Wie aus Ofenwärme überhaupt elektrischer Strom entsteht
Ein thermoelektrischer Generator arbeitet mit dem sogenannten Seebeck-Effekt. Vereinfacht gesagt entsteht eine elektrische Spannung, wenn zwei Seiten eines geeigneten Halbleitermoduls unterschiedliche Temperaturen haben.
Eine Seite des Moduls wird beispielsweise durch die Oberfläche des Ofens, einen Wärmetauscher oder einen Bereich am Rauchgasweg erwärmt. Die gegenüberliegende Seite wird möglichst kühl gehalten. Zwischen beiden Seiten entsteht dadurch ein Temperaturgefälle.
Je größer dieses Gefälle innerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs des Moduls ist, desto mehr elektrische Leistung lässt sich grundsätzlich gewinnen.
Das lässt sich an einem bekannten Beispiel beobachten: wärmebetriebene Ofenventilatoren. Ihre Unterseite nimmt Wärme vom Ofen auf, während Kühlrippen oberhalb des thermoelektrischen Elements Wärme an die Raumluft abgeben. Der erzeugte Strom genügt, um den kleinen Elektromotor des Ventilators anzutreiben.
Der entscheidende Punkt dabei: Ein TEG braucht nicht einfach eine möglichst hohe Temperatur, sondern gleichzeitig eine deutlich kühlere Gegenseite.
Ist beispielsweise die heiße Seite sehr warm, erwärmt sich aber auch der Kühlkörper stark, schrumpft der Temperaturunterschied wieder. Die elektrische Leistung kann dann trotz hoher Ofentemperatur vergleichsweise gering bleiben.
Welche Leistungen heute realistisch sind
Die mögliche Leistung reicht von wenigen Watt bis zu deutlich größeren Anlagen. Deshalb führt die Frage „Wie viel Strom erzeugt ein TEG am Kaminofen?“ ohne Angaben zum Aufbau schnell zu falschen Erwartungen.
Versuchsaufbauten an Holzöfen zeigen, dass kompakte Systeme durchaus Leistungen im Bereich von etwa 10 bis 20 Watt erreichen können. Andere Entwicklungen arbeiten mit mehreren thermoelektrischen Modulen, größeren Wärmetauschern und aufwendiger Kühlung und gelangen in Bereiche von 50, 100 oder sogar mehr als 200 Watt.
Das sind technisch allerdings sehr unterschiedliche Systeme.
Aufbau |
Mögliche Größenordnung |
Denkbare Nutzung |
|---|---|---|
Kleines TEG, beispielsweise im Ofenventilator |
wenige Watt oder weniger |
Ventilatormotor |
Kompakter Generator am Ofen |
etwa ein- bis niedriger zweistelliger Wattbereich |
LED, Elektronik, Akku laden |
Größeres System mit mehreren Modulen |
einige zehn Watt |
Akkus, USB-Geräte, kleine Gleichstromverbraucher |
Aufwendiges TEG-System mit starker Kühlung |
bis in den dreistelligen Wattbereich möglich |
Batteriespeicher, kleine Inselversorgung |
Diese Bereiche sind keine festen Leistungsangaben für einen bestimmten Kaminofen. Temperatur, Montage, Kühlung und verwendete Module verändern das Ergebnis erheblich.
Hinzu kommt ein weiterer Unterschied: Nennleistung und tatsächlich nutzbare Energie sind nicht dasselbe.
Erzeugt ein System beispielsweise während eines vierstündigen Abbrands durchschnittlich 20 Watt, entstehen rechnerisch:
20 Watt × 4 Stunden = 80 Wattstunden
Das entspricht 0,08 Kilowattstunden elektrischer Energie. Für einige kleine Verbraucher ist das durchaus brauchbar. Für Haushaltsgeräte mit hohem Energiebedarf ist es dagegen sehr wenig.
Warum die Kühlung oft wichtiger ist als noch mehr Hitze
Bei einem TEG fließt Wärme durch das Modul von der heißen zur kalten Seite. Genau dieser Wärmestrom ermöglicht die Stromerzeugung. Deshalb gehört ein geeigneter Kühlkörper praktisch immer zum System.
Je nach Konstruktion kommen unterschiedliche Lösungen infrage:
- Kühlrippen mit natürlicher Luftströmung
- Kühlkörper mit Ventilator
- wassergekühlte Wärmetauscher
- große Metallflächen zur Wärmeabgabe
Eine aktive Kühlung kann die elektrische Leistung erhöhen, benötigt allerdings selbst Energie. Bei guten Konstruktionen versorgt der Generator die Kühlung teilweise oder vollständig selbst.
Auch die zulässige Temperatur des thermoelektrischen Moduls setzt Grenzen. Mehr Hitze bedeutet daher nicht automatisch mehr Strom. Wird die für ein Modul vorgesehene Temperatur überschritten, können Lötstellen, Verbindungsschichten oder Halbleiterelemente dauerhaft geschädigt werden.
Deshalb sitzt ein TEG nicht zwangsläufig dort, wo der Ofen am heißesten wird. Sinnvoller ist ein Bereich, dessen Temperatur kontrollierbar bleibt und an dem gleichzeitig Wärme zuverlässig abgeführt werden kann.
Warum der Wirkungsgrad vergleichsweise niedrig bleibt
Thermoelektrische Generatoren wandeln nur einen relativ kleinen Anteil der durchströmenden Wärme in Elektrizität um. Bei verbreiteten Bismuttellurid-Systemen bewegt sich die elektrische Umwandlung unter praxisnahen Bedingungen häufig nur im einstelligen Prozentbereich.
