Kommt ein neues Energiezeitalter? Strom ohne Autos. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts waren sich Erfinder und Wissenschaftler der Vorteile bewusst, die die weit verbreitete Nutzung von Elektrizität mit sich bringen könnte. Allerdings gab es lange Zeit keine Möglichkeit, es kostengünstig in ausreichender Menge zu bekommen. Doch 1821 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Seebeck ein merkwürdiges Phänomen.

Wenn wir einen geschlossenen Stromkreis aus zwei miteinander verlöteten unterschiedlichen Leitern nehmen und eine Verbindungsstelle erhitzen und die andere abkühlen, entsteht im Stromkreis ein Strom. In diesem überraschend einfachen Gerät (sie nannten es Thermoelement) wird Wärmeenergie sozusagen direkt in elektrische Energie umgewandelt.

In der schon lange vor ihm bekannten galvanischen Zelle wurde Energie durch Auflösen des Metalls im Elektrolyten gewonnen. Diese Stoffe sind recht teuer, und auch Energie war nicht billig. Das Thermoelement ist eine andere Sache. Er selbst wird nicht verbraucht und der Kraftstoff ist recht erschwinglich. Darüber hinaus können seine Verbindungen durch alles erhitzt werden: Sonne, vulkanische Hitze, durch das Ofenrohr austretende Verbrennungsprodukte usw.

Schauen wir uns einige seiner Eigenschaften genauer an. Ein einzelnes Thermoelement entwickelt eine kleine EMF – Zehntel, Hundertstel Volt. Allerdings ist sein Innenwiderstand sehr klein, daher kann der erzeugte Strom sehr groß sein.

Ein solch schönes Experiment ist seit langem bekannt. Ein Elektromagnet mit einem Eisenkern und einer Wicklung bestehend aus ... einer Windung. Doch die Wende ist ein fingerdicker Bügel aus Kupfer, verschlossen mit einer angelöteten Brücke aus Wismut. Wir erhitzen ein Ende der Verbindung mit einem gewöhnlichen Laborbrenner und kühlen das andere mit Wasser. Es entsteht ein Strom von Tausenden Ampere, und der Magnet (mit einer Umdrehung!) hält das Gusseisen der Großmutter fest.

Eine niedrige EMF stellt kein Problem dar, Thermoelemente können problemlos zu einer Batterie mit Hunderten oder Tausenden von in Reihe geschalteten Quellen verbunden werden. Es sieht aus wie eine Ziehharmonika aus abwechselnden Streifen aus zwei Metallen. Für den Einsatz in kleinen Galvanikwerkstätten war ein starker Strom bei mäßiger Spannung von 2-3 Volt am besten geeignet. Es wurde durch thermoelektrische Generatoren erzeugt, die einem kleinen Ofen mit Holz, Kohle oder Gas ähnelten.

Sie wurden zu Beginn des Jahrhunderts von Handwerkern verwendet. Es gab auch Versuche, größere Probleme zu lösen. So baute Clouet beispielsweise Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts in Paris einen thermoelektrischen Generator, der 80 Yablochkovs „Kerzen“ mit Energie versorgte. Der Wirkungsgrad der damaligen Anlagen lag nicht über 0.3 %. Es scheint sehr wenig zu sein, aber die gesamte verlorene Wärme könnte zum Heizen des Hauses, zum Erhitzen von Wasser oder zum Kochen von Speisen genutzt werden. Es wurden auch Heizöfen mit eingebauten thermoelektrischen Generatoren angeboten. Es ist merkwürdig, dass ihre Installation den Kraftstoffverbrauch zum Heizen in keiner Weise erhöht. Denn Strom wird, wenn er im selben Raum verbraucht wird, wieder in Wärme umgewandelt!

Die Geschichte hat etwas anderes bestimmt. Es stellte sich heraus, dass die Stromerzeugung in Kraftwerken und die zentrale Verteilung an die Verbraucher viel rentabler waren. Noch im letzten Jahrhundert war der Wirkungsgrad von Kraftwerken zehnmal höher als der von Thermoelementen. Doch die elegante Schlichtheit und die Zuverlässigkeit, die durch das Fehlen beweglicher Teile entsteht, faszinierten viele. Versuche, die Effizienz ohne tiefe Einsicht in die Theorie zu steigern, führten nicht zu ernsthaften Erfolgen. EMF entsteht durch die Erwärmung der Thermoelementschenkel, gleichzeitig entsteht jedoch ein parasitärer Wärmefluss, der nutzlos von der heißen zur kalten Verbindung fließt. Bei dem Versuch, es zu nutzen, begannen sie, Kaskaden von Thermoelementen zusammenzustellen, in denen die kältere Verbindungsstelle des einen die heiße Verbindungsstelle des anderen erwärmt. Die Temperatur der heißen Verbindungen auf jeder Stufe der Kaskade nimmt ab. Durch die Auswahl von Materialien, die in einem bestimmten Temperaturbereich am besten funktionieren, kann jedoch die Effizienz des gesamten Systems erheblich gesteigert werden.

Es gibt noch eine andere Möglichkeit. Man nennt es Wärmerückgewinnung. Lassen Sie uns den Luftstrom entlang der thermoelektrischen Kaskade vom kalten zum heißen Ende leiten. Gleichzeitig nimmt es von den Elementen einen Teil der durchströmenden Wärme auf und erwärmt sich. Danach leiten wir heiße Luft in den Ofen und sparen so etwas Brennstoff. Dieser gesamte Vorgang kommt einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Thermoelementmaterialien gleich und ist nur dann von Vorteil, wenn jedem Element ein genau definierter Teil der Wärme entzogen wird. Die Regeneration ist jedoch nur dann spürbar, wenn die in die Kaskade einbezogenen Thermoelemente selbst ausreichend perfekt sind.

