lu.se

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA

Lunds universitet

Denna sida på svenska This page in English

El av spillvärme

Termisk elektricitet
Sven Lidin.

En bil omvandlar bara en mindre del av den energi den använder till rörelse. Det mesta blir värme till ingen nytta. En del av den värmen skulle dock kunna omvandlas till elektricitet och åtminstone ersätta bilens generator, vilket faktiskt skulle spara bränsle.

Detta är en av tankarna bakom professor Sven Lidins forskning om termoelektriska material, ett sätt att utvinna småskalig spillvärme.

Sådana material finns och används exempelvis i rymdsonder i vårt solsystems ytterkanter där solfångare inte längre fungerar. Där omvandlas värmen från ett radioaktivt material till en elektrisk ström via ett sådant material för att driva instrumenten ombord.

Hans forskning i materialteknik är ännu grundvetenskaplig. Han har ett stort startanslag sedan han rekryterades till LU och LTH från Stockholms universitet för ett par år sedan. Sven Lidin har också nyare medel från Vetenskapsrådet och han har hjälp av två doktorander på Avdelningen för polymer- och materialkemi i Kemicentrum.

– Grundprincipen är mycket enkel, säger Sven Lidin. På samma sätt som du får högre energi och högre tryck i gasen i den varmare änden av ett rum så får du högre energi i elektronerna i en varm ända av ett metallstycke och en ström bildas mot den kallare sidan.

Utmaningen är att det är en ineffektiv process. Det gäller att hitta material som leder ström bra. Värmeledningsförmågan får å andra sidan inte vara hög för det kortsluter systemet. En fördel är att tekniken är driftsäkert utan rörliga delar.

Ett lämpligt ställe att använda tekniken kan vara avgassystemet i en bil – särkilt i en lastbil är elbehovet stort. Däremot är ”kostnaden” för ta ut el ur motorns drivmoment väldigt hög. Den ökar energiförlusterna. Att ladda med el skapad av inbromsning är en bra idé i t ex en hybridbil. Men genom spillvärme fås en kontinuerlig tillförsel.

Tekniken finns alltså i väldigt speciella tillämpningar som i rymdkapslar och klockor som drivs av kroppsvärme. Men den stora användningen idag är den omvända – till kylning.

– Detta har inte samma gröna förtecken, för det är en besvärlig process att flytta värme ”uppför backen”. Tekniken fungerar bra till små kylskåp, i kylplattor på restaurangen och de är standard i kylning av laptops. Det finns även kylda bilsäten. Tekniken är skalbar och robust då den saknar rörliga delar.

Orsaken till att en laptop blir så varm i knät är paradoxalt nog kylningen, berättar Sven. En extremt liten enhet kyls och det som ventileras bort kyls igen. En kaskad av kylare pumpar värme på grund av oundviklig ineffektivitet i alla kylprocesser.

Lidin tänker sig att ”skörda värme” från lastbilars avgasrör strax efter katalysatorn, där det är uppåt 1.000 grader. Man kan t ex använda blytellurider, men vikten hos det materialet blir ett praktiskt problem.

– För att få stor termoelektrisk effekt vill man ha ett material med högt bandgap. Metall har därför dålig effekt, de energirikaste elektronerna har du i halvledare, gärna komplexa sådana. Jag jobbar med att ta fram halvledare med bra termoelektriska egenskaper och minskar deras värme-ledande förmåga genom att påverka deras atom- eller mikrostruktur. Material som segregerar till två olika faser bromsar värmen, som rör sig som ljudvågor i materialet. Det gäller också att optimera den värmeelektriska förmågan, vilket är precis lika svårt.

För sådana nya material finns det ingen teoretisk effektivitetsgräns. Men för användning i stor skala måste de vara billiga, tåliga och inte toxiska. Idag används mest tellur, bly och vismuth, som inte är några gröna drömmaterial och ofta är för dyra för praktisk användning.

– Forskningen följer två linjer: min egen som söker orsaken till förbättringar, som vi hoppas kunna applicera på enklare material och den som söker billiga material direkt. I Linköping arbetar t ex en grupp med polymerer som kan vävas in i textiler för att ladda en mobil eller driva GPS-signaler med kroppsvärmen.

TEXT OCH FOTO: MATS NYGREN