TEIL C

Der Thermoelektrische Effekt / Seebeck-Effekt (TEGs) (V)

Im August 2001 erscheint ein Bericht von Wissenschaftlern der britischen University of Nottingham um die Professoren Siddig A. Omer und Saffa B. Riffat, in welchem es um die experimentelle Untersuchung eines thermoelektrischen Kältesystems unter Verwendung von Phasenwechselmaterialien (PCMs) geht, die in eine thermische Diode (Thermosyphon) integriert sind.

In dem Beitrag werden die Ergebnisse der Arbeiten vorgestellt, die neben der Konstruktion und Fertigung auch den Test eines thermoelektrischen Kältesystems mit einer Leistung von 150 W umfassen, bei dem ein gekapseltes PCM als Kältesenke Verwendung findet. Um die Leistungsfähigkeit und die Speicherfähigkeit weiter zu verbessern, wird eine thermische Diode integriert, die einen Wärmestrom in nur einer Richtung zuläßt. Eine praktische Umsetzung der Erkenntnisse läßt sich bisher nicht belegen.

Die Firma Thermo Life Energy Corp. in Riverside, Kalifornien, deren Gründungsdatum sich noch nicht herausfinden ließ, und die Teil des seit 1993 bestehenden Identifikations- und Sicherheitstechnik-Konzerns Applied Digital Solutions Inc. ist, stellt im Oktober 2001 eine neuartige, Keramik-basierte thermoelektrische Dünnschicht-Technologie vor und kündigt den Beginn eines Forschungs- und Entwicklungsprogramms an, um die bislang erzeugbare Spannung von 1,5 V auf 3,0 V zu erhöhen.

Das autonome Mikro-Technologie-Gerät Thermo Life ist ein einzigartiger, kleiner und kompakter Low Power Thermoelectric Generator (LPTG), der als tragfähige Solid-State ,Batterie’ für Geräte wie Mikrosensorsysteme, ZigBee-Chipsätze, tragbare Elektronik, implantierbare medizinische Geräte, aktive RFID-Tags u.ä. genutzt werden kann und selbst bei Temperaturunterschieden von weniger als 5°C funktioniert.

Ursprünglich entstanden ist diese Technologie, die mittels BI₂Te₃ auf einer dünnen Kapton-Folie umgesetzt wird und effizient bei Temperaturen von 0 – 100°C funktioniert, im Laufe von acht Jahren an der Martin-Luther-Universität in Halle. Später wird sie bei der ebenfalls in Halle beheimateten, inzwischen aber erloschenen Firma D.T.S. Gesellschaft zur Fertigung von Dünnschicht-Thermogenerator-Systemen mbH GmbH weiterentwickelt. Die von den Entwicklern Matthias Stordeur und Ingo Stark gegründete Firma ist zu diesem Zeitpunkt die weltweit einzige, die in der Lage ist die LPTG mittels Dünnfilmtechnologien herzustellen. Ab 2000 kooperieren D.T.S. und Applied Digital im Rahmen einer gemeinsamen Entwicklungsvereinbarung.

Im Juli 2002 gibt Applied Digital einen Durchbruch bekannt, da in Laborversuchen erfolgreich 3,0 V durch Körperwärme erzeugt werden konnten. Nun will man die Entwicklung und Kommerzialisierung der Thermo Life Systeme beschleunigen, den Namen der 100 %-igen Tochtergesellschaft Advanced Power Solutions in Thermo Life Energy Corp. umwandeln und eine Absichtserklärung unterzeichnen, um das deutsche Pionierunternehmen D.T.S. zu übernehmen.

Mit Abschluß der D.T.S.-Transaktion im Jahr 2003, bei der alle fortschrittlichen Anlagen und Maschinen von der D.T.S. in das neu gebaute Labor der Thermo Life verlegt werden, schließt sich auch der Entwickler Stark dem Technologieforschungs- und Entwicklungsteam des neuen Unternehmens an, wo man sich nun auf den Massenherstellungsprozeß konzentriert und bereits mit potentiellen Lizenznehmern, Kunden und Partnern zusammenarbeitet.

