TEIL C

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

Im Februar 2015 berichten die Fachblogs über eine Anfrage des Queensland Maroons Rugbyteams, die bei der Texas A&M University eingeht. Die australischen Sportler sind auf der Suche nach jemanden der ihnen dabei hilft eine Technologie zu entwickeln, die es den Spielern erlaubt, Sensoren in ihren Trikots autonom mit Strom zu versorgen. Diese sollen die Hydratation der Spieler und die Energie der G-Kraft überwachen, der sie bei einem Treffer ausgesetzt sind. Dies ist eine wesentliche Komponente, um festzustellen, ob ein Spieler eine Gehirnerschütterung erlitten hat.

Die Maroons hatten bei diesem Projekt ursprünglich mit der Queensland University of Technology in Brisbane zusammengearbeitet, werden vor dort aber in die USA weiterempfohlen, woraus ein Kontakt mit Prof. Jaime Grunlan entsteht, der sich primär mit der Erforschung von Polymerverbundwerkstoffen befaßt und nun auf das Fachwissen seiner Kollegen Prof. Choongho Yu zurückgreift, welcher bereits Forschungem im Bereich des thermoelektrischen Energy Harvesting und der Kühlung durchgeführt hat.

Die von Grunlan entwickelten Sensoren bestehen daher aus thermoelektrischen Materialien auf Polymer- oder Kunststoffbasis, die als Beschichtungen auf Gewebe aufgebracht werden können. Weitere Details sind bislang nicht zu erfahren.

Die Firma Terratec zeigt auf der CeBit im März 2015 eine Thermoskanne, die es in sich hat: und zwar ein Thermo-Element, mit dem aus dem heißen Wasser, Tee oder Kaffee tatsächlich etwas Strom gewonnen wird, sowie einen 1.200 mAh Akku, der diesen sammelt und dann bereitstellt, um über die USB-Buchse elektronische Kleingeräte aufzuladen.

Die Thermoskanne HotPot 1200 erfordert nur, daß die Flüssigkeit über 80°C heiß ist, was aber sogar am Lagerfeuer kein Problem sein dürfte. Eine integrierte LED zeigt den Ladevorgang des im Gehäuseboden eingebauten Akkus an. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den eingebauten Akku noch vor dem Abenteuerurlaub zu laden. Eine im Lieferumfang enthaltene LED-Tachenlampe, ebenfalls mit USB-Anschluß rundet das Outdoor-Pack ab, das rund 60 € kostet. Schon 2016 reduziert sich dieser Preis auf nur 15,00 € (ohne Tachenlampe).

Ebenfalls im März 2015 erscheint in den Fachblogs der nächste Campingofen, der die mitgeführte Elektronik aufladen kann. Das technisch überzeugende Gerät namens Tegstove stammt von der neu gegründeten Firma Tegology Ltd. im britischen Dorset.

Betrieben wird der Tegstove mit standardmäßigen P220 Gas-Patronen, er steht auf einen zusammenfaltbaren Dreifuß-Stativ und besitzt eine interne Batterie, die thermoelektrisch aufgeladen wird und dann das Telefon o.ä. auflädt.

Eine von dem Firmeninhaber Spencer Turner auf Indiegogo gestartete Crowdfunding-Kampagne mit dem Ziel, für die Produktionsaufnahme 50.000 $ zu beschaffen, geht allerdings gründlich schief, als während der Kampagnenlaufzeit nur magere 4.203 $ zusammenkommen. Doch auch diese Firma läßt sich davon nicht ausbremsen. Dem Stand von Ende 2016 zufolge werden Vorbestellungen zu einem Preis von 195 € angenommen, wonei die Auslieferung im April 2017 erfolgen soll.

Im April 2015 folgt der Bericht über eine elektrochemische Technologie, welche die Grundlage für neuartige thermoelektrische Vorrichtung darstellt. Das Start-Up NanoConversion Technologies (NCT) will mit seiner thermisch regenerativen Konzentrationszelle (thermally regenerative concentration cell) – einer Art Mikro-KWK – die kombinierte Wärme- und Energieerzeugung in Eigenheimen effizienter und billiger machen. Das C-TEC genannte Gerät soll im hauseigenen Kessel oder Wasserboiler sitzen und neben Warmwasser einen Teil des heimischen Strombedarfs produzieren.

Nach der Startfinanzierung durch die Gründer und ihre Freunde, gelingt es NanoConversion Investitionsmittel von Frank Marshall zu bekommen, einem ehemaligen Vizepräsident der Firma Cisco.

