In dieser Ausgabe führen wir ein Interview mit unserem Mitarbeiter Dipl.-Ing. Marvin Abt zum Thema thermoelektrische Generatoren. Außerdem erfahren Sie, wie die Auswahl eines ERP-Systems abläuft.
Viel Spaß beim Lesen!
Elektrische Energie ohne Kabel und Batterie
Auszug aus dem Interview mit unserem Projektingenieur Marvin Abt über das Thema Thermoelektrische Generatoren:
Marvin studierte Chemie-Ingenieurwesen an der TU Dresden und ist seit 2017 Projektingenieur am IPH.
Was ist eigentlich ein TEG?
„Ein Thermoelektrischer Generator ist ein Gerät, das dazu da ist, elektrische Energie aus Umgebungstemperaturen zu erzeugen. Das heißt, wenn irgendwo in der Umgebung natürlicherweise ein Temperaturunterschied besteht, kann man (mit vergleichsweise geringen Wirkungsgraden) einen Teil dessen in elektrische Energie umwandeln und für verschiedene Dinge nutzen, zum Beispiel für den Betrieb von energieautarken Sensorknoten. Thermoelektrische Generatoren werden oft im Kontext mit dem Begriff Energy Harvesting genannt. Energy Harvesting beschreibt genau diesen Ansatz: kleinste Mengen von Energie aus der Umgebung zu beziehen. Großer Vertreter (was vielen bekannt ist) ist die Photovoltaik, die allerdings auch große Mengen von Primärenergie in der Wirtschaft bereitstellt. Thermoelektrische Generatoren sind aufgrund ihrer geringen Wirkungsgrade nicht wirklich verbreitet im Alltag. Es gibt Nischenanwendungen in der Raumfahrttechnik, in der Energierückgewinnung bei Industrieprozessen und Verbrennungsmotoren, aber wie gesagt hauptsächlich zur Versorgung kleiner elektrischer Lasten, wie sie zum Beispiel bei Körpersensoren oder auch bei kleinen Sensorknoten im Kontext der Industrie 4.0 genutzt werden."
Und was machst du da nun genau? Untersuchst du, wie effizient die Generatoren sind oder wie man sie technisch realisieren kann?
„Es gibt verschieden Ansätze. Zum Beginn meiner Arbeit war ich in dem Projekt DruckTEG damit befasst, einen eigenen thermoelektrischen Generator zu entwickeln, und zwar in einem Siebdruckverfahren. Die Idee dahinter ist, dass ich in der Umgebung immer eine heiße Temperaturquelle und auch eine Wärmesenke brauche. Und ein Teil des Wärmestroms, der fließt, fließt über einen thermoelektrischen Generator und wird durch den sogenannten SEEBECK-Effekt in eine elektrische Spannung umgewandelt. Es gibt dafür mehrere Parameter, die für das Verständnis relativ wichtig sind: Das sind die elektrische und die thermische Leitfähigkeit und der sogenannte SEEBECK-Koeffizient. Letzterer beschreibt, welche Spannungen man bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz generieren kann. Wir haben in dem Projekt damals ein Verfahren gesucht, um diese Generatoren großskalig herstellen zu können und haben uns zunächst mit dem Siebdruck beschäftigt. Das ist ein maskenbasiertes Fertigungsverfahren, das für große Flächen, aber auch zum Beispiel beim T-Shirt-Druck angewendet wird. Da diese Verfahren oft mit vielen Einschränkungen verbunden sind, haben wir allerdings im späteren Verlauf auch andere Fertigungsverfahren in Betracht gezogen."
Das heißt, ihr habt nicht nur einen TEG von der Stange gekauft, sondern von Grund auf überlegt, aus welchen Rohstoffen man einen TEG selbst herstellen kann?
„Genau. Die Auslegung und das Design von thermoelektrischen Generatoren sind grundsätzlich komplexer als bei anderen Verfahren, wie zum Beispiel der Photovoltaik. Man muss berücksichtigen, welche Umgebungstemperatur man hat; man hat viele materialabhängige Parameter, die sich auch mit der Temperatur ändern und hinzu kommt, dass auch die Geometrie und das Design des Generators einen großen Einfluss haben, wie viel elektrische Energie man bereitstellen kann. Der Stand der Technik sieht so aus, dass heutzutage kommerziell nur sogenannte Bismuttellurid-basierte thermoelektrische Generatoren verfügbar sind (bis auf einige kleine Ausnahmen). Diese stellen bei Raumtemperatur relativ hohe Wirkungsgrade bereit (relativ bedeutet in der Thermoelektrik immer noch unterhalb von 5 %). Unser Ziel war es, mehrere Dinge miteinander zu kombinieren. Zum einen wollten wir ein großes skalierbares Fertigungsverfahren (wir wollten die nicht wie konventionelle Generatoren durch aufwändiges Pressen, Schneiden und Kontaktieren herstellen, sondern in einem Druckprozess und zum anderen wollten wir das mit Materialien verbinden, die auch hohe Temperaturbereiche geeignet sind und die gerade auch im Fokus der Forschung sind."
