Dort, wo konventionelle Werkstoffe an ihre Grenzen stoßen, kann Keramik ihre Eigenschaften ausspielen. Funktionale Keramiken – so genannte Thermoelektrika – können beispielsweise in Hochtemperaturprozessen Abwärme direkt in Strom umwandeln. Auf der Hannover Messe 2016 präsentiert Europas größtes Keramikforschungsinstitut erstmalig ein System, mit dem die zuverlässige Funktionalität der am IKTS entwickelten thermoelektrischen Keramikmodule demonstriert wird.
Gegenwärtig wird weniger als die Hälfte der eingesetzten Energie in Industrieprozessen, Verkehr oder Haushalten tatsächlich genutzt. Der Großteil der Primärenergie entweicht trotz zahlreicher Energiesparmaßnahmen immer noch als Abwärme in die Umwelt. Thermoelektrische Generatoren (TEG) können helfen, diese ungenutzte Wärmeenergie in Elektrizität umzuwandeln. Allerdings gibt es bisher noch Hürden hinsichtlich Kosteneffizienz, Rohstoffverfügbarkeit, Verarbeitbarkeit und Umweltverträglichkeit der eingesetzten thermoelektrischen Werkstoffe.
Keramische Werkstoffe bieten hier mit ihrem flexiblen Eigenschaftsspektrum eine Lösung. Sie lassen sich umweltfreundlich und aus leicht verfügbaren Rohstoffen fertigen. Bislang konnten allerdings nur keramische TEGs für begrenzte Aufgaben und mit niedriger Energiewandlungseffizienz realisiert werden.
Das Fraunhofer IKTS verfügt über ein umfassendes Know-how zur Herstellung von keramischen Thermoelektrika. Als erste deutsche Forschungseinrichtung ist es dem IKTS gelungen, voll funktionsfähige keramische TEGs kosteneffizient herzustellen, die über eine lange Lebensdauer verfügen und bei hohen Temperaturen einsetzbar sind, was sie energetisch interessant macht. »Wir bieten unseren Kunden wirtschaftlich attraktive keramische TEG-Module, mit denen wertvolle Abwärme autark und zuverlässig verstromt werden kann – und das bei Temperaturen bis zu 1000 °C. Solche robusten, wartungsfreien und vor allem langlebigen TEGs sind für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv, z. B. in metallurgischen Prozessen oder in den heißen Zonen von Verbrennungsmotoren.« erläutert Hans-Peter Martin, Leiter der Gruppe »Nitridkeramik und elektrisch funktionelle Strukturkeramik« am Fraunhofer IKTS.
Die Wissenschaftler des Fraunhofer IKTS bieten die kundenspezifische Entwicklung keramischer TEG-Module an – adaptiert für die jeweiligen Bedingungen des Wirtsprozesses. Dafür werden die keramischen Komponenten hinsichtlich elektrischer Parameter, chemischer Wechselwirkungen und geometrischer Anforderungen optimiert und – auf Wunsch – in das individuelle thermische System integriert.
Mit dem in Hannover gezeigten Systemaufbau erleben Besucher an Halle 6, Stand B16 live, wie die anfallende Abwärme eines bei 800 °C arbeitenden vollkeramischen Heizleiters in den keramischen TEG-Modulen umgewandelt und für die Ansteuerung eines Displays genutzt wird.
Die Kompetenz zum Aufbau solcher TEGs am Fraunhofer IKTS leitet sich ab aus der jahrzehntelangen Erfahrung des Instituts mit elektrisch funktionalisierten Hochtemperatur-Werkstoffen, wie zum Beispiel Heizleitern, Verdampfern und Schaumkeramiken. Auch über diese Technologieangebote können sich Gäste und Partner auf der Hannover Messe 2016 informieren.