ThermoMarE: Fortschrittliche Thermoelemente-Technologie für hybride maritime Heizsysteme unter Einbeziehung elektrischer Batterietechnik

Abstract

Im Verbundvorhaben ThermoMarE wurde die Entwicklung eines thermoelektrisch unterstützten maritimen Heizsystems untersucht, das durch die Nutzung von Abwärme elektrische Energie zur Eigenversorgung bereitstellen kann. Die Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG war innerhalb des Projekts für die Entwicklung, Auslegung und Optimierung thermoelektrischer Module auf Basis von Halb-Heusler-Materialien verantwortlich. Im Projektverlauf wurden verschiedene Integrationskonzepte für den Einsatz thermoelektrischer Generatoren in einem maritimen Heizsystem entwickelt und bewertet. Auf Grundlage thermischer Simulationen und experimenteller Untersuchungen erfolgte die Auslegung mehrerer Modulgenerationen sowie deren Fertigung und Charakterisierung. Parallel wurden Fertigungsprozesse, Löttechnologien und Qualitätssicherungsmaßnahmen weiterentwickelt, wodurch eine verbesserte Reproduzierbarkeit und höhere Bauteilqualität erzielt werden konnten. Die Untersuchungen bestätigten grundsätzlich die Eignung der entwickelten Halb-Heusler-Module für Hochtemperaturanwendungen. Im Demonstratorsystem konnte jedoch die für die geplante elektrische Leistung notwendige Temperaturdifferenz über den Modulen nicht erreicht werden. Durch umfangreiche Analysen wurde nachgewiesen, dass konstruktive und thermische Defizite im Bereich des kaltseitigen Wärmetauschers zu einer unzureichenden thermischen Anbindung und damit zu einer deutlichen Reduzierung der erzielbaren Temperaturdifferenz führten. Trotz der nicht vollständig erreichten Systemleistung konnten die Ursachen der Leistungsabweichungen eindeutig identifiziert werden. Das Vorhaben führte zu wesentlichen Erkenntnissen hinsichtlich der Modulauslegung, der thermischen Integration, der Anforderungen an Wärmetauschergeometrien sowie der Bedeutung von Anpressdruck und thermischen Kontaktwiderständen. Die gewonnenen Ergebnisse bilden eine belastbare Grundlage für die weitere Entwicklung thermoelektrischer Energierekuperationssysteme im maritimen Bereich sowie für Anwendungen zur industriellen Abwärmenutzung. Insgesamt wurden wichtige technologische Voraussetzungen für einen zukünftigen wirtschaftlichen Einsatz von Halb-Heusler-basierten thermoelektrischen Generatoren geschaffen.