‘Zonnepanelen vervangen door thermo-elektriciteit’

Zonnepanelen worden mogelijk overbodig. Tot voor kort was het rendement van thermo-elektrische verf en andere materialen afgrijselijk laag en de kosten enorm. Daar komt nu verandering in. Dit revolutionaire materiaal, dat je met een verfkwast kan aanbrengen, zou de energiemarkt wel eens helemaal op zijn kop kunnen zetten. En er zijn meer werkende thermo-elektrische concepten.

Zonnepanelen zijn duur en alleen door een dure vakman te installeren. Hoewel de zon voor particulieren al goedkoper is dan stroom van de elektriciteitsmaatschappij en zonnepanelen snel in prijs dalen. Het zou een uitkomst zijn als zonnepanelen net zo makkelijk aan te brengen zouden zijn als verf. Het goede nieuws: daar is nu zicht op. Nieuw onderzoek bestudeert het gebruiken van thermo-elektrische materialen om zonlicht om te zetten in energie.

Wat is thermo-elektriciteit?
Wellicht ken je koelelementjes op elektriciteit, zoals die in bierkoelers, waarmee diverse fabrikanten elkaar op leven en dood beconcurrreren, worden gebruikt. Die berusten op het Peltier-effect: de elektronen in de elektrische stroom ‘voeren’ de warmte, in feite trillingen van elektronen, als het ware met zich mee. Het omgekeerde kan ook. ‘Hete’ elektronen bewegen sneller dan ‘koude’, waardoor de elektronen zich ophopen aan de koude kant en zo een spanningsverschil veroorzaken dat je kan benutten. Eklektriciteit uit warmte dus, al is de efficiëntie laag, tot voor kort rond een procent. Een schijntje vergeleken met de twintig procent die een goed zonnepaneel haalt. Geen wonder dat dit principe tot voor kort vrijwel alleen voor koeling, of omgekeerd, in satellieten met een radioactieve bron, werd gebruikt.

Thermo-elektriciteit: de assepoester van de zonne-energie
In een traditionele zonnecel mept een lichtdeeltje, een foton, een elektron uit zijn energieniveau en laat deze naar een ander materiaal springen. Dit wekt spanning op die wordt afgetapt. Traditionele zonnepanelen lopen tegen een (voor dit type systeem) fundamentele beperking aan. 37,7% omzetting van zonlicht in elektriciteit, de Shockley-Quissler limiet, is het theoretische maximum dat een traditionele zonnecel kan halen. De reden: fotonen met te weinig energie kunnen elektronen niet over de energiekloof laten springen, fotonen met te veel energie kunnen maar gedeeltelijk benut worden, dus wordt meer dan de helft van alle energie weggegooid. Zonde natuurlijk. Sterker nog: deze energie komt vrij als warmte, oververhit het zonnepaneel en werkt zo zelfs tegen.Vandaar trouwens dat de zuidpool (in de zomer) en het hooggebergte zo interessant zijn voor klassieke zonnepanelen.

Thermodynamisch gezien is in theorie veel meer rendement te halen. De zon heeft een oppervlaktetemperatuur van rond de zesduizend graden (Celsius of Kelvin, die 273,15 graden verschil maakt bij zeer hoge temperaturen nauwelijks meer uit). De oppervlakte van de aarde een temperatuur van, zeg, rond de driehonderd kelvin (27 graden Celsius; in werkelijkheid gemiddeld veertien graden, maar 27 C rekent lekker makkelijk en komt redelijk overeen met de temperatuur in zonnige gebieden). Thermodynamisch gezien kan een zonnepaneel dus in theorie een efficiëntie halen van 1-(300 K/6000 K) is rond de 95% hebben, als er een warmtepomp tussen de zon en de aarde zou bestaan. In feite meer: zelfs vrijwel honderd procent, omdat een zwarte straler van 300 K per vierkante meter slechts 1/16 000 van het zonneoppervlak uitstraalt. ([latex]j^{\star} = \sigma T^4[/latex]). Wat dat betreft presteren zonnepanelen dus akelig slecht.

Dat moet slimmer kunnen, dacht in 1954 al onderzoekster Maria Telkes. Ze experimenteerde met een plaat thermoelektrisch materiaal, die zonnewarmte omzette in elektriciteit. Het rendement was laag: onder een procent[1]. Zonnepanelen deden het toen niet veel beter, maar al kort daarna schoot het rendement van zonnepanelen omhoog tot tien procent. Telkes’ ontdekking werd niet meer overtroffen en raakte in de vergetelheid. Ook al omdat materialen als bismuthtelluride uit zeer zeldzame en dus erg dure chemische elementen bestaan. Dit veroordeelde de techniek tot een kwijnend bestaan (de ruimtesonde Voyager wordt er bijvoorbeeld mee op gang gehouden. Het warmteverschil tussen een klont radioactief plutonium en het extreem koude heelal levert thermo-elektriciteit).

