Keramiken für thermoelektrische Generatoren – Dresdner Wissenschaftler erhält Nachwuchspreis der Deutschen Thermoelektrik-Gesellschaft

Pressemitteilung / 23.11.2016

Forscher am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden ist es gelungen, keramische Thermoelektrika mit einem zehnfach höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Keramikwerkstoffen zu entwickeln. Die daraus gefertigten Module haben den Praxistest im Hochtemperaturbereich erfolgreich bestanden. Die Deutsche Thermoelektrik-Gesellschaft (DTG) würdigt die damit verbundene Promotionsarbeit von Herrn Dr. Bing Feng vom Fraunhofer IKTS mit dem diesjährigen Nachwuchspreis.

Dr. Bing Feng (rechts) vom Fraunhofer IKTS erhält den diesjährigen Nachwuchspreis der Deutschen Thermoelektrik-Gesellschaft (DTG) – übergeben durch Prof. Eckhard Müller, Vorstand der DTG.

TEG-Modul aus hochbelastbaren keramischen Thermoelektrika-Komponenten zur direkten Energiewandlung.

Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln thermische Energie direkt in elektrische Energie um. Da keine bewegten Teile benötigt werden und der Umwandlungsprozess direkt im thermoelektrischen Material erfolgt, ist der Betrieb eines TEG praktisch kostenlos und somit äußerst attraktiv. Die dafür benötigten Thermoelektrika müssen allerdings ein anspruchsvolles Eigenschaftsprofil ausweisen. Neben den wichtigsten thermoelektrischen Eigenschaften sind auch hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeiten sowie hohe mechanische und thermische Stabilitäten gefragt.

Keramikwerkstoffe wie beispielsweise Borcarbid oder Titansuboxid erfüllen viele dieser Erwartungen problemlos im Vergleich zu üblichen intermetallischen Verbindungen. So halten sie beispielsweise Temperaturen bis 1400 °C stand und sind chemisch stabil gegenüber aggressiven Umgebungen und mechanischen Belastungen. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad noch zu gering. Für einen hohen Wirkungsgrad muss es gelingen, eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringer Wärmeleitfähigkeit im Werkstoff einzustellen. Für Borcarbide beispielsweise kann ein optimierter Borüberschuss im Kristallgitter zu einem günstigen Verhältnis der Eigenschaften beitragen und dadurch den Wirkungsgrad um das Zehnfache steigern. Darüber hinaus bewirkt die Reduzierung der Teilchengröße des Borcarbids bis in den Nanobereich Korngrenzeneffekte, die eine zusätzliche Wirkungsgraderhöhung ermöglichen.

Den Wissenschaftlern am Fraunhofer IKTS ist es hiermit gelungen, effiziente keramische Nano-TEG-Werkstoffe aus verfügbaren Ausgangsmaterialien preiswert herzustellen und daraus Module zu fertigen. Diese neuartigen Module wurden in einem Motorprüfstand der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden bereits praxisrelevanten Tests unterzogen. Die Testergebnisse beweisen die volle Funktionsfähigkeit der TEG-Module. »Die am Fraunhofer IKTS entwickelten Thermoelektrika sind perspektivisch zur wirtschaftlich attraktiven Nutzung von Abwärme in Industrieprozessen nutzbar und tragen damit zur Verbesserung der Umweltbilanz technischer Prozesse bei«, erläutert der Preisträger Dr. Feng.

Das Fraunhofer IKTS betreibt seit mehr als zehn Jahren umfangreiche Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet keramischer Thermoelektrika. Zukünftige Forschungsarbeiten fokussieren nun auf eine weitere Effizienzsteigerung sowie auf die Optimierung des Modulaufbaus, welche im Rahmen des Projekts »Thermoelektrische Keramik-Systeme« von der Sächsischen AufbauBank gefördert werden.

Der mit 1000 Euro dotierte Nachwuchspreis wird seit 2009 jährlich von der Deutschen Thermoelektrik-Gesellschaft vergeben. Ausgezeichnet werden dabei sowohl grundlagenorientierte als auch anwendungsorientierte Forschung und Ausbildung im Bereich Thermoelektrik im deutschsprachigen Raum.