Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von integral gewirkten Abstandsstrukturen mit integrierten thermoelektrischen Generatoren zur Erstellung neuartiger Leichtbaupaneele

Vor dem Hintergrund des stattfindenden Klimawandels wird die Notwendigkeit der Entwicklung Deutschlands hin zu einer treibhausgasneutralen Gesellschaft deutlich. Dies erfordert alternative Konzepte zur Energieerzeugung. Ein Erfolg versprechender Ansatz ist der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren (TEG), mit denen durch Abwärme entstehende Umgebungstemperaturdifferenzen zur Stromerzeugung nutzbar sind (Energy Harvesting). Bisher besteht allerdings die Herausforderung, dass am Markt verfügbare TEG durch einen sehr aufwendigen Fertigungsprozess und der kostenintensiven Funktionsmaterialien sehr teuer sind. Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung von kostengünstigen (max. 100 €) abstandsgewirkten faserverstärkten Leichtbaupaneelen mit einer Vielzahl (>100.000 pro m²) wirktechnisch ausgebildeter, effektiv verschalteter TEG (Leistung 1000 W/m²). Diese lasttragenden Leichtbaupaneele sollen durch multifunktionale Eigenschaften industrielle Abwärme zur Stromerzeugung nutzen. Dafür werden softwaregestützte Bindungs- und Strukturentwicklungen durchgeführt sowie Verschaltungskonzepte der TEG realisiert, die geringe Kontaktwiderstände zwischen den Funktionsmaterialien gewährleisten. Durch die Erarbeitung von unterschiedlichen Verschaltungskonzepten in Funktionsmustern wird die Grundlage zur Entwicklung eines Technologiedemonstrators gelegt, der das Potenzial der Abstandswirktechnik zur Herstellung von kostengünstigen TEG aufzeigt. Dadurch wird ein Beitrag zur Reichweitenerhöhung in der Elektromobilität sowie zur Steigerung der Effektivität von Industrieanlagen (z. B. Faserspinnanlagen) geleistet. Die kleinen und mittelständischen Unternehmen entlang der gesamten Prozesskette (wie Kettenwirkereien, Faserverbundhersteller und Anlagenbauer) werden dadurch in die Lage versetzt ihr Produktportfolio zu erweitern und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsprojektes lag in der Entwicklung eines großflächigen faserverstärkten Leichtbaupaneels mit einem strukturintegrierten, einstufig abstandswirktechnisch ausgebildeten, thermoelektrischen Generator (TEG), mit mind. 100.000 effektiv verschalteten Thermoelementen pro m².

Im Rahmen des Projektes wurden eine Struktur und eine Technologie für textile Multithermogeneratorpaneele (MTP) basierend auf der RR-Raschelwirktechnologie erarbeitet. Für die MTP Strukturauslegung wurden simulationsgestützte thermisch-elektrische Modelle entwickelt und eingesetzt. Für die Herstellung wurden Vorrichtungen zur schädigungsarmen Verarbeitung von Funktionsdrähten, Glasfaserrovings und -zwirnen umgesetzt, welche sich auf weitere Anwendungen von multifunktionalen Leichtbaupaneelen übertragen lassen. In einem mehrstufigen Handlaminierverfahren wurden die hergestellten MTP-Halbzeuge mit hochtemperaturbeständigem Harz infiltriert und als MTP Demonstrator verarbeitet. Mit den MTP Demonstratoren wurden Leichtbaupaneele mit guten strukturmechanischen Eigenschaften (Druck-, Biegefestigkeit) und zusätzlicher Thermogenerator- und Wärmeisolationsfunktion realisiert. Bis auf die angestrebte elektrische Leistung von 1000 W/m² konnten alle Projektziele erreicht werden. Dennoch bieten die MTP mit ihrer autarken elektrischen Leistung von 6,5 mW/m² Anwendungsmöglichkeiten in Funk, Sensorik oder Kleingeräten. Die Projektergebnisse zur Herstellung und zu den Eigenschaften der MTP bilden eine fundierte Basis für die zielgerichtete Weiterentwicklung einer effizienten Fertigung von vertriebsreifen TEG. Zum potentiellen Nutzerkreis der Projektergebnisse gehören KMU der Textilindustrie, insbesondere Wirkereien, KMU der Elektro- und Verbundwerkstoffindustrie. Die Ausnutzung der Produktivität der RR-Raschelwirkmaschine trägt dazu bei, das sonst kostenintensive Energiekonzept der TEG für Bevölkerung und Wirtschaft zugänglich und profitabel zu gestalten.