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Energie-Nachrichten

Thermoelektrischer Generator gewinnt Energie aus der Umgebung

Vernetzung ist f黵 die Digitalisierung in einer Fabrik unabk鰉mlich. Intelligente Anlagen sollen in der Lage sein, Messdaten selbst鋘dig zu erfassen, zu verarbeiten und weiterzugeben. Dazu werden Sensoren ben鰐igt. Um diese mit Strom zu versorgen, entwickeln Wissenschaftler des IPH und PCI flexible thermoelektrische Generatoren, die Energie aus der Umgebung gewinnen k鰊nen.

Ein automatisierter Produktionsprozess bedarf vieler Sensoren. Diese m黶sen mit Strom versorgt werden, damit sie Messdaten aufnehmen, verarbeiten und senden k鰊nen. Bisher geschieht dies h鋟fig per Kabel oder Batterie. Das ist jedoch nicht nur aufwendig, sondern auch teuer, da Kabel verlegt und Batterien regelm溥ig ausgetauscht werden m黶sen. In einem gemeinsamen Projekt arbeiten deshalb Wissenschaftler des Instituts f黵 Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH) und des Instituts f黵 Physikalische Chemie und Elektrochemie (PCI) der Leibniz Universit鋞 Hannover daran, einen flexiblen, thermoelektrischen Generator zu entwickeln. Dieser soll nach dem Prinzip des Energy Harvesting in der Lage sein, selbstst鋘dig Energie aus der Umgebung zu generieren.

Dazu macht sich der Generator den thermoelektrischen Effekt nach SEEBECK zunutze. Dieser besagt, dass es in einem Leiter mit 鰎tlich unterschiedlicher Temperatur durch Thermodiffusion zur Ausbildung eines elektrischen Feldes kommt. Zwischen der hei遝n und der kalten Seite entsteht also eine elektrische Spannung, die genutzt wird, um einen Sensorknoten anzutreiben. Der Sensorknoten besteht wiederum aus einem Mikrokontroller, mehreren Sensoren und einem Sender. Wird der Mikrokontroller mit Strom versorgt, sind die daran angebrachten Sensoren in der Lage, Informationen aufzunehmen und durch den Sender weiterzugeben.

Jedoch ist die entstehende Spannung abh鋘gig von der Materialkombination sowie der Geometrie und Verschaltung des Generators. Ein Ziel der Wissenschaftler ist es also, herauszufinden, welche Kombination sich am besten zur Stromerzeugung eignet. In kommerziellen thermoelektrischen Generatoren wird h鋟fig Bismuttellurid verwendet, das sehr gute thermoelektrische Eigenschaften besitzt. Tellur ist jedoch toxisch und z鋒lt au遝rdem zu den seltenen Erden. Darum arbeiten die Wissenschaftler am IPH und PCI mit einem Material auf Basis von Calciumkobaltoxid, das ebenfalls gute thermoelektrische Eigenschaften aufweist und gleichzeitig unbedenklich ist.

Die Wissenschaftler haben zun鋍hst das Ziel, eine Calciumkobaltoxid-Paste zu entwickeln, die sich g黱stig und skalierbar in einem einfachen Siebdruckprozess verarbeiten l鋝st. Aus dieser Paste werden kleine 凚einchen (engl. Legs) gedruckt. Ein zweites Material dient zur Kontaktierung. Beinchen aus Calciumkobaltoxid und Kontaktmaterial werden abwechselnd aufgebracht und bilden eine Reihe aus vielen Paaren (engl. Couple). Jedes dieser Paare erzeugt durch den Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite eine kleine Spannung. In Reihe geschaltet addieren sich diese zu einer Gesamtspannung, mit der die Sensorknoten betrieben werden k鰊nen.

Im Anschluss pr黤en die Wissenschaftler, welche geometrische Auslegung sich am besten eignet, um einen maximalen Leistungsoutput zu erreichen. Au遝rdem untersuchen sie, wie viel Energie ein solcher Generator tats鋍hlich bereitstellen kann und wie gro er dabei sein darf. Mit den Projektergebnissen leisten die Wissenschaftler einen weiteren Beitrag zur Industrie 4.0, indem sie drahtlose Sensornetzwerke in die Infrastruktur der Fabriken einpflegen, die sowohl zur Geb鋟deautomation als auch zur Anlagen黚erwachung dienen k鰊nen.

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