Nanocarbon für flexible Polymere zur thermoelektrischen Energierückgewinnung

In dem vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS koordinierten Verbundprojekt arbeiten 5 Unternehmen, 4 Universitäten und 3 Forschungseinrichtungen aus 5 europäischen Ländern an der Entwicklung innovativer nanostrukturierter Kohlenstoffmaterialien. Die Projektlaufzeit ist mit 4 Jahren angesetzt, das Gesamtbudget beträgt 5,5 Mio. €, 4 Mio. € Förderung stellt die EU zur Verfügung.

Effiziente thermoelektrische Generatoren und Energiespeicher sind als universal einsetzbare und wartungsfreie Stromversorgung einsetzbar. In Kombination mit Sensoren können diese, dann energieautarken Sensorsysteme zur Überwachung (z.B. health monitoring) eingesetzt werden. Die Entwicklung solcher Komponenten ist Gegenstand des multidisziplinären Projektes NanoCaTe.

Die dafür zu untersuchenden Materialien (Nanocarbon) basieren auf nanostrukturierten Kohlenstoffen wie Nanoröhren und Graphen. In der richtigen Modifikation und Kombination wandeln sie Abwärme in wieder nutzbare elektrische Energie. Zudem kann diese Materialklasse zur Energiespeicherung in Doppelschichtkondensatoren oder Akkumulatoren eingesetzt werden.

Geplante und im Projekt zu demonstrierende Anwendungen sind energieautarke drahtlose Sensoren sowie „energy harvester“ zur Erhöhung des Wirkungsgrades und zur Verbesserung des Wärmemanagements von elektronischen Komponenten.

Abwärme stellt den größten Teil der industriellen Energieverluste dar. Durch Ausnutzung des Seebeck-Effekts kann ein Teil dieser Abwärme wieder in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Der Seebeck-Effekt beschreibt die Erzeugung einer Spannung infolge einer Temperaturdifferenz in speziellen Materialien. Geräte aus diesen Materialien, sogenannte thermoelektrische Generatoren, enthalten keine bewegten Teile und sind damit wartungsfrei und langzeitbeständig.

Effiziente und kostengünstige Materialien sind die Grundlage für umweltfreundliche, flexible gedruckte thermoelektrische Generatoren und Energiespeicher und deshalb Gegenstand des neuen Forschungsprojektes NanoCaTe. Kompositmaterialien basierend auf ein- und zweidimensional strukturierten nanoskaligen Kohlenstoffmaterialen werden hinsichtlich ihrer thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Die gleiche Materialgruppe kann auch zur Vergrößerung der Oberfläche von Elektroden zur Energiespeicherung genutzt werden.

Von den Partnern im Projekt werden diese Materialien zur Erhöhung der Energie- und Leistungsdichte von Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) und Akkumulatoren eingesetzt. Des Weiteren werden speziell gedruckte Komponenten zur Energiewandlung und -speicherung untersucht, da diese leicht miniaturisiert und damit in Endgeräte mit nur wenigen cm² Fläche eingebettet werden können.

Das Ersetzen der bisher genutzten Batterien durch die Kombination von thermo-elektrischem Generator und Energiespeicher vermeidet Abfall, verringert den Wartungsaufwand und verlängert die Lebensdauer der damit gespeisten Geräte.

Ziel des Projekts ist die Stärkung der Position Europas auf dem Gebiet der Thermoelektrik und der Energiespeichertechnik und damit die weitere Verbreitung umweltfreundlicher Technologien zur Energieumwandlung.

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