Thermoelektrische Generatoren (TEG) und thermoelektrische Kühler (TEC).

Die rasante Entwicklung der Produktivität geht einher mit der doppelten Herausforderung der Umweltverschmutzung und der Energiekrise. Heutzutage wird der Energieverbrauch immer noch von fossilen Brennstoffen dominiert, deren nicht erneuerbare Eigenschaften und schnelle Erschöpfung das Überleben der nächsten Generationen bedrohen. CO2 Reduktion ist das zentrale Thema bei der Erreichung der Klimaziele.

Daher sind die Entwicklung neuer Energietechnologien und die Verbesserung der Effizienz konventioneller Energiequellen zwei Kernpunkte, um diese Probleme anzugehen und die Kohlenstoffemissionen zu verringern. Das Ziel der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung drängt die Menschen dazu, nach umweltverträglichen alternativen Energien zu suchen.

Der Anteil erneuerbarer Energiequellen wie Sonne, Wind, Erdwärme und Biomasse an der Energieverteilung hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Dennoch wird bei der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung immer noch eine große Menge an Wärme verschwendet. Die Entwicklung neuer Energietechnologien im Bereich Wärme und Kälte hat deshalb enorme Bedeutung.

Update 7.7.2025

Was ist die Idee von Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Thermoelektrische Generatoren: Die clevere Art, Wärme in Strom zu verwandeln.

Die Energiewende stellt Deutschland vor grosse Herausforderungen, wobei die Steigerung der Energieeffizienz und die Reduzierung von CO2-Emissionen eine entscheidende Rolle spielen. Ein erheblicher Teil der in industriellen Anlagen eingesetzten Energie geht derzeit als Abwärme verloren, teilweise sogar mehr als die Hälfte. Hier setzt die innovative Idee der thermoelektrischen Generatoren (TEG) an: Sie ermöglichen es, diese ungenutzte Abwärme direkt in elektrische Energie umzuwandeln.Das Grundprinzip: Der Seebeck-Effekt Das Kernstück der thermoelektrischen Generatoren ist der Seebeck-Effekt. Dieser physikalische Effekt, der bereits im 19. Jahrhundert vom deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckt wurde, besagt, dass sich an jedem Material, das einem Temperaturgefälle ausgesetzt ist, eine elektrische Spannung – die sogenannte Thermospannung – bildet. Einfach ausgedrückt: Wenn zwei unterschiedliche Materialien, die elektrisch miteinander verbunden sind, an ihren Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, entsteht eine elektrische Spannung. Die Elektronen bewegen sich auf der heisseren Seite schneller, was zu einem Ladungsdefizit auf dieser Seite und einem Überschuss auf der kälteren Seite führt, wodurch eine nutzbare elektrische Spannung generiert wird. Um ausreichend hohe Spannungen zu erzielen, werden in TEGs spezielle Materialpaarungen und mehrere thermoelektrische Elemente in Reihe geschaltet.

Vorteile und Eigenschaften.

Im Gegensatz zu vielen alternativen Technologien benötigen TEGs keine beweglichen Komponenten. Dies führt zu einer Reihe von Vorteilen:

• Hohe Lebensdauer.
• Geringe Wartungskosten.
• Vibrations- und geräuschloser Betrieb.
• Sie sind besonders wartungsarm und langlebig.
• TEGs können Sensoren batterielos und wartungsfrei mit Energie versorgen.

Vielseitige Anwendungsbereiche Die Fähigkeit, Wärme direkt in Elektrizität umzuwandeln, macht TEGs für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv:

Automobilindustrie: Ein bedeutendes Einsatzgebiet ist die Nutzung der Abwärme von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen, um die Bordelektronik zu versorgen oder sogar den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu senken. Experten schätzen das Spritsparpotenzial auf fünf bis zehn Prozent.

Raumfahrt: TEGs werden in Raumsonden eingesetzt, wo sie aus der Kälte des Weltraums in Kombination mit einem Heizelement zuverlässig Strom für Sonden erzeugen. Radioisotopische thermoelektrische Generatoren (RTGs) nutzen hierbei die Wärme aus radioaktivem Zerfall, beispielsweise von Plutonium-238.

Industrielle Prozesse: TEGs können ungenutzte Abwärme in Kraftwerken und anderen industriellen Anlagen in nutzbare Energie umwandeln. Flexible Generatoren können beispielsweise an heissen Industrierohren angebracht werden, um bisher verlorene Wärme zu nutzen.

Internet der Dinge (IoT) und Smart Home: TEGs sind ideal für die energieautarke Versorgung von Sensoren und Geräten in abgelegenen oder schwer zugänglichen Bereichen sowie im Smart Home. Schon geringe Temperaturunterschiede von 5-10 Kelvin können elektrische Leistung im Milliwatt-Bereich für Sensoren liefern. Auch zeitliche Temperaturveränderungen, wie sie in Flugzeugen, Brücken oder Gebäuden auftreten, können für das "Energy Harvesting" genutzt werden.

Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen Trotz ihrer Vorteile weisen aktuelle TEGs oft einen geringen Wirkungsgrad auf, der im Bereich von 2 bis 8 Prozent liegt, obwohl im Bestfall bis zu ca. 17% erreicht werden können. Zudem sind die eingesetzten Materialien in Herstellung und Verarbeitung oft teuer und ökologisch nicht nachhaltig. Daher konzentriert sich die Forschung, unter anderem am ZET, auf die Entwicklung und Optimierung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien, die einen nachhaltigen Einsatz ermöglichen. Aktuelle Fortschritte umfassen:

Die Entwicklung modular aufgebauter TEGs auf Basis flexibler Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramischer Materialien.

Die Erforschung von Alternativmaterialien wie Skutterudite, Halb-Heusler-Legierungen, Silicide und Tetrahedrite, die höhere Umwandlungsraten bei Temperaturen von 250 bis 700 °C versprechen.

Die Entwicklung von Tellur-freien Materialien wie Magnesium-Antimon-Verbindungen, die bereits einen höheren Wirkungsgrad als kommerzielle Bismuttellurid-Generatoren erzielen.

Neue Druckverfahren, die die kostengünstige Herstellung von dreidimensionalen TEGs aus speziellen Tinten ermöglichen, zum Beispiel durch Origami-Faltung. Flexible TEGs können sich zudem besser an verschiedene Formen anpassen, wie beispielsweise Rohre oder Auspuffanlagen, was ihre Effizienz erheblich steigert.

Die Thermoelektrik birgt ein schlummerndes Potenzial, um bisher verschwendete Abwärme in wertvolle Energie umzuwandeln und somit einen wichtigen Beitrag zur Energieeffizienz und Nachhaltigkeit zu leisten.

Wie funktionieren TEGs?

Die Idee und Funktionsweise von TEGs:

Der Seebeck-Effekt als Grundlage: Der Kernmechanismus besagt, dass sich an jedem Material, das einem Temperaturgefälle ausgesetzt ist, eine elektrische Spannung (die sogenannte Thermospannung) bildet. Wenn zwei unterschiedliche Materialien, die elektrisch miteinander verbunden sind, an ihren Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, entsteht eine elektrische Spannung.

Elektronenbewegung: Auf der heisseren Seite bewegen sich die Ladungsträger (Elektronen) schneller, was zu einem Mangel an Ladungsträgern auf dieser Seite und einem Überschuss auf der kälteren Seite führt. Dies generiert eine nutzbare elektrische Spannung. 

Aufbau der Generatoren: Um ausreichend hohe Spannungen zu erzeugen, bestehen TEGs aus mehreren thermoelektrischen Elementen, die in Reihe geschaltet sind. Diese Elemente bestehen typischerweise aus Halbleitermaterialien, wie Bismuttellurid (Bi2Te3), Bleitellurid (PbTe), Silizium-Germanium (SiGe), Bismut-Antimon (BiSb) oder Eisen-Disilizid (FeSi2), die im Vergleich zu Metallen eine wesentlich höhere Effizienz ermöglichen.

Temperaturdifferenz: Ein TEG benötigt eine heisse Seite (Wärmequelle) und eine kalte Seite (Kühlvorrichtung), um einen möglichst grossen Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten, da eine grössere Temperaturdifferenz mehr Stromproduktion ermöglicht.

Vorteile und Eigenschaften, die aus der Funktionsweise resultieren:

• Keine beweglichen Teile: Im Gegensatz zu vielen anderen Technologien benötigen TEGs keine beweglichen Komponenten.
• Hohe Lebensdauer und geringe Wartung: Dies führt zu einer langen Lebensdauer und niedrigen Wartungskosten.
• Geräusch- und vibrationsarmer Betrieb: Der fehlende Verschleiss durch Bewegung macht sie zudem vibrations- und geräuschlos. 

Herausforderungen in der Effizienz:

Wirkungsgrad: Aktuelle TEGs erreichen oft einen Wirkungsgrad von 2 bis 8 Prozent, obwohl im Bestfall bis zu ca. 17% erreicht werden können. Dies ist im Vergleich zu anderen Stromerzeugungstechnologien noch relativ gering.

Einflussfaktoren: Die Effizienz wird massgeblich von der Qualität der verwendeten Materialien, dem Design des Generators und der vorhandenen Temperaturdifferenz bestimmt. Für einen hohen Wirkungsgrad muss die sogenannte ZT-Gütezahl (Figure of Merit) möglichst gross sein. Diese hängt quadratisch vom Seebeck-Koeffizienten ab und ist umso grösser, je höher die elektrische Leitfähigkeit und je geringer die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials ist.

Materialkosten und Nachhaltigkeit: Die verwendeten Materialien sind oft teuer und in der Herstellung sowie Verarbeitung nicht immer ökologisch nachhaltig, wie beispielsweise Tellur, dessen Knappheit den grossflächigen Einsatz begrenzt.

Die Forschung, beispielsweise am ZET oder KIT, konzentriert sich daher auf die Entwicklung und Optimierung kostengünstiger, hochverfügbarer und effizienterer thermoelektrischer Materialien, um den nachhaltigen Einsatz von TEGs voranzutreiben.

Wie adressiert die Forschung diese Herausforderungen, insbesondere Material- und Effizienzprobleme?

Die Forschung adressiert die Herausforderungen von Thermoelektrischen Generatoren (TEGs), insbesondere die Material- und Effizienzprobleme, durch vielfältige Ansätze, die die gesamte Wertschöpfungskette umfassen.

