Restwarmte omzetten in elektriciteit met het Seebeck-effect

Veel van de activiteiten van de mensen en installaties creëren warmte. Heel veel van deze warmte gaat verloren naar de omgeving en die warmte krijgt dan ook de naam restwarmte. In het algemeen is restwarmte de warmte ofwel de energie die, in gedegradeerde vorm (warmte bij een temperatuur, dicht bij de omgevingstemperatuur ligt), overblijft als onderdeel van een proces (energieomzetting), waarbij energie van een hogere orde (bv. elektriciteit of mechanische energie) wordt opgewekt. Dit zorgt voor een energieverlies en dus voor een lager rendement. Dit energieverlies is niet afkomstig door imperfecties van de installatie of in het verloop van het proces. Dit energieverlies is eigen aan het proces en wordt bepaald door de temperaturen waarbij dit proces verloopt. Deze energie kan dus in het eigenlijke proces niet meer benut worden. Maar een manier om deze verloren warmte na het proces te benutten voor een andere toepassing zou dus zeer welkom zijn. Men kan deze warmte gaan benutten voor thermische toepassingen maar dit is niet in alle gevallen mogelijk. Het is namelijk niet eenvoudig om warmte te transporteren zonder al te grote verliezen. En wanneer de afstand vrij groot is, dan wordt dit veel te duur. Daarom kijken onderzoekers naar mogelijkheden om deze warmte om te zetten in elektriciteit. Elektriciteit is eenvoudigere te transporteren zonder al te grote verliezen. En er is een relatief simpele infrastructuur nodig en in vele gevallen is deze al aanwezig.

Eén van de mogelijkheden om restwarmte om te zetten in elektriciteit op een efficiënte manier is door gebruik te maken van het thermo-elektrisch effect. Bij het thermo-elektrisch effect wordt er een elektrische stroom veroorzaakt door het aanleggen van een temperatuurverschil over twee metaalovergangen. Dit effect wordt het wel het Seebeck-effect genoemd. Dit effect is dus uiterst geschikt voor het benutten van restwarmte en om deze om te zetten in elektriciteit. Dit effect werd al in andere toepassingen gebruikt zoals bijvoorbeeld thermokoppels. Een thermokoppel is een temperatuursensor. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe groter de stroom is die wordt opgewekt door het Seebeck-effect. En zo kan men dus aan de hand van de grootte van de opgewekt stroom, de grootte van het temperatuurverschil gaan bepalen.

Maar dit effeect wordt ook nog voor andere toepassingen gebruikt zoals bijvoorbeeld voro het identificeren van een onbekend metaal. Elk metaal of halfgeleidermateriaal heeft zijn eigen specifieke coëfficiënt. Deze coëfficiënt, de Seebeck coëfficiënt of thermopower of thermoelectric power, van het materiaal geeft het verband weer tussen de thermo-elektrische spanning die ontstaat bij een bepaald temperatuurverschil. Deze coëfficiënt heeft een niet lineair verband met de grootte van de temperatuur. Maar elke metaal, en halfgeleidermateriaal, hebben hun eigen specifieke Seebeck-coëfficiënt bij een bepaalde temperatuur. Aan de hand van deze coëfficiënt is men dus in staat om een onbekend metaal te identificeren. Dit gebeurt door het onbekende metaal in contact te brengen met een gekend metaal en op de contactpunten een temperatuurverschil aan te leggen. De grootte van de thermo-elektrische spanning wordt opgemeten en aan de hand van deze meetwaarde is het mogelijk om de Seebeck-coëfficiënt van het onbekende metaal te berekenen. En zo kan men dan de identiteit van het onbekende metaal gaan bepalen. Dit wordt vaak gebruikt als kwaliteitscontrole van metalen legeringen.

Seebeck ontdekte dat de naald van een kompas ging afwijken wanneer er een gesloten circuit gevormd was. Dit gesloten circuit bestond uit twee verschillende metalen, die op twee verschillende plaatsen met elkaar verbonden waren. De afwijking van de naald vond plaats wanneer die twee verbindingen, tussen de twee verschillende metalen, een andere temperatuur hadden. Seebeck had eerst geen besef dat er hierbij een elektrische stroom ontstond, hij merkte alleen dat er een magnetisch veld ontstond waardoor de naald van het kompas uitweek. Daarom noemde hij dit effect dan ook in eerste instantie het "thermomagnetisch effect". Later ontdekte een Deense fysicus, Hans Christian Ørsted, dat er bij dit verschijnsel ook een elektrische stroom ontstaat en dat deze aan de oorzaak ligt van het ontstaan van het magnetisch veld.

