Stromerzeugung mittels Speziallegierungen

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper und Werkstoffforschung Dresden (IFW) haben einen neuen magnetischen Generator entwickelt, um Abwärme in Strom umzuwandeln. Die neu gewonnenen Erkenntnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Energy“ (12/2018) veröffentlicht. Thermomagnetische Generatoren sich könnten sich so zu einer anwendungstauglichen Technologie etablieren.Ein wichtiger Schritt in Richtung Rückgewinnung elektrischer Energie in Prozessen, bei denen Abwärme freikommt.
 
Abwärme entsteht bei einer Reihe von industriellen Prozessen. Das bisherige Problem ist jedoch, dass diese nicht heiß genug ist, um in der weiteren Kreislaufwirtschaft sinnvoll angewendet zu werden. In der Regel wird sie täglich ungenutzt in die Umwelt geleitet, beispielsweise bei großen IT-Servern oder als Austritt von Kraftwerks-Kühltürmen. Anwendungsreife Technologien, um diese Niedertemperatur-Abwärme in Elektrizität umzuwandeln, fehlten bisher.
Große Hoffnungen, diese Wärme nutzen zu können, werden auf sogenannte thermoelektrische Materialien gesetzt. Diese Materialien sollen dafür sorgen, dass elektrische Spannung direkt aus der Wärmedifferenz des Materials erzeugt werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von thermomagnetischen Generatoren. Das Prinzip, das hinter dieser Technik steht, ist einfach wie genial: Es werden die magnetischen Eigenschaften bestimmter Legierungen verwendet, die außerordentlich stark von der Temperatur abhängen. Ein solches Material ist zum Beispiel eine Legierung aus den Elementen Lanthan, Eisen, Kobalt und Silizium. Diese spezielle Legierung wurde bisher für magnetische Kühlanwendungen eingesetzt. Unterhalb einer Temperatur von ca. 27 °C ist das Material magnetisch; übersteigt man diesen Wert, verliert das Material seine magnetischen Eigenschaften. Wird dann das Material in der Praxis abwechselnd mit warmem und kaltem Wasser in Berührung gebracht, ändert sich fortwährend die Magnetisierung des Materials. Die so entstehende Spannung kann in die angelegte Spule induziert werden und kann so für einen Verbraucher genutzt werden.

Patent von 1889
Das Grundprinzip des thermomagnetischen Generators wurde schon vor mehr als hundert Jahren entwickelt. Bereits 1889 ließ Nikolai Tesla sich die Urform des Generators patentieren. Obwohl die Ausbeute der aktuellen Technologie bisher noch deutlich geringer als die von thermoelektrischen Generatoren ist, zeigen theoretische Berechnungen, dass wesentlich bessere Ergebnisse erreichbar sein sollten.



Legierungen als Schlüssel

Mittels einer speziellen Anordnung der einzelnen Komponenten und Legierungen ist es Wissenschaftlern des IFW Dresden in Kooperation mit der TU Dresden und der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) in Berlin nun gelungen, die Leistung von thermomagnetischen Generatoren zu verbessern. Hierzu verwendeten sie einen magnetischen Kreislauf, der aus zwei magnetischen Quellen und zwei Elementen der thermomagnetischen Legierung besteht.
Die einzelnen Komponenten sind mit einem magnetisch leitenden Material verbunden, das an zwei Stellen mit einer Spule umwickelt ist. Ein kalt-warmes Wechselbad der thermomagnetischen Elemente führt dazu, dass die Wissenschaftler den Magnetfluss abwechselnd leiten oder unterbrechen konnten. Die wechselnde Umpolung des Magnetflusses in den Kreisläufen führt dazu, dass in die Spulen eine elektrische Spannung induziert wird.

Weitere Möglichkeiten

Mit einer Spannung von 0,2 V und einer Leistung von 1,24 mW ist der neue thermomagnetische Generator nicht nur besser als seine Vorgänger, sondern entwickelt sich damit auch zu einer möglichen Alternative zu thermoelektrischen Generatoren. Die Autoren sind überzeugt, dass es noch viele Möglichkeiten gibt, diese Kennzahlen weiter zu optimieren. Man sei sehr zuversichtlich, dass die enorme Verbesserung des thermomagnetischen Generators dieser Technologie zum endgültigen Durchbruch verhelfen könne, so die Wissenschaftler.
 

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