Termoelektriske elementer (til høyre): De minner litt om solceller og de lager strøm. Ikke av lys, men av varme. (Bilde: Colourbox/Kjersti Magnussen)

Termoelektrisk strøm av varme overflater

Å hente strøm fra varme overflater kan bli like vanlig som å hente strøm fra sollys

Vi er blitt svært gode på å omdanne sollys til strøm. Flate silisiumskiver gir fra seg elektrisk energi i årtier uten særlig ettersyn. Hva om vi kunne gjør noe tilsvarende med varme?

Slike termoelektriske elementer finnes og er i bruk, men ikke i større skala. Til nå har de vært for dyre og hatt for dårlig virkningsgrad. Alternativet til å utnytte en varmeforskjell er å bruke en eller annen dynamisk varmekraftmaskin, som en dampmaskin eller Stirlingmotor.

I Forskningsparken i Oslo sitter en liten gruppe av UiO-forskere og jobber med utviklingen av termoelektriske elementer. De ønsker å forbedre teknologien slik at den blir mye mer utbredt.

Strøm fra restvarme

– Håpet er å kunne utvikle den termoelektriske teknologien til å bli for spillvarme det solceller er for lys. Vi trenger en billig og effektiv måte å hente strøm fra restvarme. Damp er selvfølgelig den store konkurrenten og er mye mer effektiv, men slik mekanisk teknologi har også begrensinger. Dampmaskiner har problemer i korrosive miljøer, de er kostbare, komplekse og krever mye vedlikehold, sier doktorgradsstudent Henrik Riis, og fortsetter:

Termoelektrikere: Postdoc Xin Song, ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi, doktorgradsstudent Henrik Riis og Ph. D. Matthias Schrade jobber alle for å øke effektiviteten i termoelektriske elementer. De håper at teknologien skal blir en effektiv måte å hente verdifull strøm fra restvarme som er vanskelig å utnytte.
Termoelektrikere: Postdoc Xin Song, ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi, doktorgradsstudent Henrik Riis og Ph. D. Matthias Schrade jobber alle for å øke effektiviteten i termoelektriske elementer. De håper at teknologien skal blir en effektiv måte å hente verdifull strøm fra restvarme som er vanskelig å utnytte. Foto: ORV

– Det ideelle er om vi kan feste termoelektriske elementer på varme overflater og la de produsere strøm i år etter år uten å tenke på dem.

Stort industri-potensial

I Norge er den metallurgiske industrien en potensiell bruker av slik teknologi. De både bruker mye strøm, og de har store mengder spillvarme med potensial til å gjenvinne noe av den. Det at slike elementer oppfører seg omtrent som solceller, som man bare monterer og som passer seg selv i årevis, er veldig attraktivt, sier Ph. D. Matthias Schrade.

Termoelektrisk element: En termoelektrisk krets, bygget av p-dopede og n-dopede halvledermaterialer med ulik Seebeck-koeffisient, blir en termoelektrisk generator.
Termoelektrisk element: En termoelektrisk krets, bygget av p-dopede og n-dopede halvledermaterialer med ulik Seebeck-koeffisient, blir en termoelektrisk generator. Foto: Wikipedia/orv

Det jobbes mye med den termoelektriske basisvitenskapen rundt om i verden, men ikke så mye med selve modulene. Men det er i ferd med å endre seg. Interessen for teknologien som kan hente ut strøm fra restvarme øker raskt.

– Selv om dette er teknologi som har vært kjent i tiår foregår det en liten revolusjon nå ved at den blir brukt mer. Industrien tenker miljø og er energibevisst. De vil ikke fyre for kråka og vil ta vare på mest mulig av energien, sier Xin Song, postdoc. ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi.

Materialteknologi

– Den termoelektriske teknologien hviler i stor grad på materialvitenskap. Vi jobber med flere ulike materialer og vi klarte nylig å sette verdensrekord med elementer basert på sink-antimon. I det rene materialet klarte vi å oppnå 10 prosent, men det er andre faktorer i et totalsystem som trekker ned, forteller Schrade.

Det er tre parametre som er viktige for termoelektriske elementer. Det er varmeledningsevnen i materialet, hvordan det leder strøm og evnen til å oppnå så høy spenning som mulig.

– Det kan jo høres enkelt ut, men det er en veldig stor jobb og finne den beste teknisk-økonomiske kombinasjonen av et enormt antall varianter, sier Schrade.

Den termoelektriske effekten

  • Det er mulig å bruke varmeforskjeller til å generere strøm ved å utnytte temperaturforskjellen mellom en varm og en kald side.
  • For å skape en elektrisk strøm benyttes to elementer laget av dopede halvledere. En er dopet slik at den blir en såkalt N-type, altså negativ med et overskudd av elektroner. Den andre er en P-type, altså positiv med et underskudd av elektroner, eller som vi også sier med et overskudd av hull der elektroner passer inn i materialet.
  • Det er et viktig poeng at halvledermaterialet skal lede strøm godt, men samtidig være en dårlig varmeleder. Det gjør at varmen holder seg på hver sin side av elementene.
  • Når den ene siden av det termoelektriske materialet holdes inn mot varmekilden blir det større bevegelser i både elektroner og hull og tettheten av dem synker. I den andre enden øker tettheten av både hull og elektroner. Det betyr at vi har to motsatte elektriske felt og et grunnlag for elektrisk strøm.
  • Denne effekten kalles Seebeck effekten etter han som oppdaget den. Den spenningen man oppnår ved en viss temperaturforskjell under termodynamisk likevekt er αΔT der α er Seebeck-koeffisienten.