Eine US-Patentanmeldung wird im Mai 2003 getätigt, neben Stark wird hier als Erfinder noch ein Peter Zhou genannt (Low power thermoelectric generator, US-Nr.  6.958.443, erteilt 2005). Der Beschreibung der auf Dünnfilm abgeschiedenen dichten Anordnung von Bi₂Te₃-Thermoelementen ist zu entnehmen, daß die Seite-an-Seite und senkrecht zwischen Boden- und Deckplatte, und in thermischem Kontakt mit diesen, angeordneten Foliensegmente eine Substratdicke von 7,5 - 50 µm aufweisen und eine elektrisch in Reihe geschaltete und thermisch parallel verbundene Anzahl von alternierenden n- und p-leitenden thermoelektrischen Schenkeln auf Bismut-Telluridbasis mit einer Dicke von 5 – 100 μm, einer Breite von 10 – 100 μm und einer Länge von 100 - 500 μm besitzen.

Die kommerzielle Einführung der Thermo Life Technologie soll noch in diesem Jahr erfolgen.

Interessanterweise gibt es 2006 eine Neuanmeldung des Patents durch Stark, auf der als Unternehmen eine Firma Digital Angel Corp. in St. Paul, Minnesota, aufgeführt wird (US-Nr.  7.629.531, erteilt 2009). Dieses 1981 gegründete Unternehmen scheint später mit Applied Digital fusioniert zu sein. Ein weiteres Patent trägt den Titel ,Thermoelectric power supply’ (US-Nr.  7.626.114, erteilt 2009).

Im Mai 2005 wird der Entwicklungsabschluß der nächsten Thermo Life Generation bekanntgegeben, die mit 5.074 elektrisch in Reihe geschalteten Thermoelementen ausgestattet ist, 9,3 mm im Durchmesser mißt, 230 mg wiegt, und damit fast 50 % leichter und kleiner ist als das ursprüngliche Modell. Bei Kontakt mit dem Körper und einer  Temperaturdifferenz von 5°C werden bei 3 V 10 μA oder mehr geliefert, was 60 μW/cm²entspricht (im Vergleich zur bisherigen Leistungsabgabe von 28 μW W/cm²). Der Strom wird zum Aufladen des integrierten Dünnfilm-Akkus verwendet.

Die Firma führt Gespräche über Fertigungsabkommen für eine Massenproduktion durch und hofft, mit der Auslieferung des neuen Thermo Life-Gerätes Ende 2006 oder Anfang 2007 beginnen zu können.

Die nächste Meldung stammt vom Juli 2010 und besagt, daß die Thermo Life Energy Corp. von der Firma Perpetua Power Source Technologies Inc. übernommen wird – aus welcher der Geschäftsbereich der Dünnschicht- und Wearable Energy Harvesting-Technologie Anfang 2015 unter dem Namen Thermogen Technologies Inc. ausgegliedert wird. Mehr über diese Unternehmen findet sich weiter unten (s.d.).

Vermutlich ab dem Jahr 2003 bietet die russische Firma Termofor drei Ofenmodelle an, die mit thermoelektrischen Generatoren ausgerüstet sind. Über das Unternehmen selbst ist nicht viel herauszufinden, der Telefonvorwahl nach scheint es in Nowosibirsk, der größten Stadt Sibiriens, beheimatet zu sein.

Die TEG-Öfen sind für feste Brennstoffe gedacht, sehen sehr solide aus und liefern bei 12 V je nach Modell 25 W oder 50 W. Der Cinderella TEG ist beispielsweise ein kleiner Ofen und Kochherd für Räume bis 50 m³, der aus 3 mm dickem Baustahl gefertigt ist und eine Heizkeistung von 2,5 kW hat. Für den elektrischen Output von 25 W gibt es eine eingebaute 12 Ah Batterie.

Ein etwas größeres Modell heißt Indigirka-2, besteht aus hitzebeständigem, hochlegiertem Stahl, ist ebenfalls für Räume bis 50 m³ gedacht und wiegt 54 kg. Dieser Ofen mit Herdplatte hat eine Heizkeistung von 4  kW und liefert mit zwei eingebauten thermoelektrischen Generatoren 50 W.

Ebenso viel Leistung bringt das Modell Normal-1 TEG, das mit einer Heizkeistung von 6  kW allerdings für Räume bis 100 m³ geeignet ist. Auch dieser schlichte und funktionale Ofen hat eine 12 Ah Batterie an Bord.