Bei der eingesetzten Technologie handelt es sich um den 1966 von Joseph T. Kummer und Neill Weber bei der Firma Ford erfundenen thermoelektrischen Alkalimetall-Wandler (alkali-metal thermal-to-electric converter, AMTEC), der damals auch unter dem Namen Natrium-Wärmekraftmaschine (sodium heat engine, SHE) bekannt wurde und im Labor einen Wirkungsgrad von 16 % erreicht hat (zum Patent siehe US-Nr. 3.404.036, erteilt 1968, u.a.). NanoConversion kauft die Reste der Ford-Technologie und verwendet tatsächlich einiges von deren Uralt-Ausrüstung.

Ein eigenes Patent hatte das Start-Up bereits 2012 angemeldet (Thermoelectric converter with projecting cell stack, US-Nr. 8.865.999, Priorität von 2011, erteilt 2014). Als Erfinder werden Mike Staskus, Dave Rossi und Derek Nam genannt. Weitere Anmeldungen tätigt die NanoConversion in Europa, Japan und China.

Der Firma zufolge nutzt das C-TEC, das keine beweglichen Teile hat und jede Wärmequelle nutzen kann, eine Temperatur von 850°C als Input, um mit einem potentiellen Wirkungsgrad von bis zu 30 % Gleichstrom sowie eine thermische Heizleistung bei 200°C zu erzeugen. Die Wärme mit eingerechnet sollen sogar über 90 % erreicht werden. Dabei nutzt die Vorrichtung einen thermodynamischen Zyklus von expandierendem und kondensierendem Natrium im geschlossenen System, bei dem die durch die Expansion des Natriumdampfes erzeugte Arbeit in elektrische Energie umgewandelt wird.

Der Zyklus ist recht einfach: Die Eingangswärme verdampft das Natrium, der Ionentransport durch einen Festkörper-Elektrolyt aus Natrium Beta-Aluminiumoxid (BASE), wie er bei Natrium-Schwefel-Batterien verwendet wird, erzeugt Gleichstrom, der Kühlkörper kondensiert das Natrium und liefert Wärmeenergie, und eine elektromagnetische Pumpe fördert das verflüssigte Natrium wieder zum Verdampfer zurück.

NanoConversion verfügt bereits über eine Demonstrationsanlage mit sechs Zellen, die zusammen bei 2,5 V und 1,2 A eine Leistung von 3 W erreichen. Bevor das Unternehmen damit auf den Markt kommt, muß die Technologie daher noch hochskaliert und eine entsprechende Fertigung für die Geräte aufgebaut werden, deren Lebensdauer bis zu 15 Jahre betragen soll.

Im Januar 2015 gibt es die bereits dritte Förderung der National Science Foundation (NSF), was zusammen 1,35 Mio. $ ausmacht (anderen Informationen zufolge handelt es sich um knapp 1,5 Mio. $ um aus ARPA-EMitteln). Damit wird das im Jahr 2012 gestartete Programm zur Entwicklung eines thermoelektrischen Hochleistungskonverters finanziert, die gemeinsam mit Forschern des Gas Technologies Institute (GTI) erfolgt und bis Ende 2017 abgeschlossen werden soll.

Im November 2015 wird der erste C-TEC-Prototype an die Firma Gentherm Global Power Technologies Inc. in Calgary geliefert (s.o.), um dort getestet zu werden. Nach der erfolgreichen Prüfung arbeitet die NanoConversion eng mit Gentherm zusammen, um den C-TEC für den kommerziellen Einsatz zu qualifizieren. Zudem versucht das Unternehmen in einer Finanzierungsrunde B 10 Mio. $ einzuwerben, um sich von der Technologiedemonstration zur Produktentwicklung zu bewegen.

Ebenfalls im April 2015 berichten  Forscher der Sandia National Laboratories um die Physiker und Materialwissenschaftler François Léonard, Mark Allendorf und Alec Talin, daß sie erste Messungen des thermoelektrischen Verhaltens eines nanoporösen metallorganischen Gerüsts (nanoporous metal-organic framework, MOF) durchgeführt haben, eine Entwicklung, die zu einer völlig neuen Klasse von Materialien führen könnte, die sich für entsprechende Anwendungen maßschneidern und optimiern lassen.

Diese Arbeiten basieren auf früheren Forschungen, bei denen das Sandia-Team die elektrische Leitfähigkeit der erst 1999 entdeckten MOFs durch die Durchsetzung der Poren mit einem Molekül realisiert, das als Tetracyanochinodimethan (TCNQ) bekannt ist. Die Tatsache, daß ein TCNQ-gefülltes MOF Elektrizität gut leitet, läßt die Wissenschaftler nun hoffen, daß es auch thermoelektrisch wirkt. Was sich dann nicht nur bestätigt, sondern auch noch mit einer Effizienz nahe der von Bismut-Tellurid.

