thermo-elektrische generator tin selenide

Thermo-elektrische generator: goedkoop energie uit warmte

Een thermo-elektrische generator zet afvalwarmte om in elektriciteit zonder uitstoot van broeikasgassen. Omdat afvalwarmte vrijkomt bij elk energieomzetting, is dit een droomtechnologie. Immers, gratis energie uit warmte waar we nu nog bijna niets mee kunnen.

Niet voor niets worden onder meer de Marsrovers door middel van deze technologie, en natuurlijk vijf kilo uiteenvallende gloeiend hete plutonium, van stroom voorzien. Maar tot nu toe belemmeren de hoge kosten van deze apparaten hun wereldwijde gebruik. Dat is jammer, want bijvoorbeeld is een gas- of kolencentrale gaat tweederde van de energie verloren als warmte.

Zouden we die warmte voor een deel kunnen omzetten in elektriciteit, dan zou dat enorm veel CO2-uitstoot en vervuiling schelen, want dan kunnen we met minder brandstof, dezelfde hoeveelheid elektriciteit produceren. Goed nieuws, dat moment komt nu veel dichterbij.

Hoe werkt een thermo-elektrische generator?

Met warmte kan je alleen wat als er een temperatuurverschil is. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe hoger het percentage van de afvalwarmte dat je in nuttige energie om kan zetten. Een beetje het omgekeerde principe van een koelkast, waar je juist een warmtepomp gebruikt om een temperatuurverschil te creëren. De gloeiendhete brok plutonium, bijvoorbeeld, verschilt enorm in temperatuur van de koude omgeving op Mars. Daarom is er een enorm temperatuurverschil, en kunnen de thermo-elektrische generatoren op de rover een heel hoog percentage van de energie in de vrijkomende warmte uit het plutonium, aftappen.

Thermo-elektrische generatoren maken gebruik van een temperatuurverschil om vrije energie op te wekken. Aan de ene kant van de generator zit een warme kant, aan de andere een koele kant. Elektronen bewegen zich vrij in een geleider. Maar vrije elektronen hebben ook een bepaalde temperatuur. Je kan je als het ware de elektronen voorstellen als een soort gas in het metaal.

thermo-elektrische generator schema
Zonder bewegende onderdelen maakt een thermo-elektrische generator elektriciteit uit warmte. Bron: Ken Brazier en C.M. Cullen, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Wordt het “elektronengas” heter, dan oefent het een druk uit van het hete deel naar het koude deel. Nu zijn er in een thermo-elektrische generator twee materialen: P (van positief) en N, van negatief. Het P-materiaal bevat gaten in het kristalrooster (atomen met een elektron te weinig om hun schil compleet te krijgen). Vaak wordt natrium daarvoor gebruikt. Een natriumion heeft een elektron te weinig. Het N-materiaal bevat juist extra atomen met extra elektronen (atomen met een elektron te veel). Bijvoorbeeld broomionen, die een extra elektron hebben, zoals hier.

Stroom uit warmte

Het gevolg is dat door het warmteverschil, en de druk van de hete elektronen, de elektronen van warm naar koel stromen. In het N-materiaal merk je dit als een stroom van heet naar koud. Maar in het P-materiaal slepen de elektronen de “gaten” ook met zich mee, van heet naar koud. Hier ontstaat daardoor juist een stroom de andere kant op, want gaten zijn een negatieve stroom. Het gevolg is dat er een spanning ontstaat, met stroom. En presto, daar is je gratis elektrische energie.

Thermo elektrische generatoren geleiden goed stroom, maar slecht warmte. Deze combinatie van materiaaleigenschappen komt weinig voor. Metalen, bijvoorbeeld, geleiden ook goed stroom, maar ook goed warmte. Er zijn ook veel materialen,. zoals diamant, die slecht stroom geleiden, maar warmte juist goed. En natuurlijk materialen die allebei slecht geleiden, zoals de meeste stoffen: de isolatoren.

