Energie uit warmte

Thermo-elektrische generatoren

Dr. ir. Mark Huijben is programma-directeur bij het MESA+ Institute for Nanotechnology, een onderzoeksinstituut op het gebied van nanotechnologie.

Profiel

1. Hoe efficiënt wordt er van de huidige energiebronnen gebruik gemaakt?

Door de wereldwijde energie- en milieuproblemen is de noodzaak om onze beschikbare energiebronnen efficiënter te gebruiken zeer groot. Tegenwoordig gaat verreweg de meeste energie uiteindelijk verloren als warmte in de buitenlucht, zelfs tot 60% van de oorspronkelijke energiehoeveelheid. Een bekend voorbeeld van dit inefficiënte energieverbruik is de auto waarin een enorme hoeveelheid energie als warmte via de uitlaat verdwijnt. Hergebruik van deze verwaarloosde warmte is dus een interessante mogelijkheid als energiebron.

2. Hoe kan de verwaarloosde warmte toch worden hergebruikt?

De zeer grote hoeveelheid verwaarloosde warmte die ontstaat in bijvoorbeeld auto’s en fabrieken heeft enorme potentie als nieuwe energiebron, maar is moeilijk om terug te winnen door de grote diversiteit in volumes en geografische ligging. Thermo-elektrische generatoren bieden een geschikte methode door warmte-energie direct om te zetten naar elektrische energie, onafhankelijk van de grootte, zonder het gebruik van mechanisch bewegende delen of het produceren van schadelijke afvalstoffen voor het milieu.

3. Hoe werkt een thermo-elektrische generator?

Een thermo-elektrische generator is gebaseerd op een principe dat al sinds de 19e eeuw bekend is. Thermo-elektrische materialen zetten een temperatuurgradiënt om in spanning en vice versa. Als de ene kant van een thermo-elektrisch materiaal warm is en het andere uiteinde is koud, dan wordt een elektrische spanning opgebouwd. Worden beide uiteinden verbonden met een stroomdraad dan gaat een elektrische stroom lopen. Andersom kan met behulp van elektriciteit de temperatuur van het materiaal worden beïnvloed, omdat de stroom de warmte transporteert van ene kant van het materiaal naar de andere kant. Fononen, een kwantummechanische beschrijving van 'warmtedeeltjes' als gevolg van roostertrillingen van een materiaal, zijn belangrijk voor de warmtegeleiding door een materiaal. Thermo-elektrische eigenschappen kunnen dus worden gebruikt om elektriciteit te genereren, om temperatuur te meten, of om objecten te koelen of te verwarmen.

 

4. In welke industriesector is veel belangstelling voor thermo-elektriciteit?

Slechts een vierde van de energie geleverd door een liter benzine gaat uiteindelijk naar het voortbewegen van onze auto. Het overgrote deel van de geproduceerde energie verdwijnt namelijk als hitte uit de uitlaatpijp. Verschillende autofabrikanten zijn druk op zoek naar nieuwe mogelijkheden om dit nadelige effect te verminderen. Ze proberen de verwaarloosde energie op een of andere manier te recyclen en het brandstofverbruik op die manier te verminderen. Een veelbelovende techniek is het gebruik van een thermo-elektrische generator die de warmte van de uitlaatluchtstroom probeert op te vangen en te hergebruiken door via het thermo-elektrische effect elektriciteit te produceren. Die elektriciteit wordt vervolgens weer gebruikt voor het aansturen van andere onderdelen in de auto.
 

5. Welke verbetering in energieverbruik kan er worden behaald?

De thermo-elektrische generator levert in een auto energie aan elektrische accessoires zoals de airconditioning en klimaatregeling, zodat die geen extra energie nodig hebben van de motor en er dus een verlaagd brandstofverbruik zal plaatsvinden. Zowel BMW als Volkswagen hebben aangegeven dat zij de mogelijkheden van de thermo-elektrische generator ten volle zullen benutten om hun toekomstige auto’s nog groener en ecologischer te maken. Het huidige doel is het installeren van een thermo-elektrische generator die 10% aan verminderd brandstofverbruik zal opleveren.

6. Waarom worden thermo-elektrische generatoren nog beperkt toegepast?

Een fundamentele eigenschap van een efficiënt thermo-elektrisch materiaal is dat deze een goede elektrische geleider maar een slechte warmtegeleider moet zijn. Op die manier kan het temperatuursverschil zich handhaven, terwijl de elektronenstroom weinig weerstand ondervindt. Deze vereiste stuit echter op praktische problemen, want in de meeste materialen gaan goede warmtegeleiding en goede elektrische geleiding hand in hand. De onvruchtbare zoektocht naar materialen die een goede elektrische geleiding hebben in combinatie met een slechte warmtegeleiding maakte dat het onderzoek naar thermo-elektrische materialen lange tijd vrij weinig ontwikkelingen kende. Halfgeleiders zijn materialen waarvan het vanwege schaalvoordelen en bestaande productietechnieken bijzonder aantrekkelijk zou zijn om deze als thermo-elektrisch materiaal in tal van functies toe te passen. Omdat halfgeleiders normaal gesproken een goede elektrische geleider zijn, was hun efficiëntie zodanig dat zij slechts zeer beperkt worden ingezet als thermo-elektrisch materiaal. 

 

7. Welke rol speelt nanotechnologie in baanbrekend thermo-elektrisch onderzoek?

Aan de eisen voor goede thermo-elektrische materialen kan niet makkelijk voldaan worden. Ze moeten niet alleen een hoge efficiëntie hebben in energie-omzetting, maar tevens moeten ze bestaan uit niet-giftige materialen die uitgebreid beschikbaar zijn, zodat de prijs laag blijft. Daarnaast moeten ze chemisch stabiel zijn in temperaturen van enkele honderden graden Celsius. Tegenwoordig zijn de beschikbare thermo-elektrische modules samengesteld uit materialen, zoals Si1-xGex, Bi2Te3 and PbTe, die alle bovengenoemde problemen nog steeds bezitten.

Los van elkaar hebben zeer recent een aantal onderzoeksteams een tweetal doorbraken geboekt in het onderzoek naar thermo-elektrische halfgeleiders, die beiden resulteren in veel hogere efficiëntie van thermo-elektrische halfgeleiders. Een groep onderzoekers van onder andere het onderzoeksinstituut MIT ontdekte dat de aanwezigheid van nanodeeltjes de thermo-elektrische eigenschappen van een relatief goedkoop halfgeleidermateriaal BiSbTe drastisch verbeterde. Een andere groep van onder andere UC Berkeley maakte nanodraden met een ruw oppervlak van silicium en ontdekten dat deze ruwe silicium-nanodraden een thermo-elektrische efficiëntie hebben die vergelijkbaar is met die van de beste commercieel beschikbare thermo-elektrische materialen zoals Bismut Telluride.

Over de hele wereld wordt de rol van nanotechnologie op de thermo-elektrisch eigenschappen nauwkeurig bestudeerd op verscheidende universiteiten en onderzoeksinstituten. De recente doorbraken tonen aan dat grote verbeteringen in de efficiëntie van deze materialen te verwachten zijn in de komende jaren.

Zoek in kennisbank

Aanmelden nieuwsbrief

Themasponsors Energiebronnen