Herausforderungen der TEG-Technologie: Aktuelle TEGs weisen oft einen geringen Wirkungsgrad auf, der zwischen 2 und 8 Prozent liegt, obwohl im Bestfall bis zu circa 17% erreicht werden können. Im Vergleich zu anderen Stromerzeugungstechnologien ist dies noch relativ gering. Zudem sind die eingesetzten Materialien in Herstellung und Verarbeitung oft sehr teuer und ökologisch nicht nachhaltig. Die Knappheit des Elements Tellur, das in den seit über 50 Jahren kommerziell genutzten Bismuttellurid-Verbindungen die Grundlage bildet, begrenzt heute den grossflächigen Einsatz von TEGs. Eine weitere Herausforderung besteht darin, Materialien zu finden, die gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, da dies eine "paradoxe Anforderung" an ein Material darstellt.

Forschungsansätze und -erfolge zur Adressierung dieser Probleme:

Materialentwicklung und -optimierung:

Das Zentrum für Energie und Umwelttechnologie (ZET) konzentriert seine Forschung auf die Entwicklung und Optimierung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien, um einen nachhaltigen Einsatz zu ermöglichen.

Es wurden bereits modular aufgebaute thermoelektrische Generatoren auf Basis flexibler Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramischer Materialien realisiert.

Für Anwendungen bei höheren Temperaturen (250 bis 700 °C), wie sie beispielsweise im Auspuff von Fahrzeugen auftreten, wo Bismuttellurid nicht geeignet ist, favorisiert die Materialforschung Alternativmaterialien wie Skutterudite (RxCo4Sb12), Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn), Silicide (z.B. Mg2Si) und Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13). Diese Materialien versprechen Umwandlungsraten von thermischer in elektrische Energie von bis zu 10%.

Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) hat in Zusammenarbeit mit dem Texas Zentrum für Supraleitung (TcSUH) einen Tellur-freien thermoelektrischen Generator auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen entwickelt. Dieser erreicht bei einer Temperaturdifferenz von 250°C einen Wirkungsgrad von 7,0% und übertrifft damit sogar den Wirkungsgrad kommerzieller Bismuttellurid-Generatoren (ca. 5,2%), was eine praktikable und nachhaltige Alternative darstellt.

Fertigungsverfahren und Designoptimierung:

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt neue Druckverfahren für kostengünstige, dreidimensionale thermoelektrische Generatoren. Dies ermöglicht die Herstellung von TEGs mit massgeschneiderten Tinten (organisch und auf anorganischen Nanopartikeln basierend) und umgeht aufwendige Fertigungsverfahren aus Einzelteilen.

Ein innovatives Verfahren ist der Siebdruck auf hauchdünnen flexiblen Kunststofffolien, die anschliessend mittels Origami-Faltung in eine kompakte, zuckerwürfelgrosse Form gebracht werden. Diese Methode ist auf industrielle Massstäbe skalierbar und ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Produktion. Die Drucktechnologien erlauben zudem eine individuelle Anpassung des Bauteils an die jeweilige Anwendung.

Wissenschaftler der Pennsylvania State University arbeiten an der Entwicklung flexibler thermoelektrischer Generatoren, die sich besser an verschiedene Formen und Grössen von Wärmequellen, wie Rohre und Auspuffanlagen, anpassen können. Diese Flexibilität maximiert den Oberflächenkontakt mit der heissen Quelle und steigert die Effizienz erheblich. Durch die Integration von Flüssigmetall zwischen den Schichten der flexiblen Generatoren wird die Energiedichte erhöht und auch bei grösseren Massstäben aufrechterhalten.

Das DLR-Institut für Werkstoff-Forschung in Köln betreibt die Grossforschungsanlage TEG-Tech, die die gesamte Wertschöpfungskette zur Fertigung von TEG-Modulen für hohe Anwendungstemperaturen (bis 600°C, mit Ziel 250-1000°C) abdeckt. Dies umfasst die Herstellung, Verarbeitung und Beschichtung hocheffizienter Halbleitermaterialien sowie deren elektrische und thermische Kontaktierung. Das Ziel ist die Entwicklung von Modulen für stationäre und mobile Anwendungen.

Effizienzsteigerung durch grundlegende Forschung:

Die Effizienz von TEGs wird massgeblich durch die Qualität der verwendeten Materialien, das Design des Generators und die vorhandene Temperaturdifferenz bestimmt.

Forschungen haben gezeigt, dass der Einsatz von Nanotechnologie in thermoelektrischen Materialien die Wärmeübertragungseffizienz erhöhen und somit die Gesamteffizienz des Generators verbessern kann. Die Nanotechnologie ermöglicht eine effizientere Bewegung der Elektronen und optimiert dadurch die Stromerzeugung.

Ein wichtiges Ziel in der Materialentwicklung ist die Optimierung der Materialstrukturen für eine bessere Wärmeübertragung und elektrische Leitfähigkeit.

Diese Forschungsaktivitäten konzentrieren sich darauf, die Effizienz zu steigern, die Materialkosten zu senken und nachhaltigere Alternativen zu finden, um das Potenzial der Thermoelektrik zur Umwandlung von Abwärme in nutzbare Energie umfassender zu erschliessen.

Wie wurden Thermoelektrische Generatoren (TEGs)entwickelt?

Die Reise der Wärme in den Strom: Wie thermoelektrische Generatoren (TEGs) das Licht der Welt erblickten und sich entwickelten. Die Energiewende ist eine der grössten Herausforderungen unserer Zeit, und ein Schlüsselaspekt dabei ist die Steigerung der Energieeffizienz und die Reduzierung von CO2-Emissionen. Ein Grossteil der Energie, die in industriellen Anlagen eingesetzt wird, geht heute als ungenutzte Abwärme verloren. Doch genau hier setzen thermoelektrische Generatoren (TEGs) an – innovative Geräte, die in der Lage sind, diese ungenutzte Abwärme direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz zu vielen anderen Technologien benötigen TEGs keine beweglichen Komponenten, was ihnen eine hohe Lebensdauer, geringe Wartungskosten und einen vibrations- sowie geräuschlosen Betrieb verleiht.

Doch wie kam es zu dieser vielversprechenden Technologie, und welche Entwicklungsschritte haben TEGs durchlaufen? 

Die Wurzeln im Seebeck-Effekt: Eine Entdeckung des 19. Jahrhunderts

Der Grundstein für die Funktionsweise von TEGs wurde bereits im 19. Jahrhundert gelegt. Der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte 1821 den sogenannten Seebeck-Effekt. Dieser physikalische Effekt besagt, dass sich an jedem Material, das einem Temperaturgefälle ausgesetzt ist, eine elektrische Spannung (die sogenannte Thermospannung) ausbildet. Anfangs war diese Spannung sehr gering – nur wenige Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied.

Die Grundidee ist einfach: Wenn zwei unterschiedliche Materialien, die elektrisch miteinander verbunden sind, an ihren Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, entsteht eine elektrische Spannung. Auf der heisseren Seite bewegen sich die Ladungsträger (Elektronen) schneller, was zu einem Mangel an Ladungsträgern auf dieser Seite und einem Überschuss auf der kälteren Seite führt, wodurch eine nutzbare elektrische Spannung generiert wird. Eine grössere Temperaturdifferenz ermöglicht dabei die Produktion von mehr Strom.

Vom Metall zum Halbleiter: Der Weg zu höherer Effizienz

Anfangs wurden für thermoelektrische Anwendungen Metalle verwendet. Jedoch wurde bald erkannt, dass der Einsatz von Halbleitermaterialien – ähnlich wie beim Peltier-Element – die Effizienz gegenüber metallischen Thermoelementen erheblich steigern kann. Um ausreichend hohe Spannungen und Leistungen zu erzielen, werden in einem TEG mehrere dieser thermoelektrischen Elemente zwischen der kalten und der warmen Seite elektrisch in Reihe geschaltet. Typische Halbleitermaterialien, die zum Einsatz kommen, sind Bismuttellurid (Bi2Te3), Bleitellurid (PbTe), Silizium-Germanium (SiGe), Bismut-Antimon (BiSb) oder Eisen-Disilizid (FeSi2), die Wirkungsgrade zwischen drei und acht Prozent erreichen können. Bismuttellurid-Verbindungen bilden dabei seit über 50 Jahren die Grundlage für kommerziell genutzte TEGs.

Herausforderungen und die Rolle der Forschung.

Trotz dieser Fortschritte weisen aktuelle TEGs immer noch einen relativ geringen Wirkungsgrad auf, der oft zwischen 2 und 8 Prozent liegt, obwohl im Bestfall bis zu 17 Prozent erreicht werden können. Dies ist im Vergleich zu anderen Stromerzeugungstechnologien noch gering. Ein entscheidender Faktor für einen hohen Wirkungsgrad ist eine möglichst grosse ZT-Gütezahl (Figure of Merit), die quadratisch vom Seebeck-Koeffizienten abhängt und umso grösser ist, je höher die elektrische Leitfähigkeit und je geringer die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials ist. Dies stellt eine „paradoxe Anforderung“ an die Materialien dar, da klassische elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind und klassische Isolatoren Wärme abschirmen.

Hinzu kommt, dass die eingesetzten Materialien in Herstellung und Verarbeitung oft sehr teuer und ökologisch nicht nachhaltig sind. Insbesondere die Knappheit von Tellur, einem Element, das in vielen traditionellen TEG-Materialien vorkommt, begrenzt den grossflächigen Einsatz.

Die Forschung widmet sich diesen Herausforderungen mit Hochdruck:

Materialentwicklung und -optimierung: Das Zentrum für Energie und Umwelttechnologie (ZET) konzentriert sich auf die Entwicklung und Optimierung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien für einen nachhaltigen Einsatz. Bereits modular aufgebaute Generatoren auf Basis flexibler Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramischer Materialien konnten in Kooperation mit Industriepartnern realisiert werden. Für höhere Temperaturen (250 bis 700 °C), wie sie im Fahrzeugauspuff auftreten, werden Alternativmaterialien wie Skutterudite (RxCo4Sb12), Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn), Silicide (z.B. Mg2Si) und Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13) erforscht, die Umwandlungsraten von bis zu 10 % versprechen. Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) hat sogar einen Tellur-freien thermoelektrischen Generator auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen entwickelt, der bei einer Temperaturdifferenz von 250 °C einen Wirkungsgrad von 7,0 % erreicht und damit kommerzielle Bismuttellurid-Generatoren übertrifft (ca. 5,2 %).

