Industriebetriebe oder Kraftwerke produzieren Abwärme in grossen Mengen. Abwärme unter 80 °C wird heute in der Regel zur Bereitstellung von Warmwasser oder Heizenergie genutzt, Niedertemperaturwärme könnte künftig aber auch zur Stromerzeugung herangezogen werden.
Wie das in der Praxis gelingt, zeigen Ingenieure der Aargauer Swiss Blue Energy AG mit dem Funktionsmuster eines Thermo-Magnetischen Motors. Bis zur industriellen Reife des neuartigen Kleinkraftwerks ist allerdings noch ein weiter Weg.
Wer Strom erzeugen will, dem stehen verschiedene Wege offen. Ein breit genutztes Verfahren besteht darin, durch die Verbrennung fossiler oder nicht-fossiler Energieträger, durch Kernspaltung oder aus Tiefengeothermie heissen Dampf zu gewinnen, der eine Turbine und einen damit gekoppelten Stromgenerator antreibt. Steht hingegen nur Abwärme mit einer Temperatur von 80, 60 oder 40 °C zur Verfügung, ist die direkte Verstromung über eine Dampfturbine nicht möglich. Aus diesem Grund wird Abwärme heute in aller Regel thermisch genutzt, also für die Bereitstellung von Warmwasser und Heizzwecke, nicht aber für die Erzeugung von elektrischem Strom.
Tatsächlich geht es auch anderes. Abwärme – konkret Wasser im Temperaturbereich von 20 bis 80 °C – lässt sich verstromen, sofern gleichzeitig ein kontinuierlicher Kaltwasserstrom zur Verfügung steht. Wegen der relativ tiefen Temperatur der Abwärme ist zwar mit einem geringeren Stromertrag zu rechnen als bei Dampfturbinen. Angesichts des grossen Stromhungers unserer Gesellschaft könnte aber auch diese Energieumwandlung von Interesse sein. Die Stromgewinnung aus Niedertemperaturwärme ist möglich dank Nutzung des magnetokalorischen Effekts. Gemeint ist damit die physikalische Eigenschaft ausgewählter Materialien, ihren Magnetismus bei einer bestimmten Temperatur («Curie-Temperatur») mehr oder weniger sprunghaft zu ändern. Diese Materialien sind also je nach Temperatur magnetisch oder nicht- magnetisch. Wenn man es richtig anstellt, kann man aus solchen magnetisch «umschaltbaren» Stoffen einen Motor bauen, der einen Generator antreibt und Strom erzeugt. Fachleute sprechen von einem Thermo-Magnetischen Motor, kurz TMM.
Nutzung des magnetokalorischen Effekts
Ein kommerziell einsetzbarer TMM ist das Fernziel von drei Ingenieuren, die in Bad Zurzach (AG) an einem Entwicklungsprojekt unter dem Dach der Swiss Blue Energy AG arbeiten. «Wir haben einen weltweit einzigartigen Thermo-Magnetischen Motor gebaut, den vermutlich leistungsstärksten, den es je gab», freut sich Daniel Wymann, Technischer Leiter bei Swiss Blue Energy. Die Ingenieure bauten in Windisch (AG) mit Unterstützung der Fachhochschule Nordwestschweiz ein TMM-Funktionsmuster mit einer Leistung von 500 Watt. Sie nutzen für das Kleinkraftwerk 60-grädiges Wasser aus einer Heizzentrale (20 m3/h) und einen kühlen Wasserstrom mit 13 °C (40 m³/h).
