Varmeelektriske celler kan blir et nytt «soleventyr»

Termoelektriske moduler i form av tynne plater, ikke ulike de vi kjenner fra solceller, kan bli nok en kilde til strøm. Slike elementer brukes allerede til å generere strøm fra ulike varmekilder. I verdensrommet lager de strøm fra en radioaktiv varmekilde når solceller ikke lenger duger på grunn av avstanden.

Er det snakk om veldig mye varme er nok en dampsyklus en bedre måte å lage strømmen på, men såkalte termoelektriske elementer har mange fordeler.

De kan enkelt festes til varme overflater og når de får en «kald» bakside kan de stå å generere strøm så lenge varmedifferensialet er til stede. Det er ikke behov for vedlikehold, ikke ulikt solceller.

Kan bli en ny måte å skape strøm på

Det mangler ikke på varme flater rundt om i verden. Kan vi kle dem med termoelektriske elementer kan vi potensielt få en ny måte å skape strøm på.

Både med tanke på utseende og hvordan elementer virker, minner termoelektriske celler om solceller. De bygges som én til to millimeter tykke plater, som har millimetersmå terninger koblet i serie. De er vekselvis laget av N- og P-type halvledere og som utnytter såkalte PN-overganger i materialene for å skape strøm.

Termoelektriske elementer høres nytt og spennende ut, men teknologien er ikke ny. Slike elementer har eksistert lenge og har funnet sine anvendelsesområder. Selve prinsippet ble oppdaget av den tyske fysikeren Thomas Johann Seebeck allerede i 1821 og kalles ofte for Seebeck-effekten.

Dagens byggematerialer i termoelektriske elementer er neppe de som vil få en mulig nye kraftindustri til å ta av. De fleste er laget av vismut-tellurid - Bi₂Te_3, som er en halvleder. Ved å dope materialet med for eksempel antimon og selenid får man varianter av materialet med overskudd eller underskudd av elektroner (kalles hull) i det ytre elektronskallet. Ved å bygge små søyler av slike materialer mellom den varme og den kalde siden kan man generere en strøm.

• 149 lamper på til sammen 350 kilowatt: Verdens største kunstige sol kan gjøre hydrogenproduksjon karbonfri

Dyre og har lav virkningsgrad

Problemet med dagens elementer er at de er dyre, har lav virkningsgrad og materialene de bygges av er giftige. Ingen god resept for de som ønsker å gjenta det som har skjedd med solceller.

Men den norske silisiumprodusenten Elkem ønsker å gjøre noe med det. De kan utnytte slike elementer for å hente tilbake strøm fra sin egen produksjon, og de ser for seg muligheten til å komme inn på markedet for materialene de bygges av.

Elkem tror det er mulig å bruke silisium til å bygge fremtidens termoelektriske elementer. Som en av de største produsentene i verden er det et material de kjenner inn og ut.

De er de eneste som har klart å fremstille silisium til solceller metallurgisk. Andre bruker den såkalte Siemens-metoden som er langt mer energikrevende og kostbar. Klarer de posisjonere silisium som et materiale til termoelektriske elementer kan det betyr en betydelig økning av silisiumproduksjonen deres.

– Det ideelle materialet for termoelektriske elementer er et som har høy elektrisk ledningsevne og lav termisk ledningsevne. Silisium, som er interessant for oss, har for høy termisk ledningsevne, men det betyr jo ikke at døra er lukket. Vi jobber langs silisiumsporet for å se hva som kan gjøres. Det er jo mulig å tenke seg legeringer eller strukturer som reduserer den termiske ledningsevnen. Hva vi gjør er selvfølgelig hemmelig, men vi er på saken, sier teknisk direktør i Elkem, Håvard Moe.

• Dynatec: Norsk selskap lager silisium til solcellepaneler 60 ganger raskere enn vanlig

Kan utnytte spillvarme

Han tror ikke dagens elementer basert på vismut-tellurid kan bli et stort marked. Det er for mange showstoppere som er vanskelig å komme rundt.

Klarer de å modifisere silisium kan markedet blir formidabelt. Verden er full av termiske gradienter som kan generere strøm. Motorer, maskiner og prosesser av alle slag vil kunne bidra. Til og med solceller kan bli et nytt marked.

– Det kan blir temmelig varmt i en solcelle når solen skinner. Ved å feste et termoelektrisk element på baksiden kan det konvertere noe av varmen til strøm. Forutsetningen er at det også er en kald side, men det kan løses med kjøleribber eller væskekjøling. Det kan være at virkningsgraden fra solcellen vil lide litt, men totalvirkningsgraden i systemet burde øke. På samme måte kan teknologen brukes til å få mer strøm ut fra brenselceller. De produserer jo en god del varme som går tapt, sier han.

De beste termoelektriske elementene i dag kan ha en virkningsgrad opp mot 10 prosent. Det er for lite til at dette er økonomisk interessant. Men kommer den opp på 15 blir situasjonen en annen. Da kommer teknologien inn i det samme sporet som har gitt oss solcelleindustrien.

– Det er mange likheter mellom termoelektriske elementer og solceller. Teknologien er enkel i bruk. Det er ingen bevegelige deler og den kan brukes overalt der det er et termisk differensial som i eksossystemer, varmeskjermer og så videre, sier Moe.

• TU Ekstra (abo.): Det grå, finknuste silisiummaterialet brukes i smarttelefoner over hele verden

EU-prosjekt

Elkem vurderer termoelektriske elementer både som sluttbruker og som produsent. De deltar i et stort EU-prosjekt, INTEGRAL, der målet er å utvikle termoelektriske elementer for bruk i transportsektoren og i industrien. I INTEGRAL er Elkem med som sluttbruker, fordi de trenger å hente ut strøm fra all varmen de genererer i de industrielle prosessene.

Samtidig holder Elkem på å utvikle nye materialer basert på silisium sammen med en annen norsk bedrift, TEGma i Kristiansand, i prosjektet TESil, støttet av norsk forskningsråd gjennom programmet EnergiX.

– Hvis vi lykkes kan dette bli mye større enn den den virksomheten vi har i i Elkem Solar i Kristiansand, hvor vi lager metallurgisk solcelle-silisium. Kanskje opp mot 20.000-30.000 tonn årlig. Men det vil ta tid. Først må vi utvikle teknologien og så må det bygges produksjonskapasitet. Det tok 15 år å utvikle Elkem Solar, sier han.

• Vil ta i bruk sol og vind: Gigantiske bassenger skal gi fjernvarme uten bruk av ild

Tar et par år

Elkem tror det vil ta et par år å fremstille ny teknologi for termoelektriske elementer basert på silisium eller sillisider, som er silisium legert med mangan eller magnesium.

Dagens termoelektriske teknologi krever at det investeres mellom 10 og 20 dollar for hver watt produksjonskapasitet. Det begrenser markedsstørrelsen til helt spesielle nisjer, men det var også her solcelleteknologien var i starten.

Når prisen faller under fem dollar, tror Moe vi vil få en betydelig vekst.

Termoelektriske elementer har fordelen av at de kan produsere strøm kontinuerlig så lenge varmedifferensialet er til stede. Solceller produserer bare når solen skinner.

– Kanskje dette blir et nytt eventyr, selv om det er vanskelig å spå om fremtiden. Alle bommet på solceller og hvor stort det ble, sier Moe.

• Edvard skisserte en enebolig på 150 kvadrat: Men endte opp med et 60 kvadrats plusshus