3D gedrucktes thermoelektrisches Gerät stellt neuen Effizienzrekord auf

Ein neues thermoelektrisches 3D gedrucktes Gerät, das Wärme mit einem um mehr als 50% höheren Wirkungsgrad als das bisher beste für gedruckte Materialien in elektrischen Strom umwandelt und kostengünstig in großen Mengen hergestellt werden kann, wurde von Forschern der Swansea University SPECIFIC hergestellt Innovations- und Wissenszentrum.

Rund ein Sechstel der gesamten Energie, die die Industrie in Großbritannien verbraucht, wird derzeit als Abwärme in die Atmosphäre abgegeben. Die Nutzung dieser Technologie zur Stromerzeugung könnte ein großer Schritt nach vorn sein, um der Industrie dabei zu helfen, ihre Energiekosten zu senken und ihren CO2-Fußabdruck zu verringern.

Thermoelektrische Materialien wandeln Temperaturunterschiede in elektrische Energie um oder umgekehrt. Sie werden in Kühlschränken, Kraftwerken und sogar in einigen intelligenten Uhren verwendet, die mit Körperwärme betrieben werden.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Material namens Zinnselenid (SnSe), eine Verbindung aus Zinn (Sn) und Selen (Se), ein hohes Potenzial als thermoelektrisches Material aufweist. Das Problem ist, dass die Herstellungsverfahren viel Energie erfordern und daher teuer sind.

Hier kommen die Arbeiten der Swansea-Forscher ins Spiel. Die von ihnen entwickelte Technik ist für die Industrie potenziell sehr kostengünstig, da damit thermoelektrische SnSe-Generatoren schnell und einfach in großen Mengen hergestellt werden können.

Das Team formulierte Zinnselenid zu einer Art Tinte, die gedruckt werden konnte, um seine Eigenschaften zu testen. Der nächste Schritt war die Entwicklung einer Art 3D-Drucktechnik zur Herstellung eines kleinen thermoelektrischen Generators aus Tinte.

Die Experimente des Teams zeigten, dass das Material Rekordwerte für die Leistungseffizienz ergab, die anhand der “Figure of Merit” (ZT) gemessen werden.

• Das Element des Swansea-Teams erreichte einen ZT-Wert (ein Maß für den Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatoren) von bis zu 1,7
• Der bisher beste ZT-Wert für ein bedrucktes thermoelektrisches Material betrug 1,0
• Dies bedeutet für das Swansea-Team einen Wirkungsgrad – für die Umwandlung von Wärme in Elektrizität – von rund 9,5%, verglichen mit 4,5% für den vorherigen Bestwert

Der Durchbruch könnte insbesondere für Branchen von Vorteil sein, in denen hohe Temperaturen im Herstellungsprozess auftreten. Ein Beispiel ist die Stahlherstellung, die enorme Mengen an Wärme erzeugt und immense elektrische Energie benötigt. Durch die Rückgewinnung der Wärme in Strom kann die Energieeffizienz erheblich gesteigert werden. Tata Steel soll einen Doktoranden im Team unterstützen, um die industrielle Anwendung der Technologie zu untersuchen.

Das Forschungsteam stammt aus dem SPECIFIC Innovation and Knowledge Center, einem von der Swansea University geleiteten Projekt, das Technologien zur Reduzierung von CO2-Emissionen entwickelt und zeigt, wie diese auf Gebäude und die Industrie angewendet werden können.

Dr. Matt Carnie von der Swansea University, der leitender Forscher für diese Arbeit war, sagte:

“Durch die Umwandlung von Abwärme in elektrischen Strom kann die Energieeffizienz erheblich gesteigert, Rechnungen gesenkt und der Kohlenstoffausstoß gesenkt werden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bedruckte thermoelektrische Materialien mit Zinnselenid ein vielversprechender Weg in die Zukunft sind.

Bei dem von uns entwickelten Gerät handelt es sich um das bislang leistungsstärkste gedruckte thermoelektrische Material, dessen Wirkungsgrad gegenüber dem vorherigen Rekord um über 50% verbessert wurde. Im Vergleich zu etablierten Herstellungsverfahren ist es auch billig, in großen Mengen zu produzieren.

Mehr Arbeit ist erforderlich, aber unsere Arbeit zeigt bereits, dass diese Technik, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit kombiniert, für energieintensive Industrien sehr attraktiv sein könnte.”