Thermomagnetischer Generator 10.01.2019, 07:00 Uhr

Magnetisches Wechselbad macht Abwärme zu Strom

Alltag und Industrie produzieren tagtäglich Niedertemperatur-Abwärme. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper und Werkstoffforschung haben einen magnetischen Generator entwickelt, der Abwärme in Strom verwandelt. Die Ausbeute ist um Größenordnungen besser als bisher.

Hochspannungsleitung vor Kühltürmen

Der neu entwickelte thermomagnetische Generator ist eine anwendungstaugliche Technologie, die zum Beispiel Abwärme am Austritt von Kühltürmen in elektrischen Strom zurückverwandeln könnte.

Foto: panthermedia.net/martin33

Viele Alltags- und Industrieprozesse produzieren Abwärme, die nicht heiß genug ist, um die in ihnen steckende Energie sinnvoll zurückzugewinnen. Die Abwärme von großen IT-Servern oder Kraftwerks-Kühltürmen landet letztendlich ungenutzt in der Umwelt. Denn aktuell gibt es kaum anwendungsreife Technologien, die niedrig temperierte Abwärme (kosten-)effizient in elektrischen Strom verwandeln. Ein Hoffnungsträger sind sogenannte thermoelektrische Materialien, die die elektrische Spannung direkt aus der Wärmedifferenz des Materials erzeugen.

Thermoelektrische Materialien: Effizient, aber teuer und teilweise toxisch

Sie werden in Form eines thermoelektrischen Generators (TEG) eingesetzt und wandeln ungenutzte Wärme in elektrischen Strom um. Das verbessert die Effizienz und die Energiebilanz eines Prozesses. TEG arbeiten vibrationslos und emissions- sowie wartungsfrei. Denn im Gegensatz zu beispielsweise Turbinen verwandeln sie die Wärmeenergie direkt in elektrische Energie – ohne bewegte Teile. Der große Nachteil: Bisher verwendete, thermoelektrische Materialien sind teuer und teilweise giftig. Daher forciert die Forschung zu thermoelektrischen Materialien etwa die Entwicklung keramischer, nicht toxischer, preiswerter Materialien.

Thermomagnetische Generatoren als Alternative

Eine zweite Möglichkeit der Energierückgewinnung ist der Einsatz thermomagnetischer Generatoren. Sie nutzen die Tatsache aus, dass die magnetischen Eigenschaften bestimmter Legierungen stark temperaturabhängig sind. Ein derartiges Material ist beispielsweise die Legierung aus den Elementen Eisen, Kobalt, Lanthan und Silizium. Bis dato wurde es für magnetische Kühlanwendungen eingesetzt. Es ist bei Temperaturen über 27 Grad Celsius unmagnetisch, darunter ist es magnetisch.

Bringt man es abwechselnd mit warmem und kaltem Wasser in Berührung, wechselt die Magnetisierung des Materials. Das induziert in der angelegten Spule eine Spannung, die für Produktion und Prozesse genutzt werden kann. Das Prinzip thermomagnetischer Generatoren ist schon mehr als hundert Jahre alt. Bisher war die Ausbeute der Energierückgewinnung aber viel niedriger als die von thermoelektrischen Generatoren. Theoretische Berechnungen hatten jedoch gezeigt, dass in puncto Ausbeute viel mehr drin sein sollte.

Komponenten neu angeordnet

Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden (IFW) ist es nun gelungen, die Leistung von thermomagnetischen Generatoren um Größenordnungen zu verbessern. In Kooperation mit der TU Dresden und der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) in Berlin ordneten sie dazu die einzelnen Komponenten neu an und erhöhten so die Ausbeute deutlich.

Die „Zutaten“ für den neuen thermomagnetischen Generator sind 2 magnetische Quellen und 2 Elemente der thermomagnetischen Legierung. Alle Komponenten sind mit magnetisch leitendem Material verbunden, das an 2 Stellen mit einer Spule umwickelt ist. Ein kalt-warmes Wechselbad führt dazu, dass die thermomagnetischen Elemente den Magnetfluss abwechselnd leiten oder unterbrechen. Hierdurch polt sich der Magnetfluss in den Kreisläufen ständig um, was in den Spulen eine elektrische Spannung induziert.

Thermomagnetischer Generator ist anwendungstauglich

Der thermomagnetische Generator erreicht eine Spannung von 0,2 Volt und eine Leistung von 1,24 Milli-Watt. Damit ist er um Größenordnungen besser als seine Vorgänger, wodurch er sich aus Sicht der IFW-Wissenschaftler als mögliche Alternative zu thermoelektrischen Generatoren anbietet. Der thermomagnetische Generator empfehle sich deswegen als anwendungstaugliche Technologie für die Rückgewinnung von Strom aus Abwärme, so die Forscher. Sie gehen davon aus, dass sich die Kennzahlen des thermomagnetischen Generators weiter verbessern lassen.

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