Fertigungsverfahren und Designoptimierung: Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt neue Druckverfahren für kostengünstige, dreidimensionale thermoelektrische Generatoren. Dies geschieht mittels massgeschneiderter Tinten (organisch und auf anorganischen Nanopartikeln basierend). Eine innovative Methode ist der Siebdruck auf hauchdünnen flexiblen Kunststofffolien, die dann per Origami-Faltung in eine kompakte, zuckerwürfelgrosse Form gebracht werden. Diese Methode ist auf industrielle Massstäbe skalierbar und ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Produktion. Wissenschaftler der Pennsylvania State University arbeiten an flexiblen thermoelektrischen Generatoren, die sich besser an verschiedene Formen und Grössen von Wärmequellen, wie Rohre und Auspuffanlagen, anpassen können, um den Oberflächenkontakt zu maximieren und die Effizienz erheblich zu steigern. Durch die Integration von Flüssigmetall zwischen den Schichten wird zudem die Energiedichte erhöht. Das DLR-Institut für Werkstoff-Forschung in Köln betreibt die Grossforschungsanlage TEG-Tech, die die gesamte Wertschöpfungskette zur Fertigung von TEG-Modulen für hohe Anwendungstemperaturen (bis 600 °C, Ziel 250–1000 °C) abdeckt, von der Materialherstellung bis zur Modulcharakterisierung.

Effizienzsteigerung durch Nanotechnologie: Forschungen haben gezeigt, dass der Einsatz von Nanotechnologie in thermoelektrischen Materialien die Wärmeübertragungseffizienz erhöhen und die Bewegung der Elektronen effizienter gestalten kann, wodurch die Gesamteffizienz des Generators verbessert wird.

Eine vielversprechende Zukunft.

Die Entwicklung von TEGs ist ein fortlaufender Prozess, der von grundlegenden physikalischen Entdeckungen bis hin zu hochmodernen Material- und Fertigungstechnologien reicht. Angesichts des drängenden Bedarfs an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit verspricht die kontinuierliche Forschung und Optimierung dieser Technologie, das schlummernde Potenzial der Abwärmenutzung umfassend zu erschliessen und zu einer nachhaltigeren Energielandschaft beizutragen.

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) wandeln Wärme direkt in elektrische Energie um, eine Fähigkeit, die entscheidend von den verwendeten Materialien abhängt. Die Entwicklung geeigneter Materialien ist ein Kernpunkt in der Forschung und hat sich seit der Entdeckung des Seebeck-Effekts im 19. Jahrhundert stark weiterentwickelt.

Von Metallen zu Halbleitern: Die Entwicklung der TEG-Materialien

Anfänglich wurde für thermoelektrische Anwendungen der Seebeck-Effekt auch mit Metallen genutzt. Es wurde jedoch schnell erkannt, dass Halbleitermaterialien die Effizienz im Vergleich zu metallischen Thermoelementen erheblich steigern können. Ein thermoelektrisches Element, das Herzstück eines TEG, besteht typischerweise aus zwei unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die an ihren Enden elektrisch verbunden sind. Wenn zwischen diesen Enden eine Temperaturdifferenz besteht, wird elektrische Energie erzeugt. Um höhere Spannungen und Leistungen zu erzielen, werden mehrere dieser thermoelektrischen Elemente zwischen der kalten und warmen Seite elektrisch in Reihe geschaltet.

Zu den gebräuchlichen Halbleitermaterialien, die in TEGs zum Einsatz kommen, gehören:

Bismuttellurid (Bi2Te3): Dieses Material bildet seit über 50 Jahren die Grundlage für kommerziell genutzte TEGs. Es wird häufig aufgrund seiner hohen Effizienz als bevorzugte Wahl genannt. Allerdings ist Bi2Te3 nur für Temperaturen von maximal 200 °C ausgelegt und schmilzt bei höheren Temperaturen, wie sie im Auspuff von Fahrzeugen auftreten können. Die Knappheit von Tellur (Te <0,001 ppm in der Erdkruste und Produktion <500 t/Jahr) begrenzt zudem den grossflächigen Einsatz.

Bleitellurid (PbTe): Auch dieses Material wird häufig verwendet. Technisch wäre es für Anwendungen bei höheren Temperaturen geeignet, jedoch darf Blei aufgrund seiner Giftigkeit nicht in elektrischen Komponenten eingesetzt werden.

• Silizium-Germanium (SiGe).
• Bismut-Antimon (BiSb).
• Eisen-Disilizid (FeSi2).

Diese Materialien können Wirkungsgrade zwischen drei und acht Prozent erreichen. Im Bestfall können TEGs Wirkungsgrade von etwa 17 % erzielen, aber oft liegen diese deutlich darunter.

Herausforderungen und die Rolle der Materialforschung.

Ein wesentlicher Faktor für einen hohen Wirkungsgrad ist eine möglichst grosse ZT-Gütezahl (Figure of Merit). Dies erfordert Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer geringen Wärmeleitfähigkeit. Dies stellt eine "paradoxe Anforderung" dar, da klassische elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind und klassische Isolatoren Wärme abschirmen.

Die Forschung konzentriert sich daher stark auf die Entwicklung und Optimierung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien, die einen nachhaltigen Einsatz ermöglichen. Ziel ist es, die gesamte Prozesskette zu betrachten, von der Materialsynthese und kostengünstiger Prozessierung bis hin zur Modellierung und Charakterisierung.

Jüngste Fortschritte bei thermoelektrischen Materialien haben die Effizienz und Leistung von TEGs erheblich verbessert. Forscher untersuchen neue Verbindungen und nanostrukturierte Materialien. Beispiele für alternative Materialien, die für höhere Temperaturen (250 bis 700 °C) erforscht werden, sind:

• Skutterudite (RxCo4Sb12).
• Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn).
• Silicide (z.B. Mg2Si).
• Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13). Diese versprechen Umwandlungsraten von bis zu 10 %.

Besonders hervorzuheben ist die Forschung an Tellur-freien thermoelektrischen Generatoren. Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden hat in Kooperation mit Prof. Zhifeng Ren vom Texas Zentrum für Supraleitung (TcSUH) der Universität Houston einen solchen Generator auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen entwickelt. Dieser erreichte einen Wirkungsgrad von 7,0 % bei einer Temperaturdifferenz von 250 °C und übertrifft damit kommerzielle Bismuttellurid-Generatoren (~5,2 %). Dies stellt eine praktikable und nachhaltige Alternative dar.

Weitere Entwicklungen umfassen:

Die Optimierung bekannter Materialien und die Synthese neuer Materialklassen.

Die Erforschung von Materialien, Kontaktierungstechniken und Systemaspekten für TEGs und Sensoren bei mittleren und hohen Temperaturen (250 - 1000 Grad Celsius).

Die Verbesserung der thermoelektrischen Effizienz durch Nanotechnologie und Quantenphysik. Nanostrukturen in thermoelektrischen Materialien können die Wärmeübertragungseffizienz erhöhen und die Bewegung der Elektronen effizienter gestalten, wodurch die Gesamteffizienz des Generators verbessert wird.

Die Entwicklung von flexiblen Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffen und keramischen Materialien für modulare Generatoren. Das Team der otego GmbH, einer Ausgründung des KIT, nutzt Polymermaterialien, die ihre TEGs mechanisch flexibel und unempfindlich gegenüber Stössen und Vibrationen machen, und zudem vollkommen ohne Schwermetalle auskommen.

Die Erforschung und Entwicklung von druckbaren Materialien wie organische und anorganische Nanopartikel-basierte Tinten für kostengünstige, dreidimensionale TEGs durch neue Druckverfahren. Hierbei werden beispielsweise 2D-Muster auf dünne, flexible Kunststofffolien gedruckt, die dann mittels Origami-Technik zu kompakten Generatoren gefaltet werden können.

Die Materialforschung ist also der Schlüssel, um die Effizienz zu steigern, die Kosten zu senken und die ökologische Nachhaltigkeit von TEGs zu verbessern, was ihre zukünftige breite Anwendung entscheidend beeinflussen wird.

Welches waren die Herausforderungen bei der Entwicklung?

Bei der Entwicklung von thermoelektrischen Generatoren (TEGs) gab es und gibt es verschiedene Herausforderungen, die hauptsächlich mit den Materialien, dem Wirkungsgrad und den Kosten zusammenhängen. Die wesentlichen Herausforderungen sind:

Geringer Wirkungsgrad:

TEGs weisen oft einen geringen Wirkungsgrad auf. Aktuelle TEGs erreichen Wirkungsgrade zwischen 2 und 8 Prozent, je nach Temperaturdifferenz, Temperaturbereich und verwendetem Material. Im Bestfall können sie etwa 17 % erreichen, liegen aber oft deutlich darunter. Im Vergleich zu herkömmlichen Wärme-Kraft-Maschinen ist dies relativ gering.

Der Wirkungsgrad hängt stark von einer Grösse namens ZT-Gütezahl (Figure of Merit) a. Für einen hohen Wirkungsgrad muss diese ZT-Gütezahl möglichst gross sein.

Ein DLR-Prototyp eines Autos erreichte 2009 einen Wirkungsgrad von rund 14 Prozent, wobei bis zu 20 Prozent angestrebt wurden.

Paradoxe Materialanforderungen:

Geeignete thermoelektrische Materialien müssen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine gleichzeitig geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dies ist eine paradoxe Anforderung, da klassische elektrische Leiter wie Kupfer auch gute Wärmeleiter sind und klassische Isolatoren wie Glas Wärme abschirmen. Die Forschung konzentriert sich darauf, dieses Paradox zu durchbrechen.

Hohe Material- und Prozesskosten sowie mangelnde Nachhaltigkeit:

Die in TEGs eingesetzten Materialien sind in der Herstellung und Prozessierung oft sehr teuer und ökologisch nicht nachhaltig.

Die Knappheit von Tellur (Te <0,001 ppm in der Erdkruste und Produktion <500 t/Jahr) begrenzt beispielsweise den grossflächigen Einsatz von Bismuttellurid-Verbindungen (Bi2Te3), welche seit über 50 Jahren die Grundlage für kommerziell genutzte TEGs bilden.

Bleitellurid (PbTe) wäre technisch für höhere Temperaturen geeignet, darf aber aufgrund seiner Giftigkeit nicht in elektrischen Komponenten eingesetzt werden.

Hohe Materialkosten sind ein Nachteil von TEGs.

