LaMa meets Industry - Seiteninhalte
Gemeinsames Thermoelektrik-Symposium
des Zentrums für Materialforschung und des House of Energy e.V.
Mittwoch, 28. Februar 2018 | 13–19 Uhr
neues Chemiegebäude | Hörsaal C 5b | Heinrich-Buff-Ring 19 | 35392 Gießen
Diese Veranstaltung liegt in der Vergangenheit.
Hier finden Sie eine Zusammenfassung der Ergebnisse.
Worum es geht
Thermoelektrische Materialien bieten die Möglichkeit, Abwärme - z.B. aus Produktionsprozessen und von Verbrennungsmotoren - in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere mit Blick auf die zu erwartende Elektrifizierung von Fahrzeugen ist es jedoch notwendig, weitere Anwendungsgebiete der Thermoelektrik zu erkunden. Dabei muss die Suche nach Materialien aus unkritischen Elementen, also aus ungiftigen und gut verfügbaren Rohstoffen, im Vordergrund stehen.
Das Zentrum für Materialforschung (ZfM/LaMa) der Justus-Liebig-Universität Gießen und das House of Energy e.V. (HoE) laden zur ersten Veranstaltung des Formats „LaMa meets Industry“ ein. Das Vortragsprogramm spannt dabei den Bogen von den Grundlagen bis zum Anwendungspotenzial der Thermoelektrik. Im Anschluss bietet sich die Gelegenheit zu Gesprächen mit Forschenden aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen und aus der Industrie. Alle Teilnehmenden können ihre Aktivitäten zudem in der abschließenden Poster-Session vorstellen.
Ziel der Veranstaltung ist die Diskussion bestehender und neuer Anwendungsgebiete für die Thermoelektrik sowie die Vernetzung der Akteure mit Blick auf mögliche gemeinsame Projekte. Die Veranstalter informieren daher auch über Fördermöglichkeiten für Kooperationsprojekte.
Anmeldung und Teilnahme
Die Online-Anmeldung ist bereits geschlossen.
Die Veranstalter
Das Zentrum für Materialforschung (ZfM/LaMa) bündelt die Forschungs- und Lehrkompetenzen der Fachgebiete Chemie und Physik auf dem Gebiet der Materialwissenschaft an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören die Entwicklung neuer oder verbesserter Katalysatoren, die Thermoelektrizität, elektrochemische Energiewandlung (Brennstoffzellen) und -speicherung (Batterien), Photoelektrochemie und Photovoltaik. Darüber hinaus bilden die Erforschung von Substitutionskonzepten für nachhaltige und ressourceneffiziente Materialien, die Weiterentwicklung von Halbleitern und anderen Funktionsmaterialien sowie die Struktur mikroelektronischer Bauelemente für den Betrieb von Zukunftstechnologien z.B. im Bereich der Photonik, Optoelektronik und Elektronik weitere Schwerpunkte.
Das ZfM/LaMa umfasst derzeit ca. 20 Arbeitsgruppen in Physik und Chemie, sowie eine Reihe von gemeinsam betriebenen Methodenplattformen, die es erlauben, Forschungsprojekte sowohl mit Grundlagen- als auch Anwendungscharakter auf höchstem Niveau durchzuführen.
Das
House of Energy
mit Sitz in Kassel versteht sich als „Denkfabrik“, die von Wirtschaft, Wissenschaft, Universitäten, Hochschulen und Forschungseinrichtungen sowie der hessischen Landesregierung getragen wird. Es arbeitet transdisziplinär und begleitet die Energiewende in Hessen konzeptionell und wissenschaftlich. Als Kompetenzzentrum, Kommunikations-, Koordinations- und Wissenstransferplattform initiiert und begleitet das HoE zukunftsweisende Projekte mit technologischem Schwerpunkt.
