Når strøm gir varme - og omvendt

Termoelektriske materialer kan gi enklere og mer driftssikre varmepumper. Og varme fra jordas indre og spillvarme fra kraftverk kan omdannes direkte til strøm.

Professor Johan Taftø ved Fysisk institutt på Universitet i Oslo har arrangert en liten demonstrasjon på kontoret sitt. To solide støttebein av aluminium settes ned i hvert sitt glass med isvann og varmtvann.

Støttebeina leder varmen til to små brikker, plassert tett mot hverandre. Disse brikkene er laget av halvledermaterialer, slike som også brukes i transistorer og annen elektronikk.

Men her har halvlederne en annen oppgave: De skal lage elektrisk strøm av varme. Fra halvlederne går ledninger til en liten elektromotor. Snart får den nok strøm til å snurre rundt på en propell.

Voyager-romsonden. Voyager 1 og 2 så like ut.  (Foto:NASA)
Voyager-romsonden. Voyager 1 og 2 så like ut. (Foto:NASA)

Et ørlite varmekraftverk, helt uten vanndamp og turbiner og andre mellomledd som gir energitap og kan bli slitt. Rett fra varme til strøm.

Varme i alle slags rom


Og teknologien er ikke ny. Romsondene Voyager 1 og 2 er på vei ut av vårt solsystem, etter over et tredjedels århundre i verdensrommet. Og radiosenderne virker fortsatt, takket være strøm fra termoelektriske elementer som i prinsippet er like de på kontoret til Taftø.

Forskjellen er at der Taftø bruker kaldt og varmt vann, bruker Voyager-sondene iskulden i det interstellare verdensrommet og varmen fra en klump radioaktivt plutoniumoksid.

Og Taftø er heller ikke først og fremst opptatt av det ytre rom. Snarere tvert imot: Hans termoelektriske elementer skal varme opp de indre rom – stue, kjøkken og andre lune kroker der man kan søke tilflukt for den norske vinteren.

For de termoelektriske elementene kan virke begge veier: Varme til strøm, og strøm til varme. Og blant de lovende anvendelsene av varmeelementer som utvikles her er varmepumper. Taftø snakker varmt for dem.

Enkle og pålitelige

- Termoelektriske varmepumper har flere fordeler. Ingen miljøskadelige gasser, ingen kompressor eller rørledninger som kan lekke, slik som i vanlige varmepumper. Og de er enkle og driftssikre, understreker han.

Klimahuset i Stavanger brukes til å simulere et kontrollert uteklima. (Foto: Jan Kåre Bording, Universitetet i Stavanger)
Klimahuset i Stavanger brukes til å simulere et kontrollert uteklima. (Foto: Jan Kåre Bording, Universitetet i Stavanger)

- Dessuten kan termoelektriske varmepumper skaleres ned. Du kan ha en i hvert rom, slik at varmen blir spredd bedre i huset. Du kan til og med ha varmepumper mellom rommene for å flytte varmen mellom dem etter behov, forteller Taftø.


Og han snakker av erfaring. Disse forskerne prøver nemlig ut sine prinsipper i praksis. Ved Universitetet i Stavanger er det bygget et hus inni et hus for å måle effektiviteten til de termoelektriske varmepumpene som utvikles av Taftø og forskningsgruppen hans.

Utforsking av ytre og indre rom

- Vi har bygget et hus på seks ganger seks meter. Inne i dette huset kontrollerer vi et simulert uteklima, forteller professor Vidar Hansen fra Universitetet i Stavanger.

Inne i klimahuset er dette huset bygget for blant annet å prøve ut de termoelektriske varmepumpene. De settes inn i hullene nederst i veggene. (Foto: Jan Kåre Bording, Universitetet i Stavanger)
Inne i klimahuset er dette huset bygget for blant annet å prøve ut de termoelektriske varmepumpene. De settes inn i hullene nederst i veggene. (Foto: Jan Kåre Bording, Universitetet i Stavanger)

- Inne i dette huset har vi så to mindre hus der vi installerer varmepumpene. Vi bygger dem av standardelementer. De termoelektriske varmepumpene er verken kostbare å produsere eller installere, forteller han.


Sammen med Jan Kåre Bording har han vist at termoelektriske varmepumper kan konkurrere med dagens konvensjonelle varmepumper.

Mye å ta fatt på

- Termoelektriske varmepumper bruker ennå litt mer strøm, innrømmer Taftø. Men de haler innpå de konvensjonelle. Forskjellen er ikke så stor.

