Mer kraft från spillvärme

Mer kraft från spillvärme

Tidsstämpel: 29 april 2023 4:22
Källnod: 2617004
29 april 2023 (Nanowerk Nyheter) När fossila bränslen, men även biobränslen, förbränns går stora mängder av energin förlorad som spillvärme. Termoelektriska material kan omvandla denna värme till elektricitet, men de är ännu inte tillräckligt effektiva för teknisk tillämpning. Ett team från Max Planck Institut für Eisenforschung har nu ökat effektiviteten hos ett termoelektriskt material genom att belysa mikrostrukturens inverkan på materialet och optimera materialets egenskaper genom att tillsätta titan. Kemin och atomarrangemanget av korngränsfaserna definierar elektrontransporten genom korngränserna Kemin och atomarrangemanget av korngränsfaserna definierar elektrontransporten genom korngränserna. Den titanrika korngränsfasen ger en ledande bana (vänster) medan den järnrika korngränsfasen är resistiv mot elektroner (höger). (Bild: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Klimatkrisen tvingar oss inte bara att fasa ut fossila bränslen, utan också att spara energi. Särskilt där fossila bränslen ännu inte kan ersättas så snabbt bör de åtminstone användas effektivt – till exempel genom att generera el från spillvärmen från energikrävande industrianläggningar eller kraftverk. För närvarande går cirka 17 procent av energin som används inom europeisk industri förlorad som spillvärme. Den kunde utnyttjas med hjälp av termoelektriska material. I sådan termoelektrik genereras en elektrisk spänning när de utsätts för en temperaturskillnad. Emellertid är nuvarande termoelektrik inte tillräckligt effektiv för att användas i stor industriell skala. En forskargrupp ledd av det Düsseldorfbaserade Max Planck Institut für Eisenforschung har nu lyckats optimera en termoelektrisk, eftersom materialen är kända i teknisk jargong, och därmed kommit närmare industriell användning. Teamet publicerade sina resultat i tidskriften Avancerade energimaterial ("Korngränsfaser i NbFeSb halv-Heusler-legeringar: En ny väg för att justera transportegenskaper hos termoelektriska material"). Teamet studerade en legering av niob, järn och antimon som omvandlar spillvärme till elektricitet vid temperaturer från cirka 70 till mer än 700 grader Celsius med en verkningsgrad på åtta procent – ​​vilket gör legeringen för närvarande till en av de mest effektiva termoelektriska materialen. Endast ett material tillverkat av vismut och tellur uppnår liknande värden. Vismuttellurid är dock endast lämplig för användning vid relativt låga temperaturer och är mekaniskt mindre stabil än den termoelektriska gjorda av niob, järn och antimon. Dessutom är dess beståndsdelar mindre lättillgängliga.

Titan förbättrar den elektriska ledningsförmågan

För att ytterligare öka effektiviteten hos termoelektriken gjord av niob, järn och antimon fokuserade forskarna på dess mikrostruktur. Liksom de flesta metaller är termoelektriska material sammansatta av små kristaller. Kompositionen och strukturen hos kornen, liksom egenskaperna hos utrymmena mellan dem, så kallade korngränser, är avgörande för termoelektriska materials termiska och elektriska ledningsförmåga. Tidigare forskning har visat att korngränser minskar både den termiska och elektriska ledningsförmågan hos materialet. För högsta möjliga verkningsgrad bör värmeledningsförmågan vara så låg som möjligt så att värmen, det vill säga energin, stannar kvar i materialet. Den elektriska ledningsförmågan bör dock vara hög för att omvandla så mycket värme som möjligt till elektricitet. Målet för teamet från Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (USA) och Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden var därför att optimera korngränserna på ett sådant sätt att endast den termiska konduktiviteten minskar, men inte den elektriska ledningsförmågan. "Vi använde sveptransmissionselektronmikroskop och atomsonder för att studera legeringens mikrostruktur ner till atomnivå", säger Ruben Bueno Villoro, doktorand vid Max Planck Institut für Eisenforschung. "Vår analys har visat att korngränser måste optimeras för att förbättra elektriska och termiska egenskaper." "Ju mindre korn i materialet, desto högre antal korngränser och desto sämre elektrisk ledningsförmåga", förklarar Siyuan Zhang, projektledare i samma forskargrupp. ”Det är inte meningsfullt att öka storleken på kornen i materialet, eftersom större korn skulle öka värmeledningsförmågan och vi skulle förlora värme och därmed energi. Därför var vi tvungna att hitta ett sätt att öka den elektriska ledningsförmågan trots de små kornen.” Forskarna löste problemet genom att berika materialet med titan, som bland annat ackumuleras vid korngränserna och ökar den elektriska ledningsförmågan. På så sätt ökade de legeringens termoelektriska verkningsgrad med upp till 40 procent. För praktiska tillämpningar behöver dock effektiviteten fortfarande öka avsevärt.

Nästa steg: selektiv anrikning av titan vid korngränserna

Nu analyserar forskargruppen sätt att selektivt tillsätta titan endast till korngränserna utan att berika hela materialet med titan. Denna strategi sparar kostnader och bevarar till stor del den ursprungliga kemiska sammansättningen av det termoelektriska materialet. Den aktuella forskningen visar hur funktionella egenskaper kan kopplas till atomstrukturen hos ett material för att specifikt optimera vissa egenskaper.

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk