Abteilung Thermoelektrische Materialien und Systeme

Für einen optimalen Einsatz müssen thermoelektrische Materialien und Module an die Erfordernisse des Systems angepasst werden, in dem sie eingesetzt werden sollen. Je nach Temperaturbereich der Anwendung kommen unterschiedliche TE Materialien in Frage. Unsere Aufgabe ist dabei die Erforschung und Entwicklung solcher Materialien und der Aufbau von leistungsfähigen und langzeitstabilen TE Modulen für unterschiedliche Temperaturbereiche. Dabei betrachten wir alle Prozessschritte von der Material-, Device- und Systemsimulation über die Materialsynthese bis hin zur Aufbau- und Verbindungstechnologie für TE Module und der Entwicklung von unikalen Messverfahren für TE Materialien und Module.
Diese Schritte werden stets begleitet durch experimentelle Untersuchungen der TE Eigenschaften (Seebeck-Koeffizient, elektrische und thermische Leitfähigkeit) und Mikrostruktur (chemische und Phasen-Zusammensetzung), die zur Bewertung der Materialien und als Basis für die Simulation von TE Modulen unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen dienen.

Ein Wirkungsgrad von 8-10% bei thermoelektrischen Modulen ist bereits möglich

Das vorgenannte Kompetenzspektrum in einem Institut verfügbar zu haben beschleunigt die Entwicklung der einzelnen Prozessschritte und ermöglicht ein transparentes und effizientes Vorankommen auf dem Weg zu leistungsfähigen, stabilen und nachhaltigen TEG für eine effiziente Energienutzung der Zukunft. Mit industrietauglichen Methoden konnten bereits prototypische TE Module in Kleinserie aufgebaut werden, die 8-10% Wirkungsgrad aufweisen.
Solche Module wurden u.a. im ZIM-Projekt „nano-BHKW“ zur Ausrüstung einer Gasbrennwerttherme mit TEG zu einem Kleinst-BHKW für Einfamilienhäuser eingesetzt und können ebenso in mobilen Anwendungen (e-fuel LKW), in energie-intensiven Industrieprozessen (Metallumformung), bei der Verdampfung von kryo-Fuels (LNG-Terminals) oder beim elektrischen Fliegen (Temperierung und Abwärmenutzung der Brennstoffzelle) angewendet werden.

Neben erneuerbaren Energiequellen können stromerzeugende Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, insbesondere durch die Nutzung von Abwärme und prozessbedingten Wärmeströmen mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG), einen zentralen Bestandteil moderner Energiesysteme darstellen.
Diese Anlagen bieten als steuerbare Erzeuger:

• Versorgungsstabilität,
• Speicher­möglichkeiten
• Autarkie
• Optimierung der Effizienz durch die Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie

Wir entwickeln die TEG-Module als Kernkomponente solcher Wärme-zu-Strom-Wandler für unterschiedliche Einsatzbedingungen und Anwendungsszenarien.

Durch die Integration von TEG in industrielle Anlagen, Fahrzeuge oder andere Systeme, die Abwärme freisetzen, können Unternehmen und Organisationen einen Beitrag zur Energieeffizienz leisten.
Diese Technologie ermöglicht die Umwandlung von ungenutzter Verlustwärme in elektrische Energie und damit eine Senkung des Gesamtenergieverbrauchs.

Vorteile der Nutzung von Abwärme durch thermoelektrische Generatoren

Die Vorteile der Nutzung von Abwärme durch TEG liegen in der zusätzlichen Energiegewinnung ohne zusätzliche Brennstoffkosten oder Umweltauswirkungen.
Diese nachhaltige Praxis kann dazu beitragen, die Gesamteffizienz von Energiesystemen zu verbessern und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck zu verringern. Der (noch) vergleichsweise geringe Wirkungsgrad von TEG hat bislang einem groß-industriellen Einsatz im Wege gestanden und dazu geführt, dass Thermoelektrik sich vor allem dort durchsetzt, wo sie eine zusätzliche Systemfunktionalität ermöglicht (dezentrale Energieversorgung, autarke Sensorik, SHM (System Heath Monitoring = Schadensüberwachung an Bauteilen)) an beweglichen bzw. rotierenden Bauteilen usw. In diesem Fall sind ökonomische Barrieren oft leichter zu überwinden als motiviert durch den Umfang regenerativ erzeugter elektrischer Energie.
Über die Sensorik hinaus finden TEG Einsatz als autarke/mobile Stromquellen z.B. als RTG (Radio Thermal Generator) für die Raumfahrt, APU (auxiliary power unit) für das Militär, Navigationshilfen, Großveranstaltungen, Katastrophenschutz, Hilfe in Entwicklungsländern, outdoor/Freizeit-Sektor.

Autarke Sensorik

Die Implementierung autarker Sensorknoten, die durch thermoelektrische Generatoren (TEG) gespeist werden, eröffnet interessante Möglichkeiten für autarke Mess-, Steuerungs- und Informationstechnik. Die Vorteile dabei sind vielfältig:

1. Unabhängige Stromversorgung: Autarke Sensoren, die mit TEG betrieben werden, sind unabhängig von externen Stromquellen. Dies erhöht die Flexibilität bei der Platzierung von Sensoren, da sie absolut wartungsfrei sind.
2. Langzeitüberwachung: Autarke Sensoren könnten für Langzeitüberwachungen eingesetzt werden, ohne dass regelmäßige Batteriewechsel oder externe Stromversorgungen erforderlich sind. Dies ist besonders relevant in entlegenen Gebieten und in Anwendungen, die eine dauerhafte Überwachung erfordern.
3. Umweltfreundlichkeit: Die Nutzung von Abwärme oder Umgebungswärme zur Stromerzeugung ist umweltfreundlich und trägt dazu bei, den Energieverbrauch zu optimieren und den CO2-Fußabdruck zu reduzieren.
4. Anwendungen in verschiedenen Sektoren: Autarke Sensoren mit TEG können in verschiedenen Branchen wie Umweltüberwachung, Industrieautomation, Landwirtschaft, Fahrzeugtechnik, in Flugzeugen und Satelliten und vielen anderen eingesetzt werden, wo es auf hohe Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit ankommt.