Wetenschappers ontwikkelen hybride thermo-elektrische materialen tegen een lage prijs

Het thermo-elektrisch effect vindt langzaam aan zijn weg naar commerciële toepassingen. Het thermo-elektrisch effect zou de energie-efficiëntie van vele processen met een groot aandeel kunnen verhogen. Namelijk bij veel processen waarbij er energie aan te pas komt gaat er onherroepelijk een gedeelte energie verloren naar de omgeving. Bij elk proces waarbij thermische energie omgezet wordt naar mechanische energie of dus beweging gaat er een gedeelte van deze warmte verloren. Dit komt doordat het onmogelijk is om alle warmte die toegevoerd wordt om te zetten in mechanische energie. Slechts een gedeelte van de warmte wordt benut en de andere hoeveelheid warmte kan niet benut worden. Deze hoeveelheid thermische energie wordt ook wel de restwarmte genoemd. Het was de Franse wiskundige, Nicolas Léonard Sadi Carnot die dit ontdekte en aantoonde. Hiervoor gebruikte hij een denkbeeldig thermodynamisch kringproces. Bij dit kringproces wordt alle warmte toegevoerd bij de hoogst mogelijke temperatuur en wordt de restwarmte afgevoerd bij de laagst mogelijke temperatuur. De overige energie wordt omgezet in arbeid. En door de definitie van het verloop van deze thermodynamische cyclus is de hoeveelheid thermische energie die wordt omgezet in arbeid maximaal, bij deze corresponderende maximale en minimale temperatuur. Dus met geen enkel andere thermodynamische kringloopproces kan er meer arbeid geproduceerd worden, uiteraard indien men bij dezelfde temperaturen werkt. En dus is het rendement die behaald wordt bij deze denkbeeldig cyclus, het maximale rendement dat haalbaar is met eender welke thermodynamische cyclus.

Maar in praktijk is deze thermodynamische cyclus van Carnot niet uitvoerbaar. Carnot ontwikkelde dit model om een bovengrens voor het rendement ter berekenen van de omzetting van thermische energie in mechanische energie of dus arbeid. En dus is het Carnot-rendement - het rendement van het Carnot proces - een theoretische bovengrens voor het rendement van eender welke warmtemotor die bij die bepaalde temperaturen werkt. Om een Carnot rendement van 100% te behalen zou de grootste temperatuur oneindig groot moeten zijn, of zou de laagste temperatuur nul kelvin, of dus het absolute nulpunt voor de temperatuur moeten zijn. Aangezien de mens veel gebruik maakt van een warmtemotor, wordt er dus ook heel wat restwarmte geproduceerd. Maar niet alle restwarmte is niet ten gevolge van het Carnotrendement, ook imperfectie van de installatie en de werking ervan zorgen voor een lager rendement en dus voor restwarmte. Maar het beperken van het aandeel restwarmte ten gevolge van deze imperfectie behoort tot de technische uitdaging om de warmtemotor zoveel mogelijk te optimaliseren. Maar de restwarmte ten gevolge van het Carnot-rendement kan onmogelijk volledig weggewerkt worden vanuit de warmtemotor zelf.

Het Carnotrendement wordt bepaald door de hoogste temperatuur en de laagste temperatuur bij de kringloop. De hoogste temperatuur bij een thermodynamische kringloop is uiteraard de temperatuur van de warmtebron. Bij de temperatuur van het stoom bij een stoomturbine, of de temperatuur van het verbrande gas bij een gasturbine. De laagste temperatuur bij een warmtemotor is veelal de omgevingstemperatuur of de temperatuur bij de koeling. Aan deze laagste temperatuur kan er meestal niet veel verandert worden. En de hoogste temperatuur kent ook een bovengrens. Namelijk deze bovengrens wordt in grote lijnen bepaalt door de gebruikte warmtebron. Of ook door de gebruikte materialen bij de warmtemotor en dan vooral door de kostprijs van deze hittebestendige materialen. Dus er is ook een duidelijk bovengrens voor het rendement van een warmtemotor waar men niet om heen kan vanuit de warmtemotor zelf.

Maar indien men de warmtemotor combineert met een andere installatie is de zaak weer verschillend. Dit wordt onder andere gedaan bij een stoom- en gascentrale. Namelijk doordat de restwater van een gasturbine nog een relatief hoge temperatuur heeft kan de restwarmte hierdoor nog gebruikt worden als warmtebron voor een stoomturbine. Bij een stoom- en gascentrale wordt er aard- of biogas verbrandt in een gasturbine. De verbrandingsgassen expanderen in de gasturbine daardoor gaat deze gaan ronddraaien. Deze gasturbine drijft dan een elektrische generator die deze mechanische arbeid omzet in elektrische energie. De verbrandingsgassen die de turbine verlaten, dragen ook de restwarmte van dit proces mee naar buiten. Maar met deze restwarmte wordt er water opgewarmd tot stoom en deze stoom drijft dan een stoomturbine aan. En ook deze turbine drijft dan ook terug een elektrische generator aan. En zo, op deze manier kan het ‘overal’ rendement van deze twee processen verder vergroot worden. Maar nog steeds is het Carnotrendement bovengrens voor het rendement. Maar dit Carnotrendement is groter dan het rendement van alleen de gasturbine. Dit aangezien dat de laagste temperatuur nu lager is door de toevoeging van de stoomturbine.