Beschrieben als ,molekulares Bastel-Spielzeug’, haben MOFs eine molekulare Gerüststruktur, die aus starren organischen Molekülen besteht, welche durch Metallionen miteinander verbunden sind. Dabei bilden die organischen Moleküle die Stäbchen und die Metallionen die Kugeln. Der Hybrid aus anorganischen und organischen Komponenten erzeugt eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften: Nanoporosität, ultragroße Oberflächen und eine bemerkenswerte thermische Stabilität.

Was die MOFs aber wirklich interessant macht, ist der leere Raum, der von den organischen Molekülen und Metallionen umschlossen wird und mit praktisch jedem Molekül gefüllt werden kann, das klein genug ist, um in die MOF Poren passen – weshalb die Forscher dieses Konzept als Gast@MOF beschreiben.

Gemeinsam mit dem ehemaligen Sandia-Postdoktoranden Kristopher Erickson konstruieren Léonard und Talin eine thermoelektrische Vorrichtung, indem sie die Enden eines dünnen Films des p-Typ Materials TCNQ@MOF mit einem Peltier-Heizer und -Kühler verbinden, um einen winzigen Temperaturgradienten zu erzeugen. Mit einer Infrarotkamera messen sie genauestens den Temperaturgradienten – und gleichzeitig die erzeugte Spannung.

Aus diesen Daten erhalten sie die Spannung pro Einheit der Temperaturänderung (Seebeck-Koeffizient). Die Wärmeleitfähigkeit wiederum wird von Prof. Patrick Hopkins und seinem Diplomanden Brian M. Foley an der University of Virginia gemessen, die hierfür eine Laser-Technik verwenden. Die Resultate sind vielversprechend, da sie neben einem hohen Seebeck-Koeffizienten auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit zeigen.

Im nächsten Schritt soll nun der thermoelektrische Wirkungsgrad von TCNQ@MOF verbessert werden, außerdem wird noch nach einem Molekül gesucht, das in Kombination mit einem MOF einen n-Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften wie TCNQ@MOF schafft, um damit dann ein vollständiges thermoelektrisches Gerät aufbauen zu können. Neben Einkristallen werden hierbei auch Dünnfilme aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen untersucht. Was am Sandia Lab bereits durch W. Graham Yelton und dessen Team geschieht.

Zum Background: Die Sandia National Laboratories sind ein Multi-Programm-Labor, das von der Sandia Corp., einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft der Lockheed Martin Corp., im Auftrag der National Nuclear Security Administration des U.S. Department of Energy betrieben wird.

Im August 2015 folgt die Meldung, daß nun auch die Forschungsgruppe RTI International einen Kochherd entwickelt hat, der Holz sauberer verbrennt und gleichzeitig mit einem thermoelektrischen Generator Strom produziert, welcher einen eingebauten Ventilator versorgt, um Luft in die Brennkammer des Ofens zu blasen (Thermoelectric Enhanced Cookstove Add-on, TECA). Wobei sich mit dem Strom natürlich auch noch das Handy aufladen läßt. Partner bei dem Projekt sind die Colorado State University und das 2003 gegründete soziale Unternehmen Envirofit International.

In Aurangabad, Indien, durchgeführte Feldtests wurden im Juni abgeschlossen, worauf die RTI nun eine Dauerhaftigkeitsprüfung durchführt, zusammen mit Marktforschungsaktivitäten. Weitere Feldversuche laufen mit Unterstützung des U.S. Centers for Disease Control and Prevention und des U.S. Department of Energy in Kenia, wofür es knapp 70.000 $ Förderung gibt. Man hofft, daß der Herd, dessen Entwicklung durch David Stokes ursprünglich mit 868.200 $ vom US-Energieministerium finanziert wurde, innerhalb von 18 Monaten im Handel erhältlich sein wird. Wpfür sich bislang aber keine Belege finden lassen.

Eine weitere Taschenlampe, die einen winzigen thermoelektrischen Generator verwendet, ist im Oktober 2015 in den Blogs zu sehen. Sie besteht aus einem Metallrahmen, einer einzelnen LED und einem stilisierten Daumenabdruck, um anzugeben, wo man das Gerät berühren muß, um es einzuschalten.

Die nur fingerlange Lumen des Ingenieurs Rost Zhuravskiy aus Staten Island in New York, die völlig ohne Batterien auskommt, wird auf der Crowdfunding-Plattform Kickstarter in zwei verschiedenen Ausführungen mit stabiler Aluminium- oder Titanhülle angeboten, die 45 bzw. 60 wiegen und 35 resp. 45 $ kosten sollen. Die Alu- oder Titanhülle wirkt als Wärmeleitblech, um den TEG möglichst effizient zu versorgen. Für einen Aufpreis von 15 $ gibt es die jeweilige Version auch mit einen integrierten, winzigen Tritium-Röhrchen – einem Glasrohr mit einer Leuchtstoffschicht und Tritiumgas im Innern, das für mehr als ein Jahrzehnt glüht – um die Taschenlampe auch im Dunkeln leicht zu finden.

Bei einer Außentemperatur von 28ºC produziert die Lumen etwa 15 mA bei 3 V, was genug Energie ist, um die eingebaute einzelne ultrahelle 5-mm LED zu betreiben.

Als die Crowdfunding-Kampagne im November zu Ende geht, kann sich Zhuravskiy freuen, denn statt der benötigten 5.000 $ kommt von 2.833 Interessenten die fast unglaubliche Summe von 156.759 $ zusammen. Nun sollen die ersten Exemplare der 40 x 13 x 80 mm großen ,ewigen Taschenlampe’ im Februar 2016 ausgeliefert werden.

Daß die Designstudenten Vihanga Gore und Sergey Komardenkov am Copenhagen Institute of Interaction Design (CIID) auf die Idee kommen, die Thermoelektrik in eine IKEA-Tischplatte zu installieren, wird im Dezember 2015 in den Blogs verbreitet. Die Tischplatte kann die Hitze von warmen Speisen oder einer Tasse Kaffee wieder in Elektrizität umwandeln, die sich zum Laden von elektronischen Geräten verwendet läßt.

Ihre Idee, die sie Heat Harvest nennen, wird bei Space 10, einem Forschungslabor von IKEA, umgesetzt. Nachdem das Unternehmen bereits eine Reihe von drahtlosen Ladegeräten vertreibt, wäre der Sprung zu Thermo-Ladegeräten gar nicht einmal so abwegig.

In dem 2015 erschienenen Science-Fiction Venus siegt von Dietmar Dath, der Geschichte eines futuristischen Sozialismus auf der Venus erzählt, der sich mit Fragen des gleichwertigen Zusammenlebens von Menschen, Robotern und Künstlichen Intelligenzen herumschlägt, bildet ein technisch wesentliches Element das sogenannte ‚Schwarze Eis’ - bei dem es sich tatsächlich um eine thermoelektrische Technologen handelt, ohne die man auf der Venus sonst gar nicht überleben könnte.

Im Januar 2016 wird berichtet, daß Prof. Shannon Yee und seine Gruppe am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Zusammenarbeit mit der Firma Ceramatec Inc. eine Technologie entwickeln, welche die isotherme Ausdehnung von Natrium und Sonnenwärme zur direkten Stromerzeugung nutzt. Die als Na-TECC bekannte Umwandlungsmaschine (ein Akronym, welches das chemische Symbol für Natrium mit den Initialen aus ,Thermo-Electro-Chemical Converter’ kombiniert) besitzt keine beweglichen Teile – ganz ähnlich wie das kurz zuvor beschriebene C-TEC.

Auch hier die wird die Elektrizität aus der Sonnenwärme durch eine thermisch betriebene Natrium-Redox-Reaktion auf den gegenüberliegenden Seiten eines festen BASE-Elektrolyts erzeugt. Die resultierenden positiven elektrischen Ladungen durchdringen den festen Elektrolyten aufgrund eines elektrochemischen Potentials, das durch einen Druckgradienten erzeugt wird, während sich die Elektronen durch eine externe Last bewegen, wo die elektrische Energie extrahiert wird. Aufgrund seiner hohen Betriebstemperatur kann das System einen hohen Wirkungsgrad erzielen.

Yee zufolge könnte die Technologie gut für dezentrale Energieanwendungen eingesetzt werden. So kann ein Na-TECC-Motor, im Garten aufgestellt, Wärme von der Sonne nutzen, um ein ganzes Haus zu versorgen. Ebenso kann er auch mit anderen Wärmequellen wie Erdgas, Biomasse und Kernkraft verwendet werden, um ohne kochendes Wasser und rotierende Turbinen direkt Strom zu produzieren.

Das Ziel der Forschung, die durch das SunShot-Programm des Department of Energy (DOE) gefördert wird, ist es, die theoretische Wärme-zu-Strom-Umwandlungsrate von mehr als 45 % auch tatsächlich zu erreichen. Bis heute liegt der höchste, praktisch erzielte Wirkungsgrad bei 22,5 %.

Das Team des Georgia Tech gilt zudem als Pionier bei der Verwendung von Polymeren in thermoelektrischen Generatoren, und konstruiert halbleitende Polymere vom P- und N-Typ mit hochleistungsfähigen ZT-Werten – auch wenn diese zum gegenwärtigen Stand nur 0,1 erreichen, während man gerne auf 0,5 kommen würde. In einem Projekt, das seitens des Office of Scientific Research der U.S. Air Force gefördert wird, entwickelt die Gruppe einen radialen TEG, der um jede Warmwasserleitung gewickelt werden kann, um Strom zu gewinnen.

Ein weiteres Projekt der Gruppe von Yee nutzt in Zusammenarbeit mit der Stanford University und gefördert durch die DARPA nukleare Abfälle zur Stromerzeugung (s.u. Betavoltaik).

