Vor allem galt es, den Anteil der Handarbeit zu reduzieren. Die Forscher entschieden sich dafür, die Halbleiter für die Generatoren zu Pulver zu mahlen und anschließend in eine Tablettenform zu füllen. Darin werden sie zu Schenkeln kalt gepresst. „Hier zeigt sich schon der erste Vorteil unseres Prozesses“, erklärt Patrik Stenner, Leiter Exploration & Electrochemistry in der Verfahrenstechnik. „Wir müssen die Schenkel nicht mehr aus dem Vollen zuschneiden – und verlieren somit kein Material.“

Anschließend fügt ein Roboter die Schenkel voll­automatisch in die zuvor gebohrten Löcher eines speziellen Trägermaterials ein. So entsteht in nur kurzer Zeit das Grundgerüst des Moduls. Dieses wird im Ofen gesintert: Schenkel und das Trägermaterial werden „zusammengebacken“, also stabil miteinander verbunden. Anschließend wird das Modul poliert, damit keine Verschmutzungen den Wirkungsgrad senken. „Nun muss das Bauteil noch geschützt und leitfähig ­gemacht werden“, erklärt Stenner. Bei der Metallisierung des Generators werden dünne Metallschichten auf die Schenkel aufgetragen. Nickel schützt den Halbleiter vor Zerstörung durch Diffusion von Fremdmetallen in das Material. Kupfer dient als Kontaktschicht für die elektrische Anbindung. Um die Schenkel in Reihe zu schalten, werden zudem sogenannte Brücken aufgesetzt. Eine schwarze Deckschicht isoliert das Modul und bietet Korrosionsschutz. Zum Abschluss werden Drähte an die Modulkontakte angeschlossen.

Obwohl in einem Modul 64 Schenkel in Reihe geschaltet werden, ist der einsatzfähige Generator gerade einmal halb so groß wie ein Fünf-₤-Schein. Das macht ihn in der Anwendung flexibel. Wird eine größere Menge elektrischer Strom benötigt, können mehrere Ge­neratoren miteinander verbunden werden. Außerdem sind sie mit anderen Systemen zur Abwärmenutzung kombinierbar. Dank des neuen Herstellungsprozesses und des besonderen Trägermaterials sind die thermoelektrischen Generatoren äußerst robust und funktionieren bei bis zu 260 Grad Celsius. Herkömmliche TEG lassen sich nur bis 200 Grad einsetzen. Bei höheren Temperaturen, wie sie etwa bei der Herstellung und Verarbeitung von Zement, Glas, Keramik oder Metall entstehen, wird das TEG in Teilen der Anlage eingesetzt, wo die Hitze weniger stark ist.

Der größte Vorteil der neuen Produktionsweise liegt Dirk Lehmann zufolge im höheren Tempo: „Unser vollautomatisches Verfahren beschleunigt die Herstellung der Generatoren.“ Und hilft, die Preise zu senken: Bis zu zwei Drittel der Produktionskosten lassen sich durch den neuen Herstellungsprozess einsparen.

In diesen Erfolg haben die Creavis-Wissenschaftler gemeinsam mit den Experten der Verfahrenstechnik viel Arbeit gesteckt. Zum einen musste der Prozess entwickelt und perfektioniert werden. Zum anderen mussten die Forscher den Beweis liefern, dass sowohl das Verfahren als auch die damit produzierten Generatoren zuverlässig funktionieren. Dazu stellten sie eine Miniserie mit 1.000 Prototypen her und führten Feldtests durch. Eine Herausforderung brachte das Einsetzen der Schenkel in den Träger mit sich. Dieser Prozessschritt lief zunächst reibungslos. Doch beim 300. Generator fielen die Schenkel plötzlich durch die zuvor gebohrten Löcher. Der Grund: Der Bohrer war mit der Zeit stumpf geworden und hat die mikrometergenau zu fertigenden Löcher geweitet. Ein neues Material für das Werkzeug musste gefunden werden. „Jetzt haben wir einen optimalen Prozess, der in großen Serien funktioniert“, so Lehmann. Für seine Leistung wurde das Team 2016 mit dem Deutschen Nachhaltigkeitspreis in der Kategorie „Forschung“ ausgezeichnet.

Die Verfahrenstechnik von Evonik arbeitet nun da­ran, die Generatoren konzernweit in verschiedenen Anlagen zu testen – zum Beispiel in einer Produktionsan­lage in Rheinfelden, wo Abwärme genutzt werden soll. Einzelne TEG werden dafür zu einem großen Modul ­zusammengesetzt. Bei einem Temperaturunterschied von circa 70 Grad Celsius gegenüber der Umgebung kann so Strom erzeugt werden, um lokale Messvorrichtungen zu versorgen. „Die Generatoren werden einen wichtigen Beitrag zur ressourceneffizienten Produktion unserer Anlagen leisten“, sagt Patrik Stenner.

Damit ist das Potenzial jedoch noch nicht ausgeschöpft. Dass die Ausgangsmodule so klein sind, macht die Generatoren auch für den Einsatz in autonomen Energie­systemen interessant – beispielsweise in gasbetriebenen Heizgebläsen, wie sie in Großzelten für Notunterkünfte verwendet werden. So ließe sich auch abseits von Energienetzen autark Strom erzeugen.

In Zukunft könnte der verschlankte Produktionsprozess auch für Module eingesetzt werden, die das Prinzip der thermoelektrischen Generatoren umdrehen und aus Strom Wärme (oder Kälte) erzeugen. Dadurch eröffnen sich weitere Märkte, zum Beispiel in Elektroautos. „Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung, die Lithium-Ionen-Batterien in den Fahrzeugen durch Tem­perierung effizienter zu machen oder zum Beispiel eine Sitzheizung zu betreiben“, erklärt Lehmann.

Bislang hat Evonik einige Tausend TEG hergestellt. Um eine Produktion in großen Stückzahlen zu er­möglichen und die Technologie in möglichst viele ­Anwendungsbereiche einzuführen, sucht Evonik jedoch einen Abnehmer für den Herstellungsprozess. „Die Produk­tion und der Vertrieb von thermoelektrischen Gene­ratoren sind nicht die Kernkompetenz von Evonik als Chemie­unternehmen“, erklärt Lehmann. „Wir glauben jedoch an unser Verfahren und wollen auch anderen die Möglichkeit geben, von unserer Arbeit zu profitieren.“

1821 entdeckte der Physiker und Arzt Thomas Johann Seebeck den sogenannten Seebeck-Effekt, der in thermoelektrischen Generatoren zur Stromerzeugung genutzt wird. Diese bestehen aus zwei Halbleitern, die durch einen Schaltkreis miteinander verbunden sind. Wird eine Seite erhitzt, so wandern die Elek­tronen im n-Schenkel zum kalten Ende. Im p-Schenkel hingegen wandern die Elektronen aufgrund von Elektronenlöchern zur warmen Seite. An einem Halbleiter sammelt sich so negative und am anderen positive Ladung. Zwischen den Schenkeln entsteht dadurch eine elektrische Spannung. Die Bestandteile der Generatoren werden durch eine angelötete Kontaktbrücke miteinander verbunden. Eine Diffusionsbarriere verhindert, dass sich Stoffe in den unterschiedlichen Bestandteilen mit der Zeit vermischen.

Fotos: iStockphoto (3), Evonik (11)