Mehr unter
www.house-of-energy.org
Die Veranstaltungsreihe
Das ZfM/LaMa veranstaltet in loser Folge Symposien, die die Forschungsaktivitäten der Gießener Gruppen mit Blick auf die möglichen Anwendungen darstellen. Ziel der Veranstaltungen, die bevorzugt gemeinsam mit Partnerorganisationen an der Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie veranstaltet werden, ist die Vernetzung der Akteure – zum einen im Hinblick auf mögliche gemeinsame Projekte , zum anderen zur Förderung der Karrieremöglichkeiten der LaMa-Absolventen in den erreichten Unternehmen. Zielgruppe von „LaMa meets Industry“ sind kleine und mittlere Unternehmen, Forschungseinrichtungen, Verbände sowie weitere Akteure aus Politik und Wirtschaft.
Kontakt
Dr. Thomas Leichtweiß
Zentrum für Materialforschung (ZfM/LaMa)
Heinrich-Buff-Ring 16 35392 Gießen Tel. +49-6421-99-33601 |
Dirk Filzek House of Energy e.V. Universitätsplatz 12 34127 Kassel Tel.: +49-561-953 79-796
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Das Programm
13.00 Uhr |
Einlass und Registrierung |
13.30 Uhr |
Begrüßung und Einführung
Dr. Wolfgang Zeier (JLU Gießen)
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1. Session: Grundlagen / Moderation JLU Gießen |
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14:10 Uhr |
Thermoelektrische Materialien – Möglichkeiten und Grenzen
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14:50 Uhr |
Anwendungen der Thermoelektrik – Vom Material zum Device
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15:30 Uhr | Kaffeepause |
2. Session: Anwendungsoptionen / Moderation HoE | |
16:00 Uhr |
Thermoelektrische (Ab-)Wärmeverstromung - Aus dem Labor in die Industrie
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16:40 Uhr |
Industrialisierung von Halb-Heusler Werkstoffen:
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17:20 Uhr |
Zusammenfassung
Prof. Dr. Peter Birkner und Dr. Wolfgang Zeier |
17:30 Uhr |
Poster-Session und Get together
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19:00 Uhr | Ende der Veranstaltung |
„Thermoelektrische (Ab-)Wärmeverstromung - Aus dem Labor in die Industrie“
Abstract:
Thermoelektrische Wärmeverstromung wird seit Jahrzehnten erfolgreich in der Weltraumfahrt eingesetzt zur Energieversorgung von Raumsonden wie Voyager 1 & 2. Für terrestrische Anwendungen werden in vielen Laboren weltweit an einer Vielzahl von kostengünstigen Materialien geforscht, die die Basis für eine Wirtschaftlichkeit dieser Technologie zur Abwärmeverstromung ermöglichen sollen. Solche Materialien können mittlerweile nicht nur im Labormaßstab sondern mittlerweile auch in industrierelevanten Mengen hergestellt werden. Neben den Materialien ist hinsichtlich der Effizienz und Wirtschaftlichkeit noch die Hürde einer geeigneten Aufbau- und Verbindungstechnik für thermoelektrische Module zu überwinden. Zentrale Punkte hierbei sind hierfür eine niederohmsche und thermomechanisch stabile Kontaktierung der thermoelektrischen Materialien sowie die Langzeitstabilität der thermoelektrischen Module. Hieran hat das Fraunhofer IPM erfolgreich die letzten Jahre gearbeitet und für Halb-Heusler-Materialien eine Kleinserienproduktion im Labormaßstab aufgebaut. Mit diesen so aufgebauten Halb-Heusler-Modulen werden nun Prototypen ausgestattet und Feldversuche durchgeführt. Damit soll der nächste Schritt hinsichtlich einer Industrialisierung dieser Technologie vollzogen werden. Der Stand dieser Aktivitäten des Fraunhofer IPM wird in diesem Vortrag vorgestellt und erläutert. Ebenso wird auf den aktuellen Stand der Wirtschaftlichkeit dieser Technologie eingegangen und mögliche Einsatzgebiete erörtert.