Die Produkte werden bereits in Kasachstan, Kirgisistan, Weißrussland, der Ukraine, Lettland, Australien und Neuseeland verkauft, und sogar in den USA gibt es in New York einen autorisierten Vertrieb. Preise werden auf der Homepage nicht genannt. Dem Stand von 2016 nach ist nur noch das Basismodell Indigirka im Angebot.

Erstmals im Jahr 2003 ist etwas von der Sturmlaterne LUFO zu hören, die am Kopf mit einem Thermo-Generator ausgestattet ist, während im Lampenboden ein vollwertiges MW/UKW-Radio mit Lautsprecher und Kopfhöreranschluß eingebaut ist, das mit dem thermoelektrisch erzeugten Strom betrieben wird – ganz ähnlich wie der TGK 3 gut 60 Jahre zuvor (s.o.).

Der von der Lampenflamme erhitzte Thermogenerator erzeugt bei mittlerer Helligkeit eine Spannung von ca. 3 V. Nach ca. 3 Minuten ist genügend Wärme in Energie umgewandelt, um das Radio zu betreiben. Mit einer Tankfüllung von 0,33 Litern Petroleum läuft das 38 cm hohe, 17 cm durchmessende und 1,6 kg schwere Lampen-Radio 24 Stunden. Als Nebeneffekt liefert es Wärme durch die Abstrahlung des TE-Kühlkörpers.

Das von einem unbekannten Hersteller in China produzierte Lampenradio in Form einer ,Petroleum-Stalllaterne’ wird in Deutschland von der Firma Pelam Petromax GmbH in Magdeburg zu einem Preis von rund 60 € vertrieben. Es soll ursprünglich im Laufe von zehn Jahren von dem französischen Erfinder Edouard Serras-Paulet für die UNO entwickelt worden sein, wird inzwischen aber nicht mehr hergestellt.

Ein weiteres Unternehmen, das kommerziell erfolgreich ist, heißt Nextreme Thermal Solutions Inc., wird im Jahr 2004 von Rama Venkatasubramanian gegründet und sitzt im Research Triangle Park in Durham, North Carolina. Die Firma entwickelt und verkauft mikroskalige, eingebettete thermoelektrische Generatoren (embedded thermoelectric generators, eTEG), die mittels modernster Dünnschicht-Technologie hergestellt werden, und behauptet, den „weltweit kleinsten thermoelektrischen Generator mit der höchsten Ausgangsleistung“ anzubieten, der schon bei Temperaturunterschieden von weniger als 5°C funktioniert.

Das Unternehmen nimmt bei seiner ersten Finanzierungsrunde im März 2005 Investitionsmittel in Höhe von 8 Mio. $ von RTI International (wo Venkatasubramanian seine Entwicklungen als Direktor des Center for Solid State Energetics durchführt), Redshift Ventures, Harris & Harris Group und The Aurora Fund ein – und beginnt im Oktober 2007 mit der Auslieferung seiner ersten Produkte. Diese basieren auf einem 10 – 20 μm starken Dünnfilm aus einzelnen Bismut-Tellurid-Mikrokristallen, die spezielle Dotierstoffe enthalten und mit einem besonderen Gasphasenabscheidungsverfahren hergestellt werden.

Eine zweite Runde im August 2008 bringt dem Unternehmen weitere 13 Mio. $ von Chart Venture Partners, In-Q-Tel, den Startinvestoren sowie den japanischen ITOCHU Corp. und ITOCHU Technology Ventures Inc. Die Finanzierung wird verwendet, um im Jahr 2009 die volle Produktion aufzunehmen. Über ein Product-Crowdfunding können im Juli 2009 zusätzliche 21,35 Mio. $. eingenommen werden, wobei auch die meisten der o.g. Investoren wieder mit dabei sind.

Zu diesem Zeitpunkt wird zudem eine Kooperationsvereinbarung mit dem Rüstungskonzern Lockheed Martin geschlossen, um die nächste Generation der Thermal- und Power Management-Lösungen von Nextreme zu entwickeln. Inzwischen bietet die Firma, die diverse Patente besitzt, elektronische Kühl- und Energieerzeugungslösungen für Telekommunikations-, Halbleiter-, Verbraucher-, Medizin-, Luftfahrt- und andere Märkte an, wobei sie hochvolumige Halbleiterherstellungsprozesse nutzt.

