thermoHEUSLER
Zwischen 2009 und 2014 beteiligte sich die Isabellenhütte am Verbundprojekt thermoHEUSLER. Gefördert wurde dieses Projekt vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWI).
Gemeinsam mit den Partnern Bosch, Johannes Gutenberg Universität (JGU) Mainz, Vacuumschmelze und dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik, bestand das Projektziel darin, den CO2 Ausstoß von Verbrennungsmotoren durch die Entwicklung preisgünstiger thermoelektrischer Bauelemente zu reduzieren. Das Herzstück eines thermoelektrischen Bauelements ist das thermoelektrische Material. Aufgabe der Isabellenhütte war es, eine Herstellungstechnologie für thermoelektrische Materialien auf Basis von Halb-Heusler Legierungen zu entwickeln.
Die Wissenschaftliche Fachliteratur sagte für diese Legierungstypen gute thermoelektrische Eigenschaften voraus. Diese konnten vom Partner JGU Mainz im Labormaßstab, an einigen Gramm schweren Proben, praktisch bestätigt werden. Nach einiger Entwicklungszeit gelang es der Isabellenhütte erstmals thermoelektrisches Halb-Heusler Material in einem schmelzmetallurgischen Verfahren im Kg-Maßstab herzustellen. Außerdem wurde die Homogenität und Reproduzierbarkeit der hergestellten Schmelzblöcke nachgewiesen. Die aus diesem Material hergestellten thermoelektrischen Bauelemente (Abb. 1), auch Module genannt, wiesen die größte bekannte Leistungsdichte für Bauteile Ihrer Art nach [1].
[1] Bartholomé, Kilian, et al. "Thermoelectric Modules Based on Half-Heusler Materials Produced in Large Quantities." Journal of Electronic Materials 43.6 (2014): 1775-1781.
thermoHEUSLER²
Seit 2015 beteiligt sich die Isabellenhütte am Verbundprojekt thermoHEUSLER². Dabei handelt es sich um das nachfolge Projekt von thermoHEUSLER und wird wie dieses vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWI) gefördert.
Gemeinsam mit den Partnern Audi, Faurecia Clean Mobility, Siemens, Universität Stuttgart, Vacuumschmelze und dem Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik (IPM), hat dieses Projekt das Ziel durch den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren im Abgasstrang 5% Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse PKW einzusparen. Dabei soll an die guten Ergebnisse aus thermoHEUSLER angeknüpft werden.
Aufgabe der Isabellenhütte ist die Weiterentwicklung der Herstellungstechnologie für Halb-Heusler Materialien hin zu einem serientauglichen Verfahren. Außerdem beginnt die Isabellenhütte gemeinsam mit dem Fraunhofer IPM mit einem Redesign der thermoelektrischen Module. Ziel ist eine wirtschaftliche und automatisierte Herstellung solcher Bauelemente. Zum Ende des Projektes wird eine automatisierte Prototypen Fertigung für thermoelektrische Module in Dillenburg aufgebaut werden.
Im Projekt hergestellte thermoelektrische Module werden vom Partner Faurecia Clean Mobility in einen sogenannten thermoelektrischen Generator verbaut (Abb. 1). Dieses Gerät wird in den Abgasstrang eines PKW integriert (Abb. 2). Es entnimmt dem Abgas Wärmeenergie und wandelt mithilfe der thermoelektrischen Module einen Teil dieser Wärme in elektrische Energie um. Anschließend wird der Partner Audi die Performance des Generators in einem Versuchsfahrzeug unter realen Bedingungen untersuchen.
[2] MTZ, 04.2016, S. 38ff
INTEGRAL
Am 01.12.2016 startet das von der Europäischen Union geförderte Forschungsprojekt INTEGRAL. In diesem Projekt arbeitet ein Konsortium aus 13 Firmen und Instituten aus ganz Europa an der Industrialisierung neuer thermoelektrischer Werkstoffe. Die Aufgabe der Isabellenhütte besteht darin, die industrielle Herstellbarkeit von Halb-Heusler Werkstoffen nachzuweisen. Zu diesem Zweck wird eine Pilotproduktion für Halb-Heusler Materialien am Standort Dillenburg aufgebaut.
Halb-Heusler Werkstoffe konnten im Labor und in ersten Prototypen ihre Funktion unter Beweis stellen. Die Herstellung erfolgt bisher jedoch unter Laborbedingungen (siehe thermoHEUSLER & thermoHEUSLER²). Um qualitativ hochwertige Bauelemente für weitere Prototypen und Kleinserien herstellen zu können und das Interesse möglicher Kunden zu wecken, wird es nötig erste Pilotproduktionen aufzubauen.
Dieses Vorhaben wird von der Europäischen Union durch ein gefördertes Projekt unterstützt. Dabei sind, angefangen von Forschungsinstituten wie dem Fraunhofer Institut für Keramische Werkstoffe, über Materialhersteller wie die Isabellenhütte, bis hin zu möglichen Kunden wie dem französischen Automobilzulieferer Valeo, alle Abschnitte einer möglichen Wertschöpfungskette vertreten. Die Isabellenhütte wird eine Pilotproduktion für Bauelemente aus Halb-Heusler Material aufbauen.
Diese umfasst neben einem neuen Schmelzofen auch nachgelagerte Fertigungsschritte wie Sägen oder Schleifen. Mit dem Bau der Pilotlinie wird im Sommers 2017 begonnen. Bis zum Ende des Projektes 2019 wollen wir zeigen, dass es möglich ist, mehrere dutzend Kilogramm Material mit hoher Qualität und Ausbringung herzustellen. Das von der Isabellenhütte hergestellte Material soll in einem Prototypen getestet werden. Zu diesem Zweck arbeitet die Isabellenhütte mit dem schwedischen Hersteller für LKW Komponenten TITANX gemeinsam an einem Generator zur Abwärme Rückgewinnung für LKWs.
