Für mehr thermoelektrische Effizienz
Jedes Jahr werden bei der thermischen Energieerzeugung in den Bereichen Industrie, Verkehr und Stromproduktion 15 TW verschwendet und gehen verloren. Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln Abwärme in nutzbare Elektrizität um und könnten einen wichtigen Beitrag zur Produktion erneuerbarer Energien leisten. Leistungsschwache Materialien haben ihre industrielle Entwicklung aber bisher blockiert. Im Rahmen des Projekts NEAT(öffnet in neuem Fenster) ("Nanoparticle embedded in alloy thermoelectrics") verbesserten Wissenschaftler mithilfe von EU-Mitteln die Leistung vielversprechender thermoelektrischer Materialien. Vor Kurzem konnte man bei derartigen Materialien mit nanoskaligen Strukturmerkmalen thermoelektrische Leistungen messen, die bis zu dreimal höher lagen als die von herkömmlichen Materialien. Allerdings wurden diese Ergebnisse für dünne Filme erzielt und waren nicht an großvolumigen Materialien reproduzierbar. NEAT entwickelte einen innovativen Ansatz für ein großvolumiges Nanokomposit aus einer Legierung, um die Leistung von umweltfreundlichen thermoelektrischen Materialien auf Silizium-Basis im Vergleich zum heutigen Stand der Technik zu erhöhen. Diese Materialien konnten sehr hohe thermoelektrische Leistungswerte bei hohen und mittleren Temperaturen erzielen, indem die Wärmeleitfähigkeit des Gitters deutlich verringert wurde. Insbesondere durch die Einbindung von gut kontrollierten Nanopartikeln in Silizium-Germanium-Nanokomposit konnte NEAT eine 40%ige Kostenreduzierung für diese thermoelektrische Legierung vorweisen, indem der Gehalt an teurem und seltenem Germanium verringert wurde. Diese Legierung könnte in autonomen Systemen und thermischen Sensoren zum Einsatz kommen. Bei der erheblich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit der Magnesium-Silicium-Zinn-Legierung verwendeten die Wissenschaftler kleinere Mengen an Nanopartikeln, um ihre thermoelektrische Leistung zu verbessern. Dieses Grundmatrixmaterial zeigte den stärksten thermoelektrischen Effekt, der je für großvolumige Materialien bei niedrigen Temperaturen (unter 500 Grad Celsius) gemessen wurde. Da es nicht toxisch ist, könnte es im Automobilsektor das üblicherweise verwendete Bismuttellurid ersetzen. NEAT bewies, dass die Synthese und das Sintern von umweltverträglichen, billigen und ausreichend vorhandenen Grundmatrixlegierungen in industriell verwertbaren Mengen möglich sind. Dies ist ein erster Schritt in Richtung einer starken Versorgungskette für die in der Entwicklung befindliche TEG-Industrie. In Europa rechnet NEAT allein in den Bereichen Verkehr, industrielle Fertigung und Stromerzeugung mit der Rückgewinnung von 200 TWh bis zum Jahr 2020.