Im Januar 2016 taucht in den Blogs die nächste LED-Lampe auf, die von einem einzelnen Teelicht betrieben wird. Im Vergleich zu den Vorläufern sieht sie allerdings auch noch ausgesprochen marktgängig aus. Das Team zur Entwicklung der Lampe hätte im Dezember 2014 in Südkorea zusammengefunden, und zwar nach einer Reise durch Indien, auf der sie in vielen Dörfern sahen, wie die Menschen bei Dunkelheit selten mehr als nur eine Kerze als Lichtquelle hatten. Dies war das Motiv zur Gründung des sozialen Unternehmens Lumir, welches sich seitdem mit effizienten und innovativen Lichtgeräten befaßt.

Von der Größe her ähnelt die Lumir C einer großen Wasserflasche. Die Lampenfüße erlauben den Durchlaß von Luft, sodaß die sich im unteren Teil der Lampe befindende Kerze mit Sauerstoff versorgt wird. Über der Kerze wird die Hitze von einem thermoelektrischen Modul in elektrische Energie umgewandelt, welche die LEDs versorgt, die – je nach Ausführung – Licht zwischen 15 und 60 Lumen erzeugen.

Angeboten werden zwei verschiedenen Ausführungen: die ,Mood’-Variante ist mit vier 0,2 W starken LED ausgestattet und erzeugt ein nach allen Seiten abgestrahltes Licht – warm oder kalt weiß – mit einer Lichtstärke von 15 Lumen, während die ,Spot’-Variante nur eine einzelne LED mit 1 W Leistung besitzt, deren Lichtstärke von 60 Lumen gezielt ausgerichtet werden kann.

Die Lampen, die auch in sechs unterschiedlichen Farben erhältlich sind und deren Preis mit 59 $ beziffert wird, erzeugen das Licht bereits kurz nachdem eine brennende Kerze in sie eingesetzt wird, und behalten die volle Leuchtkraft auch bei, bis die Kerze erlischt.

Bei der nun angestoßene Kickstarter-Kampagne, um die Produktion der Lumir C zu finanzieren, werden eigentlich nur 50.000 $ angepeilt. Das Interesse ist jedoch hoch genug, um 1.062 Unterstützer zu motivieren, insgesamt 133.565 $ einzuzahlen. Ausgeliefert werden sollen die Lampen im Juli. Und angekündigt wird bereits ein Low-Cost-Modell Lumir K, von dem bislang aber nur Graphiken existieren. Dem Stand von Ende 2016 nach wird die Lumir C in Deutschland von proidee.de angeboten – allerdings zu dem stolzen Preis von 149 €.

Das Design einer ähnlichen, vielleicht nicht ganz so eleganten, Variante erscheint im April 2016 in den Blogs und stammt von dem Designer Francisco Gomez Paz aus Argentinien als Auftragsarbeit für die Firma Astep.

Auch sein Entwurf namens Candela nutzt die Energie einer kleinen Flamme um Licht im Raum zu verbreiten oder mobile Geräte über USB aufzuladen. Statt einer Kerze als Brennstoff ist allerdings Bioethanol vorgesehen, der als sauberer und erneuerbarer Brennstoff aus Pflanzen gilt.

Einer neuen Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL) zufolge, die im April 2016 veröffentlicht wird, hat ein fein abgestimmter Dünnfilm aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Single Wall Carbon Nanotubes, SWCNT) das Potential, als thermoelektrischer Energieerzeuger zu agieren. Was im Grunde genommen keine neue Erkenntnis ist, wie z.B. die Arbeiten am Sandia Lab belegen (s.o.).

Das Team von Andrew Ferguson und Jeffrey Blackburn am NREL, das mit der Gruppe von Prof. Yong-Hyun Kim am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) sowie der Gruppe von Prof. Barry Zink an der University of Denver zusammenarbeitet, geht jedoch die Herausforderung an, TE-Schenkel vom n-Typ zu konstruieren, die nicht weniger stabil sind als ihre Gegenstücke vom p-Typ. Zudem wird nach Wegen zur weiteren Verringerung der Wärmeleitfähigkeit gesucht. Die Technologie befindet sich jedoch noch im Prototypenstadium.

Auf der IDTechEx-Messe Printed Electronics Europe im April 2016 in Berlin stellt Andrey Nikolaenko von der Firma Cambridge Display Technology Ltd. (CDT) die neuen Pläne des Unternehmens im Bereich der TEG-Entwicklung vor. Die CDT ist ein Spin-out-Unternehmen des Cavendish Laboratory der University of Cambridge aus dem Jahr 1992, das sich u.a. mit der Entwicklung von OLEDs für Displays und Beleuchtung befaßt und seit 2007 als Forschungs- und Entwicklungs-Tochtergesellschaft der Sumitomo Chemical Company Group (SCC) agiert.