Kontakt:
Dr. Jan König
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Heidenhofstr. 8
79110 Freiburg, Germany
jan.koenig@ipm.fraunhofer.de
„ Industrialisierung von Halb-Heusler Werkstoffen: Eine Technologie auf dem Weg in die Massenproduktion “
Abstract:
Die Thermoelektrik ist ein weites Technologiefeld. Neben Anwendungen in der Temperaturmessung oder Kühlung beschäftigt sich Thermoelektrik auch mit der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Ein prominentes Ziel ist die Nutzbarmachung verlorengehender Wärme, z.B. in Kraftfahrzeugen aller Art.
Das Forschen an Halb-Heusler-Materialien hat bei der Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG eine lange Tradition. Schon 1901 entdecke der Urgroßvater unseres heutigen Geschäftsführers Dr. Fritz Heusler auf der Isabellenhütte die nach ihm benannten Heuslerschen Legierungen. Die früheren Arbeiten an diesen Materialien brachten jedoch leider keinen wirtschaftlichen Nutzen, sodass die Forschung wieder eingestellt werden musste. Seit 2009 beschäftigt sich das Unternehmen wieder aktiv mit der Gruppe der Heuslerschen Legierungen. Ziel ist die Entwicklung sogenannter thermoelektrischer Halb-Heusler-Werkstoffe und besonders eines industriellen Herstellungsverfahrens für solche Werkstoffe.
Vor einigen Jahren publizierten Forscher aus verschiedenen Teilen der Welt vielversprechende Messergebnisse an Laborproben aus Halb-Heuser-Materialien. Diese Messergebnisse ließen darauf schließen, dass sich bestimmte Halb-Heusler-Legierungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie eignen. Der Isabellenhütte ist es gelungen, ein schmelzmetallurgisches Verfahren zu entwickeln, um Gussblöcke mit denselben positiven Eigenschaften, wie sie die Laborproben zeigten, herzustellen. Zurzeit wird auf dem Gelände der Isabellenhütte die erste industrielle Produktionsstätte für diese Materialien in Form einer Pilotfertigung aufgebaut. Diese reicht von der Materialsynthese in einem Schmelzofen bis zur Weiterverarbeitung zu wenige Millimeter großen Halbleiterbauelementen.
Um nennenswerte Mengen Wärme in elektrische Energie umzuwandeln, ist es notwendig, viele dieser Halbleiterbauelemente zu gebrauchsfertigen Thermoelektrischen Modulen zu verschalten. Traditionell werden Thermoelektrische Module mit großen Anteilen Handarbeit hergestellt und stehen meistens nur als Standardbauteile mit festen Geometrien und festen technischen Eigenschaften zur Verfügung. Hier geht die Isabellenhütte mit einem flexiblen und voll automatisierbaren Fertigungskonzept ebenfalls neue Wege. So ist es möglich, die Eigenschaften der Module auf die Anforderungen der verschiedenen Kunden maßzuschneidern.
Damit deckt die Isabellenhütte die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialherstellung bis zur Modulfertigung mit modernen Industrieprozessen ab. Die neuen Prototypenfertigungen machen es möglich, Kleinserien in Industriequalität herzustellen. Damit soll der Einsatz der Technologie in breiteren Anwendungsfeldern vorangetrieben werden.
„Thermoelektrische Materialien – Möglichkeiten und Grenzen“
Abstract:
Eine thermoelektrische Wandlung bei hohem Temperaturen verspricht theoretisch hohe Energiedichten und Wirkungsgrade, wenn geeignete Materialien verfügbar wären. Hochtemperaturstabile Elektrokeramiken, Chalkogenide und halb Heusler-basierte Nanokomposite sind potentielle Kandidaten für die Heißseite thermoelektrischer Hochtemperatur-Konverter.
