Energy-Harvesting

Energie aus Abwärme

Micropelt

Ein Knackpunkt in der Funksensorik ist die ungeklärte Frage nach einer autarken Energieversorgung. Eine Antwort könnte die lokale Gewinnung von Elektrizität aus Prozess-Abwärme sein. Ein neues Herstellverfahren für thermoelektrische Elemente macht die Technik praxistauglich.

Funksensoren versprechen hohe Einsparpotenziale beim Betrieb von Anlagen. Der Reiz ist beim Anwender jedoch meist schnell dahin, berücksichtigt er den regelmäßig anfallenden Batteriewechsel. Dies gilt umso mehr in Szenarien mit hunderten oder gar tausenden von Funksensoren in einer Anlage. Energy-Harvesting - also die Wandlung ungenutzter Energie in elektrische Spannung - tritt an, das Dilemma zu lösen.

Solarzellen sind die bekanntesten Energy-Harvester, aber auch Vibrationen, Magnetfelder oder eben Temperaturunterschiede sind potenzielle Energiequellen. Das Prinzip des thermischen Energy- Harvesting ist keineswegs neu. Thomas Seebeck entdeckte bereits 1827, wie man eine Temperaturdifferenz nutzen kann, um Elektrizität zu erzeugen. Die Seebeck-Elemente verwenden den umgekehrten physikalischen Kühleffekt, den Jean Peltier erst einige Jahre später beschrieb.

Micropelt

Die Thermogenerator-Chips bestehen aus zwei mikrostrukturierten Dünnschichten, die miteinander verlötet sind. Mit kleinsten Strukturen von 35 μm sind bis zu 100 Thermopaare pro mm2 möglich. Das entspricht der 50- bis 100-fachen Packungsdichte herkömmlicher Elemente.

Während Peltier-Elemente recht bekannt sind, blieb es um den Seebeck-Effekt eher still, die erzeugten Spannungen waren zu gering für eine breite Anwendung. Das änderte sich schließlich im Jahr 1998: Eine Kooperation zwischen dem Chiphersteller Infineon und dem Fraunhofer Institut für physikalische Messtechnik (IPM) in Freiburg trat mit dem Ziel an, zwei Technologien zusammenzuführen: Die thermoelektrische Materialwissenschaft einserseits und die moderne waferbasierte Chipherstellung andererseits. Aus dieser Kooperation ging 2006 das Unternehmen Micropelt hervor, das seitdem die gemeinsam entwickelte Technologie in Produkte umsetzt.

Der Fortschritt liegt in den Eigenschaften der mikrostrukturierten Dünnschicht: Bei gleichem Temperaturunterschied erzeugt ein Dünnschicht-Thermogenerator eine etwa 400-fach höhere Spannung pro mm² als herkömmliche Seebeck-Elemente. Die hohen Spannungen der miniaturisierten Elemente werden möglich, weil die charakteristische Spannung, die ein einzelnes thermoelektrisches Schenkelpaar erzeugt, nicht von der Schenkelgröße abhängt, sondern nur von der verwendeten Materialkombination. Sprich: je feiner die Struktur umso höher die erzeugte Spannung.

• Teil 1: Energie aus Abwärme
• Teil 2: Brutto gleich netto?
• Teil 3: Die Energiebilanz im Fokus
• Teil 4: In der Praxis
• Teil 5: Energy-Harvesting im Shell-Feldtest
• Teil 6: Energieautark von der Stange? - ABB-Forscher im Interwiev