Fraunhofer IPM
Thermoelektrik als Stromquelle
Thermoelektrische Module gewinnen aus Temperaturunterschieden Strom. An der richtigen Stelle z.B. im Auto angebracht, könnten die Module Strom erzeugen und so die Lichtmaschine entlasten. Bisher fehlte jedoch ein effizientes Herstellungsverfahren. Das Fraunhofer IPM präsentiert den besten ZT-Wert für Halb-Heusler-Verbindungen und führt die Thermoelektrik so zur Industriereife
Mehr als zwei Drittel der heute weltweit eingesetzten Primärenergien wie Öl und Gas gehen durch Abwärme verloren. In Kraftwerken, Industrie- oder Heizungsanlagen sowie in Autos könnte ein Teil dieser Verlustenergien mittels thermoelektrischen Elementen zur Stromgewinnung verwendet werden. Bleiben wir beim Beispiel Auto: In die Abgasanlage eines Fahrzeugs integriert können Thermoelemente Strom erzeugen und so die Lichtmaschine des PKWs entlasten.
Das Prinzip der Thermoelektrik ist seit fast zwei Jahrhunderten bekannt und könnte in verschiedenen Applikationen helfen, Energie effizienter einzusetzen. Allerdings fehlt bisher ein effizientes Herstellungsverfahren für die thermoelektrischen Module. Bis jetzt.
Das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg haben eine Methode entwickelt, mit der sich Halb-Heusler-Verbindungen wesentlich effizienter und kostengünstiger herstellen lassen als bisher. Halb-Heusler-Verbindungen sind für ein für thermoelektrische Prozesse sehr gut geeignetes Material. Die Fortschritte wurden im Rahmen des vom BMWi-geförderten Projekts »thermoHEUSLER« gemacht, in dem die Forscher aus Freiburg gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH, dem Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, der Vacuumschmelze in Hanau und der Isabellenhütte in Dillenberg arbeiten.
ZT-Wert von 1,2
In dem Projekt »thermoHEUSLER« konnten die Forschungspartner die thermoelektrische Güte, sprich: den ZT-Wert, auf einen Wert von 1,2 verbessern – die Industrie fordert Werte von größer eins. Laut Dr. Kilian Bartholomé vom Fraunhofer IPM entspricht das den besten bisher veröffentlichten Werten für Halb-Heusler-Verbindungen. Allerdings sei für die industrielle Anwendung entscheidend, den im Labor erreichten Effizienzwert auch in der Massenproduktion zu erreichen. Im Rahmen des Projekts gelang es der Vacuumschmelze und der Isabellenhütte erstmals, dieses Halb-Heusler-Material im Kilogrammmaßstab herzustellen.
Thermoelektrische Module sind aus mehreren, wenige Millimeter großen Blöcken zusammengebaut, welche wiederum aus zwei unterschiedlichen Typen thermoelektrischen Materials bestehen, dem n- und dem p-Typ. Daraus resultierte eine weitere Herausforderung für die Forscher: Das Design der elektrischen Kontakte, welche große Temperaturunterschiede vertragen, langzeitstabil sein und den elektrischen Widerstand möglichst gering halten müssen. Dafür haben die Forscher ein spezielles Lötsystem entwickelt.
Millionen Tonnen CO2 einsparen
Am Beispiel Auto zeigen sich die Möglichkeiten der thermoelektrischen Module: Ein Prototyp konnte aus der Abwärme am Abgasstrang eines PKWs bis zu 600 W elektrische Leistung erzeugen. »In Deutschland waren zu Jahresbeginn fast 60 Millionen Fahrzeuge registriert. Wären diese alle mit den kleinen thermoelektrischen Kraftwerken an der Abgasanlage ausgerüstet, ließe sich theoretisch schon heute Energie in einer Größenordnung einsparen, wie sie ein Kernkraftwerk jährlich produziert. Das entspricht in etwa einer Ersparnis von mehreren Millionen Tonnen CO2«, so Bartholomé.
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