15/01/2021
Door Ad Spijkers
Wetenschappers zijn dichter bij het doel gekomen om bij lage temperatuurverschillen restwarmte om te zetten in elektriciteit.
Veel technische processen gebruiken de energie die ervoor wordt opgenomen slechts gedeeltelijk; de rest verlaat het systeem als restwarmte. Deze warmte ontsnapt vaak ongebruikt in de omgeving, maar kan ook worden gebruikt om warmte te leveren of om elektriciteit op te wekken. Hoe hoger de temperatuur van de restwarmte, hoe gemakkelijker en goedkoper het is om deze te gebruiken.
Thermo-elektrische generatoren, die de warmte direct in elektriciteit omzetten, bieden één manier om lage temperatuur restwarmte te gebruiken. De thermo-elektrische materialen die tot nu toe worden gebruikt, zijn duur en soms giftig. Ze vereisen ook grote temperatuurverschillen voor rendementen van slechts enkele procenten.
Thermomagnetische generatoren
Thermomagnetische generatoren zijn een veelbelovend alternatief. Ze zijn gebaseerd op legeringen waarvan de magnetische eigenschappen sterk temperatuurafhankelijk zijn. De veranderende magnetisering wekt een elektrische spanning op in een aangelegde spoel. Onderzoekers presenteerden de eerste concepten voor thermomagnetische generatoren al in de 19e eeuw. Sindsdien is in onderzoek geëxperimenteerd met verschillende materialen. Tot nu toe hebben de elektrische prestaties echter veel te wensen overgelaten.
Wetenschappers van het Karlsruhr Institut für Technologie (KIT) en de Universiteit van Tohoku in Japan zijn er in geslaagd om de elektrische opbrengst van thermomagnetische generatoren in verhouding tot hun oppervlak aanzienlijk te verhogen. Met de resultaten kunnen thermomagnetische generatoren concurreren met thermo-elektrische generatoren. De onderzoekers zijn veel dichter bij het doel gekomen om restwarmte met kleine temperatuurverschillen om te zetten in elektriciteit
Restwarmterecuperatie
Heusler-legeringen (magnetische intermetallische verbindingen) als dunne lagen in thermomagnetische generatoren maken een grote van de temperatuur afhankelijke verandering in magnetisering en snelle warmteoverdracht mogelijk. Het nieuwe concept van resonerende zelfactivering is hierop gebaseerd. Zelfs bij kleine temperatuurverschillen kunnen de componenten worden aangeslagen om resonerende trillingen te produceren die efficiënt in elektriciteit kunnen worden omgezet. De elektrische uitgang van individuele componenten is echter laag en opschaling gaat vooral over materiaalontwikkeling en constructie.
Met behulp van een nikkel-mangaan-gallium-legering ontdekten de onderzoekers dat de dikte van de legeringslaag en het basisgebied van de component het elektrische vermogen in tegengestelde richtingen beïnvloeden. Op basis van deze kennis waren ze in staat om de elektrische opbrengst ten opzichte van het basisoppervlak met een factor 3,4 te verhogen door de dikte van de legeringslaag te vergroten van 5µm naar 40 µm.
De thermomagnetische generatoren bereikten een maximale elektrische output van 50 mW/cm2 bij een temperatuurverandering van slechts 3°C. Deze resultaten effenen de weg voor de ontwikkeling van op maat gemaakte, parallel geschakelde thermomagnetische generatoren die het potentieel hebben om restwarmte dichtbij kamertemperatuur te gebruiken.
Foto: IMT/KIT