Den aktuellen Planungen nach konzentriert sich die CDT auf kostengünstige organische Materialien für die thermoelektrische Energiegewinnung, die gegenüber ihren anorganischen Gegenstücken Vorteile wie geringe Toxizität, geringes Gewicht und Flexibilität haben. Außerdem können sie unter Verwendung von lösungsverarbeitenden Techniken produziert werden, wodurch die Technologie flächenmäßig skalierbar ist und die Herstellungskosten reduziert werden.

Gemeinsam mit der ebenfalls britischen LED-Firma Cambridge Nanotherm Ltd. (Nanotherm) sei ab 2015 an einem Forschungsmodul mit aktiver Kühlung gearbeitet worden, während man nun den Fokus auf die TEG-Werkstoffentwicklung richten würde. Geplant sei ferner, 2017 zur passiven Kühlung zu wechseln, um dann 2018 die endgültige Entwicklung von anwendungsspezifischen Modulen anzugehen.

Die Nanotherm war im Jahr 2010 gegründet und von der Enso Ventures Ltd. finanziert worden, um eine spezielle Nano-Keramik-Technologie in der elektronischen Industrie zu vermarkten, die auf einem in den 1990er Jahren von den Firmengründern an der Universität Moskau entwickelten Verfahren zur Härtung von Aluminium basiert, das die Oberfläche von Aluminium in Keramik umwandelt. Bei der Industrialisierung der Technologie zur großvolumigen Produktion wird die Firma vom Technology Strategy Board unterstützt.

Nach vielen Jahren der Forschung werden neue Techniken und Prozesse entwickelt, die zu einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Nano-Keramik führen, die z.B. beim Elektronik-Wärmemanagement für LEDs eingesetzt wird. Um das Nanotherm Flex genannte Substrat (Nanokristallines Aluminiumoxid, Al₂O₃) für TEG-Anwendungen zu entwickeln, arbeitet Nanotherm mit führenden TEG-Herstellern zusammen.

Zur Herstellung nutzt Nanotherm ein patentiertes elektrochemisches Oxidationsverfahren (electro-chemical oxidation, ECO), um die Oberfläche einer dünnen Aluminiumfolie in ein nanokeramisches dielektrisches Material umzuwandeln. Dies bietet dielektrische Eigenschaften zusammen mit einer außergewöhnlicher Wärmeleitfähigkeit, während gleichzeitig die Flexibilität der Aluminiumfolie beibehalten wird. Auch viele Metallverbunde (wie AlSiC) können auf diese Weise verarbeitet werden. Im Gegensatz zu Epoxid- oder Polymerdielektrika kann ein Nanotherm-Dielektrikum zudem hohen Temperaturen von > 500°C standhalten (begrenzt durch Schmelzpunkt von Aluminium).

2016 testet die Firma zusammen mit führenden Kunden das Nanotherm Flex für mikrothermische Generatoranwendungen, wie lange es noch dauert, bis es als Produkt erhältlich sein wird, ist nicht bekannt.

In Zusammenarbeit mit dem Automobilhersteller Scania testen die Forscher des schwedischen KTH Royal Institute of Technology um Arash Risseh im Mai 2016 Klein-LKW, die mit ATEGs ausgestattet sind. Ihrer Rechnung zufolge verliert ein LKW, der 440 kW erzeugt, etwa 132 kW davon in Form von Wärme aus den Auspuffrohren.

Im September 2016 melden die Fachblogs, daß eine Gruppe von Absolventen und Studenten der University of Washington (UW) um Ryan Ahearn und Marene Wiley ein Spin-Out unter dem Namen JikoPower Inc. mit Sitz in Auburn gegründet haben, um einen weiteren stromerzeugenden Camping-Kochtopf zu vermarkten, den die Gruppe im Laufe von anderthalb Jahren hergestellt hat.

Ahearn hatte sich für die Bereitstellung von Elektrizität für alle interessiert, nachdem seine Mutter, eine Ärztin, im Jahr 2010 aus Haiti zurückgekehrt war, wo sie miterlebt hatte, wie stark die Menschen in Entwicklungsländern im täglichen Leben auf ihre Handys angewiesen sind und wie schwierig es dort ist, diese zu laden.

Der daraufhin entwickelte JikoPower Generator namens Spark gewinnt 2015 während der Environmental Innovation Challenge der Universität sowohl den Grand Prize als auch den Clean Energy Prize. Es ist das erste Mal, daß jemand beide Preise gleichzeitig gewonnen hat. Als das Team im Jahr 2016 auch noch mit dem Großen Preis beim Business Plan Wettbewerb der UW ausgezeichnet wird, nutzt es das Geld, um im Juli mit 56 Prototypen Kenia und Uganda zu besuchen und den Spark zu testen.