Im November 2009 gibt Nextreme die Entwicklung eines thermischen eTEG-Ladegeräts bekannt, die gemeinsam mit der Firma Infinite Power Solutions Inc. (IPS) erfolgt ist, einem Hersteller von wiederaufladbaren Festkörper-Dünnschicht-Mikroenergiespeichern. Das Gerät hat die Fähigkeit zur kontinuierlichen Aufladung der THINERGY Micro-Energy Cell (MEC) von IPS.

Der vorgestellte Prototyp verwendet ein Array aus 16 Modulen vom Typ HV14, die 4,1 V zur Verfügung zu stellen, um die MEC in etwa 20 Minuten vollständig aufzuladen. Bei nur 0,5 mm Höhe und einer Fläche von 1,8 x 1,5 mm, können vier dieser HV14 Stromerzeuger eine AA-Batterie ersetzen. Ein einzelner HV14 erreicht bei einem Temperaturunterschied (ΔT) von 70°C eine Ausgangsleistung von > 16 mW, bei einem ΔT von 120°C werden > 45 mW erzielt. Die Ausgangsleistungsdichte beträgt bis zu 1,6 W/cm².

Im Dezember 2009 erhält das Unternehmen das Patent für einen innovativen, mehrstufigen solar-thermoelektrischen Hochtemperatur-Generator (TEG Solar), der einen Wirkungsgrad von 15 % erreichen soll (US-Nr. 7.638.705, angemeldet 2006).

Meldungen vom August 2010 zufolge vertreibt Nextreme inzwischen auch noch eine andere Version der gleichen Basistechnologie, die in umgekehrter Richtung Wärme aus Laserdioden und anderen wärmeempfindlichen Geräte wegpumpt und diese damit kühlt. Im November folgen die nur 0,6 mm dicken Modelle eTEG HV37 und HV56, die elektrisch in Reihe geschaltet höhere Spannungs- und Leistungsausgänge erreichen (24 mW / 850 mV bzw. 36,5 mW / 1,25 V, jeweils bei ΔT = 50°K).

Mit der Produktreihe Thermobility Wireless Power stellt Nextreme im Februar 2011 eine neue Generation seiner Gräte vor, die speziell für drahtlose Niederspannungsanwendungen zugeschnitten sind. Das erste Produkt, der Thermobility WPG-1a, liefert eine konstante Ausgangsspannung von 3,3 V, 4,1 V oder 5,0 V an elektrische Lasten von 15 kΩ oder höher.

Der WPG-1 ist etwa so groß wie ein Golfball und besteht aus einem Rippenkühlkörper, einem Schaltkreis, dem thermoelektrischen Generator-Modul ETG HV56 sowie einer Befestigungsplatte aus Metall, die an der gewünschten Wärmequelle angebracht wird. Der Preis beträgt je nach Ausführung zwischen 495 $ und 595 $.

Im Mai 2011 wird eine weitere Kooperation bekanntgegeben. Diesmal will man gemeinsam mit der Firma Arkansas Power Electronics International Inc. (APEI) eine thermische Energiegewinnungslösung für ein drahtloses Sensorsystem entwickeln, mit dem der Zustand von Lagern in Turbinenmotoren überwacht wird, welche zu den mechanisch am stärksten beanspruchten Bauteilen gehören, sowohl bei Flugzeugturbinen als auch bei Energieerzeugungssystemen.

Die Echtzeitüberwachung von Temperatur, Vibration, Dehnung und Druck liefert wichtige Informationen über die Lager, deren Analyse viel Zeit und Geld spart, da eine Wartung des Motors nicht mehr in regelmäßig geplanten Intervallen erforderlich ist, sondern erst wenn der Sensor es zeigt. Die während des kontinuierlichen Feldbetriebes gesammelten Daten erlauben zudem Design-Verbesserungen im Sinne der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz zukünftiger Systeme.

Die Entwicklung, die eine jahrelange wartungsfreie Betriebsweise verspricht, soll bis Ende des Jahres abgeschlossen werden.

