Forschung 14. Jan 2021 Von Stefan Asche

Abwärme wird Strom

Mit neuen thermomagnetischen Generatoren wandeln Wissenschaftler auch geringe Temperaturdifferenzen in elektrische Energie.


Foto: IMT/KIT

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.

Bisher teuer und toxisch

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.

Konzept stammt aus dem 19. Jahrhundert

Eine vielversprechende Alternative stellen thermomagnetische Generatoren dar. Sie 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 Forschende die ersten Konzepte für thermomagnetische Generatoren vor. Seitdem hat die Forschung mit verschiedenen Materialien experimentiert. Die elektrische Leistung ließ bisher allerdings zu wünschen übrig.

Durchbruch voraus

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. 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 IMT des KIT.

Vision: Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur

Sogenannte 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.

Großes Potenzial

Die Forschenden am KIT und an der Universität Tōhoku 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 5 µm auf 40 µm erhöhten. Die thermomagnetischen Generatoren erreichten eine maximale elektrische Leistung von 50 µW/cm2 bei einer Temperaturänderung von nur 3 °C. „Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter parallel geschalteter thermomagnetischer Generatoren, die das Potenzial zur Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur besitzen“, erklärt Kohl.

Stellenangebote

Amcor Flexibles Singen GmbH

Projektingenieur (m/w/d)

Singen
Landesamt für Zentrale Polizeiliche Dienste NRW

Ingenieurin / Ingenieur (w/m/d) für den Bereich Hardware- und Mikroprozessorprogrammierung sowie Elektronikentwicklung

Duisburg
Arcadis

Projektingenieur / Projektleiter konstruktiver Wasserbau (w/m/d)

verschiedene Standorte
Novopress GmbH Pressen und Presswerkzeuge & Co. KG

Ingenieur Elektrotechnik als Software / Hardware Entwickler für Mikroprozessor gesteuerte handgeführte Elektrogeräte (m/w/d)

Neuss
Duale Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart

Professur im Studiengang Elektrotechnik

Stuttgart
Vermögen und Bau Baden-Württemberg

Diplom- Ingenieur (FH/DH) oder Bachelor (w/m/d) der Fachrichtung Technisches Gebäudemanagement, Facility Management, Versorgungstechnik/TGA

Stuttgart
BGZ Gesellschaft für Zwischenlagerung mbH

Ingenieur (m/w/d) Transportlogistik

Essen
Hochschule für angewandte Wissenschaften München

W2-Professur für Ergonomie in der digitalen Arbeitswelt (m/w/d)

München
Ingenieurbüro Uwe Joswig

Ingenieur / Techniker / Meister als Objektüberwacher TGA (m/w/d)

Hamburg
IBJ Ingenieurbüro Joswig

Ingenieur / Versorgungstechniker als Planer TGA (m/w/d) Schwerpunkt Elektrotechnik

Hamburg
Zur Jobbörse

Das könnte Sie auch interessieren

Empfehlungen der Redaktion

Top 10 aus der Kategorie Technik