Energy Harvesting Thermomagnetische Generatoren oder thermoelektrische Generatoren?

Redakteur: Kristin Rinortner

Wissenschaftler des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Tōhoku in Japan sind dem Ziel, Abwärme bei geringen Temperaturdifferenzen in Strom zu wandeln, wesentlich näher gekommen: Sie haben bei thermomagnetischen Generatoren, die auf Dünnschichten einer Heusler-Legierung basieren, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 gesteigert.

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Thermomagnetische Generatoren statt thermoelektrische Generatoren: Die thermomagnetischen Generatoren basieren auf magnetischen Dünnschichten mit stark temperaturabhängigen Eigenschaften. Damit ist Energie Harvesting bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen möglich.
Thermomagnetische Generatoren statt thermoelektrische Generatoren: Die thermomagnetischen Generatoren basieren auf magnetischen Dünnschichten mit stark temperaturabhängigen Eigenschaften. Damit ist Energie Harvesting bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen möglich.
(Bild: IMT/KIT)

Viele technische Prozesse nutzen die Ausgangsenergie nur zum Teil; der Rest verlässt das System als Abwärme ungenutzt. Diese Wärme lässt sich jedoch zur Wärmebereitstellung oder Stromerzeugung verwenden. Je höher die Temperatur der Abwärme, desto einfacher und kostengünstiger ist ihre Wiederverwertung.

Eine Möglichkeit bieten sogenannte thermoelektrische Generatoren (TEG), welche die Wärme unter Nutzung des Seebeck-Effekts 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.

Thermomagnetische Generatoren: Die Alternative zu TEG

Eine vielversprechende Alternative stellen thermomagnetische Generatoren (TMG) 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 (auf Basis der Werkstoffe Cobalt, Eisen, Gandolinium) vor. Seitdem hat die Forschung mit verschiedenen Werkstoffen experimentiert. Die elektrische Leistung ließ bisher allerdings zu wünschen übrig.

Was sind Thermomagnetische Generatoren?

Thermomagnetische Generatoren (TMG) nutzen die temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung in magnetischen Werkstoffen, z.B. beim ferromagnetischen Übergang bei der Curie-Temperatur. Die Änderung der Magnetisierung induziert in einer angelegten Spule eine elektrische Spannung (Faraday’sches Induktionsprinzip). Erste Patente zu TMG stammen bereits von Tesla und Edison. Die theoretische Effizienz erreicht z.B. für Gandolinium 55% der Carnot-Effizienz, was deutlich über der Effizienz von thermoelektrischen Generatoren liegt. Experimentelle Bauelemente lagen bislang weit unter den Vorhersagen – ein seit langem bestehendes ingenieurwissenschaftliches Problem.

Wissenschaftlerinnen und 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 Professor Manfred Kohl, Leiter der Forschungsgruppe Smart Materials and Devices am IMT des KIT. Die Arbeit veröffentlichten sie in der aktuellen Ausgabe der Energieforschungszeitschrift Joule.

Vision: Abwärme nahe Raumtemperatur nutzen

Sogenannte Heusler-Legierungen – magnetische intermetallische Verbindungen – ermöglichen als Dünnschichten in thermoelektrischen Generatoren eine große temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung und eine schnelle Wärmeübertragung. Auf dieser Grundlage fußt das neuartige Konzept der resonanten Selbstaktuierung: Selbst bei geringen Temperaturunterschieden lassen sich die thermomagnetischen Generatoren zu resonanten Schwingungen anregen, die effizient in Strom gewandelt werden können.

Neuer Ansatz: Resonante Selbstaktuierung im TMG

Da die meisten Wärmequellen stationär sind, stellt sich die Frage, wie man einen schnellen Wärmeübergang erzielen kann. Dieses Problem wird hier durch das Konzept der Selbstaktuierung (selbstaktivierendes und selbstjustierendes Bauelement) gelöst. Die Heusler-Legierung wird sowohl zur elektrischen Energiewandlung als auch zur Erzeugung von Bewegung durch temperaturabhängige magnetische Anziehungskräfte genutzt (siehe Bild 1 mit dem Schema zum Funktionsprinzip).

Bild 1: Schema zum Funktionsprinzip der Selbstaktuierung Dünnschichtsystemen auf der Basis von Heusler-Legierungen.
Bild 1: Schema zum Funktionsprinzip der Selbstaktuierung Dünnschichtsystemen auf der Basis von Heusler-Legierungen.
(Bild: IMT/KIT)

Im von den Forschern entwickelten Bauelement handelt es sich um eine Schwingungsbewegung, die unter der Voraussetzung schneller Wärmeübergänge resonant in einem Dünnschicht-Ausleger erfolgt. Mit anderen Worten: In Resonanz ändert sich die Temperatur der Legierung und damit die magnetische Anziehungskraft stark genug, um die Schwingungsbewegung im Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten.

Was sind Heusler-Legierungen?

Heusler-Legierungen sind nach Dr. Friedrich Heusler benannt, der auf der Isabellenhütte diese neue Werkstoffklasse entdeckte. Heusler-Legierungen bestehen aus intermetallischen Phasen, den Heusler-Phasen. Die Legierungen weisen ferromagnetische Eigenschaften auf, obwohl die darin enthaltenen Legierungselemente nicht ferromagnetisch sind. Heusler entdeckte dieses Phänomen 1901 zuerst an Cu2MnAl.
Heusler-Legierungen sind nach dem Schema X2YZ zusammengesetzt. Dabei stehen X und Y für Übergangsmetalle, während Z ein Element der III. bis V. Hauptgruppe ist. Es bilden sich Ordnungsphasen (Übergitter aus kubisch-flächenzentrierten Teilgittern) aus. Die Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Teilgitter bewirken eine Spinpolarisation (Ausrichtung) der magnetischen Dipolmomente, was sich makroskopisch als Ferromagnetismus äußert.

50 µW/cm2 bei Temperaturdifferenz von 3°C

Doch bisher war die elektrische Leistung einzelner Bauelemente gering. Bei der Skalierung kommt es vor allem auf Werkstoff und Bauweise an. Die Wissenschaftler stellten in ihrer Arbeit anhand der Heusler-Legierung Ni2MnGa 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 sie die Dicke der Legierungsschicht von 5 auf 40 µm steigerten. Dazu wurden Magnetron-gesputterte Ni2MnGa-Schichten der Dicke 10 µm gestapelt. Diese 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.

Originalpublikation: Joel Joseph, Makoto Ohtsuka, Hiroyuki Miki, and Manfred Kohl: Upscaling of Thermomagnetic Generators Based on Heusler Alloy Films. Joule, 2020. DOI: 10.1016/j.joule.2020.10.019

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