Als magnetokalorisches Material kommt die Seltene Erde Gadolinium zum Einsatz. Dieses ist unterhalb der sogenannten Curie-Temperatur magnetisch, verliert aber bei einer Erwärmung über diese Temperatur die magnetische Eigenschaft. Die Curie-Temperatur von Gadolinium beträgt 19.3 °C. Die Entwickler von Swiss Blue Energy haben das Gadolinium in ihrem TMM-Funktionsmuster auf einem Rotor aufgebracht. In Phase 1 wird das Gadolinium von einem Kaltwasserstrom gekühlt und ist daher magnetisch, es wird in der Folge vom Permanentmagneten angezogen und bewegt sich nach rechts (Phase 2). Während das Gadolinium den Permanentmagneten passiert, wird es von Warmwasser erwärmt und dadurch nicht-magnetisch (Phase 3). Hat das Gadolinium den Permanentmagneten verlassen, wird es wieder durch Kaltwasser gekühlt (Phase 4), womit es erneut magnetisch wird und zum nächsten Permanentmagneten strebt. Aus dem ständigen Wechsel zwischen Abkühlung und Erwärmung entsteht eine kontinuierliche Drehbewegung. Die mechanische Energie kann über einen Generator in Strom verwandelt werden.
Ein halbes Kilowatt Leistung
Der TMM in Windisch ist ein Funktionsmuster. Die Konstruktion zeigt, dass die technische Idee grundsätzlich funktioniert. Das bedeutet im vorliegenden Fall, dass aus der Niedertemperatur-Abwärme tatsächlich Strom
produziert werden kann, und zwar mehr Strom, als die Pumpen des TMM verbrauchen. Die mechanische Bruttoleistung liegt bei 701 Watt, abzüglich der Pumpleistung (64 Watt) verbleiben 637 Watt. Daraus gewinnt der Generator eine elektrische Leistung von 531 Watt, was 0,1 Prozent der im Warmwasserstrom enthaltenen thermischen Energie entspricht. Diese Leistung reicht dazu aus, einen E-Scooter anzutreiben. Von einer rentablen Anwendung ist die Neuentwicklung allerdings noch weit entfernt.
Das Funktionsmuster ist das Ergebnis eines zweijährigen, vom BFE unterstützen Forschungsprojekts, das Mitte 2022 abgeschlossen wurde. Die Vorarbeiten reichen Jahre zurück. Der technisch interessierte Augenarzt Dr. Nikolaus Vida arbeitet seit 2005 an der Idee. Seither hat er mit Unterstützung verschiedener Ingenieure drei Konstruktionen gebaut und 2012 für deren Weiterentwicklung die Swiss Blue Energy AG gegründet. Wissenschaftliche Unterstützung leisteten über die Jahre Forschende des Instituts für Thermo- und Fluid-Engineering der FHNW.
Konstruktive Neuerung
Die jüngste Version des TMM ist zugleich die erste, die unter dem Strich Strom produziert, die also mehr Energie erzeugt als zum Betrieb der Pumpen nötig ist. Dieser Fortschritt ist hauptsächlich das Ergebnis einer konstruktiven Neuerung: Der warme und kalte Wasserstrom werden neu in einem geschlossenen System getrennt geführt, und die Strömungsrichtung wurde von horizontal auf vertikal umgestellt. Die Druckverluste und damit die für den Betrieb des TMM erforderliche Pumpleistung konnten so gegenüber dem TMM-Vorgängermodell um einen Faktor 30 reduziert werden. Indem die beiden Wasserströme weitgehend getrennt geführt werden, vermischen sie sich nur minimal. Dies könnte nach Auskunft der beteiligten Ingenieure die Möglichkeit eröffnen, einen künftigen TMM mehrstufig zu bauen, wobei in jeder Stufe ein klar definiertes Temperatur-Gefälle ausgenutzt und verstromt würde. Die Separierung der Fluidströme «zeigt Kaskadierungs-Potenzial auf für zukünftige Effizienzsteigerungen und die nötige Leistungsskalierung», schreiben die Konstrukteure im Projekt-Schlussbericht.
