„thermoHEUSLER“: Thermoelektrik mit Halb-Heusler-Verbindungen auf dem Weg zur Industriereife

(13.2.2014) Halb-Heusler-Verbindungen eignen sich besonders gut, um thermoelektri­sche Module herzustellen. Aus Abwärme kann mit ihnen Strom gewonnen werden. For­scher haben die Metalllegierungen erstmals im Kilomaßstab hergestellt.

Die einzelnen thermoelektrischen Module sind nur wenige Millimeter groß. Sie werden aus bestimmten Metalllegierungen - zum Beispiel Halb-Heusler-Verbindungen - herausgesägt. © Fraunhofer IPM (Bild vergrößern)

Heute gehen mehr als zwei Drittel der weltweit eingesetzten Primärenergien wie Öl oder Gas als Abwärme verloren. Mit thermoelektrischen Modulen ließe sich ein Teil da­von bei Kraftwerken, Industrie- oder Heizungsanlagen sowie Autos nutzen. Die Ther­moelektrik gewinnt aus Temperaturunterschieden Strom. Integriert in die Abgasanla­ge eines Pkw beispielsweise könnten die Module Strom erzeugen und damit die Licht­maschine des Fahrzeugs entlasten. „Angesichts immer schärferer Umweltregeln der EU ist das auch für die Autohersteller kein uninteressanter Aspekt“, so Dr. Kilian Bar­tholomé vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg.

Doch obwohl die wesentlichen Prinzipien bereits seit fast 200 Jahren bekannt sind, steckt die Technologie noch immer größtenteils in den Kinderschuhen. Es fehlt an ef­fizienten Herstellungsverfahren und geeigneten Materialien. Dem IPM ist dabei jetzt laut eigenen Angaben ein großer Entwicklungsschritt gelungen: Die Forscher haben gezeigt, dass Halb-Heusler-Verbindungen - ein für thermoelektrische Prozesse sehr gut geeignetes Material - wesentlich effizienter und kostengünstiger hergestellt wer­den können, als das bisher möglich war. Beim vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Projekt „thermoHEUSLER“ arbeiteten sie zu­sammen mit ...

• der Robert Bosch GmbH,
• dem Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz,
• der Vacuumschmelze in Hanau und
• der Isabellenhütte in Dillenburg.

„Halb-Heusler-Verbindungen eignen sich besonders gut für die thermoelektrische An­wendung. Sie erfüllen - fast - alle dafür notwendigen Kriterien“, erläutert Projektlei­ter Dr. Benjamin Balke von der Universität Mainz, Experte für die Materialentwicklung. „Die Metalllegierungen bestehen aus weit verbreiteten Rohstoffen, zum Beispiel Nickel, sind wesentlich umweltverträglicher als bisher eingesetzte Materialien, verfügen über gute thermoelektrische Eigenschaften und halten hohe Temperaturen aus.“

Effizientes Material im Kilomaßstab hergestellt

Die thermoelektrische Güte messen Ingenieure mit dem „ZT-Wert“. Von der Industrie gefordert werden Werte größer eins. Im Projekt „thermoHEUSLER“ haben die Partner jetzt einen Wert von 1,2 erreicht. „Das entspricht den besten bisher veröffentlichten Werten für Halb-Heusler-Verbindungen“, sagt Bartholomé. Entscheidend für die indus­trielle Anwendung ist es zudem, die im Labor erreichten Effizienzwerte auch in der Massenproduktion zu erreichen. Während „thermoHEUSLER“ ist es der Vacuumschmel­ze und der Isabellenhütte wohl erstmals gelungen, dieses sehr effiziente Halb-Heusler-Material im Kilogrammmaßstab herzustellen. Die dabei synthetisierten Legierungen ha­ben eine lange Tradition: Der deutsche Bergbauingenieur, Chemiker und Namensgeber Friedrich Heusler war einst Leiter der Isabellenhütte.

Thermoelektrische Module sind aus wenigen Millimeter großen Klötzchen zusammenge­setzt. Diese bestehen aus zwei unterschiedlichen Typen thermoelektrischen Materi­als - dem n-Typ und dem p-Typ. Ein Knackpunkt für die Effizienz der Module ist das Design ihrer elektrischen Kontakte. Sie müssen große Temperaturunterschiede vertra­gen, langzeitstabil sein und gleichzeitig den elektrischen Widerstand möglichst gering halten. Genau das haben die Wissenschaftler im Projekt „thermoHEUSLER“ mit einem speziell entwickelten Lötsystem geschafft.

Dass thermoelektrische Module zur Energieeffizienz im Automobil beitragen können, haben verschiedene internationale Konsortien bereits gezeigt. Bis zu 600 Watt elek­trische Leistung konnten Prototypen bereits aus der Abwärme am Abgasstrang eines Pkw erzeugen. „In Deutschland waren zu Jahresbeginn fast 60 Millionen Fahrzeuge re­gistriert. Wären diese alle mit den kleinen thermoelektrischen Kraftwerken an der Ab­gasanlage ausgerüstet, ließe sich theoretisch schon heute Energie in einer Größenord­nung einsparen, wie sie ein Kernkraftwerk jährlich produziert. Das entspricht in etwa einer Ersparnis von mehreren Millionen Tonnen CO₂“, so Bartholomé.