Thermo-elektriciteit kent geen limiet 
Onderzoekers benaderen nu al met een enkelvoudige zonnecel de SQ limiet. De beste zonnepanelen op de markt zitten al jarenlang tegen de vijftien tot twintig procent. Stapelen van zonnecellen kan, maar maakt ze veel duurder.  De doorbraken komen vooral neer op stapelen of op goedkopere fabricagetechnieken. Gefrustreerde onderzoekers zijn ten einde raad. Eer komt daarom steeds meer belangstelling voor de lang verwaarloosde thermoelektrische materialen. Immers: deze kennen een dergelijke limiet niet en zijn bovendien veel simpeler in structuur. Of elektronen nou veel of weinig energie hebben maakt niet zoveel uit: ze botsen met elkaar en de energie middelt uit tot een mooie stabiele stroom.

Nanotechnologie verbetert thermo-elektriciteit
Helaas is er nog steeds het zeer lage rendement, die te maken heeft met het snel verdwijnende warmteverschil. Elektrische geleiders geleiden meestal ook goed warmte-quasideeltjes (fononen), waardoor het warmteverschil snel weglekt.  Terwijl de elektronen stromen, stromen de fononen van warm naar koud, zonder elektronen in beweging te zetten en zo energie op te leveren.
De onderzoekers Huiming Yin and Dajiang Yang[4] slaagden er in een nanomateriaal te ontwikkelen dat wel elektronen doorlaat, maar de warmtetrillingen blokkeert. Eerder waren er niet dergelijke materialen. Door uitgekiende foutjes in het materiaal worden de fononen weerkaatst, terwijl de elektronen ongestoord kunnen stromen. Dit verdubbelt de efficiëntie van een thermo-elektrisch materiaal. In een watergekoeld zonnepaneel, waarin ook het warme water wordt benut, levert dit meer dan vijftig procent rendement op.

Verf even effectief als zonnepaneel
Charles Stafford van de universiteit van Arizona in Tucson besloot het pas echt radicaal aan te pakken.[2] Waarom niet in één klap afrekenen met zonnepanelen en die vervangen door één laag fononen blokkerende verf? Dit is spotgoedkoop om aan te brengen en die verf kan werkelijk met hectoliters tegelijk kunnen worden geproduceerd, in plaats van moeizaam gepriegel in stofvrije ruimtes. Hij koos een volkomen nieuwe klasse materiaal: polyfenol ether. Dit bulkmateriaal is erg goedkoop. Stafford wil de polyfenol ethermoleculen van zorgvuldig uitgekiende zijgroepen voorzien, die fononen blokkeren terwijl ze elektronen doorlaten. Volgens Stafford’s berekeningen kan zijn materiaal in theorie 20 tot 25% van alle zonlicht in elektriciteit omzetten: zes maal zo hoog als het best bekende thermoelektrische materiaal. Maakt hij deze boude bewering waar, dan worden zonnepanelen een relikwie van het verleden.

Goedkope hitteconcentrator
Een andere onderzoeker, Gang Chen van het MIT, bedacht een zeer simpele maar uiterst effectieve methode om zonnewarmte te concentreren. Licht concentreren is lastig. Daar heb je een duur volgsysteem met lenzen of spiegels voor nodig. Met zonnewarmte is dat anders.  Zijn recept: stukjes koper in vacuüm. Het koper wordt in het zonlicht extreem heet. De hitte in het koper, dat honderden graden heet wordt, kan alleen weg via kleine hittebruggetjes die uit thermo-elektrisch materiaal bestaan. Zo kan je de opgevangen hitte concentreren. Chen haalde met zijn opstelling door het extreme temperatuurverschil een rendement van 4,6 procent. Let wel, met een standaard thermo-elektrisch materiaal. Met een nano-engineered materiaal zou het rendement wel eens kunnen verveelvoudigen. Als je dit combineert met een zonnecollector voor warm water haal je hiermee twee keer profijt van een enkele installatie[3]. Kortom: zeer hoopgevende ontwikkelingen. Vooral het briljant simpele idee van Chen, dat uit te voeren is met simpele, alledaagse materialen, laat zien dat peak fantasy een veel groter probleem is dan zogenaamd uitgeput rakende energie- en andere hulpbronnen.

Bronnen
1. Maria Telkes, Solar Electric Thermoelectronics, Journal of Applied Physics (1954)
2. Paint-on power, the saviour of solar energy, New Scientist (2011)
3. Solar panels with a side of hot running water, MIT Technology Review, 2011
4. Dajiang Yang  Huiming Yin, Energy Conversion Efficiency of a Novel Hybrid Solar System for Photovoltaic, Thermoelectric, and Heat Utilization, IEEE Transactions on Energy Conversion (2011)