- Husk at de konvensjonelle varmepumpene er optimalisert i mange tiår. Vi har bare såvidt begynt på denne prosessen i Stavanger. Det er mye å ta fatt på, sier Taftø optimistisk.

- Og hvis det utvikles nye og mer effektive termoelektriske materialer, vil den optimaliseringen vi gjør komme disse materialene til gode, supplerer Hansen.

Varmepumpe med termoelektrisk element (Foto: Jan Kåre Bording, Universitetet i Stavanger)
Varmepumpe med termoelektrisk element (Foto: Jan Kåre Bording, Universitetet i Stavanger)

For det er her den tunge utviklingen av termoelektriske materialer skjer: nettopp i materialforskningen.

Samarbeid med USA


Taftø var med helt fra oppstarten av prosjektet Basic and Applied ThermoElectrics (BATE) her ved Fysisk institutt i 2006. Med støtte fra Forskningsrådet har BATE ekspandert voldsomt.

- Vi er store i antall, men det tar jo en tid før man er helt på toppen, sier Taftø beskjedent. Gruppen hans samarbeider likevel tett med andre miljøer, blant annet Jeff Snyder fra California Institute of Technology.

5. mai var Snyder medforfatter av en artikkel i tidsskriftet Nature. Artikkelen beskriver hvordan halvledermaterialene kan utvikles videre, slik at de gir mer varme for hver watt.

- Fortsatt brukes materialer som ble utviklet på 1960-tallet, forteller Taftø. - Men nå er det i ferd med å skje noe.

Godhetstallet

Det er tre krav til de termoelektriske materialene, og utfordringen er at to av kravene er dels motstridende.

- De må lede elektrisk strøm godt, og de må ha dårlig varmeledningsevne. Metaller leder strøm, men de leder også varme for godt. Derfor ender vi opp med halvledere, forteller Taftø.

Det siste kravet er at materialet må gi størst mulig elektrisk spenning ved en gitt temperaturforskjell.

Kombinasjonen av disse tre egenskapene definerer det som kalles godhetstallet, ZT.

I de nye materialene som Snyder presenterer i Nature, forespeiles en ZT på opp mot 2. Materialene som Taftø og gruppen hans prøver ut i Stavanger, har en ZT rundt 1. Likevel mener Taftø at disse varmepumpene kan optimaliseres til å bli konkurransedyktige på markedet.

Nye anvendelser

Dessuten, arbeidet som gjøres av Taftø, Snyder og flere andre vil kunne gi materialer som gir termoelektriske elementer en helt annen utbredelse.

- Ingen har noensinne beregnet en øvre grense for hvor stor ZT kan bli, sier Taftø.
Og jo større ZT, desto flere anvendelser. I første omgang har Taftø stor tro på å hente teknologien fra Voyager-sondene ned på jorda: å lage strøm av varme.

Johan Taftø med et kommersielt termoelektrisk element (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Johan Taftø med et kommersielt termoelektrisk element (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

- Spillvarme fra varmekraftverk kan utnyttes. Termoelektriske elementer kan monteres sammen med solceller og utnytte varmestrålingen i det infrarøde området. Eller de kan hente strøm fra varmen inne i jordkloden ved å bore dype hull, sier han.


- Til høsten arrangerer vi et internasjonal konferanse for materialforskere ved Blåfarveverket på Modum, forteller Taftø. Stedet er ikke tilfeldig valgt. Der det tidligere ble utvunnet kobolt fra Skuterudåsen, er det nå andre stoffer som har vakt interesse.

Skuteruditt

- Det har slumpet på at et lovende termoelektriske materiale finnes i mineralet skuteruditt, forteller Taftø.

- Forskere i Japan og Europa har tatt kontakt med oss, og bedt oss arrangere konferansen på Modum. De vil se skuterudittens hjemsted.

Taftø er for øvrig opptatt av det norske og lokale. Prosjektnavnet BATE er ikke tilfeldig valgt. Selv om det er en forkortelse for det engelske Basic and Applied ThermoElectrics, så er “bate” også et uttrykk hentet fra norrønt språk.

- Bate betyr fordel, framgang, nytte. De termoelektriske elementene skal gjøre nytte for seg, sier Taftø.

Og propellen snurrer fortsatt på pulten hans.

Lenker/referanser:

BATE-prosjektets nettsider

Jeffrey Snyder et. al., Convergence of electronic bands for high
performance bulk thermoelectrics
, Nature, nr. 473, 5. mai 2001 (sammendrag)

Artikkel oppdatert 25/3/2015

Powered by Labrador CMS