Thermo-elektrische materialen zetten restwarmte om in elektriciteit

Bij alle processen waar er thermische energie gebruikt wordt gaat er heel veel van die energie verloren in de vorm van restwarmte. Restwarmte is warmte-energie die overblijft bij een energieomzetting. Dergelijke processen waar dit voorkomt zijn bijvoorbeeld elektriciteitscentrales,  industriële ovens, verbrandingsmotoren, etc waar de restwarmte weggehaald wordt door het koelsysteem. In de VS zou er meer dan 2/3 van de energie die de brandstof bevat op deze manier verloren als restwarmte. En dit terwijl het in vele gevallen mogelijk is om deze energie nog nuttig te gebruiken. Hiervoor kan men een warmtekrachtkoppeling gebruiken (ofwel Combined Heat and Power (CHP)). En het doel van deze technologie is om de restwarmte om te zetten in elektrische en thermische energie. Deze technologie bestaat al een tijdje maar wordt momenteel in beperkte mate ingezet. Zo is in de VS slechts 9% van de energie afkomstig van warmtekrachtkoppelingen terwijl in Denemarken 50% van de energie afkomstig is van warmtekrachtkoppelingen. Het doel van de US Department of Energy is om tegen 2030 het aandeel van de warmtekrachtkoppelingen op te krikken tot 20%.

Warmtekrachtkoppelingen is het gebruik van een warmtemachine of een elektriciteitscentrale voor het bewust opwekken van zowel elektriciteit en warmte. Meestal gaat het om een elektriciteitscentrale waarvan de restwarmte nuttig gebruikt kan worden bij een ander proces zoals bijvoorbeeld verwarming of drogen. Op deze manier kan er veel brandstof gespaard worden ten opzichte van de afzonderlijke, gescheiden productie van de door de warmtekrachtinstallatie geproduceerde elektriciteit en warmte. Warmtekrachtkoppelingen zijn het meest efficiënt wanneer de warmte gebruikt kan worden door een installatie die zich niet ver bevindt van de elektriciteitscentrale. Wanneer de warmte over een lange afstand moet getransporteerd worden, gaat er al snel heel veel verloren. Ook worden de kosten van een dergelijk transportsysteem aanzienlijk groter bij lange afstanden omdat er sterk geïsoleerde pijpleidingen nodig zijn om te warmte te vervoeren. In wagens wordt er eigenlijk ook gebruik gemaakt van een warmtekrachtkoppeling, wel enkel in de winter, wanneer men de verwarming aanzet wordt de restwarmte van de motor gebruikt om de wagen te verwarmen. Het algemeen rendement van een elektriciteitscentrale wordt een stuk groter wanneer de restwarmte gebruikt kan worden met een warmtekrachtkoppeling. Van een stoom- en gascentrale, die normaal een rendement heeft van tegen de 60%, wordt het totaal rendement dan verhoogd tot zelfs 80%. En van een steenkoolcentrale behaald men 40% in plaats van 30% en van kerncentrales is het niet mogelijk om een warmtekrachtkoppeling te gebruiken.

Een bedrijf uit California, Alphabet Energy, heeft nu een volledig nieuwe technologie ontwikkeld waarmee (rest)warmte direct kan omgezet worden in elektriciteit. Deze technologie bevat geen bewegende onderdelen. Het gaat om een thermo elektrische chip, die moet geplaatst worden waar de restwarmte vrijkomt en de chip zet die restwarmte om in elektriciteit. Deze kan gebruikt worden voor de warmte van de uitlaatgassen, rondom verbrandingsmotor of bij andere. Simpel voorgesteld, zorgt de warmte ervoor dat de elektronen in het apparaat zich gaan verplaatsen en zo verkrijgt men een elektrische stroom. Het toestel is gemaakt van een goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar materiaal, die daarna nog moet bewerkt worden om de thermische geleidbaarheid - die mate waarin een materiaal warmte geleidt - te verlagen. Maar er zijn ook nog andere bedrijven die met deze technologie werken zoals bijvoorbeeld één daarvan is Tellurex.

