Dr. Ran He im IFW Dresden. Foto: IFW Dresden
Physiker Ran He möchte dafür Tellur in Wärme-Strom-Wandlern durch Magnesium ersetzen
Dresden, 19. September 2023. Der chinesisch-sächsische Physiker Dr. Ran He arbeitet an neuen thermoelektrischen Materialien, die Abwärme doppelt so effizient wie bisher in elektrische Energie umwandeln können. Dabei will er mehrere Fliegen mit einer Klappe schlagen: einerseits die Stromausbeute solcher Wandler erhöhen, dadurch wenig umweltfreundliche Energieverluste mindern – und das ohnehin seltene Element Tellur, das in heutigen Thermoelektrika noch üblich ist, durch das breit verfügbare Magnesium ersetzen.
1,5 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat
Für sein Projekt „Tellurium-free Thermoelectric Technology for Near-room-temperature Applications“ (Tentation) hat Ran He nun ein Forschungsstipendium – einen „ERC Starting Grant“ – über 1,5 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat (ERC) bekommen. Das hat das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden mitgeteilt, an dem der Physiker tätig ist.
Zwölf Prozent Umwandlungseffizienz versprochen
„Ich strebe eine Umwandlungseffizienz von etwa zwölf Prozent im Temperaturbereich von 30 bis 300 Grad Celsius an,“ verspricht Ran He nun. Wenn ihm dies gelingt, könnte er damit „den Weg für eine nachhaltige Energiegewinnung und Temperaturregulierung mit einem breiten Spektrum von Anwendungen“ ebnen, hieß es vom IFW.
Pro Jahr gehen der Industrie 226 Terawattstunden durch Abwärme verloren
Hintergrund: Deutschlandweit gehen jedes Jahr laut Schätzungen des Bundesumweltamtes allein an Industrieanlagen rund 226 Terawattstunden Energie in Form von Abwärme verloren. Hinzu kommen die Wärmeverluste von Rechenzentren, Autos und anderen Anlagen. Zumindest ein Teil davon ließe sich in Fernwärme-Netze einspeisen. Aber Abwärme, die dezentral wie eben in Fahrzeugen entsteht, lässt sich nicht so ohne weiteres sammeln und dann effizient im großen Maßstab verwerten oder umwandeln. In solchen Fällen könnten Rohr-Beschichtungen oder spezielle Geräte nach dem thermoelektrischen Prinzip wenigstens einen Teil der thermischen Energie in Strom verwandeln. Und der kann dann zum Beispiel dezentrale Sensoren speisen oder einen Auto-Akku laden.
Tellur-Flaschenhals hat breite Anwendung bisher behindert
Der thermoelektrische Effekt dahinter ist zwar altbekannt. Doch bisher wird er eher selten technisch eingesetzt, weil eben der Wirkungsgrad so niedrig ist. Zudem ist das benötigte Tellur ein rares Material. „Mit einem Vorkommen von weniger als 0,001 Teilen pro Million Teilen in der Erdkruste ist es der limitierende Faktor für die seit über einem halben Jahrhundert stagnierende Entwicklung der thermoelektrischen Technologie“, schätzen die IFW-Forscher ein.
Ran He möchte nun einen Weg Finden, das Tellur durch Magnesium zu ersetzen. Im Zuge von „Tentation“ will er die Transporteigenschaften von Wärme und Ladungsträgern im Material erforschen, innovative Syntheseverfahren der neuen thermoelektrischen Werkstoffe entwickeln und Demonstratoren bauen, die bei bei Raumtemperatur funktionieren.
Autor: hw
Quellen: IFW, Bundesumweltamt
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