Grundsätzlich erfordert das Maßschneidern von Materialien mit sehr guten thermoelektrischen Eigenschaften vertiefte Kenntnisse der Struktur-Eigenschaften Beziehungen der Kandidaten. Deren Tauglichkeit kann auf der Grundlage von z.B. geeigneten Bandstrukturen, korrekt eingestellter Ladungsträgerdichte, effektiver Masse und Beweglichkeit der Ladungsträger, vermindertem Phonontransport, Elektronenfiltern durch stark korrelierte elektronische Systeme eingestellt werden. Diese Eigenschaften können durch die Zusammensetzung, chemische Bindung, Kristallstruktur und -form, Grenzflächen und Materialkombinationen gezielt verändert werden.
Grundvoraussetzung hierfür sind skalierbare und reproduzierbare Synthesemethoden und die umfassende Charakterisierung der resultierenden Verbindungen.
Kontakt:
Prof. Dr. Anke Weidenkaff
Universität Stuttgart
Institut für Materialwissenschaft - Chemische Materialsynthese
Heisenbergstr. 3
70569 Stuttgart
anke.weidenkaff@imw.uni-stuttgart.de
„Anwendungen der Thermoelektrik – etabliert in der Raumfahrt, terrestrisch auf dem Vormarsch“
Abstract:
Thermoelektrische Generatoren (TEG) ermöglichen die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und können dadurch zur Steigerung des Wirkungsgrades von Energieanlagen beitragen, als autarke Stromquellen dienen oder Abwärme in Elektrizität wandeln und für den Betrieb elektrischer Systemkomponenten bereitstellen.
Ihre Zuverlässigkeit, Langzeitstabilität und Wartungsfreiheit haben TEG über Jahrzehnte in Raumfahrtanwendungen bewiesen. Auch in terrestrische Anwendungen finden sie zunehmend Eingang. Die Beispiele reichen dabei von der Temperierung optischer Sensoren, der Temperaturstabilisierung optoelektronischer Bauteile sowie der programmierbaren Hochraten-Temperaturzyklierung in der Genom-Sequenzierung durch Peltiermodule bis zur Abwärmenutzung im heimischen Holzofen, im Kfz oder industriellen Prozessen durch TEG. Energy harvesting durch Mikrogeneratoren zur autarken Versorgung von Mikrosystemen zur dezentralen Datenakquisition und -übertragung sowie in smarter Bekleidung öffnet Zukunftsoptionen für vielseitige intelligente Produkte. Intensive Arbeiten zur Bewertung der Abwärmenutzung zur Verbrauchs- und Emissionsreduzierung widmen sich auch dem TEG-Einsatz im Flugtriebwerk.
Zum sich rasch entwickelnden Bereich thermoelektrischer Produkte sind auch spezifische Messtechniken für thermoelektrische Material- und Moduleigenschaften zu rechnen, die den internationalen Markt erobern.
Zentrales Funktionselement vieler Anwendungen sind konfektionierte thermoelektrische Module, die an den Temperaturbereich der jeweiligen Anwendung angepasst sein müssen. Derzeit erhältliche TE Wandlermodule sind nahezu ausschließlich für Einsatztemperaturen bis maximal 250 °C geeignet. Ein Großteil der thermoelektrisch nutzbaren (Ab-)wärme fällt jedoch bei höheren Temperaturen an. Entsprechend stellt die Entwicklung von TEG für Temperaturen zwischen 400 und 500 °C und darüber hinaus international ein zentrales Thema hoher Aktualität dar. Dazu sind neben effizienten TE Hochtemperaturmaterialien vor allem auch deren spezifische elektrische und thermische Kontaktierung essentiell für die praktische Realisierung neuer thermoelektrischer Anwendungen.
Kontakt:
Prof. Dr. W. Eckhard Müller
DLR - Institut für Werkstoff-Forschung
Linder Höhe
51147 Köln
eckhard.mueller@dlr.de