Thermoelektrik mangelt es an effizienten Herstellungsverfahren
Mehr als zwei Drittel der weltweit eingesetzten Primärenergie gehen als Abwärme verloren. Mit thermoelektrischen Modulen ließe sich ein Teil dieser Abwärme bei Kraftwerken, Industrie- oder Heizungsanlagen sowie Autos zurückgewinnen und die auftretenden Temperaturunterschiede in Strom umwandeln. Werden thermoelektrische Module z. B. in die Abgasanlage eines Pkw integriert, könnte mit dem erzeugten Strom die Lichtmaschine des Fahrzeugs entlastet werden. Doch obwohl die wesentlichen Prinzipien der Thermoelektrik bereits seit fast 200 Jahren bekannt sind, steckt die Technologie noch immer größtenteils in den Kinderschuhen. Bisher fehlte es vor allem an effizienten Herstellungsverfahren thermoelektrischer Materialien.
Halb-Heusler-Verbindungen sind günstig und umweltfreundlich
Thermoelektrische Module sind aus wenigen Millimeter großen Klötzchen zusammengesetzt. Diese bestehen aus zwei unterschiedlichen Typen thermoelektrischen Materials: dem n-Typ und dem p-Typ. Ein Knackpunkt für die Effizienz der Module ist das Design ihrer elektrischen Kontakte. Sie müssen große Temperaturunterschiede vertragen, langzeitstabil sein und gleichzeitig den elektrischen Widerstand möglichst gering halten. Und genau hierzu eignen sich Halb-Heusler-Verbindungen besonders gut. Zudem bestehen die Metalllegierungen aus weit verbreiteten Rohstoffen, zum Beispiel Nickel, und sind wesentlich umweltverträglicher als bisher eingesetzte Materialien.
Massenproduktion hochwertiger thermoelektrischer Module möglich
Innerhalb des Projekts "thermoHEUSLER" ist dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg jetzt allerdings ein großer Entwicklungsschritt gelungen: Die Forscher konnten Halb-Heusler-Verbindungen im Labor wesentlich effizienter und kostengünstiger herstellen, als das bisher möglich war. Und, dass diese Halb-Heusler-Verbindungen auch in Massenproduktion mit einer thermoelektrischen Güte von 1,2 (ZT-Wert) gefertigt werden können, zeigten die ebenfalls am Projekt beteiligte Vacuumschmelze in Hanau und die Isabellenhütte in Dillenburg, die dieses effiziente Halb-Heusler-Material im Kilogrammmaßstab herstellen konnten.
Abgasabwärme aller PKW könnte ein Kernkraftwerk einsparen
Dass thermoelektrische Module u. a. zur Energieeffizienz im Automobil beitragen können, haben verschiedene internationale Konsortien gezeigt. Bis zu 600 Watt elektrische Leistung konnten Prototypen bereits aus der Abwärme am Abgasstrang eines Pkw erzeugen. Wären alle 60 Millionen in Deutschland registrierten Fahrzeuge 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.
