Abwärme, zum Beispiel von Heizungsanlagen, verpufft in der Regel. Sie heizt Kellerräume und ihre Umgebung in der Industrie unnötig auf, ohne einen Nutzen zu haben. Zu einer nachhaltigen Energieversorgung gehört aber, dass diese Abwärme in die Energieversorgung mit einbezogen wird. Deutsche und japanische Wissenschaftler sind dem Ziel, Abwärme bei geringen Temperaturdifferenzen in Strom umzuwandeln, nun einen großen Schritt nähergekommen.
Bei vielen technischen Prozessen wird die eingesetzte Energie nur zum Teil genutzt. Ein unterschiedlich großer Rest verlässt das System als Abwärme, die sich wiederum selbst zur Wärmebereitstellung oder zur Stromerzeugung verwenden ließe, wenn sie nicht ungenutzt verpuffen würde. Dabei gilt, dass es desto einfacher und kostengünstiger wäre, diese Abwärme zu verwerten, je höher ihre Temperatur ist. Es gibt aber auch eine Möglichkeit, niedrig temperierte Abwärme zu nutzen. Durch thermoelektrische Generatoren, welche die Wärme direkt in Strom wandeln. Bisher besteht hier jedoch ein Problem: thermoelektrische Materialien sind teuer und teilweise toxisch. Darüber hinaus erfordern thermoelektrische Generatoren große Temperaturdifferenzen um relativ geringe Wirkung zu erzielen.
Thermomagnetisch anstatt thermoelektronisch
Es gibt aber eine Alterative. Bereits im 19. Jahrhundert stellten Forschende die ersten Konzepte für thermomagnetische Generatoren vor. Mittlerweile stellen solche Generatoren, die auf Legierungen basieren, deren magnetische Eigenschaften stark temperaturabhängig sind, eine vielversprechende Alternative zu den thermoelektrischen Generatoren dar. Hier induziert die wechselnde Magnetisierung in einer angelegten Spule eine elektrische Spannung. Der Haken dabei ist, dass die elektrische Leistung dieser Generatoren bisher allerdings zu wünschen übrig ließ.
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Wissenschaftlern am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT sowie an der Universität Tōhoku in Japan ist es nun gelungen, die elektrische Leistung von thermomagnetischen Generatoren im Verhältnis zur Grundfläche erheblich zu steigern. „Mit den Ergebnissen unserer Arbeit können thermomagnetische Generatoren erstmals mit etablierten thermoelektrischen Generatoren konkurrieren“, sagt Professor Manfred Kohl, Leiter der Forschungsgruppe Smart Materials and Devices am IMT des KIT. „Wir sind damit dem Ziel, Abwärme bei kleinen Temperaturunterschieden in Strom zu wandeln, wesentlich nähergekommen.“ Die Arbeit des Teams ist Titelthema in der aktuellen Ausgabe der Energieforschungszeitschrift Joule.
Vision: Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur
Magnetische intermetallische Verbindungen, sogenannte Heusler-Legierungen, ermöglichen als Dünnschichten in thermomagnetischen Generatoren eine große temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung und eine schnelle Wärmeübertragung. Auf dieser Grundlage basiere das neuartige Konzept der resonanten Selbstaktuierung, erkläre die Forscher. Selbst bei geringen Temperaturunterschieden ließen sich die Bauelemente zu resonanten Schwingungen anregen, die effizient in Strom gewandelt werden könnten.
Die elektrische Leistung einzelner Bauelemente sei jedoch gering, und bei der Hochskalierung käme es vor allem auf Materialentwicklung und Bauweise an. Die deutschen und japanischn Forscher stellten in ihrer Arbeit anhand einer Nickel-Mangan-Gallium-Legierung fest, „dass die Dicke der Legierungsschicht und die Grundfläche des Bauelements die elektrische Leistung in entgegengesetzter Richtung beeinflussen“. Aufgrund dieser Erkenntnis konnten sie die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 steigern. Dazu erhöhten sie die Dicke der Legierungsschicht von fünf auf 40 Mikrometer.
Daraufhin erreichten die thermomagnetischen Generatoren eine maximale elektrische Leistung von 50 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Bei einer Temperaturänderung von nur drei Grad Celsius. „Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter parallel geschalteter thermomagnetischer Generatoren, die das Potenzial zur Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur besitzen“, erklärt Kohl.
Titelbild: Die thermomagnetischen Generatoren basieren auf magnetischen Dünnschichten mit stark temperaturabhängigen Eigenschaften. © IMT/KIT
