Een nieuw 3D-geprint thermo-elektrisch apparaat, die warmte omzet in elektrische energie met een efficiëntiefactor die meer dan 50% hoger is dan de vorige beste voor gedrukte materialen - en die goedkoop in bulk kan worden geproduceerd - is vervaardigd door onderzoekers van het SPECIFIEKE innovatie- en kenniscentrum van Swansea University.

Ongeveer een zesde van alle energie die door de industrie in het VK wordt gebruikt, eindigt momenteel als afvalwarmte, uitgestoten in de atmosfeer. Dit benutten om elektriciteit op te wekken zou een enorme stap voorwaarts kunnen zijn in het helpen van de industrie om haar energierekening te verlagen en haar ecologische voetafdruk te verkleinen.

Thermo-elektrische materialen zetten temperatuurverschillen om in elektriciteit, of vice versa. Ze worden gebruikt in koelkasten, energiecentrales en zelfs sommige slimme horloges die worden aangedreven door lichaamswarmte.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat een materiaal genaamd tinselenide (SnSe), een verbinding bestaande uit tin (Sn) en selenium (Se), heeft een hoog potentieel als thermo-elektrisch materiaal. Het probleem is dat de methoden die worden gebruikt om het te vervaardigen veel energie vergen en daarom duur zijn.

Hier komt het werk van de Swansea-onderzoekers om de hoek kijken. De techniek die ze hebben ontwikkeld, is in potentie zeer goedkoop voor de industrie, omdat hiermee SnSe-thermo-elektrische generatoren snel en eenvoudig in grote hoeveelheden kunnen worden geproduceerd.

Het team formuleerde tinselenide tot een soort inkt die ze konden printen om de eigenschappen te testen. De volgende stap was het ontwikkelen van een soort 3D-printtechniek om van de inkt een kleine thermo-elektrische generator te maken.

De experimenten van het team toonden aan dat het materiaal recordscores opleverde voor efficiëntie in prestaties, die wordt gemeten door de "Figuur van Verdienste" (ZT).

• Het element van het Swansea-team behaalde een ZT-waarde (een maatstaf voor de efficiëntie van de thermo-elektrische generatoren) van maximaal 1,7
• De vorige beste ZT-score voor een bedrukt thermo-elektrisch materiaal was 1,0
• Dit betekent een efficiëntiepercentage - voor het omzetten van warmte in elektriciteit - voor het team van Swansea van ongeveer 9,5%, vergeleken met 4,5% voor de vorige beste

De doorbraak kan met name gunstig zijn voor industrieën waar hoge temperaturen bij het productieproces betrokken zijn. Een voorbeeld is de staalproductie, die enorme hoeveelheden warmte genereert en een enorm elektrisch vermogen vereist. Het recyclen van de warmte in energie heeft dus het potentieel om de energie-efficiëntie aanzienlijk te verhogen. Tata Steel zal een Ph.D. onderzoeker in het team om de industriële toepassing van de technologie te verkennen.

Het onderzoeksteam is afkomstig van SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre, een door de Swansea University geleid project dat technologieën ontwikkelt om de CO2-uitstoot te verminderen en laat zien hoe deze kunnen worden toegepast op gebouwen en de industrie.

Dr. Matt Carnie van de Universiteit van Swansea, die hoofdonderzoeker was voor dit werk, zei:

"Het omzetten van restwarmte in elektrische energie kan de energie-efficiëntie aanzienlijk verhogen, het verlagen van rekeningen en het verminderen van de CO2-uitstoot. Onze bevindingen tonen aan dat bedrukte thermo-elektrische materialen met tinselenide een veelbelovende stap vooruit zijn.

Het apparaat dat we hebben ontwikkeld, is het best presterende bedrukte thermo-elektrische materiaal dat tot nu toe is geregistreerd, waarbij de efficiëntiefactor met meer dan 50% is verbeterd in vergelijking met het vorige record. Het is ook goedkoop om in bulk te produceren in vergelijking met gevestigde productiemethoden.

Er is meer werk nodig, maar ons werk toont al aan dat deze techniek, efficiëntie en zuinigheid combineren, zou zeer aantrekkelijk kunnen zijn voor energie-intensieve industrieën."

Het papier is "3D-geprinte SnSe Thermo-elektrische generatoren met een hoog cijfer van verdienste", gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen .