Aktuell / 15.08.2016

Pilot-Fertigung für thermoelektrische Module

Die neu entwickelte halbautomatische Pilot-Fertigung für thermoelektrische Hochtemperaturmodule erlaubt deutlich höhere Stückzahlen als die bisher übliche manuelle Fertigung. ©Fraunhofer IPM

Sie wandeln Abwärme direkt in elektrischen Strom: Thermoelektrische Generatoren nutzen Temperaturunterschiede. Damit eröffnen sie den Weg zu energieeffizienteren Produktionsprozessen. Doch die Technologie blieb bisher auf Nischenanwendungen beschränkt, weil die Herstellung der Module sehr arbeitsaufwendig und dadurch teuer ist. Freiburger Forscher wollen das einfacher und günstiger machen:

In der Pilot-Fertigungs-Anlage des Fraunhofer IPM hergestellte thermoelektrische Module - mit einer Fläche von 16x16 mm haben sie etwa die Größe eines Zuckerwürfels. ©Fraunhofer IPM

Die Wissenschaftler nahmen am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM Ende Juli 2016 eine neuartige halbautomatische Pilot-Fertigung für thermoelektrische Hochtemperaturmodule in Betrieb. Mit ihr wollen sie diese Module preiswerter herstellen.

Dr. Jan König, Gruppenleiter Thermoelektrik am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM betont die Bedeutung der neuen Entwicklung: „Mit der Pilotfertigungsanlage haben wir einen wichtigen Schritt gemacht. Wir demonstrieren damit im Labormaßstab, dass Thermoelektrik-Module automatisiert in Serie hergestellt werden können. Das wurde bisher sehr aufwendig in Handarbeit erledigt.“ Die automatisierte Fertigung reduziert die Herstellungskosten etwa um drei Viertel. Damit lassen sich nun auch größere Stückzahlen thermoelektrischer Module deutlich kostengünstiger produzieren. Die Forscher nutzen diese insbesondere zum Aufbau von Versuchs- und Demonstrationsanlagen, mit denen sie das Potenzial der Technik verdeutlichen wollen.

Die neuen TE-Module bestehen aus sogenannten Halb-Heusler-Materialien. Sie sind im Hochtemperatur-Bereich bis 600 Grad Celsius einsetzbar. Sie decken damit einen Temperaturbereich ab, der mit den bisher üblichen Materialien aus Bismuttellurid nicht erreichbar war – diese lassen sich lediglich bis etwa 250 Grad Celsius nutzen.
Die Module aus Halb-Heusler-Materialien eignen sich dafür, elektrische Energie aus der Abwärme von Hochtemperaturprozessen in der Metall-, Zement- und Glasindustrie zu erzeugen. Ebenso können sie Abwärme von Blockheizkraftwerken (BHKW) oder von Kraftfahrzeugs-Verbrennungsmotoren verstromen.

 

Automatisierung senkt Herstellungskosten

In der von Fraunhofer IPM entwickelten Pilot-Fertigung laufen die Arbeitsschritte Sägen, Polieren, Platzieren und Löten automatisiert ab. Dadurch wird es möglich, eine deutlich höhere Zahl thermoelektrischer Hochtemperaturmodule herzustellen als bisher.
In der Folge werden Demonstratoren und Prototypen von Gesamtsystemen ebenfalls deutlich preiswerter. Thermoelektrische Gesamtsysteme zur Abwärmenutzung enthalten oft bis zu einige hundert Module.

Jan König: „In vielen Bereichen der industriellen Produktion kann Thermoelektrik dazu beitragen, die Energieeffizienz zu verbessern. Unsere Pilotanlage zeigt: eine kostengünstige Massenfertigung ist machbar. Damit kommen wir dem industriellen Einsatz thermoelektrischer Module ein gutes Stück näher.“

 

Energy Harvesting mit Thermoelektrik

Die Forscher erwarten, dass es dank günstigerer Herstellungskosten bald möglich wird, mit thermoelektrischen Generatoren auch bei kleinen Haus-BHKW oder Brennwertthermen die Stromausbeute zu steigern. Die Fraunhofer-Forscher planen, für BHKW-Anlagen passende thermoelektrische Generatoren mit geeigneten Wärmetauschern zu bauen. Um das Potenzial der Technik zu demonstrieren, wollen sie mit diesen aus der Abwärme im Kilowatt-Maßstab Strom erzeugen. Die erwünschte Leistung erzielen sie dadurch, dass sie jeweils bis zu einige hundert Module zusammenschalten.

Verknüpfte Projekte

  • Bei industriellen Hochtemperaturprozessen fallen prozessbedingt große Abwärmemengen an. Eine Möglichkeit, diese Abwärme zu nutzen, ist die Stromerzeugung mittels thermoelektrischer Generatoren (TEG). ... mehr

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt:
Energieeffizienzgewinn durch Halb-Heusler-Verbindungen in der Thermoelektronik (thermoHEUSLER)

Förderkennzeichen:
0327876C

Laufzeit:
2010-2013

Projektbeteiligte

Projektleitung und Entwicklung der Pilotfertigung:

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)

Service

BINE-Themeninfo I/2016
Thermoelektrik: Strom aus Abwärme
(PDF, 24 Seiten, 2.7 MB)

Akteure der Thermoelektrik
(PDF, 2 Seiten, 60 kB)