Temperaturstabilität und Anpassungsfähigkeit:

Standardmaterialien wie Bismuttellurid (Bi2Te3) sind für Anwendungen in Fahrzeugabgasen, wo hohe Temperaturen (über 200 °C) auftreten, ungeeignet, da sie bei diesen Temperaturen schmelzen.

Die meisten TEGs haben eine starre, quadratische Form, was ihre Anpassung an verschiedene wärmeerzeugende Geräte, wie Rohre oder Auspuffanlagen, erschwert. Flexible Designs, die sich an Oberflächen anpassen lassen, können die Effizienz erheblich steigern, da alle thermoelektrischen Paare in Oberflächenkontakt mit der heissen Quelle stehen können.

Notwendigkeit signifikanter Temperaturunterschiede:

Um effizient zu arbeiten, erfordern TEGs einen signifikanten Temperaturunterschied zwischen der warmen und der kalten Seite.

Forschungsansätze und Entwicklungen zur Überwindung der Herausforderungen:

Um diese Herausforderungen zu überwinden, konzentriert sich die Forschung auf folgende Bereiche:

Entwicklung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien für einen nachhaltigen Einsatz. Dies umfasst die gesamte Prozesskette von der Materialsynthese über die Prozessierung bis zur Charakterisierung kompletter Module.

Erforschung neuer Verbindungen und nanostrukturierter Materialien zur Verbesserung der thermoelektrischen Leistung. Beispiele für Materialien, die für höhere Temperaturen (250 bis 1000 °C) erforscht werden, sind Skutterudite (RxCo4Sb12), Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn), Silicide (z.B. Mg2Si) und Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13).

Entwicklung Tellur-freier thermoelektrischer Generatoren, z.B. auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen, die einen höheren Wirkungsgrad als kommerzielle Bismuttellurid-Generatoren erreichen können.

Nanotechnologie und Quantenphysik zur Verbesserung der thermoelektrischen Effizienz, indem die Wärmeübertragungseffizienz erhöht und die Elektronenbewegung effizienter gestaltet wird.

Welche technischen Probleme von Thermoelektrische Generatoren (TEGs) wurden gelöst?

Technische Hürden gemeistert.

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) bieten eine faszinierende Möglichkeit, ungenutzte Abwärme direkt in elektrische Energie umzuwandeln, ohne bewegliche Komponenten zu benötigen. Dies verspricht eine hohe Lebensdauer, geringe Wartungskosten sowie einen vibrations- und geräuschlosen Betrieb. Obwohl das Prinzip des Seebeck-Effekts, auf dem TEGs basieren, bereits im 19. Jahrhundert entdeckt wurde, standen die Entwickler lange vor erheblichen technischen Herausforderungen, die ihren breiten Einsatz erschwerten. Doch die jüngsten Fortschritte in der Materialforschung und Produktionstechnologie haben viele dieser Hürden überwunden.

Der ewige Kampf um den Wirkungsgrad und das Materialparadox:

Eine der grössten Herausforderungen bei der Entwicklung von TEGs war ihr geringer Wirkungsgrad. Anfangs lagen die Wirkungsgrade oft nur bei 2 bis 7 Prozent und im Einsatz kaum über 5 Prozent, verglichen mit einem Bestfall von etwa 17 Prozent. Ein wesentlicher Faktor für einen hohen Wirkungsgrad ist die sogenannte ZT-Gütezahl, die Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und gleichzeitig einer geringen Wärmeleitfähigkeit erfordert. Dies stellte ein „paradoxe Anforderung“ dar, da klassische elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind.

Gelöst durch: Die Forschung hat sich auf Halbleitermaterialien konzentriert, die eine wesentlich höhere Effizienz im Vergleich zu metallischen Thermoelementen ermöglichen. Durch Nanotechnologie und Quantenphysik werden Nanostrukturen in thermoelektrischen Materialien erforscht, um die Wärmeübertragungseffizienz zu erhöhen und die Bewegung der Elektronen effizienter zu gestalten. Hochdotierte Halbleiter und Quantentopf-Nanostrukturen erreichen im Labor bereits ZT-Werte von 1,5 bis 2,6. Diese Fortschritte haben die Effizienz und Leistung von TEGs erheblich verbessert. Beispielsweise erreichte ein DLR-Prototyp in einem Auto bereits einen Wirkungsgrad von rund 14 Prozent, mit dem Ziel, bis zu 20 Prozent zu erreichen.

Kostspielige und knappe Materialien:

Ein Nachhaltigkeitsproblem Kommerziell genutzte TEGs basierten lange auf Bismuttellurid (Bi2Te3). Dieses Material ist jedoch teuer und ökologisch nicht nachhaltig in Herstellung und Prozessierung, und die Knappheit von Tellur (weniger als 0,001 ppm in der Erdkruste) begrenzt einen grossflächigen Einsatz. Bleitellurid (PbTe) wäre technisch geeignet, darf aber aufgrund seiner Giftigkeit nicht in elektrischen Komponenten eingesetzt werden.

Gelöst durch: Die Materialforschung konzentriert sich auf die Entwicklung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien, die einen nachhaltigen Einsatz ermöglichen. Ein signifikanter Durchbruch sind Tellur-freie thermoelektrische Generatoren auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen. Ein solcher Generator, entwickelt in Kooperation des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, erreichte bei einer Temperaturdifferenz von 250 °C einen Wirkungsgrad von 7,0 % und übertraf damit kommerzielle Bismuttellurid-Generatoren (~5,2 %).

Darüber hinaus wurden neuartige, druckbare thermoelektrische Materialien (organische und anorganische Nanopartikel-basierte Tinten) sowie neue Druckverfahren entwickelt. Dies ermöglicht die kostengünstige und skalierbare Produktion dreidimensionaler TEGs, beispielsweise durch Siebdruck auf flexiblen Folien, die dann mittels Origami-Technik gefaltet werden. Einige flexible TEGs, wie der "oTEG" der otego GmbH, nutzen Polymermaterialien, die sie mechanisch flexibel, stoss- und vibrationsunempfindlich machen und vollkommen ohne Schwermetalle auskommen.

Temperaturstabilität und Anpassungsfähigkeit für vielfältige Anwendungen:

Herkömmliche Materialien wie Bismuttellurid sind nur für Temperaturen von maximal 200 °C ausgelegt und schmelzen bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise im Auspuff von Fahrzeugen auftreten. Zudem hatten die meisten TEGs eine starre, quadratische Form, was ihre Anpassung an verschiedene wärmeerzeugende Geräte, wie Rohre oder Auspuffanlagen, erschwerte.

Gelöst durch: Es werden alternative Materialien für höhere Temperaturen (250 bis 700 °C) erforscht, darunter Skutterudite (RxCo4Sb12), Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn), Silicide (z.B. Mg2Si) und Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13). Das DLR-Institut für Werkstoff-Forschung in Köln entwickelt TEG-Module für Anwendungstemperaturen bis zu 600 Grad Celsius und sogar 250 bis 1000 Grad Celsius für stationäre und mobile Anwendungen.

Die Entwicklung flexibler thermoelektrischer Generatoren ist ein entscheidender Fortschritt. Forscher, beispielsweise an der Pennsylvania State University, haben flexible TEGs entwickelt, die sich an diverse Formen anpassen können, indem sie mehrere Thermopaare auf dünnen, flexiblen Streifen zusammenfügen. Durch Flüssigmetall zwischen den Schichten wird die Energiedichte erhöht, und das flexible Design kann ohne Klebstoff an Oberflächen befestigt werden, was die Effizienz erheblich steigert.

Energieerzeugung auch bei geringen Temperaturunterschieden:

TEGs erfordern einen signifikanten Temperaturunterschied, um effizient zu arbeiten. Die anfänglich geringe Thermospannung von nur wenigen Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied in einzelnen Materialien war eine Hürde.

Gelöst durch: Obwohl ein signifikanter Temperaturunterschied vorteilhaft ist, können TEGs heutzutage auch geringe Temperaturunterschiede von 5–10 Kelvin nutzen, um elektrische Leistung im Milliwatt-Bereich zu erzeugen. Dies ist ausreichend für den energieautarken Betrieb von Sensoren im Internet der Dinge (IoT). Mehrere thermoelektrische Elemente werden in Reihe geschaltet, um höhere Spannungen und Leistungen zu erzielen.

Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung in diesen Bereichen macht TEGs zu einer immer praktikableren und nachhaltigeren Lösung für die Energiegewinnung aus Abwärme, die einen wesentlichen Beitrag zur Energieeffizienz und Reduzierung von CO2-Emissionen leisten kann.

Welches sind die Vorteile von Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) wandeln Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie um und basieren auf dem sogenannten Seebeck-Effekt. Diese Technologie ist nicht nur faszinierend, sondern bietet auch eine Reihe signifikanter Vorteile, die sie zu einer vielversprechenden Lösung für die Energieerzeugung der Zukunft machen. Hier sind die Hauptvorteile von thermoelektrischen Generatoren:

Keine beweglichen Komponenten und hohe Zuverlässigkeit:

Einer der herausragendsten Vorteile von TEGs ist, dass sie keine beweglichen Komponenten benötigen. Dies führt zu einer hohen Lebensdauer und geringen Wartungskosten, da kein Verschleiss durch mechanische Teile auftritt. Darüber hinaus arbeiten TEGs vibrations- und geräuschlos, was sie für viele Anwendungen ideal macht, bei denen Lärm oder Erschütterungen problematisch wären. Diese Eigenschaften tragen zu ihrer Überlegenheit hinsichtlich des einfachen Aufbaus, der Zuverlässigkeit und der Langlebigkeit im Vergleich zu anderen Energieumwandlungsverfahren bei.

Effiziente Nutzung von Abwärme:

TEGs ermöglichen die direkte Umwandlung von ungenutzter Abwärme in elektrische Energie. Dies ist besonders relevant, da in industriellen Anlagen und Verbrennungsmotoren ein Grossteil der eingesetzten Energie als Wärme verloren geht. Durch die Rückgewinnung dieser verlorenen Wärme tragen TEGs zur Steigerung der Gesamtenergieeffizienz bei und können den Kraftstoffverbrauch senken sowie Emissionen reduzieren. Experten schätzen, dass das Spritsparpotenzial in Fahrzeugen fünf bis zehn Prozent betragen könnte, was den Kohlendioxidausstoss im Strassenverkehr erheblich reduzieren würde.

Vielseitige Anwendungsbereiche TEGs finden in verschiedenen Sektoren Anwendung:

Automobilindustrie: Sie können in den Abgasstrang von Autos integriert werden, um Abwärme in Strom für die Bordelektronik umzuwandeln. Dies verbessert die Kraftstoffeffizienz und verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

Raumfahrt: TEGs sind entscheidend für die Energieversorgung von Raumsonden und Satelliten, insbesondere wenn diese zu weit von der Sonne entfernt sind für Solarzellen. Radioisotopische Thermoelektrische Generatoren (RTGs), die Wärme aus dem radioaktiven Zerfall von Materialien wie Plutonium-238 nutzen, haben sich über Jahrzehnte bewährt, wie das Beispiel der Voyager-Sonde zeigt.

Autarke Sensoren und Internet der Dinge (IoT): TEGs sind ideal für die energieautarke Stromversorgung von Sensoren und Geräten in abgelegenen oder schwer zugänglichen Gebieten. Sie können bereits bei geringen Temperaturunterschieden von 5–10 Kelvin elektrische Leistung im Milliwatt-Bereich erzeugen, was für batterielosen und wartungsfreien Betrieb ausreicht.

Industrielle Prozesse: Sie ermöglichen die Energiegewinnung aus ungenutzter industrieller Abwärme.

Gebäudebereich: Es gibt Potenzial bei der Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme unter 65 °C, beispielsweise in Kühlhäusern, grossen Bürogebäuden mit Klimaanlage und Serverräumen, wo längere Amortisationszeiten akzeptiert werden.

Anpassungsfähigkeit und innovative Produktion:

Neuere Entwicklungen haben TEGs flexibler und anpassungsfähiger gemacht. Es wurden modular aufgebaute TEGs auf Basis flexibler Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramischer Materialien realisiert. Polymermaterialien machen TEGs mechanisch flexibel und unempfindlich gegenüber Stössen und Vibrationen und kommen ohne Schwermetalle aus. Zudem wurden innovative Druckverfahren für kostengünstige, dreidimensionale TEGs entwickelt, die neuartige druckbare thermoelektrische Materialien verwenden. Diese Drucktechnologien ermöglichen eine individuelle Anpassung der Bauteile an spezifische Anwendungen und eine skalierbare, kostengünstige Produktion. Flexible Designs können die Effizienz erheblich steigern, da alle thermoelektrischen Paare in Oberflächenkontakt mit der Wärmequelle stehen können.

Wirtschaftliche Chancen Der wachsende Bedarf an energieeffizienten Lösungen führt zu zunehmenden Investitionen in die TEG-Technologie. Marktanalysten prognostizieren ein erhebliches Marktwachstum in den kommenden Jahren, angetrieben durch Fortschritte bei Materialien und Herstellungsprozessen. Regierungsinitiativen, Subventionen, Steuererleichterungen und Forschungsförderungen tragen ebenfalls zur Förderung der TEG-Einführung bei.

TEGs bieten durch ihre Robustheit, Effizienz bei der Abwärmenutzung und breite Anwendbarkeit eine vielversprechende Lösung für eine nachhaltigere Energiezukunft.

Wie ist die Herstellung von Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Die unsichtbare Revolution: So werden thermoelektrische Generatoren heute hergestellt. Lange Zeit stand die breite Anwendung von TEGs vor grossen Herausforderungen, insbesondere in der Herstellung. Doch die jüngsten Fortschritte in der Materialforschung und Produktionstechnologie haben eine regelrechte Revolution in der Art und Weise bewirbeln, wie diese "Minikraftwerke" gefertigt werden.

Von komplexer Einzelfertigung zur skalierbaren Produktion:

Traditionell war die Herstellung von TEGs ein aufwendiger Prozess, bei dem einzelne Komponenten zusammengefügt werden mussten. Die Materialien, insbesondere Bismuttellurid (Bi2Te3), das lange die Grundlage kommerzieller TEGs bildete, waren oft teuer, in der Herstellung und Verarbeitung ökologisch nicht nachhaltig und durch die Knappheit von Tellur (weniger als 0,001 ppm in der Erdkruste) in ihrer grossflächigen Anwendung begrenzt. Bleitellurid (PbTe) wäre zwar technisch geeignet gewesen, darf aber aufgrund seiner Giftigkeit nicht in elektrischen Komponenten eingesetzt werden.

Die Forschung konzentriert sich daher auf die Entwicklung und Optimierung kostengünstiger und hochverfügbarer thermoelektrischer Materialien, die einen nachhaltigen Einsatz ermöglichen. Dabei wird die gesamte Prozesskette – von der Materialsynthese und kostengünstigen Prozessierung bis hin zur Modellierung, Simulation und Charakterisierung kompletter Module – betrachtet.

Ein signifikanter Fortschritt ist die Entwicklung Tellur-freier thermoelektrischer Generatoren auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen. Diese basieren auf einem einfachen, flexiblen und gut skalierbaren Fertigungsprozess und bieten eine praktikable und nachhaltige Alternative zu Bismuttellurid-basierten TEGs. Zudem wurden modular aufgebaute TEGs auf Basis flexibler Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramischer Materialien erfolgreich realisiert. Polymermaterialien machen diese Generatoren mechanisch flexibel, stoss- und vibrationsunempfindlich und kommen ganz ohne Schwermetalle aus. Für höhere Temperaturen (250 bis 700 °C) werden alternative Materialien wie Skutterudite, Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn), Silicide (z.B. Mg2Si) und Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13) erforscht.

Revolutionäre Druckverfahren und flexible Designs.

Ein Game-Changer in der TEG-Herstellung sind innovative Druckverfahren, die die Kosten senken und die Skalierbarkeit massiv erhöhen:

Gedruckte TEGs vom KIT und otego GmbH: Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben dreidimensionale Bauteilarchitekturen mit neuartigen, druckbaren thermoelektrischen Materialien entwickelt. Dafür wurden sowohl organische als auch auf anorganischen Nanopartikeln basierende Tinten erforscht und innovative Druckverfahren entwickelt.

Ein Verfahren ist der Siebdruck auf hauchdünnen, flexiblen Substratfolien. Dabei wird ein 2D-Muster aufgedruckt und anschliessend mittels Origami-Technik zu einem kompakten, etwa zuckerwürfelgrossen Generator zusammengefaltet. Dieses Verfahren ist so schnell wie Zeitungsdruck und ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Produktion im industriellen Massstab.

Ein weiteres Verfahren ist das Drucken eines 3D-Grundgerüsts, auf dessen Oberflächen die thermoelektrische Tinte anschliessend aufgetragen wird.

Diese Drucktechnologien ermöglichen nicht nur eine kostengünstige und skalierbare Produktion, sondern auch eine individuelle Anpassung der Bauteile an die jeweiligen Anwendungen. Die otego GmbH, eine Ausgründung des KIT, arbeitet intensiv daran, diese Generatoren massenmarkttauglich zu machen.

Mikrostrukturierte TEGs der OST: Die Ostschweizer Fachhochschule (OST) hat einen industrietauglichen Fabrikationsprozess für mikrostrukturierte TEGs entwickelt. Hierbei wird ein grossflächiges Substrat (Matrix) mit Löchern versehen, die anschliessend galvanisch mit zwei verschiedenen Materialien (z.B. Kupfer und Nickel) gefüllt werden, um die elektrisch leitfähigen Schenkel zu bilden. Diese werden dann seriell miteinander verschaltet. Als Matrixmaterialien werden FR4 und Polyimid verwendet, ausgewählt nach physikalischen Eigenschaften, Kosten, Verfügbarkeit und Bearbeitbarkeit. Auch die Kapselung der TEGs gegen Umwelteinflüsse durch Materialien wie Lötstopplack oder silikonbasierte Vergussmasse ist Teil dieses Prozesses.

Flexible Generatoren der Pennsylvania State University: Die Forschung konzentriert sich auch auf die Entwicklung flexibler TEGs, die sich an die vielfältigen Formen von Wärmequellen, wie Rohre oder Auspuffanlagen, anpassen können. Hierbei werden mehrere Thermopaare auf dünnen, flexiblen Streifen zusammengefügt und durch flexible Metallfolien verbunden. Die flexible Beschaffenheit sorgt dafür, dass alle Paare in Oberflächenkontakt mit der Wärmequelle stehen können, was die Effizienz erheblich steigert. Flüssigmetall zwischen den Schichten erhöht zudem die Energiedichte.

Ganzheitliche Entwicklung und Ausblick.

Forschungseinrichtungen wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz: Ihre Grossforschungsanlage TEG-Tech deckt die gesamte Wertschöpfungskette zur Fertigung von TEG-Modulen ab. Elf Einzelanlagen stehen für Herstellung, Verarbeitung und Charakterisierung von thermoelektrischen Materialien sowie für den Aufbau und die Charakterisierung kompletter Module zur Verfügung. Dies umfasst auch die Herstellung, Prozessierung und Beschichtung von hocheffizienten Halbleitermaterialien und deren elektrische und thermische Kontaktierung mit Metallen zu thermoelektrischen Baugruppen. Diese umfassende Methodik ist in ihrer Geschlossenheit in Europa einzigartig und zielt auf die Entwicklung von TEG-Modulen für mittlere und hohe Anwendungstemperaturen (250 bis 1000 Grad Celsius) ab.

Die Entwicklungen in der Herstellung von TEGs sind ein wichtiger Schritt, um das Potenzial dieser Technologie voll auszuschöpfen. Sie ermöglichen nicht nur die Nutzung von Abwärme in vielfältigen Anwendungen, von der Automobilindustrie und Raumfahrt bis hin zu energieautarken Sensoren im Internet der Dinge, sondern machen TEGs auch robuster, kosteneffizienter und umweltfreundlicher. Die unsichtbare Revolution in ihrer Herstellung ebnet den Weg für eine nachhaltigere und energieeffizientere Zukunft.

Technische Daten.

Grundlagen und Funktionsweise:

Physikalisches Prinzip: Der Seebeck-Effekt besagt, dass sich an jedem Material, das einem Temperaturgradienten ausgesetzt ist, eine Spannung (Thermospannung) ausbildet. Wenn an zwei unterschiedlichen, aber elektrisch verbundenen Metallen oder Halbleitern an den Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen herrschen, wird eine elektrische Spannung erzeugt.

Aufbau: TEGs bestehen aus mehreren thermoelektrischen Elementen, die meist aus Halbleitermaterialien gefertigt sind und in Serie geschaltet werden, um ausreichend hohe Spannungen zu erzielen. Ein thermoelektrisches Element hat eine heisse und eine kalte Seite.

