Hukkalämpö hyötysähköksi parempien ja halvempien termosähköisten materiaalien avulla

 
Väestönkasvun ja teknologian kehityksen myötä energiankulutus maailmalla tulee väistämättä lisääntymään, ja riippumatta siitä miten energiaa tuotetaan, tuotannon hyötysuhteet eivät ole vielä globaalissa mittakaavassa kestävällä tasolla. Valtaosa sähköstä tuotetaan lämpövoimakoneilla, ja näissä prosesseissa syntyy suuri määrä hukkalämpöä. Hyödyntämällä myös hukkalämpö, esimerkiksi muuntamalla sitä sähköenergiaksi termosähköisen ilmiön avulla, energiantuotannon hyötysuhdetta voidaan parantaa.

Termosähköisten materiaalien käytössä ongelmaksi muodostuu tällä hetkellä niiden suhteellinen tehottomuus, ja parhaimpien materiaalien kohdalla raaka-aineiden harvinaisuus. Jotta energiantuotannon tehostamiseen voidaan vastata riittävällä laajuudella, on käytettävien termosähköisten moduulien koostuttava halvoista materiaaleista. Yksi CloseLoop-projektin teemoista on tehokkaiden termosähköisten oksidimateriaalien löytäminen ja syntetisoiminen käyttäen maankuoressa runsaasti esiintyviä metalleja kuten sinkkiä ja kuparia.
Yksinkertaisten materiaalien termosähköistä tehokkuutta voidaan lähes poikkeuksetta parantaa entisestään, tiettyyn rajaan saakka. Yleisesti hyväksi havaittu strategia termosähköisten ominaisuuksien parantamiseksi on materiaalin seostaminen, yleensä pienellä määrällä vierasmetallia. Tätä on tehty elektroniikkateollisuudessa puolijohdemateriaaleille jo pitkään, sillä se mahdollistaa käytettyjen materiaalien elektronisten ominaisuuksien yksityiskohtaisemman ja hallitun muokkauksen. Hiljattain havaittiin myös, että termosähköistä tehokkuutta voidaan parantaa seostamalla metallioksideja orgaanisilla yhdisteillä, kuten hydrokinonilla (Kuva 1). Tällöin tehokkuuden paranemisen lisäksi myös valmistuksessa tarvittavien metallisten raaka-aineiden määrä vähenee.

14.9.2017v1

Kuva 1. Malli orgaanisella yhdisteellä seostetun termosähköisen sinkkioksidin rakenteesta.

 

Yhtenä tavoitteena on myös lopulta tuottaa uusista materiaaleista valmiita termosähköisiä moduuleja ja tehdä materiaaleille elinkaarianalyysi, saatavuus ja kierrätys huomioon ottaen. Suljettuun materiaalikiertoon pääsy edellyttää jo tuotteen suunnitteluvaiheessa sen koko elinkaaren huomioimista aina valmistusprosessista käytettyjen materiaalien talteenottoon tuotteen elinajan päätyttyä. Tässä on myös syytä huomioida termosähköisten laitteiden erinomainen kestävyys. Moduuleissa ei ole lainkaan liikkuvia osia, joten mekaanista kulumista ei pääse tapahtumaan. Edustavin esimerkki termosähköisten elementtien kestävyydestä löytyy Voyager 2 avaruusluotaimesta, joka saa virtansa termosähköisen ilmiön avulla tälläkin hetkellä, 40 vuotta luotaimen laukaisun jälkeen.

14.09.2017v2

Kuva 2. Esimerkki moduuliarkkitehtuurista. Yksi moduuli koostuu useasta sarjaan kytketyistä termosähköelementistä.

FM Jarno Linnera (jarno.linnera@aalto.fi)
Apulaisprofessori Antti Karttunen (antti.karttunen@aalto.fi)
Aalto-yliopisto, kemian ja materiaalitieteen laitos.

Share on LinkedInShare on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+