Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden (IFW) haben einen neuen magnetischen Generator entwickelt, um Abwärme in Strom umzuwandeln. Durch eine clevere Anordnung der Komponenten ist es gelungen, die elektrische Ausbeute um Größen-ordnungen zu verbessern. Damit qualifizieren sich thermomagnetische Generatoren zur anwendungstauglichen Technologie für die Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Abwärme.
Bei vielen Prozessen im Alltag und in der Industrie entsteht Abwärme, die nicht heiß genug ist, um sie sinnvoll zu verwenden. In der Regel wird sie ungenutzt in die Umwelt geleitet, so zum Beispiel auch bei großen IT-Servern oder am Austritt von Kraftwerks-Kühltürmen. Bisher gibt es kaum anwendungsreife Technologien, um diese Niedertemperatur-Abwärme in Elektrizität umzuwandeln. Große Hoffnungen werden auf sogenannte thermoelektrische Materialien gesetzt, bei denen eine elektrische Spannung direkt aus der Wärmedifferenz des Materials erzeugt werden kann.
Strom aus Temperaturwechseln
Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung thermomagnetischer Generatoren. Diese machen sich zu Nutze, dass die magnetischen Eigenschaften bestimmter Legierungen sehr stark von der Temperatur abhängen. Ein solches Material ist zum Beispiel die Legierung aus den Elementen Lanthan, Eisen, Kobalt und Silizium, die bisher für magnetische Kühlanwendungen eingesetzt wurde. Unterhalb von ca. 27 Grad Celsius ist das Material magnetisch, während es bei höheren Temperaturen unmagnetisch ist.
Wird das Material abwechselnd mit warmen und kalten Wasser in Berührung gebracht, ändert sich fortwährend die Magnetisierung des Materials. Das wiederum bewirkt, dass in der angelegten Spule eine Spannung induziert wird, die für einen Verbraucher genutzt werden kann. Dieses Prinzip thermomagnetischer Generatoren wurde bereits vor mehr als hundert Jahren entwickelt. Allerdings ist die Ausbeute bisher deutlich geringer als die von thermoelektrischen Generatoren, obwohl theoretische Berechnungen zeigen, dass viel bessere Kennzahlen erreichbar sein sollten.
Leistung um eine Größenordnung verbessert
Durch eine clevere Anordnung der einzelnen Komponenten ist es Wissenschaftlern des IFW Dresden in Kooperation mit der TU Dresden und der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) in Berlin gelungen, die Leistung von thermomagnetischen Generatoren um Größenordnungen zu verbessern. Hierzu verwendeten sie einen magnetischen Kreislauf aus zwei magnetischen Quellen und zwei Elementen der thermomagnetischen Legierung.
Die einzelnen Komponenten sind mit magnetisch leitendem Material verbunden, das an zwei Stellen mit einer Spule umwickelt ist. Ein kalt-warmes Wechselbad der thermomagnetischen Elemente führt nun dazu, dass sie den Magnetfluss abwechselnd leiten oder unterbrechen. Dies hat eine ständige Umpolung des Magnetflusses in den Kreisläufen zur Folge, wodurch in den Spulen eine elektrische Spannung induziert wird.
Mit einer Spannung von 0,2 Volt und einer Leistung von 1,24 Milli-Watt ist der neue thermomagnetische Generator nicht nur um Größenordnungen besser als seine Vorgänger, sondern entwickelt sich damit auch zu einer möglichen Alternative zu thermoelektrischen Generatoren. Hinzu kommt, dass die Autoren noch viele Möglichkeiten sehen, diese Kennzahlen weiter zu optimieren. Sie sind sehr zuversichtlich, dass die enorme Verbesserung des thermomagnetischen Generators dieser Technologie zum Durchbruch verhilft. (Nature Energy, 2018; doi:10.1038/s41560-018-0306-x)
Quelle: Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden
