Thermoelektrischer Generator ist kleiner als ein Zuckerwürfel
Eine neue Herstellungstechnik der otego GmbH revolutioniert aktuell eine schon länger erprobte Technik, nämlich aus Wärmedifferenzen Strom zu erzeugen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind faszinierend. Und das alles geht zurück auf eine Entdeckung, die ein deutscher Physiker schon vor 200 Jahren gemacht hatte.
Die Energieversorgung mit diesem Produkt braucht weder Batterie noch Kabel.
Foto: ortego GmbH
Das technische Vermächtnis des Thomas Johann Seebeck
Der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck beobachtete um 1820 bei seinen Experimenten zu Halbleitern sehr erstaunliche Dinge: Eine Wärmedifferenz in einem thermoelektrischen Halbleiter baut in sich eine elektrische Spannung auf. Fügt man ein anderes Halbleiterelement mit gegenpoligem Spannungsverhalten hinzu, hat man eine kleine und autarke Spannungsquelle. Diese Beobachtung wurde nach dem Tod seines Entdeckers 1831 allgemein der Seebeck-Effekt genannt. Erste thermoelektrische Generatoren (TEGs) wurden bereits in den 1950er Jahren gebaut. In den Jahren danach gab es einen weiteren Boom dieser Technologie durch die Weltraumtechnologie. Doch die Herstellung von TEGs war aufwändig und auch kostenintensiv: Für den aktuell vorliegenden oTEG der otego GmbH müssen einige Tausend dieser Halbleiterpaare in Reihe geschaltet werden. Damit erzeugt dieser kleine Generator eine Spannung im noch einstelligen Voltbereich. Aber das Einzigartige des oTEG ist das verwendete Material und das geniale Herstellungsverfahren.
Die Origami Technik bei der oTEG-Herstellung
Bislang war die Verknüpfung dieser vielen Halbleiterelemente kosten- und herstellungsintensiv. Schon seit Jahren tüftelte man in Karlsruhe beim Technischen Institut KIT mit organischen Materialien herum. Dann gelang ein Durchbruch: Die neueste Materialreihe ließ sich als dünne Folie herstellen und einfach mit den notwendigen Leiterbahnen bedrucken. Aus der japanischen Papierfaltkunst Origami übernahm man eine spezielle Technik der Faltung, um eine kompakte Reihenschaltung zu erzielen. Diese Herstellungsweise des Druckens und Faltens geht vergleichbar einfach und schnell wie das Drucken einer Zeitung. So können diese kleinen Kraftwürfel bald in industrieller Massenfertigung für einen sehr attraktiven Preis hergestellt werden. Alle Faktoren der Wertschöpfungskette sind dabei in der Hand des Unternehmens otego GmbH. Die Synthese aller verwendeten Materialien und das patentierte „Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren“ nebst Falttechnik findet unter einem Dach statt. Die Produktion ist dabei komplett frei von Schwermetallen und daher erfreulich umweltverträglich.
Einsatzmöglichkeiten von thermoelektrischen Generatoren
Frederick Lessmann, einer der Gründer der otego GmbH, sieht für seine kleinen Kraftwürfel eine interessante Zukunft: „So lassen sich Sensoren, Auswerteelektronik und Funkanbindungen ohne Batterie betreiben: Von einfachen Produkten wie einem drahtlos kommunizierenden Datentracker bis hin zu verteilten Sensorknoten in Industrieanlagen und künftig auch elektronischen Thermostaten an Heizkörpern.“ Energiegewinnung aus der Umgebungswärme bringt so eine kontinuierliche und autonome Versorgung mit Strom, wo immer sie benötigt wird.
Smart Home deckt die Bereiche einer Anwendung im häuslichen Bereich ab. Im industriellen Bereich gibt es zunehmend ausgedehnte Einsatzfelder: Für Industrie 4.0 und die smarte Fabrik werden Sensoren in großer Stückzahl gebraucht. Für andere Anwendungsfälle werden sie in weiträumigem Einsatz gebraucht. Man denke etwa an die Überwachung von Rohr- und Pipelinesystemen. Die notwendige hohe Stückzahl stellt durch die niedrigen Herstellungskosten kein Problem dar. Die Stromversorgung ist autark und auch nicht von Licht abhängig wie etwa bei Photozellen, die Licht in Strom wandeln. Die oTEGs sind flexibel einzusetzen und in ihrer Funktion nicht störbar durch Vibrationen oder Stöße. Damit entfällt auch für längere Zeiträume eine aufwändige und kostspielige Wartung.
Thermoelektrische Generatoren (TEG) – ein Ausblick
Schon ab Juli 2018 startet die otego GmbH die großtechnische Produktion: Eine erste Serie von Prototypen wird erstellt, um mit bereits gewonnen Unternehmenspartnern konkrete Produktanwendungen umzusetzen. Es tun sich dabei zwei Wege auf: Die neue Generation der thermoelektrischen Generatoren können in bestehende technische oder industrielle Systeme integriert werden. Gleichzeitig können ganz neue Wege beschritten werden: Bislang musste bei elektrotechnischen Anwendungen entweder Stromversorgungskabel oder Batterieversorgung mitgedacht und installiert werden. Die oTEGs bieten jetzt das Gestalten neuer technischer Anlagen ausschließlich mit den autarken und wartungsfreien kleinen Powerwürfeln. „Jetzt geht es für uns darum, in den interessanten Marktsegmenten wahrgenommen zu werden. Wir streben OEM- und Vertriebspartnerschaften im Bereich der Sensorik und von Industrie 4.0 an“, äußert sich Lessmann zu den Perspektiven seines neuen Produktes.
Den aktuellen Vorsprung in Sachen Technologie und Herstellungskosten gegenüber Mitbewerbern hat sich die ortego GmbH in vielen Jahren erkämpft. Die Vorarbeit leistete man im Karlsruher Institut für Technologie. 2017 wurde die otego GmbH aus diesen Prozessen heraus gegründet und ausgegliedert. Die Arbeiten zur Markteinführung durch ein multidisziplinäres Team laufen seitdem auf Hochtouren und unter einem Dach. Das junge Start-up kam auch bei Sponsoren gut an. Eine Seed-Finanzierung in siebenstelliger Höhe deckte in einem ersten Schritt den Finanzbedarf ab.
Wer den oTEG und alles Wissenswerte drumherum live erleben möchte, der kann das auf der Hannover Messe vom 23. bis 27. April tun. Das Unternehmen otego präsentiert sich auf dem Stand K51 in der Halle 27.
Übrigens: Auch am MIT wird an einem thermoelektrischen Resonator gearbeitet. Und die Origami-Technik kam zuletzt bei allen möglichen Dingen zum Einsatz – etwa mitwachsender Kinderkleidung, künstlichen Muskeln, oder eine Papier-Batterie.
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