Thermoelektrischer Generator : DruckTEG: Wie Forscher Energie aus dem Nichts erzeugen wollen

Es ist ein alter Menschheitstraum, Energie direkt aus der Umgebung zu gewinnen, ohne große Maschinen, Speicher und Leitungsstränge, sofort gewinn- und auch nutzbar. Für die Wissenschaftler im Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und jenem für Physikalische Chemie und Elektrochemie (PCI) der Leibniz Universität Hannover ist es ein spannendes Projekt unter vielen, aber doch eines mit dem gewissen „Kick“. Sein doch recht sperriger Name ist „Entwicklung eines Thermoelektrischen Generator (TEG) auf Ca3Co4O9-Basis im Siebdruckverfahren (DruckTEG)“ mit dem Förderkennzeichen OV 36/30-1. Es wird mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Das Spannende dabei: Ein thermoelektrischer Generator (TEG) gewinnt seine Energie aus der Umgebung. Diese völlig neue Art der Stromversorgung – ohne Kabel und Batterie - funktioniert mit flexiblen thermoelektrischen Generatoren. Mit den Projektergebnissen soll es möglich werden, drahtlose Sensornetzwerke in die Infrastruktur der Fabriken einzupflegen, die zur Gebäudeautomation oder zur Anlagenüberwachung dienen.

Das IPH, ein aus der Uni Hannover heraus gegründetes Unternehmen, bietet Forschung und Entwicklung, Beratung und Qualifizierung rund um die Themen Prozesstechnik, Produktionsautomatisierung, Logistik und XXL-Produkte. Nicht pure Forscherlust nach neuen Erkenntnissen der Elektrophysik, sondern eine praxisnahe Suche nach Anwendungen für energieautarken, dezentralen Sensor- und Analysesystembetrieb ist die Aufgabe im aktuellen Projekt. Natürlich steckt das Thema Industrie 4.0. dahinter, keine Frage. Denn intelligente Anlagen in der Digitalen Fabrik sollen ja auch in der Lage sein, Messdaten selbständig zu erfassen, zu verarbeiten und weiterzugeben. Dazu werden viele Sensoren benötigt, die für ihren Einsatz Strom benötigen. Bisher geschieht deren Speisung mit Energie per Kabel oder Batterie. Das ist jedoch nicht nur serviceintensiv, sondern auch teuer, da Leitungen verlegt und Batterien regelmäßig getauscht werden müssen.

Zum Einsatz kommt zur Energiegewinnung für Sensoren das Prinzip des Energy Harvesting, wobei sich der Generator den thermoelektrischen Effekt nach Seebeck zunutze macht. Dieser besagt, dass es in einem Leiter mit örtlich unterschiedlicher Temperatur durch Thermodiffusion zur Ausbildung eines elektrischen Feldes kommt. Zwischen der heißen und der kalten Seite entsteht nämlich eine elektrische Spannung, die prinzipiell genutzt werden kann, um einen Sensorknoten anzutreiben. Und der Knoten selbst besteht wiederum aus einem Mikrokontroller, mehreren Sensoren und einem Sender. Wird der Mikrokontroller mit Strom versorgt, sind die daran angebrachten Sensoren in der Lage, Informationen aufzunehmen und durch den Sender weiterzugeben. Klingt einfach, aber für eine kontinuierlichen, kostengünstige und gesundheitlich unbedenkliche Umsetzung des Energy Harvesting müssen die Wissenschafter kräftig „tricksen“.

Eine gute Spannung ist abhängig von Materialkombination, Geometrie und Verschaltung des Generators. Ein Ziel der Experten ist es, eine Kombination zu finden, die sich am besten zur Stromerzeugung in Sensoren eignet. In kommerziellen, thermoelektrischen Generatoren wird häufig Bismuttellurid verwendet, das sehr gute thermoelektrische Eigenschaften besitzt. Tellur ist jedoch toxisch und zählt außerdem zu den seltenen, sehr teuren Erden. Darum arbeiten die Wissenschaftler mit einem Material auf Basis von so genannten Calciumkobaltoxid, das ebenfalls gute thermoelektrische Eigenschaften aufweist, aber gleichzeitig unbedenklich ist. Es galt, eine Calciumkobaltoxid-Paste zu entwickeln, die sich günstig und skalierbar in einem einfachen Siebdruckprozess verarbeiten lässt. Durch den Druck sind kleinste, aber präzise Formen möglich.

Aus dieser Paste werden kleine „Beinchen“ (Legs) gedruckt. Ein zweites Material dient im Gegenzug dann zur Kontaktierung und wird auch in Legs gedruckt. Dann werden Beinchen aus Calciumkobaltoxid und Kontaktmaterial abwechselnd aufgebracht und bilden eine Reihe aus vielen Paaren (Couples). Jedes dieser Paare erzeugt durch den Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite eine kleine Spannung. In Reihe geschaltet addieren sich diese zu einer Gesamtspannung, mit der die Sensorknoten mit Strom versorgt und betrieben werden können. Außerdem prüfen die Wissenschaftler, welche geometrische Auslegung sich am besten eignet, um einen maximalen Leistungsoutput zu erreichen. Zusätzlich wird untersucht sie, wie viel Energie ein solcher Generator tatsächlich bereitstellen kann und wie groß er dabei sein darf bzw. muss.