Die Wissenschaftler der FHNW haben das Entwicklungsprojekt von Swiss Blue Energy in mehrfacher Hinsicht unterstützt. Sie halfen bei der Auslegung der Komponenten mittels numerischer Simulationen, und sie steuerten exakte Messungen der Materialerwärmung/-kühlung beziehungsweise Rotordurchströmung bei. Die Fachhochschule führte zudem Detailuntersuchungen durch, um die physikalischen Prozesse innerhalb des TMM genauer zu verstehen. Damit lassen sich die Magnetisierungsprozesse, das Strömungs- und Temperaturverhalten des warmen und kalten Fluids sowie die Druckverluste innerhalb des TMM besser nachvollziehen. Fernziel ist eine Konstruktion, die eine widerstandsarme Durchströmung des Rotors bei gleichzeitig minimaler Beeinträchtigung der magnetischen Kräfte sicherstellt.
Gadolinium ist nicht zukunftsfähig
Für die Weiterentwicklung des TMM-Funktionsmusters zu einem Prototypen mit kommerziellem Potenzial sind die konstruktiven Details nur ein Aspekt. Das Hauptproblem ist vielmehr, dass mit Gadolinium, dem aktuell eingesetzten magnetokalorischen Material, ein leistungsfähiger und effizienter TMM nicht erreichbar sein wird, wie die Studienautoren einräumen. «Ein wirtschaftlicher Betrieb des TMM mit Gadolinium ist aus mehreren Gründen – mangelnde Effizienz, hoher Preis, schlechte Umweltverträglichkeit – nicht möglich.»
Die Unzulänglichkeit von Gadolinium ist seit längerem bekannt. Für eine praktikable Alternative setzen die Aargauer Entwickler ihre Hoffnung insbesondere in die Technische Universität Delft (Niederlande). Dort wird am Lehrstuhl von Prof. Ekkes Brück an magnetokalorischen Materialien geforscht. Für die Entwicklung eines TMM stehen zwei Materialklassen im Vordergrund: Zum einen eine Verbindung aus Mangan, Eisen, Phosphor und Silizium, zum anderen die Lanthan-Eisen-Silizium-Legierung, die das deutsche Unternehmen Vacuumschmelze (Hanau) unter dem Namen Calorivac vertreibt. Beide Materialklassen versprechen einen sehr starken magnetokalorischen Effekt, eine (über die Materialzusammensetzung) gut einstellbare
«Umschalt-Temperatur», und auch tragbare Herstellungskosten. Dem stehen Nachteile gegenüber, die die Verwendung dieser Materialklassen in einem TMM bisher noch einschränken: schlechte thermische Eigenschaften, geringe Festigkeit und komplexe Herstellungsprozesse.
Trotz solcher Hürden wollen die Ingenieure von Swiss Blue Energy ihre Entwicklungsarbeit fortsetzen, vorausgesetzt, es wird ein Investor gefunden, der ebenfalls an die Zukunft des Thermo-Magnetischen Motors glaubt. «Wir möchten im nächsten Schritt auf eine der beiden Materialklassen wechseln», sagt
Daniel Wymann von Swiss Blue Energy. «Diese Materialien erfordern für die Stromgewinnung allerdings einen anderen Prozess als jenen für Gadolinium. Wir müssen die technische Konstruktion des TMM also nochmals völlig neu entwickeln.»
von Dr. Benedikt Vogel im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE)
Info-Box
Für Besichtigungen des Funktionsmusters in Windisch wenden sich Fachpersonen oder potenzielle Investoren bitte an Daniel Wymann. Der Schlussbericht zum Projekt
«Realisierung des Funktionsmusters K2 des Thermo-Magnetischen Motors» (TMM) ist hier abrufbar.
Auskünfte zum Thema erteilt Roland Brüniger (roland.brueniger@brueniger.swiss), externer Leiter des BFE- Forschungsprogramms Elektrizitätstechnologien. Weitere Fachbeiträge über Forschungs-, Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekte im Bereich Elektrizitätstechnologien finden Sie unter www.bfe.admin.ch/ec-strom.