Het thermo-elektrisch effect of Peltier-Seebeck effect is een temperatuurseffect dat optreedt op de overgang tussen twee verschillende metalen. Wanneer er over een gewone simpele geleider een temperatuurverschil geplaatst wordt over de twee uiteinden, dan zal de geleider warmte gaan geleiden van de warme kan naar de koude kant. Dit fysisch proces van warmtetransport, geeft ook aanleiding tot het bewegen elementaire deeltjes in het materiaal die een elektrische lading dragen. Deze elektrische geladen deeltjes zullen in dezelfde richting bewegen als dat de warmte wordt geleidt. En het is de verplaatsing van deze elektrische geladen deeltjes die het mogelijk maken om elektriciteit te verkrijgen. Maar er moet wel nog een probleem opgelost wordt voordat men elektriciteit verkrijgt en dit is namelijk over hoe het elektrisch circuit gesloten wordt. Wanneer men dan een tweede geleider gebruikt, gemaakt van hetzelfde materiaal, dan zullen de elektrische geladen deeltjes in beide geleiders van de warme kant naar de koude kant bewegen. En de mate waarin dit gebeurt zal even groot zijn. Dus zal dit er voor zorgen dat de stroom aan elektrische geladen deeltjes in beide geleiders, even groot maar tegengesteld zijn aan elkaar. Dus heffen deze 2 elkaar op en verkrijgt men geen spanningsverschil.

Dit probleem kan opgelost worden door een ander materiaal te gebruiken voor de tweede geleider als dat er gebruikt wordt voor de eerste geleider. Doordat de tweede geleider van een ander materiaal gemaakt is, zal voor een even groot temperatuurverschil, de grote van de stroom aan elektrisch geladen deeltjes verschillend zijn als die van de eerste geleider. En aangezien de ene stroom groter is dan de andere, blijft er een netto stroom aan elektrisch geladen deeltjes over. Deze stroom is even groot als de stroom van de eerste geleider min de stroom van de tweede geleider. En aangezien er een stroom aan elektrisch geladen deeltjes optreedt verkrijgt men ook een spanningsverschil tussen de warme en de koude kant. Dit effect (het Seebeck-effect) wordt momenteel al gebruikt in onder andere thermokoppels.

Bij thermokoppels is de stroom die opgewekt wordt door het temperatuurverschil relatief klein, veel te klein om deze te gebruiken als energiebron. Maar de thermo elektrische chip van Alphabet Energy is gemaakt van speciaal ontwikkeld materialen waarin het Seebeck-effect veel sterker optreedt. Deze speciale materialen zijn te vergelijken met halfgeleidermaterialen die gebruikt worden in LED-lampjes en zonnepanelen. Er bestaan ook twee verschillende soorten materialen, namelijk het N-type en het P-type. Bij het N-type verplaatsen de deeltjes met een negatieve elektrische lading zich in dezelfde richting als de warmtestroom. En bij het P-type verplaatsen de deeltjes met een positieve elektrische lading zich in dezelfde richting als de warmtestroom, dus hier is de elektrische stroom in de tegengestelde richting als bij het N-type materiaal. Maar het is door het combineren van het N- en het P-type materiaal dat men een elektrische stroom kan opwekken die groot genoeg is om deze te gebruiken als energiebron. Al de P- en N-type materialen worden thermisch in parallel en elektrisch in serie geschakeld. Zie de figuur voor de exacte opstelling.

Deze thermo-elektrische chips zijn al zodanig ontwikkeld dat de kostprijs minder is dan $1/Watt. Tegen deze kostprijs zou de terugverdientijd van het systeem tussen de 2 à 4 jaar bedragen, afhankelijk van de eigenschappen van het systeem waarvan de restwarmte afkomstig is. Momenteel zijn de onderzoekers van Alphabet Energy bezig met een proefproject op een industriële installatie en normaal gezien zou deze technologie tegen 2012 commercieel beschikbaar zijn.

via [Tellurex]