Het grote voordeel van thermo-elektrische generatoren is dat ze zo eenvoudig van opbouw zijn. Ze bevatten namelijk geen bewegende onderdelen, het zijn lagen materiaal. Een stirlingmotor zet ook afvalwarmte om in elektriciteit, maar zit veel ingewikkelder in elkaar en beweegt, dus is storingsgevoelig.

Goedkope, efficiënte thermo-elektrische generator

Onderzoekers hebben nu een manier gevonden om goedkope thermo-elektrische generatoren te maken, die even efficiënt zijn als de bestaande, zeer dure modellen. Groot nieuws, want als je extra energie kan persen uit de vrijkomende afvalwarmte, schiet het rendement van veel apparaten omhoog. Op dit moment staat het record qua efficiëntie op een waarde van tin-selenide, met een “figure of merit” van 3,1, door een team onder leiding van Mercouri Kanatzidis.

Deze waarde is twee keer zo hoog als van bestaande, vaak veel duurdere materialen. Tin en selenium zijn met een kiloprijs tussen de twintig en veertig euro veel goedkoper dan exotische materialen als tellurium of zeldzame aarden. De vorige recordhouders.

Kan je dus een thermo-elektrische generator van tin-selenide bouwen, dan kan je deze op grote schaal toepassen en betekent dat in feite dat je een grote bron van energie hebt. Wel moet deze verbinding op hoge temperatuur worden toegepast, rond de duizend graden, om deze hoge efficiëntie te bereiken. Dat heeft dan weer te maken met de specifieke materiaaleigenschappen van deze verbinding.

thermo-elektrische generator van tinselenide
Tinselenide (SnSe) is de beste thermo-elektrische generator die we kennen. Bron: Northwestern University

Zuurstofvrij samenvoegen

Pogingen om tinselenide op grotere schaal werkend te krijgen mislukten. In het experiment waarmee Kanatzides de 3,1 haalde, behaalde hij dat resultaat met een groot kristal tinselenide. Helaas is dat kristal erg zwak en breekbaar. Polykristallijn tinselenide is minder bros, maar helaas, het rendement daalde tot een lage ZT-waarde van 1,2.

Kanatzidis ontdekte nu de oorzaak. De tin reageerde met de zuurstof uit de lucht en vormde een laagje tinoxide van een paar atomen dik. En dat is nu juist wel een goede warmtegeleider. Daardoor vormden zich warmtelekken in het materiaal. Door het proces in een zuurstofvrije atmosfeer plaats te laten vinden, vormde zich geen tin oxide en stopte het weglekken van warmte. Zo behaalde het team van Kanatzidis alsnog de 3,1 efficiëntie. Zelfs nog met een lagere warmtegeleiding dan met een massief kristal tin selenide.

Er moeten nu nog twee technische uitdagingen worden overwonnen. Het produceren van polykristallijne P- en N-materialen van tin selenide. Een andere groep onderzoekers (team-Zhao) is dat al gelukt met monokristallijn N-materiaal. Het team Kanatzides is nu bezig hier een polykristallijne versie van te maken. Als dit ook met het P-type lukt, is de heilige graal van de energieopwekking uit warmte een stuk dichterbij.

Bron

Zhou, C., Lee, Y.K., Yu, Y. et al. Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01064-6

2 reacties op “Thermo-elektrische generator: goedkoop energie uit warmte”

  1. Ik denk dat veel energie uit warmte verkrijgen nooit gaat lukken. Net zoals kernfusie nooit gaat lukken. Vermoedelijk bestaat alles uit 1 deeltje wat op zichzelf inwerkt. Dit deeltje werkt echter maar 1 kant op in zichzelf. Dat is zijn conserverende kant. Daar zit alle energie. Dat is de koude kant. De andere kant zijn dynamische kant daar zit al het vuur. Is een vampier, het verteerd alles tot het op is. Het is echter wel het makkelijkst waarneembaar en daarom het meest gangbaar vandaag de dag.

  2. zou mooi zijn als dit lukt. voorzie elke uitlaat pijp, dicht bij de cilinders, in een verbrandings motor, van een thermogenerator en het extreem lage rendement van dit soort motoren schiet omhoog!

Laat een reactie achter