Was heißt hohe Temperaturbereiche?
"Gängige Bismuttellurid-basierte Generatoren haben im Bereich von 200°C ihren besten Wirkungsgrad und werden bis 300-350°C eingesetzt. Wenn man in höhere Temperaturbereiche geht, sprechen wir von 500°C und da ist man normalerweise auf andere Materialien angewiesen, da der SEEBECK-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit auch temperaturabhängig sind. [...] Für einen möglichst effizienten Thermogenerator muss man Materialien wählen, die eine hohe elektrische, aber auch gleichzeitig eine niedrige thermische Leitfähigkeit haben – beide Materialeigenschaften sind aber miteinander gekoppelt. Das heißt, normalerweise ist es so, dass wenn sich die elektrische Leitfähigkeit erhöht, erhöht sich auch gleichzeitig die thermische Leitfähigkeit. Und diese beiden Effekte möglichst gut voneinander zu entkoppeln, ist eins der Ziele in der Materialforschung für thermoelektrische Materialien."
ERP-Auswahl: Orientierung im Software-Dschungel
Welches ERP-System passt am besten? Die Frage lässt sich ebenso wenig pauschal beantworten wie die Frage, welcher Schuh am besten passt. Ein guter Berater oder eine gute Beraterin empfiehlt nicht einfach das meistverkaufte oder das teuerste Modell, sondern stellt zunächst etliche Fragen: Welche Schuhgröße soll es sein? Welches Material? Wo wird der Schuh getragen: Beim Sport, auf der Baustelle oder im Büro? Anschließend trifft der Beratende eine Vorauswahl, lässt den Kunden anprobieren und selbst entscheiden.
Bei der Software-Auswahl ist es ähnlich. Im Bereich des Enterprise Ressource Planning (ERP) gibt es unzählige Softwarelösungen, die sich für verschiedene Einsatzzwecke eignen und sich auch im Preis stark unterscheiden. Um das System zu finden, das optimal zum Unternehmen passt, ist eine gute Beratung unerlässlich – von Expert:innen, die möglichst viele Anbieter kennen, die Vor- und Nachteile überblicken und die richtigen Fragen stellen.
Das IPH unterstützte bei der ERP-Auswahl unter anderem die BÖWE-Elektrik GmbH – einen Spezialisten für Kabelkonfektionen mit 180 Mitarbeitenden an zwei Standorten. Die IPH-Ingenieur:innen verschafften sich zunächst einen Eindruck davon, wie das Unternehmen funktioniert, sprachen mit Mitarbeitenden aus allen Abteilungen, nahmen die Prozesse unter die Lupe und schauten sich die bisher genutzte Software an. Anschließend schrieben sie ein Lastenheft: Darin ist zusammengefasst, was die neue Software können muss. Die IPH-Expert:innen recherchierten mögliche Software-Anbieter, holten Angebote ein, werteten sie aus und stellten eine Bestenliste mit vier Anbietern zusammen. Diese Unternehmen kann die BÖWE-Elektrik GmbH nun einladen, um sich die jeweiligen Softwarelösungen im Detail zeigen zu lassen – und anschließend gut informiert zu entscheiden, welches ERP-System optimal passt.
ERP-Systeme sind mächtige Softwarelösungen, die alle Daten an einem Ort bündeln. Mit einem ERP-System lassen sich beispielsweise Kundendaten erfassen, Aufträge verwalten und Änderungswünsche der Kunden dokumentieren. Zu jedem Produkt lassen sich detaillierte Informationen hinterlegen, beispielsweise technische Zeichnungen oder Schritt-für-Schritt-Anleitungen, um die Arbeit in der Montage zu erleichtern. Auch beim Qualitätsmanagement kann ein ERP-System unterstützen, wenn jeder Mitarbeitende die Möglichkeit erhält, Störungen oder Produktionsfehler direkt ins System einzugeben. Das spart Zeit und hilft, Fehler zu vermeiden.
