Mehr Strom aus Abwärme

Viele technische Prozesse nutzen die für sie eingesetzte Energie nur zum Teil; der Rest verlässt das System als Abwärme. Häufig entweicht diese Wärme ungenutzt in die Umgebung. Sie lässt sich jedoch auch zur Wärme­bereitstellung oder zur Strom­erzeugung verwenden. Je höher die Temperatur der Abwärme, desto einfacher und kosten­günstiger ihre Verwertung. Eine Möglichkeit, niedrig temperierte Abwärme zu nutzen, bieten thermo­elektrische Generatoren, welche die Wärme direkt in Strom wandeln. Bisher verwendete thermoelektrische Materialien sind allerdings teuer und teilweise toxisch. Thermo­elektrische Generatoren erfordern zudem große Temperatur­differenzen für Wirkungsgrade von nur wenigen Prozent. Eine vielver­sprechende Alternative stellen thermo­magnetische Generatoren dar.

Diese Minikraft­werke basieren auf Legierungen, deren magnetische Eigenschaften stark temperatur­abhängig sind. Die wechselnde Magne­tisierung induziert in einer angelegten Spule eine elektrische Spannung. Bereits im 19. Jahrhundert stellten Forscher die ersten Konzepte für thermo­magnetische Generatoren vor. Seitdem hat die Forschung mit verschiedenen Materialien experi­mentiert. Die elektrische Leistung ließ bisher allerdings zu wünschen übrig. Wissenschaftlern am Institut für Mikrostruktur­technik (IMT) des Karlsruher Institut für Techno­logie sowie von 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. Wir sind damit dem Ziel, Abwärme bei kleinen Temperatur­unterschieden in Strom zu wandeln, wesentlich näher gekommen“, sagt Manfred Kohl, Leiter der Forschungs­gruppe Smart Materials and Devices am KIT. 

Heusler-Legierungen – magnetische inter­metallische Verbindungen – ermöglichen als Dünnschichten in thermo­magnetischen Generatoren eine große temperatur­abhängige Änderung der Magnetisierung und eine schnelle Wärme­übertragung. Auf dieser Grundlage basiert das neuartige Konzept der resonanten Selbst­aktuierung. Selbst bei geringen Temperatur­unterschieden lassen sich die Bauelemente zu resonanten Schwingungen anregen, die effizient in Strom gewandelt werden können. Doch die elektrische Leistung einzelner Bauelemente ist gering, und bei der Hoch­skalierung kommt es vor allem auf Material­entwicklung und Bauweise an.

Die 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 gelang es ihnen, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 zu steigern, indem sie die Dicke der Legierungs­schicht von fünf auf vierzig Mikrometer erhöhten. Die thermo­magnetischen Generatoren erreichten eine maximale elektrische Leistung von fünfzig 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.

KIT / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Joseph et al.: Upscaling of Thermomagnetic Generators Based on Heusler Alloy Films, Joule 4, 2718 (2020); DOI: 10.1016/j.joule.2020.10.019
• Smart Materials and Devices (M. Kohl), Institut für Mikrostrukturtechnik, Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Karlsruhe