Eine weltweite strategische Distributions- und Designpartnerschaft gemeinsam mit der Firma Laird Technologies Inc. wird im Februar 2012 bekanntgegeben. Die Laird Group PLC hatte bereits im Oktober 2005 die aus der RCA ausgegründete Melcor Corp. in Trenton, New Jersey, sowie deren chinesische Tochter Melcor Hua Yua (MHY) in Quanzhou für 30 Mio. $ von der bisherigen Besitzerin übernommen, der Firma Fedders Corp., die als größter US-Hersteller von Raumklimaanlagen für den Wohnungsmarkt gilt.

Melcor war insbesondere durch freistehende thermoelektrische Flüssigkeitskühler für medizinische und Laboranwendungen bekannt geworden.

Im Februar 2013 wird bekannt, daß Laird nun auch Nextreme übernommen hat.

Ab 2004 finanziert das U.S. Department of Energy (DOE) drei Teams mit jeweils 8 Mio. $ mit dem Ziel der Entwicklung eines ATEG für Fahrzeuge, der eine 10 %-ige Verbesserung beim Kraftstoffverbrauch bringen soll. Über das erste Team, die Amerigon-Tochter BSST zusammen mit Viseton und Marlow, habe ich bereits berichtet.

Das zweite Team besteht aus General Motors zusammen mit GE, dem Oak Ridge National Laboratory, den Universitäten von Michigan und South Florida sowie dem Brookhaven National Lab, während das dritte die Firmen MSU gemeinsam mit Cummins, dem NASA-JPL und Tellurex umfaßt. Die Ergebnisse dieser Forschungen werden weiter unten aufgeführt, sofern ich sie herausfinden konnte.

Auch die im Jahr 2005 von Jon Hofmeister, einem Absolventen der University of Oregon, mit Hilfe einer Startfinanzierung durch den Universitity Venture Development Fund gegründete Firma Perpetua Power Source Technologies Inc. (Perpetua) gilt inzwischen als alter Hase auf dem Feld der Thermoelektrizität. Das Unternehmen bezeichnet sich selbst als den führenden Entwickler von Erneuerbare-Energie-Lösungen für drahtlose Sensornetzwerke (WSN).

Entstanden ist die in Corvallis, Oregon, beheimatete Perpetua, um kommerzielle Anwendungen für eine innovative thermoelektrische Dünnfilmtechnologie zu vermarkten, die 1998 am Battelle Memorial Institute entwickelt worden ist – das im Auftrag des US Department of Energy das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) betreibt. Nachdem es dann nach vielen Jahren weiterer Forschungen gelingt, die Integration der Power-Management Elektronik erfolgreich umzusetzen und die Lebensdauer der Funksensoren zu verlängern, erwirbt Perpetua 2006 eine Exklusivlizenz für die Technologie, nachdem es der Firma gelungen ist, einige Technologie-Veteranen von Hewlett-Packard an Bord zu holen.

2007 werden Fortschritte bei der Produktion der primären, firmeneigenen Innovation verzeichnet, einer patentierten, flexiblen, thermoelektrischen Folie (Flexible Thermoelectric Film), die leichter ist und höhere Spannungen produziert als herkömmliche thermoelektrische Generatoren. 2008 folgt eine Lizenz- und Kooperationsvereinbarung mit der Universität von Oregon.

Im Jahr 2009 kommen dann endlich die ersten Produkte auf den Markt: Ein Demonstrations-Kit (im Koffer) zur Bestimmung der optimalen Standorte für die Stromversorgung von drahtlosen Sensor-Geräten – sowie der ca. 60 g leichte Perpetua Power Puck, ein Solid-State-Gerät mit etwa 4 cm Durchmesser und 5 cm Höhe, das geregelte Ausgangsspannungen von 1,8 V, 2,5 V, 3,0 V und 3,3 V aufweist und sogar einen Überspannungsschutz besitzt. Bei beiden Produkten kommt die thermoelektrische Folie zum Einsatz, Preise werden noch nicht genannt.

Im Juli wird der Perpetua Power Puck mit dem renommierten R&D 100 Award des R&D Magazine ausgezeichnet. Das Unternehmen erhält den Preis zusammen mit dem PNNL.