In den 30er Jahren wurden in unserem Land besonders intensiv theoretische Arbeiten auf dem Gebiet der Thermoelektrizität betrieben. Sie sagen, es gibt nichts Praktischeres als eine gute Theorie. Der Akademiker A.F. Ioffe entwickelte eine neue Theorie der Prozesse, die in einem Festkörper ablaufen. Einige angesehene Wissenschaftler nahmen es mit Feindseligkeit auf und nannten es „quantenmechanisches Unterbewusstsein“. Doch 1940 gelang es aufgrund ihrer Erkenntnisse, den Wirkungsgrad des Thermoelements um das Zehnfache zu steigern. Dies geschah aufgrund des Ersatzes von Metallen durch Halbleiter – Stoffe mit höherer thermoelektrischer Leistung und geringer Wärmeleitfähigkeit.

Zu Beginn des Krieges entstand in Ioffes Labor ein „Partisanenkessel“ – ein thermoelektrischer Generator zur Stromversorgung tragbarer Radiosender. Es handelte sich um einen Wasserkocher, an dessen Boden sich außen Thermoelemente befanden. Ihre brennbaren Verbindungen befanden sich im Feuer des Feuers, und die kalten, am Boden des Topfes befestigten Verbindungen wurden durch hineingegossenes Wasser gekühlt.

Durch sorgfältige Materialauswahl und den Einsatz von Regeneration ist es heutzutage möglich, den Wirkungsgrad des Thermoelements auf bis zu 15 % zu steigern. Zu Beginn des Jahrhunderts hatten konventionelle Kraftwerke einen solchen Wirkungsgrad, heute hat er sich mehr als verdreifacht. Für ein Thermoelement ist in der Großenergietechnik noch kein Platz. Aber es gibt auch eine kleine Energie. Um eine Funkrelaisstation auf einem Berggipfel oder eine Seesignalboje mit Strom zu versorgen, sind mehrere Dutzend Watt erforderlich. Es gibt auch abgelegene Orte, an denen Menschen leben, die Strom und Wärme benötigen. In solchen Fällen werden mit Gas oder flüssigem Brennstoff beheizte Thermoelemente verwendet. Besonders wertvoll ist, dass diese Geräte nur einmal im Jahr oder seltener in einem kleinen unterirdischen Bunker aufgestellt und völlig unbeaufsichtigt gelassen werden können, um den Kraftstoffvorrat aufzufüllen. Aufgrund der geringen Leistung ist der Verbrauch bei jedem Wirkungsgrad akzeptabel, und außerdem ... gibt es keine Wahl.

Ärzte haben eine merkwürdige Anwendung für thermoelektrische Generatoren gefunden. Seit mehr als zwei Jahrzehnten tragen Tausende von Menschen einen implantierten Herzschrittmacher, der unter der Haut platziert wird. Die Energiequelle dafür ist eine winzige (mit einem Fingerhut versehene) Batterie aus Hunderten in Reihe geschalteten Thermoelementen, die durch den Zerfall eines harmlosen Isotops erhitzt werden. Alle 5–10 Jahre erfolgt ein einfacher Austausch.

In Japan werden elektronische Uhren hergestellt, deren Energie ein Thermoelement aus der Handwärme liefert.

Kürzlich gab ein italienisches Unternehmen den Beginn der Arbeiten an einem Elektrofahrzeug mit thermoelektrischem Generator bekannt. Diese Stromquelle ist viel leichter als Batterien, sodass die Kilometerleistung eines thermoelektrischen Autos nicht geringer ist als die eines herkömmlichen. (Denken Sie daran, dass Elektrofahrzeuge mit einer einzigen Ladung 150 km zurücklegen können.) Es wird angenommen, dass der Kraftstoffverbrauch durch verschiedene Tricks akzeptabel gemacht werden kann. Die Hauptvorteile des neuen Besatzungstyps sind absolut ungefährliche Abgase, geräuschlose Bewegung, die Verwendung des billigsten flüssigen (und möglicherweise festen) Kraftstoffs und eine sehr hohe Zuverlässigkeit.

In den 30er Jahren waren die in unserem Land durchgeführten Arbeiten an Thermoelementen weithin bekannt. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum der Schriftsteller G. Adamov in seinem Roman „Das Geheimnis zweier Ozeane“ das U-Boot „Pioneer“ beschrieb, das Energie aus Batteriekabeln erhielt. So nannte er thermoelektrische Generatoren in Form langer Kabel. Mit Hilfe einer Boje stiegen ihre heißen Verbindungen in die oberen Schichten des Ozeans, wo die Temperatur 20–25 °C erreicht, und die kalten wurden durch tiefes Wasser mit einer Temperatur von 1–2 °C gekühlt Der fantastische „Pioneer“ ist ein Boot, das in der Lage ist, hundert Punkte Vorsprung vor den aktuellen Atomwaffen zu erzielen und seine Batterien aufzuladen.

Ist es echt? Über direkte Experimente dieser Art wird in der Presse nicht berichtet. Es kam jedoch etwas Merkwürdiges dazwischen. Es entstand ein thermoelektrischer Generator mit einer Leistung von 1000 kW, der aus der Wärme heißer unterirdischer Quellen Energie erzeugt. Der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Verbindungsstelle beträgt 23°C, da im Ozean das spezifische Gewicht mit 6 kg pro 1 kW deutlich geringer ist als bei herkömmlichen U-Boot-Kraftwerken. Stehen wir an der Schwelle einer neuen Energiewende, eines neuen Zeitalters der Elektrizität?

Autor: A. Saveliev

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