Die Thermoelektrik macht es möglich, elektrische Energie aus Abwärme zu gewinnen. Dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM ist nun ein großer Schritt in Richtung Industriereife von thermoelektrischer Module aus Halb-Heusler-Verbindungen gelungen. Sie konnten erstmals Metalllegierungen im Kilomaßstab herstellen.
Mit den Modulen aus Halb-Heusler-Verbindungen könnte ein enormer Beitrag zum Umweltschutz getan werden. Immerhin gehen mehr als zwei Drittel der weltweit eingesetzten Primärenergien als Abwärme verloren. Abwärme, die viel Potenzial für die Thermoelektrik in sich birgt.
Wärme entsteht überall als Nebenprodukt
Überall, wo Energie erzeugt und benötigt wird, entsteht Abwärme, die größtenteils ungenutzt in die Umwelt entweicht. Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung können nicht überall effizient eingesetzt werden und benötigen einen enormen Planungs- und Managementaufwand.
In Deutschland waren 2012 etwa 60 Millionen Fahrzeuge registriert. Jedes einzelne produziert Wärme, die nur teilweise genutzt wird (z.B. für die Heizung). Würden alle mit thermoelektrischen Bauteilen ausgestattet werden, könnte man dieselbe Energie erzeugen, das ein Kernkraftwerk pro Jahr ins Netz einspeist. Ein weiterer Vorteil wäre die Einsparung von CO2 am Fahrzeug, da die Lichtmaschinen der PKWs entlastet würden und dadurch weniger Kraftstoff verbraucht wird.
Was sind Halb-Heusler-Verbindungen?
Heusler-Verbindungen sind benannt nach Friedrich Heusler. Halb-Heusler-Verbindungen bestehen allgemein aus drei Legierungselementen. Zwei davon sind Übergangsmetalle und eines ist ein Element der III. – V. Hauptgruppe des Periodensystems. Obwohl die enthaltenen Legierungselemente nicht magnetisch sind, sind diese Legierungen aufgrund einer speziellen Zusammensetzung der Gitterstruktur ferromagnetisch – Halbmetall-Ferromagnetismus.
Die Halb-Heusler-Verbindungen eignen sich besonders gut für thermoelektrische Module. Sie sind umweltverträglich, halten hohen Temperaturen stand und besitzen gute thermoelektrische Eigenschaften.
Die thermoelektrische Module bestehen aus Werkstoffklötzchen, die wenige Millimeter Größe besitzen. Diese wiederum bestehen einmal aus einem n-Typ und aus einem p-Typ thermolektrischen Materials. Die elektrische Verbindung konnten die Wissenschaftler durch ein speziell entwickeltes Lötsystem herstellen. Die Module müssen
- große Temperaturdifferenzen vertragen,
- langzeitstabil sein und
- einen geringen elektrischen Widerstand besitzen.
Thermoelektrik wird industriereif
Mit dem neuen Herstellungsverfahren können Halb-Heusler-Verbindungen wesentlich effizienter und kostengünstiger produziert werden.
Als Maßstab für die Effizienz des Werkstoffes wird die thermoelektrische Güte, der ZT-Wert herangenommen. Dieser sollte mindestens eins betragen. Dies war bisher nur im Labor möglich. Durch das erfolgreiche Projekt thermoHEUSLER konnte nun jedoch Werkstoff im Kilogrammmaßstab hergestellt werden – ein Durchbruch für industrielle Anwendungen.
Die Thermoelektrik ist schon fast 200 Jahre bekannt, steckt jedoch immer noch in ihren Anfängen. Durch die Entwicklungen im thermoHEUSLER Projekt könnten gewaltige Schritte im Umweltschutz gemacht werden. Anwendungsgebiete sind omnipresent. Abwärme entsteht in fast jedem Prozess. Es bleibt interessant, was sich in diesem Bereich in den nächsten Jahren tun wird.
