Lösungsansatz

Thermoelektrische Systeme

Bisher werden thermoelektrische Systeme vorrangig in Nischenmärkten eingesetzt, wobei schon heute in einigen Bereichen große Stückzahlen erreicht werden, z.B. in Anwendungen für die lokale Kühlung mit Peltier-Elementen, u.a. zur Fahrzeugsitzkühlung.

Aktuell stehen im Wesentlichen Werkstoffe auf der Basis von (Bi,Sb)2(Te,Se)3 kommerziell zur Verfügung. Ein nachhaltiger Umgang mit den seltenen Metallen ist unabdingbar. Vor allem Bismut und Antimon, aber auch Kobalt, Niob und Hafnium sind auch von der EU als kritisch eingestuft. In den kommenden Jahren könnten auch die Materialsysteme der Skutterudite (CoSb3) sowie der Halb-Heusler-Legierungen (TiNiSn, TiCoSb) in größerem Maßstab verfügbar sein und verstärkt in thermoelektrischen Systemen Anwendung finden.

Mit wachsenden Märkten und unwägbaren Verfügbarkeiten der Primärrohstoffe Bismut, Tellur, Antimon und Kobalt steigt der Preisdruck. Des Weiteren steht die Thermoelektrik in direkter Rohstoffkonkurrenz mit anderen Wachstumsmärkten, zum Beispiel der Dünnschichtphotovoltaik auf der Basis von CdTe und Cu(In,Ga,)(S,Se)2 (CIS- & CIGS-Solarzellen).

Eine weitere Herausforderung stellt die regional begrenzte Verfügbarkeit besonders von Antimon und Bismut dar. Geeignete Recyclingverfahren für thermoelektrische Materialien bzw. Module gewinnen daher immer mehr an Bedeutung. Bisher gibt es weder koordinierte Ansätze für die Rückgewinnung der Elemente aus pre-consumer (Produktionsabfall und Ausschuss beim Herstellungsprozess) noch aus post-consumer (End-of-Life Produkte) Materialien. Die Gewinnung von Metallen mittels Recyclings (Sekundärmaterialien) ist außerdem energieeffizienter als die Primärförderung und führt zu einer geringeren CO₂-Emission.

Im Rahmen von RecycleTEAM sollen jedoch nicht nur die Metalle der thermoelektrischen Werkstoffe recycelt, sondern thermoelektrische Systeme ganzheitlich betrachtet werden. Auch das Recycling der keramischen Komponenten und der weiteren enthaltenen Metalle wie Nickel bzw. Kupfer wird untersucht.

Magnetokalorische Systeme

Der magnetokalorische Effekt beschreibt, dass sich magnetische Materialien erwärmen, wenn sie in ein magnetisches Feld bewegt werden und dass sie abkühlen, wenn sie daraus entfernt werden (Weiss und Piccard 1917). Bei einer magnetokalorischen Wärmepumpe handelt es sich um eine Kühlapparatur basierend auf magnetokalorischen Materialien. Sie gilt als effiziente Alternative zur herkömmlichen, kompressorbasierten Kühltechnologie.

Die wesentlichen Herausforderungen für den Markteintritt magnetokalorischer Klimasysteme sind einerseits effiziente und kostengünstige Magnetokalorik-Materialien, andererseits ist es die Systementwicklung als solche. Seit kurzem sind Magnetokalorik-Materialien verfügbar, die aus vergleichsweise häufig vorhandenen und nicht toxischen Rohstoffen bestehen.

Auch der eingesetzte Magnet stellt eine weitere wertvolle Komponente im Kühlsystem dar. Dieser ist wegen der hohen benötigten Leistungsdichte typischerweise ein Nd-Fe-B Permanentmagnet. Das Recycling dieses Materials ist seit Jahren Forschungsgegenstand Fraunhofer IWKS und der TU Darmstadt. Erste Recyclingszenarien wurden bereits erarbeitet, optimale Strategien erfordern modulspezifische Konzeptionen.