Die Evonik Creavis GmbH hat ein neuartiges, industriell umsetzbares Fertigungsverfahren für thermoelektrische (TE) Module entwickelt. Die Systemkosten sind geringer und Handhabungs-eigenschaften besser. Durch kostengünstige High-TEG-Module ESPRYX™ kann  Ab- sowie Strahlungswärme der Industrie in elektrischen Strom umgewandelt und somit erstmalig wirtschaftlich erschlossen werden.

Bezahlbare Thermoelektrik für die Wärmewende

Abwärme fällt in allen Bereichen des täglichen Lebens an und besitzt mit 300 TWh pro Jahr in Deutschland ein bisher kaum genutztes Potential als nachhaltige Energieressource. Energie- und wärmeintensive Industrien sind von riesigen Abwärmeverlusten besonders betroffen.

Eine Möglichkeit zur direkten Wandlung von Abwärme in höherwertige elektrische Energie ist der Einsatz thermoelektrischer Generatoren (TEGs) – Maschinen, die bereits aus kleinen Temperaturdifferenzen emissions- und geräuschlos Strom erzeugen. Thermoelektrizität nutzt einen lange bekannten Festkörpereffekt (Seebeck-Effekt). Damit werden Wärmeströme direkt, ohne bewegliche Teile, in elektrischen Strom umgewandelt. Trotz relativ geringer Effizienz von ca. 5 % gelingt damit die Nutzung von Abwärmeströmen, die mit anderen Technologien nicht möglich ist. Konkret heißt das: 5 % der Abwärmeenergie wird direkt wieder in Strom umgewandelt.

(A) Querschnitt durch ein TE Element mit dem Schenkelpaar zur Wärmeumwandlung in elektrischen Strom. (B) Serienschaltung der Schenkelpaare in einem kompletten TEG-Modulaufbau.

Wie in Abbildung 1a dargestellt, hat das TEG-Modul im Betrieb eine Wärmequelle zugewandte Seite, die Heißseite, und eine abgewandte Seite, die Kaltseite. Die so hergestellte Temperaturdifferenz erzeugt an dem thermoelektrisch aktiven Material (TE-Schenkel im Modulinneren) eine proportionale Spannung (typischerweise ± 300 μV/K). Je nach Dotierung des Halbleitermaterials, n- oder p-Dotierung, findet der Elektronenfluss in die entgegengesetzte Richtung statt. Je ein n-Schenkel und ein p-Schenkel stellen ein Schenkelpaar dar. Für eine nutzbare Spannung wird eine Vielzahl solcher Schenkel elektrisch in Reihe geschaltet und bildet so ein TEG-Modul (Abb. 1b).

Da TEGs bisher nur in einem sehr aufwendigen und kostenintensiven Prozess hergestellt werden können, findet eine Anwendung in der Breite nicht statt. Der herkömmliche TEG-Herstellprozess ist sehr komplex und enthält eine Vielzahl manueller Schritte, die die Kosten, neben denen für das thermoelektrische Material, deutlich erhöhen. Der breite Einsatz von Thermoelektrizität scheitert bisher an hohen spezifischen Kosten von > 5 €/Wel herkömmlich hergestellter TEGs und am begrenzten Temperaturbereich verfügbarer Materialien (< 200 °C). Die Erarbeitung einer preiswerten und damit rentablen industriellen Herstellungstechnologie ist somit ein wichtiger Schritt, eine wesentliche Lücke in der regenerativen Energieerzeugung schließen zu können.

Diese technische Herausforderung hat sich die Evonik Creavis GmbH zur Aufgabe gemacht mit ihren High-(Hochtemperatur-) TEG-Modulen. Entwickelt wurde ein Hochleistungsprozess für thermoelektrische Energiewandler, welcher kostengünstiger sowie industriell skalierbar ist und robuste, leistungsfähige TEG-Module liefert für Anwendungstemperaturen von bis zu 310°C. Der Prozess erlaubt zudem den Einsatz neuer, in der Entwicklung befindlicher und preiswerterer Materialien. Durch den Einsatz der kostengünstigen und so breit anwendbaren High-TEG-Module trägt der Prozess auch zur CO2-Einsparung beim Anwender in der Energiebilanzierung bei.

Bisheriger Herstellungsprozess von TEGs

Im üblichen Prozess werden TEGs aus vielen einzelnen thermoelektrischen (TE) Schenkeln weitgehend manuell hergestellt. N- und p-Typ-Schenkel werden abwechselnd zwischen zwei dünnen keramischen Leiterbahnplatten so eingelötet, dass sie elektrisch in Reihe und thermisch parallel verschaltet sind. Die Herstellung der Einzelschenkel ist aufwändig und teuer: Aus Pulver des Aktivmaterials werden Blöcke gesintert, zu Scheiben zersägt, poliert, um sie auf exakt gleiche Dicke zu bringen und dann weiter zu kleinen Würfeln, den TE-Schenkeln zerteilt. Die Schenkel sind in der Regel quaderförmig und wenige Kubikmillimeter groß. Die Sägeprozesse verursachen erhebliche Materialverluste. Die elektrischen Kontaktstellen werden dann mit einer lötbaren, schützenden Metallisierung versehen. Für Anwendungen bei höherer Temperatur werden die übrigen Schenkelseiten noch durch ein elektrisch isolierendes Coating vor Oxidation geschützt.
Die manufakturähnliche Herstellung dieser Module erlaubt somit keine industriell skalierbare, kostengünstige Prozessabbildung und kann damit den Markt der Industrieanwendungen nicht bedienen. Weitere Einschränkungen liegen in der Zerbrechlichkeit der Module und der Temperaturbeschränkung auf zumeist <200°C.

Hochleistungsprozess für thermoelektrische Energiewandler – eine Innovation der Evonik Creavis GmbH

Kostenreduktionspotenzial durch den automatisierbaren Herstellungsprozess für ESPRYX™ High-TEG-Module.

Die Innovation der Evonik Creavis GmbH besteht in der gleichzeitigen Herstellung aller Schenkel eines TEGs innerhalb eines mechanisch stabilen, thermisch und elektrisch isolierenden Trägers. Pulverpresslinge des Aktivmaterials werden in zylindrische Ausstanzungen des Trägers überführt und thermisch getempert (Abb. 2a). Die Trägermatrix erlaubt damit das simultane und präzise Einsetzen alle Schenkel gleichzeitig, was erstmalig die Automatisierung des sonst sehr aufwendigen Setzprozesses ermöglicht. Die Metallisierung erfolgt durch eine Maske und dient einerseits der Gewährleistung niederohmiger Kontakte und andererseits zum Schutze des Aktivmaterials der Schenkel. Im nächsten Schritt werden die Schenkel mit gestanzten Kupferbrücken auf den Kontaktstellen verbunden und so in Reihen geschalten um eine möglichst hohe Modulspannung abzugreifen. Zuletzt wird der TEG zur elektrischen Isolation mit einem hitzebeständigen, schwarzen Ofenlack beschichtet (Abb. 2b).

Im Vergleich mit der bestehenden Technologie ist der neue Prozess der Evonik Creavis GmbH vereinfacht und effizienter in vielerlei Hinsicht. Starke Prozessvereinfachung und Reduktion der Materialverluste bei der Schenkelherstellung machen den Prozess effizienter. Der Prozess ist skalierbar, automatisierbar und damit industriell für eine kostengünstige Massenproduktion anwendbar (Abb.3). Eine Qualitätskontrolle der Schenkel kann in jedem Prozessschritt durchgeführt werden. Weiter kann eine Leistungssteigerung durch den Verzicht auf die sonst eingesetzten spröden keramischen Verschaltungsträgerplatten (Wärmebarriere) realisiert werden. Ein großer Vorteil ist auch die deutlich erhöhte mechanische Stabilität des TEG durch Einbettung der Schenkel in einem stabilen, unzerbrechlichen Träger. Die Wahl der Materialien erlauben die Erschließung des für die Industrie sehr wichtigen höheren Temperaturbereiches über 200°C bis zu 310°C für den dauerhaften Einsatz zur Abwärmenutzung. Die speziell von Evonik entwickelte schwarze Hochtemperaturbeschichtung der Module schützt das Modul vor äußeren Einflüssen im Einsatzbereich und ist ideal angepasst an die effiziente Nutzung von Strahlungswärme.

Anwendungen

Ungenutzte Abwärme kann in vielen Bereichen des täglichen Lebens gefunden werden, wobei Anwendung mit großem Potenzial an Energierückgewinnung speziell in der Mobilität, der Industrie und der Energieerzeugung zu finden ist. Durch die Rückverstromung kann hier eine Effizienzerhöhung und eine direkt damit verbundene CO2-Emissionsverringerung realisiert werden.
In der Mobilität eignen sich TEGs speziell für die Abwärmenutzung am Abgasstrang von Lastwagen oder Schiffsdieseln, welche hohe, konstante Wärmeströme liefern.
Ein hohes Potenzial der Energierückgewinnung befindet sich für TEGs in energieintensiven Industrien aus den Bereichen Zement-, Glas-, Keramik- und Metallherstellung und –verarbeitung und darunter auch Gießereien.’Im Hochtemperaturbereich für TEGs von bis zu 310°C können ESPRYX High-TEG-Module im direkten Kontakt mit der Wärmequelle und daher direkter Wärmeübertragung verwendet werden.  Da die TEG-Module klein, dünn und kompakt sind, könnten sie sehr flexibel in Wandverkleidungen und Hitzeschirme verbaut werden. Die schwarze Beschichtung ermöglicht eine möglichst effiziente Wärmestrahlungsabsorption.