Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines flexiblen thermoelektrischen Generators (TEG) auf Basis spezieller bedruckbarer Vliesstoffstrukturen

Weltweit gehen ca. 2/3 der eingesetzten Primärenergien als Abwärme verloren. Durch thermoelektrische Generatoren (TEGs) kann diese Abwärme wieder direkt in elektr. Energie umgewandelt werden. TEGs sind verschleiß- und wartungsfrei und sind frei von beweglichen Komponenten. Für kommerziell erhältliche TEGs hindert die material- und bauartbedingte Steifigkeit der Module eine optimale Anpassung an die Wärmequelle. Polymere Materialien für thermoelektrische Anwendungen haben den Vorteil, dass sie einfach zu verarbeiten, und flexibel sind. Polymer-TEG im Labormaßstab sind bereits in der wiss. Literatur bekannt, kommerziell jedoch nicht verfügbar.

Anwendungsbezogenes Ziel ist es, TEGs für Temperaturen bis 150 °C durch Drucktechnologie großflächig auf Vliesstoffen herzustellen. Als thermoelektrisches Material sollen intrinsisch leitfähige Polymere verwendet werden. Ziel ist es, gekrümmte Oberflächen mit einem TEG-Vliesstoff auszukleiden und neue Anwendungsfelder zu generieren, welche durch derzeit bekannten TEGs nicht zu bedienen sind. Durch die TU Dresden (FS 1) erfolgt die Entwicklung der Druckpasten, der Druck- und Trocknungsprozesse, die Charakterisierung der Materialien und des TEG. Das STFI als FS 2 entwickelt als Grundmaterial einen voluminösen Vliesstoff hoher Dickengleichmäßigkeit mit definiertem Saugvermögen für die niederviskosen Druckpasten und übernimmt die textilphysikalische Charakterisierung des entwickelten Vliesstoffes.

Aktuell liegen mehrere Anfragen aus der Industrie zum Einsatz der TEG vor, u.a. an Standheizungen, im Abluftsystem von PKWs, an Kühltürmen, bei der Nutzung der Geothermie und in der Kanalisation, in industriellen Produktionsstraßen und in Abluftanlagen. Gespeist werden können mit der umgewandelten Energie z.B. energieautarke Sensornetzwerke für das Monitoring. Durch die Entwicklung eines kostengünstig hergestellten TEGs eröffnet sich gerade auch für KMU eine Möglichkeit, diese zu fertigen oder in ihre Produkte zu integrieren.

Ergebniszusammenfassung:

Das Forschungsvorhaben befasste sich mit der Entwicklung eines innovativen flexiblen thermoelektrischen Generators auf Basis voluminöser Vliesstoffstrukturen. Als thermoelektrisches Basismaterial wurden intrinsisch leitfähige Polymere auf ihre Eignung geprüft und weiterentwickelt. Als geeignete Vliesstoffstrukturen für den Tiefendruck wurden ein thermisch verfestigter Airlaidvliesstoff sowie ein vernadelter Krempelvliesstoff entwickelt. Eine geeignete Nachbehandlung der Vliesstoffe zur Oberflächenglättung wurde erarbeitet und unterschiedliche Porenstrukturen untersucht. Die geforderte Voluminösität des Vliesstoffes konnte unter Beibehaltung der Materialflexibilität erreicht werden. Es wurde ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer binderfreien Paste entwickelt. Die Paste zeigt eine gute Stabilität sowie eine relativ gute thermoelektrische Performance. Die Paste konnte mittels Dispensedruck verarbeitet werden. Ein spezielles Design für das TEG-Modul wurde entwickelt. Durch eine Lasersturkturierung konnte die Flächenausnutzung erhöht werden. Im Projektergebnis entstand ein funktionstüchtiger Demonstrator. Die entwickelten Vliesstoffe und Polymermaterialien erzielten im Verbund ihre angestrebte Funktion. Flexible thermoelektrische Generatoren (TEGs) vollständig aus organischem Material wurden hergestellt und getestet. Das TEG verhält sich gemäß der physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Eine moderate Leistungsabgabe (Ausgangsspannung 0,7-1,6 mV; 0,3 µW bei dT 120 K) wurde erreicht. Mögliche Anwendungen sind energieautarke Sensornetzwerke zum Betrieb von Messsensoren an schwer zugänglichen Orten; Smart Textiles (Mobilfunkladegeräte, Sensoren zur Gesundheitsüberwachung). TEGs könnten im Niedertemperaturbereich bspw. in Autositze integrierte Temperaturregelungen realisieren. Weitere potentielle Anwendungsgebiete sind Kraftwerke, Rechenzentren, industrielle Fertigungseinrichtungen, Rohrleitungssysteme oder konkav geformte Kühlturmwände; überall dort, wo Abwärme anfällt.