Restwarmte van bijvoorbeeld je verwarming gaat meestal letterlijk in rook op. Voor een duurzame energievoorziening is het echter noodzakelijk dat deze warmte ook een rol gaat spelen. Duitse en Japanse wetenschappers hebben een mogelijkheid gevonden om restwarmte al bij lage temperaturen om te kunnen zetten in elektriciteit.
Er ontstaat bij heel veel processen restwarmte. Die wordt ook al wel gebruikt. Zo wordt de warmte die bij vuilverbrandingsovens ontstaat gebruikt voor stadsverwarming, bijvoorbeeld in het Gelderse Westervoort. Toch gaat er door ongebruikte restwarmte nog veel energie verloren.
Hoe hoger de temperatuur van deze afvalwarmte, hoe gemakkelijker en goedkoper het is om deze te gebruiken. Er is echter ook een manier om afvalwarmte bij lage temperaturen te gebruiken. Dat kan door middel van thermo-elektrische generatoren, die de warmte direct omzetten in elektriciteit. Tot nu toe is er echter een probleem. Thermo-elektrische materialen zijn duur en soms giftig. Bovendien hebben thermo-elektrische generatoren grote temperatuurverschillen nodig, waarbij een relatief klein effect wordt bereikt.
Thermomagnetisch in plaats van thermo-elektronisch
Maar er is een alternatief. Al in de 19e eeuw presenteerden onderzoekers de eerste concepten voor thermomagnetische generatoren. Intussen vormen dergelijke generatoren, die gebaseerd zijn op legeringen waarvan de magnetische eigenschappen sterk temperatuurafhankelijk zijn, een veelbelovend alternatief voor thermo-elektrische generatoren. Hier veroorzaakt de wisselende magnetisatie in een toegepaste spoel een elektrische spanning. Het addertje onder het gras is echter dat de elektrische prestaties van deze generatoren tot nu toe te wensen overlaten.
Andere IO-artikelen over het gebruik van restwarmte leest u hier.
Wetenschappers van de Technische Universiteit Karlsrue (KIT) in Duitslands en de Universiteit Tōhoku in Japan is het nu gelukt om de elektrische output van thermomagnetische generatoren aanzienlijk te verhogen. “Met de resultaten van ons werk kunnen thermomagnetische generatoren voor het eerst concurreren met gevestigde thermo-elektrische generatoren”, zegt professor Manfred Kohl van de KIT. “We zijn dus veel dichter bij het doel gekomen om afvalwarmte om te zetten in elektriciteit bij kleine temperatuurverschillen.” Het onderzoek is gepubliceerd in het energieonderzoekstijdschrift Joule.
Elektrisch vermogen nog laag
Het gaat om magnetische intermetallische verbindingen, zogenaamde Heusler-legeringen. Het zijn dunne films in thermomagnetische generatoren die een grote temperatuurafhankelijke verandering in de magnetisatie en een snelle warmteoverdracht mogelijk maken. Dat is de basis van het nieuwe concept, leggen de onderzoekers uit.
Zelfs bij kleine temperatuurverschillen vertonen de componenten resonerende oscillaties, die efficiënt kunnen worden omgezet in elektriciteit. Het elektrisch vermogen van de afzonderlijke componenten is echter laag. Schaalvergroting is vooral afhankelijk van de materiaalontwikkeling en de constructie.
In hun werk op een nikkel-mangaan-galliumlegering vonden de Duitse en Japanse onderzoekers “dat de dikte van de legeringslaag en het grondvlak van het apparaat de elektrische prestaties in tegengestelde richting beïnvloeden”. Op basis van deze bevinding konden zij het elektrisch vermogen met een factor 3,4 verhogen. Hiervoor hebben ze de dikte van de legeringslaag verhoogd van vijf tot 40 micrometer.
Kamertemperatuur
Hierdoor bereikten de thermomagnetische generatoren een maximaal elektrisch vermogen van 50 microwatt per vierkante centimeter. En dat bij een temperatuursverandering van slechts drie graden Celsius. “Deze resultaten maken de weg vrij voor de ontwikkeling van op maat gemaakte, parallel geschakelde thermomagnetische generatoren, die de mogelijkheid hebben om de afvalwarmte dicht bij de kamertemperatuur te benutten”, legt Kohl uit.
Foto: De thermomagnetische generatoren zijn gebaseerd op magnetische dunne films met sterk temperatuurafhankelijke eigenschappen. © IMT/KIT