Ende des Jahres unterzeichnet die Firma einen Forschungsvertrag mit dem Department of Homeland Security (DHS) zur Entwicklung und Demonstration eines thermoelektrischen Generators, der die Stromversorgung drahtloser Sensoren mittels Körperwärme erlaubt. Im Folgejahr wird ein Anschlußvertrag geschlossen, bei dem es um eine tragbare Energy-Harvesting-Lösung geht, die in Textilien, Gurte oder Helme eingearbeitet und für die Überwachung eingesetzt werden kann.

Ein weiterer Forschungsvertrag mit ähnlichem Inhalt wird 2010 mit National Science Foundation (NSF) unterzeichnet. Hierbei geht es darum, ein Prototyp-Armband zur Verfolgung des Aufenthaltsorts von Menschen mit Alzheimer zu entwickeln. Die geplanten Geräte sollen für mehr als 10 Jahre wartungsfrei und gleichzeitig kostengünstig herstellbar sein.

Im Juli 2010 übernimmt Perpetua die Firma Thermo Life Energy Corp. nebst derem üppigen Patent-Portfolio (s.o.), und 2011 wird die zweite Generation der Power Puck-Module vorgestellt. Die neuen Wärme/Luft-Geräte sollen gegenüber ihren Vorgängern eine signifikante Leistungssteigerung aufweisen.

Obwohl diese Leistung im Mikrowatt-Bereich liegt, reicht sie für den Betrieb von Sensoren oder einer Armbanduhr aus, weshalb die Entwicklung vor allem für Sportler interessant ist. Im Juli 2012 verlautet daher, daß der grundlegende Chip bis zum Jahr 2014 auch in Schrittzählern und ähnlichen Geräten verbaut werden soll.

Weitere Anwendungsgebiete für die Technologie, deren Wirkungsgrad bei 3 – 10 % liegt, gibt es in der Medizin und der Industrie. Die Haltbarkeit der Chips soll laut Perpetua 10 – 20 Jahre betragen. Um den Geräten drahtlose Konnektivität hinzuzufügen, geht das Unternehmen eine Partnerschaft mit Texas Instruments ein, mit anderen Firmen wird an Smartphone-Zubehör (wie Headsets), Gesundheits-Monitoring-Geräten (wie tragbare Herzfrequenz-Monitore) und ähnlichem gearbeitet, die alle mittels Körperwärme betrieben werden.

Anfang 2013 wird über eine Neuentwicklung namens TEGwear Technology berichtet, die 2014 auf den Markt kommen soll. Dies ist dann aber nicht der Fall – stattdessen gibt Perpetua im Dezember 2014 bekannt, daß man unter der Leitung von NextSteps Capital neue Investitionsmittel in Höhe von 3 Mio. $ eingeworben habe, mit denen insbesondere die Produktionskapazitäten ausgebaut werden sollen. Außerdem wird mitgeteilt, daß die Aktionäre einen Plan zur Abspaltung des Geschäftsbereichs Dünnschicht- und Wearable Energy Harvesting-Technologie genehmigt haben.

Pünktlich zum Jahreswechsel entsteht daher am gleichen Standort in Corvallis das eigenständige Unternehmen Thermogen Technologies Inc., das damit auch für die Thermo Life Technologie zuständig wird, während Perpetua – das sich nur noch um die Vermarktung der Power Pucks kümmert – im August 2015 mit Emerson Electric vereinbart, die Produkte bei den Funksendern dieser Firma einzusetzen, was ihnen erlaubt über ihre gesamte Lebensdauer ohne Batteriewechsel mit maximaler Aktualisierungsrate zu arbeiten. Emerson beginnt im August 2016 mit der Vermarktung des neuen Kombiprodukts.

Dem aktuellen Stand zufolge bietet Perpetua Power Pucks zur Stromversorgung industrieller Funksensoren für Temperatur, Druck, Vibrationen und vieles mehr an, die an Sender von Emerson, GE und Honeywell angeschlossen sind und auch zur Versorgung anderer 5,5 – 11 V Sender dienen können, sowie Power Tiles für verdrahtete Sensoren wie industrielle 4 – 20 mA Meßumformer u.ä.

Über die Aktivitäten der neuen Thermogen Technologies Inc. ist bislang noch nichts bekannt.

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