerweise direkt oberhalb des Brenners montiert ist.

 

Modellierung notwendig

          Der TPV-Generator funktioniert und erst noch mit einem im internationalen Vergleich guten elektrischen Wirkungsgrad. Trotzdem, vor den Forschern liegt ein Berg von Arbeit, den sie durch kontinuierliche finanzielle Unterstützung abtragen wollen. Beispielsweise mussten sie ein Modell entwickeln, um den Prozess in allen Schritten qualitativ zu beschreiben. Im Zentrum stand der Strahlungsaustausch zwischen Emitter, Filter und Zelle. Eine Unzahl von Parametern lässt sich anhand dieses Modells variieren, um dann über die Parameterstudien zur Dimensionierung und zur Optimierung des TPV-Generators zu kommen. Eines Tages werden unsere Heizungen leuchten wie Gaslampen – und dabei Strom erzeugen.

 

Eingangsgrössen Berechnete Grössen
Emittertemperatur 1'500 °C Brennerleistung 85 kW/m2
Filtertemperatur 100 °C Kühlleistung des Filters 21 kW/m2
Zellentemperatur 20 °C Kühlleistung der Zellen 17,5 kW/m2
Vorwärmtemperatur 500 °C Leistung im Abgas 43 kW/m2
Luftzahl (Luftüberschuss) 1,0 Elektrische Leistung 3,4 kW/m2

Tabelle 2: Eckdaten eines thermophotovoltaischen Generators mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 4,0 %. Quelle: Nationale PV-Tagung in Bern, 1998.

 

Foga

Der Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungfonds der Schweizerischen Gasindustrie (Foga) ist Geburtshelfer der Schweizer TPV-Variante. Als einer der drei NEFF-Nachfolger unterstützt der Foga, oft zusammen mit dem Bundesamt für Energie, Forschungs-, Pilot- und Demonstrationsprojekte im Energiebereich. (NEFF steht für Nationaler Energie-Forschungs-Fonds.) Anträge an den Foga sind zu richten: SVGW, Postfach, 8027 Zürich.

 

Literatur

[1] Blair, J., White, D.C., Wedlock, B.D.: Recent advance in thermal energy conversion. In: Proceedings 15th Power Source Conference, pages 125 - 132, 1961.

[2] Schubnell, M., Benz, P., Mayor, J.-C.: Design of a Thermophotovoltaic Residential Heating System. Solar Energy Materials and Solar Cells. 1998.

[3] Panitz, J.-C., Schubnell, M., Geiger, F., Durisch, W.: Proceedings of the 3rd
NREL Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, Colorado Springs, AIP, 1997.

[4] Durisch, W., Panitz, J.-C.: Development an Characterisation of a Rare Earth Emitter for a Thermophotovoltaic Power Generator. PSI Annual Report 1996, Annex V, p. 35.

Förderung

Foga
Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfond des Schweizerischen Gasindustrie
8027 Zürich

Projektgruppe

Paul Scherrer Institut, Villigen
Markus Schubnell
Beda Grob
Jean-Claude Mayor
Jan-Christoph Panitz
Willhelm Durisch.

 


© Othmar Humm, Oerlikon Journalisten AG

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