Via dit effect kan men dus een zonnepanelen gaan ontwikkelen maar dat in plaats van licht wordt hier dan warmte omgezet in elektriciteit. Er is wel nog een probleem, namelijk de thermo-elektrische spanning die opgewekt wordt is, bij de meeste materialen, slechts een paar microvolts groot per graad temperatuurverschil. Er is dus een heel groot temperatuurverschil nodig om een 'bruikbare' spanning te verkrijgen. Dus om dit effect te gebruiken om restwarmte om te zetten in elektriciteit die voor andere toepassingen gebruikt kan worden is dit niet echt ideaal. Onderzoekers proberen dit op te lossen via verschillende manieren. De eerste manier is een materiaal vinden waarvan de Seebeck-coëfficiënt heel groot is zodat er bij een relatief laag temperatuurverschil al een bruikbare spanning ontstaat. Een dergelijk materiaal probeert men via allerhande technologieën te ontwikkelen. Een tweede manier om een bruikbare spanning te verkrijgen is met een thermozuil. Een thermozuil bestaat uit een reeks thermo-elektrische elementen. Het thermisch circuit van deze thermo-elektrische elementen zijn in parallel geschakeld en dus anders gezegd ondervinden deze allemaal een even groot temperatuurverschil. Maar het elektrisch circuit van deze thermo-elektrische elementen zijn in serie geschakeld, dit zorgt dat er over al deze elementen samen een veel grotere spanning ontstaat. Deze grotere spanning is gelijk aan de som van al de afzonderlijke spanningen die ontstaan over de verschillende thermo-elektrische elementen. Natuurlijk de beste aanpak is de combinatie van deze twee. Een materiaal te ontwikkelen met een relatief grote Seebeck-coëfficiënt en deze te gebruiken in een thermozuil, zal waarschijnlijk de meest effectieve manier zijn om een bruikbare thermo-elektrische spanning te verkrijgen.

De algemene methode om een dergelijke materiaal te ontwikkelen is om ervoor te zorgen dat het materiaal een lage thermische geleidbaarheid heeft en dat er dus een groot temperatuurverschil over het materiaal komt te staan. Maar terwijl dit gedaan wordt moet het materiaal wel zo'n goed mogelijke elektrisch geleidbaarheid hebben zodat de stroom gemakkelijk door het materiaal kan vloeien. Aan het California Institute of Technology ( Caltech), voert chemicus James Heath samen met zijn collega's een onderzoek uit naar materialen die geschikt zijn voor het toepassingen waarvan de werking berust op het Seebeck-effect. Bij zijn onderzoek gebruikt men nanodraadjes van silicium. Deze nanodraadjes zijn 10 tot 100 maal dunner dan deze die gebruikt worden in computerchips. Deze dunne nanodraadjes van silicium belemmeren de warmtestroom door het materiaal maar hebben geen invloed op de verplaatsingen van elektronen.

Warmte die zich verplaatst doorheen een materiaal, doet dit onder de vorm van fonons. Een fonon is een gekwantiseerde collectieve trillingswijze van een kristal. Fononen zijn gelijkaardig aan de fotonen die men terugvindt bij lichtstralen maar fononen vindt men dat terug bij een warmtestroom. Wanneer fononen zich verplaatsen doorheen een materiaal dan resulteert dit in de verplaatsing van warmte van de ene plaats naar een andere. Maar nanodraadjes hebben, doordat ze zo klein zijn, een groot oppervlak relatief gezien ten opzichte van het volume van het materiaal. Deze oppervlakken zorgen dat een stroom fononen weerkaatst wordt en zo verspreid wordt in allemaal verschillende richtingen. Voor hen is het dus moeilijker om zich doorheen een materiaal die bestaat uit nanodraden te verplaatsen. Dit zorgt er dus voor dat deze nannodraadjes een weerstand vormen voor een warmtestroom maar behouden hun elektrische geleidbaarheid. Maar wanneer men de nanodraadjes steeds dunner maakt dan komt men plots op een punt dat ze eigenlijk te dun geworden zijn. In dit geval, wanneer de nanodraadjes te dun zijn dan wordt de stroom van elektronen ook belemmerd. De relatieve oppervlakte ten opzichte van het volume is dan zo groot dat ook de elektronen erop weerkaatsen en verspreid wordt in allemaal verschillende richtingen.

De onderzoekers hebben een manier bedacht om dit probleem uit de weg te helpen. Dit hebben ze gedaan door een nano-gaas te maken van een vel silicium van slechts 22 nanometer dik. Men maakte een gaas van het vel silicium door er heel kleine gaatjes in te maken (11 à 16 nanometer groot). De positie van deze gaatjes is volgens een bepaald rechthoekig patroon, waarbij ze op 34 nanometer van elkaar zitten. Het doel achter dit gaas is om het gedrag van de langsstromende fononen te beïnvloeden en in essentie om deze te doen vertragen. Dit lukt veel beter dan om de stroom fononen te weerkaatsen en verspreiden. De eigenschappen van een materiaal bepalen met welke snelheid fononen zich erdoor kunnen verplaatsen, dit resulteert dan in de mate waarmee warmte geleid wordt door het materiaal. En in het geval van silicium, blijkt het nu zo te zijn dat een 'nanogaas' ervoor zorgt dat deze limiet voor de snelheid van de fononen verder beperkt wordt.

Uit verschillende testen bleek nu dat de nanodraadjes, zelfs wanneer ze zo dun waren als mogelijk, ze nog steeds dubbel zo gemakkelijk warmte geleiden dan dat het nanogaas dat doet. De onderzoekers werken nu aan manieren waarmee men de stroom fononen nog meer zou kunnen doen vertragen. Hoe trager de stroom fononen zich verplaatst doorheen een materiaal, hier silicium, hoe slechter de thermische geleidbaarheid van het silicium. Wanneer een materiaal geen goede thermische geleidbaarheid heeft, dan wil dit zeggen dat er grote temperatuursverschillen over deze materialen kunnen staan. Indien men dit metaal gebruikt voor het opwekken van een spanning aan de hand van het Seebeck-effect, dan zorgt het groter temperatuurverschil voor een grotere thermo-elektrische spanning. Dus wanneer deze nanogaas van silicium gebruikt wordt in een thermozuil, zou het veel eenvoudiger zijn om een bruikbare spanning op te wekken.

via [media.caltech]