Om het rendement van een warmtemotor te vergroten moet er dus een manier gevonden worden om de restwarmte op zo’n ideaal mogelijke manier te gebruiken. De toevoeging van een stoomturbine is een zeer interessante oplossing maar deze kan jammer genoeg maar bij een beperkt aantal situatie ingezet worden. Namelijk kan dit enkel wanneer de temperatuur van de restwarmte voldoende hoog om water te doen koken en te gaan omzetten in stoom. En in vele gevallen is de temperatuur van de restwarmte hiervoor te laag. Neem bijvoorbeeld de verbrandingsmotor van een wagen. De uitlaatgassen voeren de restwarmte van dit proces naar buiten maar de temperatuur van de uitlaatgassen is veelal niet voldoende groot om water aan de kook te brengen. En als dit wel het geval zou zijn, dan is een stoomturbine een veel te omslachtige installatie voor in een wagen. En dus is er hier nood aan een andere oplossing.

Deze andere oplossing zou mogelijks ingevuld kunnen worden door processen die gebruik maken van het thermo-elektrisch effect. Het thermo-elektrisch effect of het Peltier-Seebeck effect is een temperatuuurseffect dat optreedt op de overgang tussen twee verschillende metalen. De effect kan in twee verschillende vormen optreden en de vorm die hier interessant is, is het Seebeck effect. Hierbij is het namelijk zo dat het aanleggen van een temperatuursverschil over twee metaalovergangen een elektrische stroom veroorzaakt tussen deze twee overgangen. Dit effect ligt onder andere aan de basis van thermokoppels - sensoren waarmee de temperatuur opgemeten kan worden. Bij thermokoppels wordt de temperatuur bepaald aan de hand van de elektrische stroom te ontstaat tussen twee zo’n metaalovergangen waartussen er een temperatuursverschil staat. De grootte van deze elektrische stroom is dus afhankelijk van de grootte van het temepratuursverschil. Maar dus bij dit effect wordt thermische energie in één stap omgezet in elektrische energie en er zijn dus geen verschillende tussen stappen nodig zoals dat het geval is bij een warmtemotor. Een ander voordeel is dat de thermische energie omgezet kan worden in elektrische energie, ongeacht de grootte van de temperatuur. Zelfs bij een relatief klein temperatuursverschil kan deze omzetting plaatsvinden.

Maar tot nu toe was het thermo-elektrisch effect of dus het Seebeck effect niet zo interessant en werd het nog maar weinig gebruikt. Dit komt namelijk doordat dit niet met alle metalen mogelijk is en de metalen waarbij dit effect optreedt hebben een relatief hoge kostprijs. En dus was de kostprijs te groot om op commerciële niveau elektriciteit te produceren aan de hand van dit effect. Wetenschappers van Lawrence Berkeley National Laboratory hebben de uitdaging aangegaan om metalen te gaan ontwikkelen waarmee de kostprijs van het Seebeck effect naar beneden gehaald zou kunnen worden. Dergelijke materialen zouden uiteindelijk hun kunnen vinden naar alle toepassingen van een warmtemotor. Hun strategie om een hybride thermo-elektrisch materiaal te gaan ontwikkelen als een soort composiet op nanoschaal. Dit composiet zou dan uit twee materialen bestaat waartussen het Seebeck-effect kan plaatsvinden. Dit composiet zou vrij eenvoudig te maken moeten zijn zodat het geen al te hoge kostprijs zal hebben. Hun composietmateriaal bestaat uit een polymeer die elektriciteit geleidt die rond een nanodraadje van telluur gewikkeld wordt. Telluur is een speciaal metaal die onder andere ook gebruikt wordt in zonnecellen. Deze polymeer kan op een zeer eenvoudig manier rond de nanodraadjes gewikkeld worden, namelijk door de nanodraadjes simpelweg in een vloeibare oplossingen onder te dompelen.

Het ontwikkelde composiet werkte uitstekend in de proefopstelling in het laboratorium. Maar toch zijn de onderzoekers er nog helemaal tevreden over. Namelijk omdat telluur een vrij zeldzaam metaal is op aarde. Telluur komt maar zeldzaam in zuivere vorm voor in de natuur, meestal komt het in gebonden toestand voor. Ook is telluur niet zo interessant omdat het giftig is. Daarom kondigden de onderzoekers aan dat er nog een vervolg komt aan dit onderzoek. Namelijk gaan ze op zoek naar andere materialen die men kan gebruiken om een composiet te ontwikkelen met gelijkaardige eigenschappen. De gewenste materialen bij hun zoektocht moeten dus relatief overvloedig voorkomen op aarde en zouden liefst niet giftig mogen zijn.

Geschreven door Emile Glorieux, bron [llbl]