Der eckige Generator besteht aus weitgehend einer Aluminiumlegierung, verträgt bis zu 600°C und hat eine Leistung von 2 - 5 W. Als Lebensdauer werden fünf Jahre angegeben, der Preis beträgt 115 $ - und für zusätzliche 30 $ gibt es jeweils zwei 2.600 mAh USB-Akkus und 3 W LEDs.

Im Spätherbst startet das Team dann eine Kickstarter-Kampagne, um 50.000 $ für die Produktion zusammenzubekommen. Was auch gelingt, wenngleich recht knapp, denn es sind nur 249 Unterstützer, die bis Dezember aber immerhin 52.511 $ einzahlen. Nun wird erwartet, daß die Fertigung des Sparks im April 2017 abgeschlossen sein wird.

Ebenfalls im September 2016 berichten Forscher der North Carolina State University (NCSU) um Daryoosh Vashaee über die Entwicklung eines neuen tragbaren TEG-Prototypen, der viel effizienter ist als die bestehenden Modelle.

Das NCSU-Team bettet das nur 1 cm² große, 2 mm dicke und flexible neue Design in T-Shirts und Armbänder ein, um die optimalen Punkte zur Nutzung der Temperaturdifferenz zwischen der Haut des Trägers und der Luft zu finden. Eine wärmeleitende Schicht, die mit der Haut in Berührung tritt, nimmt ihre Wärme auf und leitet sie in den TEG weiter. Eine Polymerschicht verhindert, daß die Wärme abgeleitet wird, bevor sie durch den Generator strömt. Einen Kühlkörper benötigt die Technologie nicht.

Mit den in T-Shirts eingebetteten Generatoren lassen sich unter normalen Bedingungen etwa 6 μW/cm² erzeugen, die während des Trainings auf bis zu 16 μW/cm² steigen. Als effizientester Ort für die Armbänder erweist sich der Oberarm, wo bis zu 20 μW/cm² erreicht werden.

Im Oktober 2016 folgt eine Meldung der Boise State University, wo ein Team um Prof. Yanliang Zhang mit einem innovativen Siebdruckverfahren leistungsstarke und kostengünstige flexible thermoelektrische Filme und Geräte hergestellt hat, die auf Nanokristallen basieren. Als Schlüsselfaktoren erweisen sich dabei die präzise Kontrolle der Form- und Oberflächenchemie der Ausgangs-Nanokristalle sowie die Optimierung des Nanotinten- und Siebdruckprozesses. Zum Erfolg des Teams habe auch die Zusammenarbeit mit der Firma ThermoAura (s.o.) beigetragen.

Basierend auf einer anfänglichen Kostenanalyse sollen sich die Siebdruckfilm-TEGs zu Kosten von 2 - 3 US-Cents pro Watt realisieren lassen. Um in eine fortschrittliche Additiv-Druckausrüstung zu investieren und hochmoderne Fertigungskapazitäten aufzubauen, erhält das Team eine Förderung des U.S. Department of Energy.

Das Konzept eines Camper-Ofens, das von dem Designer Younggyu Kwon stammt, kursiert im November 2016 in den Blogs.

Das Design Zen Stove namens nutzt normale Butangas-Pateronen, um neben der Kochflamme den eingebauten TEG zu betreiben und tragbare Geräte aufzuladen.

Von einer Umsetzung ist bislang jedoch noch nichts zu sehen.

Im Jahr 2016 ist auch erstmals etwas über die junge Ausgründung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) namens otego zu hören, die neuartige TEGs als Energy Harvesting Lösung für drahtlose Sensoren und Aktoren  entwickelt. Ziel der otego ist die Automatisierung der Produktion von thermoelektrischen Generatoren mittels großindustrieller Druckmaschinen im Rolle-zu-Rolle Prozeß auf ultradünne Folien. In diesem Zusammenhang werden auch die selbst entwickelten organischen Halbleitermaterialien optimiert und zur Serienreife gebracht.

Die Entwicklung und der Aufbau der Produktionsanlagen zur vollautomatischen Weiterverarbeitung der Folien werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Pünktlich zum aktuellen Update Ende 2016 wird das Projekt ,Highly efficient manufacturing of ThermoElektric Generators’ (HighTEG) mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis ausgezeichnet.

Das Forschungsteam der Firma Evonik Creavis GmbH, der strategischen Innovationseinheit des Spezialchemie-Unternehmens Evonik, hatte in diesem vom BMWi mit rund 6,4 Mio. € geförderten Verbundvorhaben – und insbesondere in Kooperation mit dem Projekt ThermoHEUSLER (s.o.) –  Materialien identifiziert, die sehr gute Effizienzwerte erreichen. Die Firma entwickelte zudem ein neues industrielles, vollautomatisches Verfahren, mit dem sich 5 x 5 cm große thermoelektrische Module kostengünstig in einem Schritt herstellen lassen. Damit lassen sich bis zu 70 % der bisherigen Herstellungskosten einsparen.

