Mer kraft fra spillvarme

Mer kraft fra spillvarme

Tidsstempel: 29. april 2023 4:22
Kilde node: 2617004
29. april 2023 (Nanowerk Nyheter) Når fossilt brensel, men også biodrivstoff, brennes, går store mengder av energien tapt som spillvarme. Termoelektriske materialer kan omdanne denne varmen til elektrisitet, men de er ennå ikke effektive nok for teknisk bruk. Et team fra Max Planck Institut für Eisenforschung har nå økt effektiviteten til et termoelektrisk materiale ved å belyse påvirkningen av mikrostrukturen på materialet og optimalisere materialets egenskaper ved å tilsette titan. Kjemien og atomarrangementet til korngrensefasene definerer elektrontransporten gjennom korngrensene Kjemien og atomarrangementet til korngrensefasene definerer elektrontransporten gjennom korngrensene. Den titanrike korngrensefasen gir en ledende bane (venstre) mens den jernrike korngrensefasen er motstandsdyktig mot elektroner (høyre). (Bilde: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Klimakrisen tvinger oss ikke bare til å fase ut fossilt brensel, men også å spare energi. Spesielt der fossile brensler ennå ikke kan erstattes så raskt, bør de i det minste brukes effektivt – for eksempel ved å generere elektrisitet fra spillvarmen fra energikrevende industrianlegg eller kraftstasjoner. I dag går rundt 17 prosent av energien som brukes i europeisk industri tapt som spillvarme. Det kan utnyttes ved hjelp av termoelektriske materialer. I slik termoelektrikk genereres en elektrisk spenning når de utsettes for en temperaturforskjell. Imidlertid er dagens termoelektriske ikke effektive nok til å brukes i stor industriell skala. Et forskerteam ledet av det Düsseldorf-baserte Max Planck Institut für Eisenforschung har nå lykkes med å optimere en termoelektrisk, slik materialene er kjent i teknisk sjargong, og kommer dermed nærmere industriell bruk. Teamet publiserte funnene sine i tidsskriftet Avanserte energimaterialer ("Korngrensefaser i NbFeSb halv-Heusler-legeringer: En ny vei for å justere transportegenskapene til termoelektriske materialer"). Teamet studerte en legering av niob, jern og antimon som konverterer spillvarme til elektrisitet ved temperaturer fra ca. 70 til mer enn 700 grader Celsius med en effektivitet på åtte prosent – ​​noe som gjør legeringen for tiden til en av de mest effektive termoelektriske. Bare et materiale laget av vismut og tellur oppnår lignende verdier. Vismuttellurid er imidlertid kun egnet for bruk ved relativt lave temperaturer og er mekanisk mindre stabil enn termoelektriske laget av niob, jern og antimon. I tillegg er dets bestanddeler mindre tilgjengelige.

Titan forbedrer elektrisk ledningsevne

For ytterligere å øke effektiviteten til termoelektriske laget av niob, jern og antimon, fokuserte forskerne på mikrostrukturen. Som de fleste metaller er termoelektriske materialer sammensatt av små krystaller. Sammensetningen og strukturen til kornene, samt egenskapene til mellomrommene mellom dem, kjent som korngrenser, er avgjørende for termoelektriske materialers termiske og elektriske ledningsevne. Tidligere forskning har vist at korngrenser reduserer både den termiske og elektriske ledningsevnen til materialet. For høyest mulig virkningsgrad bør varmeledningsevnen være så lav som mulig slik at varmen, altså energien, blir værende i materialet. Den elektriske ledningsevnen bør imidlertid være høy for å konvertere mest mulig varme til elektrisitet. Målet til teamet fra Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (USA) og Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden var derfor å optimere korngrensene på en slik måte at kun den termiske ledningsevnen reduseres, men ikke den elektriske ledningsevnen. "Vi brukte skanningstransmisjonselektronmikroskoper og atomsonder for å studere mikrostrukturen til legeringen ned til atomnivå," sier Ruben Bueno Villoro, doktorgradsstudent ved Max Planck Institut für Eisenforschung. "Vår analyse har vist at korngrenser må optimaliseres for å forbedre elektriske og termiske egenskaper." "Jo mindre kornene i materialet er, jo høyere antall korngrenser og jo dårligere elektrisk ledningsevne," forklarer Siyuan Zhang, prosjektleder i samme forskningsgruppe. «Det er ikke fornuftig å øke størrelsen på kornene i materialet, fordi større korn vil øke varmeledningsevnen og vi vil miste varme og dermed energi. Derfor måtte vi finne en måte å øke den elektriske ledningsevnen til tross for de små kornene.» Forskerne løste problemet ved å berike materialet med titan, som blant annet samler seg ved korngrensene og øker den elektriske ledningsevnen. På denne måten økte de den termoelektriske virkningsgraden til legeringen med opptil 40 prosent. For praktiske bruksområder må imidlertid effektiviteten øke betydelig.

Neste trinn: selektiv anrikning av titan ved korngrenser

Nå analyserer forskerteamet måter å selektivt tilsette titan kun til korngrensene uten å berike hele materialet med titan. Denne strategien sparer kostnader og bevarer i stor grad den opprinnelige kjemiske sammensetningen til det termoelektriske materialet. Den nåværende forskningen viser hvordan funksjonelle egenskaper kan knyttes til atomstrukturen til et materiale for å spesifikt optimalisere visse egenskaper.

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk