Banebrydende 3-D-printet enhed sætter ny rekord for effektivitet

En ny 3-D printet termoelektrisk enhed, som omdanner varme til elektrisk kraft med en effektivitetsfaktor over 50 % højere end den tidligere bedste for trykte materialer – og er billig at producere i løs vægt – er blevet fremstillet af forskere ved Swansea Universitys SPECIFIKKE Innovations- og Videnscenter.

Omkring en sjettedel af al den energi, der bruges af industrien i Storbritannien, ender i øjeblikket som spildvarme, udsendes til atmosfæren. At udnytte dette til at skabe elektricitet kan være et stort skridt fremad i at hjælpe industrien med at reducere sine energiregninger og reducere sit CO2-fodaftryk.

Termoelektriske materialer omdanner temperaturforskelle til elektrisk energi, eller omvendt. De bruges i køleskabe, kraftværker og endda nogle smarte ure, der drives af kropsvarme.

Tidligere forskning har vist, at et materiale kaldet tinselenid (SnSe), en forbindelse bestående af tin (Sn) og selen (Se), har et højt potentiale som termoelektrisk materiale. Problemet er, at de metoder, der bruges til at fremstille det, kræver masser af energi og derfor er dyre.

Det er her Swansea-forskernes arbejde kommer ind i billedet. Teknikken, de har udviklet, er potentielt meget lavpris for industrien, fordi den gør det muligt at producere SnSe termoelektriske generatorer hurtigt og nemt i store mængder.

Holdet formulerede tin selenid til en type blæk, som de kunne udskrive for at teste dets egenskaber. Det næste skridt var at udvikle en type 3-D printteknik til at producere en lille termoelektrisk generator lavet af blækket.

Holdets eksperimenter viste, at materialet gav rekordscore for effektivitet i ydeevne, som måles ved "Figure of Merit" (ZT).

• Swansea-teamets element opnåede en ZT-værdi (et mål for termoelektriske generatorers effektivitet) på op til 1,7
• Den tidligere bedste ZT-score for et trykt termoelektrisk materiale var 1,0
• Dette betyder en effektivitetsgrad - for at omdanne varme til elektricitet - for Swansea-teamets element på omkring 9,5 %, sammenlignet med 4,5 % for det tidligere bedste

Gennembruddet kan især være til gavn for industrier, hvor høje temperaturer er involveret i fremstillingsprocessen. Et eksempel er stålfremstilling, som genererer enorme mængder varme og kræver enorm elektrisk strøm. Genanvendelse af varmen til el har derfor potentialet til at øge energieffektiviteten betydeligt. Tata Steel skal støtte en ph.d. forsker på holdet for at udforske den industrielle anvendelse af teknologien.

Forskerholdet er fra SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre, et Swansea University-ledet projekt, som udvikler teknologier til at reducere kulstofemissioner og demonstrerer, hvordan de kan anvendes til bygninger og industri.

Dr. Matt Carnie fra Swansea University, som var hovedforsker for dette arbejde, sagde:

"At omdanne spildvarme til elektrisk kraft kan øge energieffektiviteten betydeligt, skære ned på regninger og reducere CO2-emissioner. Vores resultater viser, at trykte termoelektriske materialer ved hjælp af tinselenid er en meget lovende vej frem.

Den enhed, vi udviklede, er det bedst ydende trykte termoelektriske materiale, der er registreret til dato, med effektivitetsfaktoren forbedret med over 50 % i forhold til den tidligere rekord. Det er også billigt at producere i løs vægt sammenlignet med etablerede fremstillingsmetoder.

Der er brug for mere arbejde, men allerede vores arbejde viser, at denne teknik, kombinere effektivitet og økonomi, kunne være meget attraktivt for energiintensive industrier."

Papiret er "3D-printede SnSe Thermoelectric Generators with High Figure of Merit", udgivet i Avancerede energimaterialer .