Mitbeteiligt an dem Verbundprojekt HighTEG sind die Firmen Leoni, CeramTec und Stiebel Eltron sowie das DLR.

Im November 2016 wird bekannt, daß koreanische Forscher um Prof. Jae Sung Son eine thermoelektrische Lackierung entwickelt haben, die flüssigkeitsähnliche Eigenschaften besitzt und aus der Abwärme von Häusern, Schiffen und Autos Energie gewinnt.

Die Farbe, mit der auch Kühlschränke oder Motoren angestrichen werden könnten, wurde in einer Zusammenarbeit von mehreren koreanischen Forschungseinrichtungen entwickelt: Dem Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), dem Korea Institute of Science and Technology (KIST) und dem Korea Electrotechnology Research Institute (KERI).

Die Lackierung basiert auf dem bekannten Bismut-Tellurid, das durch Sintern so verdichtet wird, daß es auf verschiedene Oberflächen wie Glas, Aluminium und Kunststoff aufgetragen werden kann. Die Lackierung wird dann bei hoher Temperatur für zehn Minuten gehärtet, wodurch das Material seine Eigenschaft verbessert, Hitzeenergie in Elektrizität umzuwandeln.

Um die Machbarkeit der vorgeschlagenen Technologie zu demonstrieren, werden TEGs hergestellt, indem TE-Lacke auf flache, gekrümmte und großformatige halbkugelförmige Substrate aufgebracht werden, wobei außerordentlich hohe Leistungsdichten von bis zu 4 mW/cm² erzielt werden. Zudem zeigen die Tests, daß die neue Technologie besser funktioniert als bisherige thermoelektrische Elemente auf Tinten- oder Pastenbasis. Außerdem ist vorstellbar, daß die Lackierung auch bei Elektronik aus dem 3D-Drucker Anwendung finden könnte.

Zu den anderen Firmen, die sich mit der Entwicklung und Herstellung von Thermoelektrika beschäftigen, gehört z.B. die 1997 gegründete und in Gibraltar beheimatete Power Chips plc. Die Tochter der Borealis Technical Ltd. entwickelt eine sogenannte Power Chip-Technologie, welche die physikalischen Mechanismen der Thermoionik und des Quanten-Thermotunnelling nutzt und einen möglichen Wirkungsgrad von vis zu 75 % erreichen soll. Die Schwesterfirma Cool Chips plc nutzt die Technik zur Entwicklung von Kühlanwendungen. Die letzten Meldungen stammen von 2013.

Die Firma INB Thermoelectric Inc. in West Hills, Kalifornien, eine Tochter der Watronix Inc., stellt Module aus Bismut-Tellurid in verschiedenen Qualitätsstufen her, die für Arbeitstemperaturen zwischen -150ºC und + 200ºC ausgelegt sind.

Die 2007 gegründete und in Hannover beheimatete Firma PRIMA TE GmbH bietet verschiedene Module und TEG mit Leistungen zwischen 20 W und 500 W an.

Als Lieferant für eine breite Vielfalt der unterschiedlichsten Elementpaare, Module und Geräte empfiehlt sich die Firma thermalforce.de aus Berlin, bei der es auch Taschenlampen gibt, die nur durch Handwärme betrieben werden – und völlig ohne Design auskommen.

Ebenfalls angeboten werden verschiedene Heizkörper-LED-Lampen und Akku-Ladegeräte, die ihre Energie beziehen, indem sie mit Hilfe von Magneten und etwas Wärmeleitpaste direkt an eine beliebige Stelle des Heizkörpers geheftet werden.

 

Sicherlich interessant ist auch das Buch ,Thermoelectric Energy Harvesting 2016 - 2026 / Technologies, devices & applications for thermoelectric generators, von Harry Zervos – nur daß es als Hardcopy saftige 6.985 $ kostet. Die elektronische Variante gibt es immerhin für bescheidene 4.475 $.

Falls Ihnen die obige Präsentation also gefallen und vielleicht sogar praktisch genutzt hat, ist wohl eine Spende für das (demgegenüber äußerst günstige) Buch der Synergie angebracht.

Über weitere Firmen und Entwicklungen berichte ich im Kapitel Micro Energy Harvesting unter dem Stichwort Wärme (s.d.).

Zusätzliche Informationen können bei der Deutschen Thermoelektrischen Gesellschaft e.V., der International Thermoelectric Academy (Ukraine), der European Thermoelectric Society sowie deren Mutterorganisation, der International Thermoelectric Society, erhalten werden.

 

Weiter mit dem Peltier-Effekt...