Durch neu entwickelte Tinten und spezielle Produktionstechniken, wie die Origami-Technik, lassen sich kostengünstig thermoelektrische Generatoren für verschiedenste Anwendungen herstellen. ©Bild: Andres Rösch, KIT

Energy-Harvesting: Gedruckte thermoelektrische Generatoren für die Energiegewinnung

(KIT) Thermoelektrische Generatoren, kurz TEGs, wandeln Umgebungswärme in elektrische Energie um. Sie bieten eine wartungsfreie, umweltfreundliche und autarke Stromversorgung für die stetig wachsende Zahl von Sensoren und Geräten für das Internet der Dinge (IoT) und eine Möglichkeit für die Rückgewinnung von Abwärme. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun dreidimensionale Bauteilarchitekturen mit neuartigen, druckbaren thermoelektrischen Materialien entwickelt. Diese könnten einen Meilenstein für die Nutzung kostengünstiger TEGs darstellen.


„Thermoelektrische Generatoren können thermische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln. Diese Technologie erlaubt es, energieautarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Wearables, wie Smartwatches, Fitnessarmbänder oder digitale Brillen, ohne Batterien zu betreiben“, sagt Professor Uli Lemmer, Leiter des Lichttechnischen Instituts (LTI) des KIT. Weiterhin könnten sie in der Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie und in Heizsystemen oder der Geothermie eingesetzt werden.

Neue Druckverfahren dank massgeschneiderter Tinten
„Konventionelle TEGs müssen durch relativ aufwendige Fertigungsverfahren aus Einzelteilen zusammengestellt werden“, so Lemmer. „Um dies zu umgehen, haben wir neuartige druckbare Materialien erforscht und neben zwei innovativen Verfahren sowohl organische als auch auf anorganischen Nanopartikeln basierende Tinten entwickelt.“ Mit diesen liessen sich kostengünstige, dreidimensionale gedruckte TEGs herstellen.

Beim ersten Verfahren wird mittels Siebdruck auf einer hauchdünnen flexiblen Substratfolie ein 2D-Muster aus thermoelektrischen Drucktinten aufgetragen und anschliessend mit einer Origami-Technik ein etwa zuckerwürfelgrosser, quaderförmiger Generator zusammengefaltet. Diese Methode haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT gemeinsam mit dem Innovation Lab in Heidelberg und einem KIT-Spin-Off-Unternehmen entwickelt. Bei dem zweiten Verfahren drucken die Forschenden zuerst ein 3D-Grundgerüst, auf dessen Oberflächen sie dann die thermoelektrische Tinte auftragen.

Kostenersparnis durch Drucktechnologien
Hochskalierbare Herstellungsprozesse wie das Drucken in einem Rolle-zu-Rolle-Siebdruck oder in moderner additiver Fertigung (3D-Druck) seien daher Schlüsseltechnologien, ist Lemmer überzeugt. „Die neuen Herstellungsverfahren erlauben nicht nur eine kostengünstige und skalierbare Produktion dieser TEGs, durch die Drucktechnologien lässt sich das Bauteil individuell an die jeweiligen Anwendungen anpassen. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die gedruckte Thermoelektrik kommerziell verfügbar zu machen“, betont er.

Originalpublikationen
Andres Georg Rösch, André Gall, Silas Aslan, Matthias Hecht, Leonard Franke, Md. Mofasser Mallick, Lara Penth, Daniel Bahro, Daniel Friderich, and Ulrich Lemmer: Fully printed origami thermoelectric generators for energy-harvesting >>, npj Flex Electron 5, 1 (2021).

Md Mofasser Mallick, Leonard Franke, Andres Georg Rösch, and Uli Lemmer: Shape-Versatile 3D Thermoelectric Generators by Additive Manufacturing >>, ACS Energy Lett. 6, 85 (2021).

Text: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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1 Kommentare

Max Blatter

Wirkungsgrad?

Sicher eine gute Sache, um periphere elektronische Komponenten von einer Fremdspeisung unabhängig zu machen und ev. zur EnergieEFFIZIENZ des Gesamtsystems beizutragen. Nach meiner Einschätzung aber kaum je ein nennenswerter Beitrag zur nachhaltigen EnergieVERSORGUNG.

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