Materialien und deren Eigenschaften:

Gebräuchliche Materialien (historisch/aktuell):

Bismuttellurid (Bi2Te3) ist seit über 50 Jahren die Grundlage für kommerziell genutzte TEGs und gilt als Standardmaterial. Es ist jedoch nur für Temperaturen bis maximal 200 °C ausgelegt und schmilzt bei höheren Temperaturen, wie sie im Auspuff vorkommen. Die Knappheit von Tellur (unter 0,001 ppm in der Erdkruste, Produktion < 500 t/Jahr) begrenzt seinen grossflächigen Einsatz.

Bleitellurid (PbTe) ist technisch geeignet, darf aber aufgrund seiner Giftigkeit nicht in elektrischen Komponenten eingesetzt werden.

Silizium-Germanium (SiGe), Bismut-Antimon (BiSb) oder Eisen-Silizid (FeSi2) sind weitere gebräuchliche Materialien.

Neue und erforschte Materialien:

Für Temperaturen von 250 bis 700 °C werden Materialien wie Skutterudite (RxCo4Sb12), Halb-Heusler-Legierungen (z.B. TiNiSn), Silicide (z.B. Mg2Si) und Tetrahedrite (z.B. Cu12Sb4S13) erforscht. Diese Halbleiter versprechen Umwandlungsraten von thermischer in elektrische Energie von bis zu 10 %.

Tellur-freie thermoelektrische Generatoren auf Basis von Magnesium-Antimon-Verbindungen wurden entwickelt. Ein Prototyp erreichte einen Wirkungsgrad von 7,0 % bei einer Temperaturdifferenz von 250 °C, was den Wirkungsgrad kommerzieller Bismuttellurid-TEGs (~5,2 %) übertrifft.

Flexible Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramische Materialien wurden erfolgreich realisiert, um modulare TEGs zu bauen. Polymermaterialien machen TEGs mechanisch flexibel, unempfindlich gegenüber Stössen und Vibrationen und ermöglichen den Verzicht auf Schwermetalle.

Materialanforderungen: Geeignete Materialien benötigen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Nanostrukturen in thermoelektrischen Materialien können die Wärmeübertragungseffizienz und die Gesamteffizienz des Generators verbessern.

Leistung und Effizienz:

Spannung pro Kelvin: Die Spannung, die an einem Material in einem Temperaturgradienten entsteht, ist sehr gering und beträgt nur wenige Mikrovolt pro Kelvin Temperaturunterschied.

Ausgangsleistung (Beispiele):

Ein Modul von ca. 0,25 m² kann bei einem Temperaturunterschied von 500 °C eine elektrische Ausgangsleistung von 600 Watt besitzen.

Ein BMW-Versuchsfahrzeug, ausgestattet mit 24 thermoelektrischen Modulen, erzeugt bei 130 km/h 200 Watt elektrische Leistung.

Flexible Generatoren: Ein Prototyp erreichte eine Gesamtleistung von 56,6 Watt auf einer heissen Oberfläche.

Für autarke Sensoren: Temperaturgefälle von 5–10 Kelvin können elektrische Leistung im Milliwatt-Bereich erzeugen. Ein TEG kann etwa 1 Milliwatt pro 10 Gramm bei Temperaturdifferenzen von ca. 40 K erzeugen.

Ein Serverkühlungsprojekt in Kloten (20 m² Serverraum, ~50 Server, 10 kW Abwärme) zeigte, dass 2,5 % thermoelektrisch genutzt werden könnten, was zu einer kontinuierlichen Leistung von 250 W bzw. einem Jahresertrag von 2190 kWh führt.

Wirkungsgrad (Effizienz):

Der Wirkungsgrad hängt vom verwendeten Material, der Temperaturdifferenz und dem Systemdesign ab.

Kommerzielle TEGs erreichen derzeit Wirkungsgrade von 2 bis 7 %, oft 3 bis 8 %, oder etwa 5-8 %. In der Praxis werden selten über 5 % erreicht.

Im Bestfall liegt der Wirkungsgrad bei ca. 17 %.

Im BMW-Prototyp liegt der Wirkungsgrad bei rund 14 %, mit einem Ziel von bis zu 20 %.

Der Wirkungsgrad ist ein Bruchteil des Carnot-Wirkungsgrades. Ein Beispiel zeigt, dass bei einem ZT-Wert von 1 der Wirkungsgrad 20 % des Carnot-Wirkungsgrads beträgt, und bei einem ZT-Wert von 2 steigt er auf 30 % des Carnot-Wirkungsgrads.

Energiedichte: Neue flexible Generatoren nutzen Flüssigmetall zwischen den Schichten, um die Energiedichte zu erhöhen und auch in grösseren Massstäben aufrechtzuerhalten. Ein Prototyp zeigte eine um 150 % höhere Energiedichte als andere Geräte, und eine grössere Version (etwas über 6 cm²) wies eine um 115 % höhere Energiedichte auf.

Anwendungstemperaturen und -bereiche:

Niedertemperaturbereich: Etwa die Hälfte der industriellen Abwärme fällt im Niedertemperaturbereich bei unter 300 °C an.

Spezifische Anwendungen:

Für Kühlwasser unter 65 °C bieten TEGs eine Chance, wo Kreisprozesse nicht mehr effizient arbeiten.

DLR entwickelt TEG-Module für mittlere und hohe Anwendungstemperaturen von 250 bis 1000 °C, wobei ein primäres Ziel Anwendungen bis 600 °C sind.

Ein System auf Lanzarote für Geothermie nutzt Thermoelemente vom Typ Marlow TG12-8LS mit 127 Bismuth-Telluride-Thermoelementen und einer maximalen Arbeitstemperatur von 230 °C. Dort liegen Temperaturen von 400 °C in wenigen Metern Tiefe vor.

Dimensionen und Aufbau:

Modulgrösse: Module können von der Grösse eines Zuckerwürfels (durch Origami-Technik) bis hin zu containergrossen Einheiten variieren.

Flexible Substrate (OST-Projekt):

• Substratdicke: 0,2 – 0,51 mm.
• Substratgrösse: bis 4 Zoll quadratisch.
• Anzahl der Thermoelemente: bis zu 1300.
• Maximale Temperatur: 200 °C. 
• Maximale Leistung: 1000 µW.

Flexible Generatoren (Pennsylvania State University): Bestehen aus sechs Paaren auf einem dünnen, flexiblen Streifen, die über eine flexible Metallfolie mit einem anderen Streifen verbunden sind; insgesamt 12 solcher Streifen bilden einen TEG mit 72 Paaren.

Herstellungsprozesse:

Traditionell: Aufwendige Fertigung aus Einzelteilen.

Moderne Druckverfahren (KIT/otego GmbH):

Drucken von 2D-Mustern aus thermoelektrischen Drucktinten auf hauchdünne, flexible Substratfolien mittels Siebdruck (schnell wie Zeitungsdruck). Anschliessend Faltung durch Origami-Technik zu kompakten, quaderförmigen Generatoren (etwa zuckerwürfelgross).

Alternativ: Drucken eines 3D-Grundgerüsts und anschliessendes Auftragen der thermoelektrischen Tinte auf dessen Oberflächen.

Fokus auf kostengünstige, skalierbare Produktion und individuelle Anpassung.

Mikrostrukturierte TEGs (OST):

Ein grossflächiges Substrat (Matrix) wird mit Löchern versehen.

Die Löcher werden anschliessend galvanisch mit zwei verschiedenen Materialien (z.B. Kupfer und Nickel) gefüllt, um elektrisch leitfähige Schenkel zu bilden, die seriell verschaltet werden.

Matrixmaterialien: FR4 und Polyimid.

Locherstellung: Konventionelles Bohren.

Verkapselung: Lötstopplack, silikonbasierte Vergussmasse, plasmagespritztes Bornitrid oder aufgelötete Aluminiumnitrid-, Aluminiumoxid- und Aluminiumplättchen.

Ganzheitlicher Ansatz (DLR): Die Grossforschungsanlage TEG-Tech deckt die gesamte Wertschöpfungskette ab, von der Herstellung, Verarbeitung und Charakterisierung von Materialien bis zum Aufbau und zur Charakterisierung kompletter Module.

Diese technischen Daten und Herstellungsverfahren zeigen die kontinuierlichen Fortschritte in der Entwicklung von TEGs, die darauf abzielen, ihre Effizienz zu steigern, Kosten zu senken und ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Bereichen zu erweitern.

Welche Patente gibt es zu Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Die otechnik der Thermoelektrischen Generatoren der otego GmbH wurde in mehrjähriger Forschung am Lichttechnischen Institut (LTI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt und ist patentiert. Die otego GmbH, eine Ausgründung des KIT, arbeitet an der Markteinführung dieser Generatoren.

Diese patentierte Technik zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Es handelt sich um neu entwickelte Tinten und spezielle Produktionstechniken.

Die Produktion erfolgt mittels Siebdruck auf hauchdünnen, flexiblen Substratfolien, ähnlich schnell wie der Zeitungsdruck.

Die bedruckten Folien werden anschliessend mithilfe einer speziellen automatisierten Origami-Faltung in eine kompakte, etwa zuckerwürfelgrosse, quaderförmige Form gebracht.

Alternativ kann ein 3D-Grundgerüst gedruckt und die thermoelektrische Tinte auf dessen Oberflächen aufgetragen werden.

Ziel dieser Verfahren ist eine kostengünstige und skalierbare Produktion sowie die individuelle Anpassung des Bauteils an die jeweiligen Anwendungen.

Die otego-TEGs verwenden Polymermaterialien, die sie mechanisch flexibel und unempfindlich gegenüber Stössen und Vibrationen machen, und kommen vollkommen ohne Schwermetalle aus.

Es gibt keine weiteren spezifischen Patentnummern oder detaillierten Beschreibungen anderer Patente im Bereich der TEGs. Forscher arbeiten weltweit an neuen Verbindungen und nanostrukturierten Materialien arbeiten, um die thermoelektrische Leistung zu verbessern und dass strategische Partnerschaften und Kooperationen zwischen Akteuren der Branche, Forschungsinstitutionen und Technologieentwicklern stattfinden, um Innovationen voranzutreiben. Solche Entwicklungen könnten potenziell zu weiteren Patentanmeldungen führen.