Han har doktorgrad i materialvitenskap og peker på at alle materialer har en termoelektriske evne til å skape spenning, den såkalte Seebeck-effekten. Men bare et fåtall materialer er godt egnet til formålet.  

Inn i skip

Scatec-selskapet TEGma har kastet seg over det voksende markedet for termoelektriske elementer.

– Vi utvikler moduler og generatorer som kan produsere strøm fra restvarme. Spesielt i skip, men også i kjøretøyer, er dette et voksende marked. Slike moduler kan foreløpig ikke konkurrere med landstrøm, men på et skip, hvor det er stort behov for strøm, er alternativet å kjøre maskinen eller en generator for å lage strømmen. Det koster drivstoff og virkningsgraden er dårlig. Hvis vi kan hente ut strøm ved å montere termoelektriske elementer på eksosanlegget der temperaturforskjellen er på mellom 175 til 350 grader, kan vi generere en god del strøm, sier VP Technology i TEGma i Kristiansand, Marianne Engvoll. Hun har doktorgrad i uorganisk kjemi fra NTNU.

Vurderte bilmarkedet

I løpet av de neste to månedene skal selskapet i samarbeid med Sintef MARINTEK i Trondheim kjøre en test på en liten skipsmotor. På et varmt areal på 12 ganger 60 centimeter regner de med at systemet som skal testes kan gi en strømproduksjon på opp mot 200 watt. 

Dette testsystemet er lite, men det kan enkelt oppskaleres. Og siden varmen er gratis blir kostnaden for den termoelektriske strømmen lavere enn for strøm produsert fra diesel. Den gjenværende varmen i eksosen kan brukes til andre formål.

Lager strøm av eksosvarme: Bildet viser de termometriske generatorene TEGma skal teste hos Marintek rundt årsskiftet. De vil hente ut rundt 200 watt når motoren går på en 0,072 m2 flate dekket av termoelektriske elementer.
Lager strøm av eksosvarme: Bildet viser de termometriske generatorene TEGma skal teste hos Marintek rundt årsskiftet. De vil hente ut rundt 200 watt når motoren går på en 0,072 m2 flate dekket av termoelektriske elementer. Foto: TEGma 

– Da vi startet opp selskapet vurderte vi mulighetene i bilindustrien. I biler måtte vi lage moduler som tålte opptil 500 til 600 grader, og vi vurderte da et termoelektrisk materiale med navn Skutteruditt. Men bilindustrien er et vanskelig marked, derfor starter vi med å utvikle teknologi for applikasjoner der temperaturen er lavere og mer konstant, som for eksempel i skip, sier Engvoll.

I stedet for norskklingende Skutteruditt, som ble oppdaget i Skutterudgruvene på Modun i 1845, jobber selskapet nå med andre termoelektriske halvledermaterialer som silisider (forbindelser mellom silisium og metaller, som magnesiumsilisid), sinkantimon og andre, for å tilpasse elementene til skipsmarkedet og andre som har litt lavere temperaturdifferensial.

– Vi håper å kunne hente ut et sted mellom fem og åtte prosent av restvarmen som strøm. Det kan høres lite ut, men dette er installasjoner som både kan bli billige og nesten vedlikeholdsfrie, sier hun.

Bil til slutt

Forskerne på UiO tror det er lenge før vi ser termoelektriske elementer i kjøretøyer. I så fall må de bygges for å tåle mye mer vibrasjoner, men de vil uansett legge til en god del vekt og da går mye av vinninga opp i spinninga. Det industrielle og maritime markedet er i hvert fall i starten mye bedre egnet for slik teknologi. Det er også mulig å designe elementer for å hente ut strøm fra svært små temperaturdifferensialer i romtemperatur-området.

Energielement: Marianne Engvoll leder Skatech-selskapet TEGma som utvikler termoelektriske moduler for større varmekilder. Her holder hun et element som inngår i slike moduler i hånden.
Energielement: Marianne Engvoll leder Skatech-selskapet TEGma som utvikler termoelektriske moduler for større varmekilder. Her holder hun et element som inngår i slike moduler i hånden. Foto: TEGma 

– Det blir ikke mye strøm av slikt, men det kan være nok til å gjøre en sensor uavhengig av annen strømtilførsel, sier Riis.

Romstrøm

Termoelektriske elementer er ikke noen nyhet. Dette er måten man lager strøm på i verdensrommet når solpanelene ikke kan levere det som trengs. Solpaneler leverer under 3 prosent av strømmen ved Jupiter i forhold til når de er ved jorden. Voyager 1 har vært underveis i 36 år og har hentet strøm fra en radioaktiv varmekilde. Når den henfaller utvikles masse varme som konverteres til strøm via termoelektriske elementer.

Problemet med slike termoelektriske elementer, enten de er på jorden, eller veldig langt borte, er virkningsgraden. Den er lav og har ligget mellom fire og syv prosent. Håpet er at den skal kunne utvikle seg til over 10 prosent.

Få med deg «Nordic EV Summit 2017» den 7. februar 2017.

Kommentarer (13)

Kommentarer (13)