HighTEG, Creavis, Innovation, thermoelektrische Generatoren

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Temperaturdifferenzen energetisch verwerten


Thermoelektrische Generatoren (TEGs) wandeln Wärme in elektrische Energie um und ermöglichen so die Nutzung von Abwärme, beispielsweise aus industriellen Prozessen. Das Verfahren birgt großes Potenzial für die Energierückgewinnung. Um dies heben zu können, hat die Creavis ein neues, innovatives Herstellverfahren für die Generatoren entwickelt. Das Konzept wurde 2016 mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis Forschung ausgezeichnet. Jetzt stehen die ersten, in Kleinserie produzierten TEGs von Evonik vor der Systemintegration bei ausgewählten Entwicklungspartnern.

Auf rund 300 Terrawattstunden wird das energetische Potenzial der Abwärme geschätzt, die alleine in Deutschland jedes Jahr anfällt – insbesondere bei energie- und wärmeintensiven industriellen Prozessen. Bisher bleibt es weitgehend ungenutzt, obwohl eine Methode zur direkten Wandlung von Abwärme in elektrische Energie existiert: thermoelektrische Generatoren. Sie können aus kleinen Temperaturdifferenzen emissions- und geräuschlos Strom erzeugen. Der dabei genutzte Festkörpereffekt ist unter dem Namen Seebeck-Effekt schon lange bekannt. Obwohl sich nur fünf Prozent der Wärmeenergie auf diese Weise direkt umwandeln lassen, ist es sinnvoll, die Abwärme als regenerative Energiequelle zu nutzen.

TEGs kommen bisher allerdings nur in Nischenanwendungen zum Einsatz. Ein Grund dafür ist die Komplexität des herkömmlichen Herstellprozesses: Viele manuelle Schritte machen das Verfahren kostspielig. Ein weiterer Grund liegt in den verfügbarer Materialien: Sie sind recht teuer, lassen sich aber nur bei Temperaturen von weniger als 200 °C einsetzen. Viele heißere Abwärmequellen in der Industrie können dadurch nicht erschlossen werden.

In mehrjähriger Arbeit ist es einem Team der Creavis gelungen, einen Hochleistungsprozess zu entwickeln, mit dem TEGs vollautomatisiert und mit geringerem Materialaufwand – und damit kostengünstiger – produziert werden können. Die robusten, leistungsfähigen TEG-Module in völlig neuem Design sollen unter dem Markennamen ESPRYX™ vermarktet werden. Durch die Materialwahl und eine spezielle schwarze Beschichtung funktionieren sie bei Temperaturen bis 280 °C.

Besonders großes Potenzial für die Energierückgewinnung aus Abwärme bieten energieintensive Industrien wie die Zement-, Glas-, Keramik- und Metallherstellung und –verarbeitung. Dort werden vielfach Temperaturen weit über 200 °C erreicht. Aber auch die Abwärme am Abgasstrang von Lastwagen oder Schiffsdieseln wäre mit TEGs sinnvoll nutzbar.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bieten autonome Energiesysteme wie zum Beispiel Heizgebläse für Großzelte, die mit Gas betrieben werden. Häufig werden solche Zelte – etwa als Notunterkünfte – an einem Ort ohne Stromquelle aufgestellt. Mit Hilfe leistungsfähiger TEGs ließe sich dann aus der Abwärme direkt Strom erzeugen – zum Beispiel für Licht, Telefon und ähnliche Anwendungen.


Ein TEG-Modul besteht aus vielen nur wenige Kubikmillimeter großen, paarweise angeordneten thermoelektrischen (TE-)Schenkeln aus einem Halbleitermaterial. Im Betrieb ist eine Seite des Moduls der Wärmequelle zugewandt (Heißseite) und eine davon abgewandt (Kaltseite). Die Temperaturdifferenz zwischen beiden Seiten erzeugt am thermoelektrisch aktiven Material eine proportionale Spannung. Um die thermoelektrischen Eigenschaften zu nutzen, werden sogenannte n- und p- dotierte Materialien verwendet. Je ein n- und ein p-Schenkel bilden dabei ein Schenkelpaar. Um eine nutzbare Spannung zu erhalten, wird eine Vielzahl solcher Schenkel elektrisch in Reihe geschaltet. 

 
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Bisher erfolgt die Herstellung von TEGs aus vielen einzelnen TE-Schenkeln weitgehend in Handarbeit. Der von der Creavis entwickelte Prozess erlaubt nun die gleichzeitige Herstellung aller Schenkel eines TEGs innerhalb eines mechanisch stabilen, thermisch und elektrisch isolierenden Trägers. Als Aktivmaterial dient der bewährte Halbleiter Bismuttellurid (Bi2Te3), der einen hohen Seebeck-Koeffizienten und gute Temperaturstabilität aufweist. Der Prozess erlaubt auch den Einsatz neuer, in der Entwicklung befindlicher Materialien.

 
 

  

Weitere Informationen

KlimaExpo.NRW

KlimaExpo.NRW
Als 288. von angestrebten 1.000 positiven Beispielen für den Klimaschutz in und aus Nordrhein-Westfalen wählte die Initiative KlimaExpo.NRW das Projekt HighTEG der Creavis aus. 

Giesserei - Die Zeitschrift für Technik, Innovation und Management

Giesserei
Stefan Schumann, Dirk Lehmann, Patrick Stenner, Sascha Hoch: Abwärmenutzung mit thermoelektrischen Generatoren. GIESSEREI 104 (10/2017), S. 64 ff.