Welches sind die Investoren bei Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Konkret hat die otego GmbH ihre erste Kapitalisierungsrunde mit einer Seed-Finanzierung in siebenstelliger Höhe abgeschlossen. Die genauen Namen der Investoren werden in den Quellen jedoch nicht genannt. Darüber hinaus wird in den Quellen erwähnt, dass Forschung und Entwicklung im Bereich der TEGs auch durch öffentliche Mittel und Kooperationen gefördert werden:

Die Forschung innerhalb des Exzellenzclusters 3DMM2O, die zu gedruckten thermoelektrischen Generatoren des KIT führte, wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Graduiertenschule MERAGEM sowie der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) unterstützt.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat den Prototypen eines Autos entwickelt, der Strom aus Abgasen gewinnt und mit TEG-Modulen ausgestattet ist. Die Grossforschungsanlage TEG-Tech des DLR deckt die gesamte Wertschöpfungskette zur Fertigung von TEG-Modulen ab.

Ein Verbundprojekt mit Siemens AG, Merck KGaA, dem Lehrstuhl für Funktionsmaterialien und dem Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik der Universität Bayreuth wurde ebenfalls im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes durchgeführt, um einen modularen, rohrförmigen thermoelektrischen Generator zu entwickeln. 

Forschung an Tellur-freien thermoelektrischen Generatoren am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden in Kooperation mit Prof. Zhifeng Ren von der Universität Houston wurde im Rahmen des Strategieprojekts „Drahtlose Sensoren für Hochtemperaturanwendungen“ des IFW Dresden und der Alexander von Humboldt Stiftung gefördert.

Ein KTI-Projekt (heute Innosuisse) zur Entwicklung eines industrietauglichen Fabrikationsprozesses für mikrostrukturierte TEGs wurde mit TRW Switzerland als Projektpartner erfolgreich durchgeführt.

Diese Organisationen und Partnerschaften sind zwar wichtige Förderer und Kooperationspartner in der TEG-Forschung und -Entwicklung, aber die einzige explizite Erwähnung von "Investoren" im Sinne einer finanziellen Beteiligung an einem Unternehmen findet sich bei der otego GmbH.

Welches sind die Anwendungen von Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, insbesondere dort, wo ungenutzte Wärme effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Hier sind drei Hauptanwendungsgebiete:

In der Automobilindustrie:

TEGs werden zunehmend in Fahrzeugen eingesetzt, um die Abwärme von Verbrennungsmotoren für die Stromerzeugung zu nutzen. Dies trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Emissionen zu reduzieren. Experten schätzen, dass das zukünftige Spritsparpotenzial durch TEGs in Fahrzeugen fünf bis zehn Prozent betragen könnte, was den Kohlendioxidausstoss im Strassenverkehr erheblich reduzieren würde. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben beispielsweise einen Prototypen entwickelt, der Strom aus Abgasen gewinnt, wobei ein Versuchsfahrzeug mit 24 thermoelektrischen Modulen bei 130 km/h bereits 200 Watt elektrische Leistung erzeugt. Dies trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen zu senken. Sie könnten auch in Hybridfahrzeugen zur Unterstützung des Batterieladens verwendet werden. Fahrzeughersteller arbeiten daran, TEGs zur Effizienzsteigerung einzusetzen, um strengere CO2-Grenzwerte einzuhalten, wobei der steigende Stromverbrauch der Bordelektronik eine Rolle spielt. Prototypen wie das BMW-Versuchsfahrzeug, ausgestattet mit 24 thermoelektrischen Modulen, erzeugen bei 130 km/h etwa 200 Watt elektrische Leistung.

In der Raumfahrt:

TEGs spielen eine entscheidende Rolle bei der Energieversorgung von Raumsonden und Satelliten, insbesondere wenn diese zu weit von der Sonne entfernt operieren und Solarenergie nicht effizient genutzt werden kann. Hier kommen sogenannte radioisotopische Thermoelektrische Generatoren (RTGs) zum Einsatz, die die Wärme aus dem radioaktiven Zerfall von Materialien wie Plutonium-238 oder Strontium-90 in Elektrizität umwandeln. Ein bekanntes Beispiel ist die NASA-Sonde Voyager, die seit 1977 durch einen RTG betrieben wird und so auch in den kalten, sonnenarmen Regionen des äusseren Sonnensystems funktionsfähig bleibt.TEGs werden in Radionuklidbatterien (RTGs) eingesetzt, um aus dem radioaktiven Zerfall von Isotopen wie Plutonium-238 oder Strontium-90 zuverlässig Strom für Raumsonden und abgelegene Mess-Sonden zu erzeugen, besonders wenn Solarzellen nicht zur Verfügung stehen (z.B. bei grosser Entfernung von der Sonne).

Für autarke Sensoren und im Internet der Dinge (IoT):

TEGs bieten eine wartungsfreie, umweltfreundliche und autarke Stromversorgung für eine wachsende Anzahl von Sensoren und Geräten im IoT. Sie ermöglichen den batterielosen und somit wartungsfreien Betrieb von Sensoren, Powermanagement und Funksensorik, z.B. für das Monitoring von Rohrleitungen, wo sie elektrische Energie aus dem Temperaturgefälle zwischen Rohrwand und Umgebung erzeugen. TEGs eignen sich somit hervorragend für die batterielose und wartungsfreie Energieversorgung von Sensoren und Geräten, die an abgelegenen, schwer zugänglichen Orten oder in Umgebungen mit geringen Temperaturunterschieden eingesetzt werden. Sie können elektrische Leistung im Milliwatt-Bereich aus geringen Temperaturgefällen von 5–10 Kelvin erzeugen. Fraunhofer IPM hat beispielsweise energieautarke Sensoren für Luftfahrtanwendungen entwickelt, die zur Materialüberwachung und vorausschauenden Wartung eingesetzt werden, indem sie Temperaturunterschiede zwischen Flugzeuginnenraum und -rumpfaussenseite oder Temperaturänderungen bei Start und Landung nutzen. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seine Ausgründung otego GmbH entwickeln zudem druckbare, flexible TEGs, die Sensoren in Industrieanlagen oder elektronische Thermostate in Smart Homes versorgen können.

Rückgewinnung von Abwärme in Industrie und Energieanlagen:

Industrielle Prozesse erzeugen oft erhebliche Mengen an Abwärme, die mit TEGs in nutzbaren Strom umgewandelt werden können, was die Gesamtenergieeffizienz steigert und Treibhausgasemissionen reduziert. TEGs können in Kraftwerken eingesetzt werden, um zusätzliche Energie aus der Abwärme zu gewinnen. Modular aufgebaute Generatoren auf Basis flexibler Polymer-Oxid-Verbundwerkstoffe und keramischer Materialien wurden bereits erfolgreich realisiert. Es gibt bereits marktreife TEG-Einheiten in der Grösse von Containern. Insbesondere sind Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) ein vielversprechendes Einsatzgebiet aufgrund langer Abschreibungszeiten und öffentlicher Förderung.

Flugzeugbau:

Im Flugzeugbau sind sie für Structural Health Monitoring und Predictive Maintenance vorteilhaft, da sie den kabellosen Betrieb von Sensoren am Flugzeugrumpf ermöglichen und somit Gewicht und Komplexität reduzieren. Die Energie kann aus dem Temperaturunterschied zwischen Innenraum und Rumpfaussenseite oder aus Temperaturänderungen bei Start und Landung gewonnen werden.

Gebäudemanagement und Smart Home:

Flexible TEGs, entwickelt von der otego GmbH, sind für drahtlose Industriesensoren sowie Anwendungen in Industrie 4.0 und Smart Home geeignet. Es besteht Potenzial für TEGs im Gebäudebereich, wo längere Abschreibungszeiten akzeptiert werden. Chancen liegen in der Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme unter 65 °C, z.B. in Kühlhäusern, grossen Bürogebäuden mit Klimaanlage oder Serverräumen. Beispiele hierfür sind die Stromgewinnung aus der Abluft von Kühlmaschinen oder aus der Abwärme von Servern, was den Strombedarf kleiner Haushalte decken kann. Ein ETH-Spin-off entwickelt Minigeneratoren, die Heizungsventile energieautark regeln können. TEGs können elektronische Thermostate an Heizkörpern versorgen und kabellose Sensorsysteme in Gebäuden betreiben.

Portable und Off-Grid-Anwendungen:

In abgelegenen Gebieten können TEGs als Stromquellen für kleine Leistungen dienen, z.B. für den Betrieb eines Rundfunkempfängers, indem sie die Abwärme von Petroleumlampen, Gasbrennern oder Holzkohlegrills nutzen.

Es gibt amerikanische Hersteller von Containern für mobile Abwärmenutzung, beispielsweise an entlegenen Bohrungen zur dezentralen Stromproduktion.

Tragbare TEGs können Wanderer in abgelegenen Gebieten mit Strom für ihre Geräte versorgen, indem sie Körperwärme oder die Wärme eines Lagerfeuers nutzen.

Geothermie:

TEGs können dort eingesetzt werden, wo extreme Temperaturgradienten vorliegen, wie beispielsweise in den obersten Schichten von Vulkanlandschaften (z.B. Lanzerote mit Temperaturen von 400 °C in wenigen Metern Tiefe).

Thermoelektrische Kühlung (Peltier-Effekt):

Neben der Stromerzeugung können TEGs auch zur direkten Umwandlung von Strom in Kälte genutzt werden.

Anwendungen umfassen die Kühlung von Infrarotkameras, Spezialkühlschränken, präzise Temperaturregelung in Labor- und medizinischen Lagergeräten, tragbare Kühler für Lebensmittel und Getränke sowie die effiziente Kühlung von Computerkomponenten.

Die Vielseitigkeit der TEGs, die durch ihre Robustheit, Wartungsfreiheit und den Verzicht auf bewegliche Teile gekennzeichnet ist, macht sie zu einer vielversprechenden Technologie für die Nutzung bisher ungenutzter Wärmequellen in verschiedenen Sektoren.

Welches sind die künftigen Märkte von Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) ermöglichen die direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und werden als Schlüsseltechnologie für eine Steigerung der Energieeffizienz und die Reduzierung von CO2-Emissionen angesehen. Ihr wartungsfreier und geräuschloser Betrieb ohne bewegliche Teile macht sie für eine Vielzahl künftiger Märkte attraktiv. Die Aussichten für TEGs sind vielversprechend, bedingt durch kontinuierliche technologische Verbesserungen, wachsendes Bewusstsein für Energieeffizienz und ihre Integration in erneuerbare Energiesysteme. 