Das klingt zunächst wenig. Bei einem Kaminofen muss die Wärme für den TEG jedoch nicht eigens erzeugt werden. Sie entsteht beim Heizen ohnehin.
Trotzdem sollte man daraus nicht schließen, dass die Stromproduktion energetisch völlig kostenlos ist. Ein Generator verändert den Wärmefluss am Ofen. Je nach Einbauort wird Wärme beispielsweise stärker aus einem Bauteil oder aus dem Abgasstrom entnommen. Solche Eingriffe dürfen die vorgesehene Funktion der Feuerstätte und des Abgassystems nicht beeinträchtigen.
Wofür sich der erzeugte Strom tatsächlich nutzen lässt
TEGs spielen ihre Stärken dort aus, wo relativ wenig elektrische Leistung benötigt wird und gleichzeitig über längere Zeit Wärme verfügbar ist.
Besonders interessant sind Anwendungen ohne zuverlässigen Netzanschluss.
Kleine elektrische Verbraucher
Mit einigen Watt lassen sich bereits verschiedene Aufgaben erledigen. Dazu gehören beispielsweise LED-Beleuchtung, kleine Sensoren oder elektronische Steuerungen.
Für einen wärmebetriebenen Ofenventilator reicht sogar eine sehr kleine Leistung. Genau deshalb ist diese Anwendung technisch vergleichsweise einfach und bereits weit verbreitet.
Smartphones und USB-Geräte laden
Auch das Laden mobiler Geräte ist grundsätzlich möglich. Zwischen TEG und USB-Ausgang wird allerdings eine geeignete Elektronik benötigt, die schwankende Spannung und Stromstärke in eine nutzbare Ausgangsspannung umwandelt.
Ein Akku zwischen Generator und Verbraucher macht das System deutlich praktischer. Der TEG lädt den Speicher während des Abbrands, während angeschlossene Geräte später aus dem Akku versorgt werden können.
Batterien für eine kleine Inselversorgung
Größere Anlagen können einen 12- oder 24-Volt-Speicher laden. Dadurch muss ein Verbraucher nicht direkt mit der momentan erzeugten Leistung betrieben werden.
Das ist wichtig, weil die Stromproduktion eines Holzofens schwankt. Während der Aufheizphase steigt die Leistung, im kräftigen Abbrand kann sie ihr Maximum erreichen und beim Ausglühen wieder abfallen.
Ein Speicher trennt diese Schwankungen vom tatsächlichen Stromverbrauch.
Haushaltsgeräte bleiben eine andere Größenordnung
Bei Geräten mit mehreren hundert oder sogar einigen tausend Watt stößt die Technik schnell an Grenzen. Wasserkocher, Kochfelder, Heizlüfter oder andere leistungsstarke Verbraucher lassen sich mit einem kleinen TEG-System nicht sinnvoll betreiben.
Selbst 100 Watt elektrische Leistung wären für einen Kaminofen-TEG bereits eine beachtliche Größenordnung. Im Haushalt entsprechen 100 Watt dagegen gerade einmal dem Leistungsbedarf einiger kleiner Geräte zusammen.
Nachrüsten ist technisch anspruchsvoller, als es zunächst wirkt
Ein thermoelektrisches Modul einfach zwischen Kühlkörper und Ofenwand zu klemmen, ist keine gute Grundlage für eine dauerhafte Lösung.
Ein funktionierendes System benötigt mehrere aufeinander abgestimmte Komponenten:
- eine geeignete Wärmeaufnahme,
- ein für den Temperaturbereich vorgesehenes TEG-Modul,
- eine ausreichend dimensionierte Kühlung,
- eine elektrische Regelung,
- bei Bedarf einen Batteriespeicher,
- Schutz vor thermischer Überlastung.
Gerade bei bestehenden Kaminöfen kommt noch ein anderer Punkt hinzu: Änderungen an Ofenkörper, Rauchgasführung oder anderen funktionsrelevanten Teilen können Einfluss auf Betriebssicherheit, Zulassung und Abgasverhalten haben.
Eine selbst gebaute Konstruktion sollte deshalb nicht in den Feuerraum, in das Rauchrohr oder in andere relevante Bauteile integriert werden, ohne dass ihre Auswirkungen fachlich geklärt sind.
Unkritischer sind eigenständige Geräte, die für eine bestimmte Oberflächentemperatur vorgesehen sind und den Ofen selbst nicht verändern. Auch hier müssen jedoch die Temperaturgrenzen des Geräts und die Herstellerangaben des Ofens beachtet werden.
Wo die Technik sinnvoll einzuordnen ist
Thermoelektrische Stromerzeugung aus Ofenwärme funktioniert und ist keineswegs nur ein Laborexperiment. Die Erwartungen sollten aber zur Größenordnung der Technik passen.
Für wenige Watt, einen selbstversorgten Ventilator oder das Laden eines kleinen Akkus kann ein TEG sehr interessant sein. Mit größeren Wärmetauschern, mehreren Modulen und guter Kühlung sind auch deutlich höhere Leistungen möglich. Gleichzeitig steigen damit Aufwand, Kosten und technische Anforderungen.
Als Ersatz für eine Photovoltaikanlage, einen Batteriespeicher oder einen klassischen Stromgenerator eignet sich ein kleiner Kaminofen-TEG nicht. Spannend wird die Technik vielmehr dort, wo Wärme sowieso vorhanden ist und schon eine überschaubare elektrische Leistung einen praktischen Nutzen hat – beispielsweise in einer Hütte, einem abgelegenen Gebäude oder als ergänzende Energiequelle während des Ofenbetriebs.