Die wichtigsten künftigen Märkte für Thermoelektrische Generatoren sind:

Rückgewinnung von Abwärme in Industrie und Energieanlagen

Industrielle Prozesse verlieren derzeit einen Grossteil der eingesetzten Energie als Abwärme. TEGs können diese ungenutzte Abwärme, insbesondere auch im Niedertemperaturbereich (unter 65 °C oder unter 300 °C), in nutzbaren Strom umwandeln, was die Gesamtenergieeffizienz steigert und Treibhausgasemissionen reduziert.

Containergrosse TEG-Einheiten existieren bereits auf dem Markt.

Ein erhebliches Potenzial wird in Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA) gesehen, da diese lange Abschreibungszeiten von bis zu 20 Jahren haben und die Verstromung öffentlich gefördert wird. Allein in Schweizer KVAs könnten so 10 MW elektrische Leistung gewonnen werden.

Flexible TEGs, die um heisse Industrierohre gewickelt werden können, könnten Kilowatt an Energie aus bisher verschwendeter Wärme erzeugen und so Schwerindustrieprozesse kreislauffähiger machen.

Automobilindustrie.

Zwei Drittel der von Verbrennungsmotoren erzeugten Energie verpuffen derzeit als Abwärme, die TEGs in Strom für die Bordelektronik umwandeln könnten. Dies würde den Kraftstoffverbrauch um geschätzte fünf bis zehn Prozent senken und den CO2-Ausstoss reduzieren.

TEGs könnten auch in Hybridfahrzeugen zum Laden der Akkus eingesetzt werden.

Prototypen, wie ein BMW-Versuchsfahrzeug mit 24 TEG-Modulen, erzeugen bei 130 km/h bereits 200 Watt elektrische Leistung. 

Es wird an Lösungen gearbeitet, die eine Serienanwendung mittelfristig ermöglichen könnten, wobei auch erforscht wird, ob der Alternator (Lichtmaschine) in Pkws zukünftig ganz durch TEGs ersetzt werden könnte.

Der steigende Stromverbrauch der Bordelektronik in Fahrzeugen macht den Einsatz von TEGs immer sinnvoller.

Internet der Dinge (IoT) und autarke Sensorik.

TEGs bieten eine wartungsfreie, umweltfreundliche und autarke Stromversorgung für die wachsende Zahl von Sensoren und Geräten im IoT. Sie ermöglichen den batterielosen Betrieb von Sensoren, Powermanagement und Funksensorik.

Anwendungen umfassen das Monitoring von Rohrleitungen, wo TEGs aus dem Temperaturgefälle zwischen Rohrwand und Umgebung Strom gewinnen.

Im Gebäudebereich bieten sich Chancen bei Niedertemperatur-Abwärme unter 65 °C, da hier längere Abschreibungszeiten von 25 Jahren akzeptiert werden. Beispiele sind Kühlhäuser, grosse Bürogebäude mit Klimaanlagen oder Serverräume, deren Abwärme zur Stromerzeugung genutzt werden kann, um den Bedarf kleiner Haushalte zu decken.

Flexible TEGs sind auch für drahtlose Industriesensoren sowie Anwendungen in Industrie 4.0 und Smart Home geeignet.

In Wearables wie Smartwatches, Fitnessarmbändern oder digitalen Brillen könnten TEGs den batterielosen Betrieb ermöglichen.

Im Flugzeugbau sind sie für Structural Health Monitoring und Predictive Maintenance vorteilhaft, da sie den kabellosen Betrieb von Sensoren am Flugzeugrumpf ermöglichen und somit Gewicht und Komplexität reduzieren. Die Energie kann aus Temperaturunterschieden zwischen Innenraum und Rumpfaussenseite oder aus Temperaturänderungen bei Start und Landung gewonnen werden.

Raumfahrt.

TEGs werden in Radionuklidbatterien (RTGs) eingesetzt, um aus dem radioaktiven Zerfall von Isotopen zuverlässig Strom für Raumsonden und abgelegene Mess-Sonden zu erzeugen, insbesondere wenn Solarzellen aufgrund grosser Entfernung zur Sonne nicht genutzt werden können.

Die NASA-Voyager-Sonde wird seit 1977 erfolgreich mittels eines RTGs betrieben.

Sie könnten auch Temperaturunterschiede zwischen sonnenbeschienenen und schattigen Teilen eines Raumschiffs für interplanetare Missionen nutzen.

Geothermie.

TEGs können dort eingesetzt werden, wo extreme Temperaturgradienten vorliegen, wie beispielsweise in den obersten Schichten von Vulkanlandschaften (z.B. Lanzarote mit Temperaturen von 400 °C in wenigen Metern Tiefe).

Portable und Off-Grid-Anwendungen.

In abgelegenen Gebieten können TEGs als Stromquellen für kleine Leistungen dienen, beispielsweise zum Betrieb eines Rundfunkempfängers, indem sie die Abwärme von Petroleumlampen, Gasbrennern oder Holzkohlegrills nutzen.

Es gibt amerikanische Hersteller von Containern für mobile Abwärmenutzung, beispielsweise an entlegenen Bohrungen zur dezentralen Stromproduktion.

Tragbare TEGs können Wanderer in abgelegenen Gebieten mit Strom für ihre Geräte versorgen, indem sie die Körperwärme oder die Wärme eines kleinen Lagerfeuers nutzen.

Thermoelektrische Kühlung (Peltier-Effekt).

Neben der Stromerzeugung können TEGs auch zur direkten Umwandlung von Strom in Kälte genutzt werden.

Anwendungen umfassen die Kühlung von Infrarotkameras, Spezialkühlschränken, präzise Temperaturregelung in Labor- und medizinischen Lagergeräten, tragbare Kühler für Lebensmittel und Getränke sowie die effiziente Kühlung von Computerkomponenten.

Die zukünftige Entwicklung und breitere Anwendung von TEGs wird massgeblich durch Fortschritte in der Materialforschung und neuen, kostengünstigen Fertigungsverfahren vorangetrieben. Dazu gehören die Entwicklung neuer Tinten und spezieller Produktionstechniken wie Siebdruck und Origami-Faltung, sowie die Erforschung von Tellur-freien Materialien wie Magnesium-Antimon-Verbindungen, die eine nachhaltigere und effizientere Alternative zu Bismuttellurid darstellen. Strategische Partnerschaften zwischen Industrie, Forschungseinrichtungen und Technologieentwicklern sind ebenfalls entscheidend, um Innovationen voranzutreiben und neue Produkte auf den Markt zu bringen.

Welches sind die Käufer von Thermoelektrische Generatoren (TEGs)?

Die primären Käufer von thermoelektrischen Generatoren (TEGs) lassen sich verschiedenen Sektoren zuordnen, in denen die Vorteile dieser Technologie, wie die direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität und der wartungsfreie Betrieb, besonders zum Tragen kommen. Die wichtigsten Käufergruppen und Anwendungsbereiche sind:

Industrielle Unternehmen und Kraftwerke:

Unternehmen mit industriellen Anlagen, die ungenutzte Abwärme erzeugen und diese in elektrische Energie umwandeln möchten, um die Energieeffizienz zu steigern und CO2-Emissionen zu reduziere. TEG-Einheiten von der Grösse eines Containers sind bereits auf dem Markt.

Betreiber von Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA), da hier lange Abschreibungszeiten von bis zu 20 Jahren gelten und die Verstromung öffentlich gefördert wird. Allein in Schweizer KVAs wird ein Potenzial von 10 MW elektrischer Leistung gesehen.

Betreiber grosser Infrastrukturen wie Kühlhäuser, grosse Bürogebäude mit Klimaanlagen und Serverräume, die erhebliche Mengen an Abwärme produzieren, die für die thermoelektrische Nutzung interessant sind, insbesondere bei Niedertemperatur-Abwärme unter 65 °C und akzeptierten Amortisationszeiten von 25 Jahren.

Automobilindustrie und Transportsektor:

Automobilhersteller (z.B. BMW, Scania) zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungsmotoren im Abgasstrang, um Strom für die Bordelektronik zu erzeugen, den Kraftstoffverbrauch um fünf bis zehn Prozent zu senken und den CO2-Ausstoss zu reduzieren. Auch in Hybridfahrzeugen können sie beim Laden der Akkus helfen.

Raumfahrtorganisationen:

Raumfahrtagenturen (z.B. NASA) für die zuverlässige Stromversorgung von Raumsonden und abgelegenen Mess-Sonden durch Radionuklidbatterien (RTGs), besonders wenn Solarzellen nicht einsetzbar sind (z.B. zu grosse Entfernung von der Sonne). Hier wird Wärme aus radioaktivem Zerfall in Strom umgewandelt.

Hersteller und Anwender im Internet der Dinge (IoT) und der Sensorik:

Entwickler und Hersteller von energieautarken Sensoren und Geräten für das IoT, Smart Home und industrielle Anwendungen. TEGs ermöglichen den wartungsfreien und batterielosen Betrieb von Sensoren, Powermanagement und Funksensorik.

Anwendungen umfassen das Monitoring von Rohrleitungen, die Regelung von Heizungsventilen in Gebäudemanagementsystemen, sowie den Einsatz in Wearables wie Smartwatches und Fitnessarmbändern.

Im Flugzeugbau werden sie für Structural Health Monitoring und Predictive Maintenance eingesetzt, um Gewicht und Komplexität durch kabellose Sensoren zu reduzieren.

Energieversorger und Unternehmen im Bereich erneuerbare Energien:

Interesse an TEGs in der Geothermie, insbesondere dort, wo extreme Temperaturgradienten vorliegen, wie in Vulkanlandschaften.

Anwender in abgelegenen Gebieten und für tragbare Lösungen:

Personen oder Gemeinschaften in abgelegenen Gebieten für kleine Leistungsanwendungen, beispielsweise zum Betrieb eines Rundfunkempfängers über die Abwärme von Petroleumlampen oder Holzkohlegrills, oder für Wanderer, die Körperwärme oder Lagerfeuerwärme nutzen möchten.

Hersteller von Kühlsystemen:

Unternehmen, die Präzisionskühlung (z.B. für Infrarotkameras, Spezialkühlschränke, Computerkomponenten) oder tragbare Kühllösungen (z.B. für Lebensmittel und Getränke) ohne Kühlmittel oder komplexe mechanische Teile benötigen, basierend auf dem Peltier-Effekt.

Die Nachfrage nach TEGs wird voraussichtlich weiter steigen, angetrieben durch technologische Fortschritte, ein wachsendes Bewusstsein für Energieeffizienz und die zunehmende Integration in erneuerbare Energiesysteme.

Artikel vom 28.9.2022