Artikkel

Magiske materialer lager elektrisk kraft fra spillvarme

Truls Norby i laboratoriet
Termoelektriske materialer kan produsere elektrisk kraft helt uten bruk av bevegelige deler. Dermed blir de veldig slitesterke, forteller professor Truls Norby. Foto: Ola Sæther, UiO. Bruk bildet.

Magiske materialer lager elektrisk kraft fra spillvarme

Termoelektriske materialer har skumle navn som koboltfosfid, sinkantimonid og blytellurid: Dette er giftige saker. Men de er også nesten magiske, fordi de kan utnytte temperaturforskjeller til å lage elektrisk kraft.
Flytende metall i et smelteverk
Termoelektriske materialer kan blant annet brukes til å utnytte spillvarmen fra smelteverk. Foto: Colourbox

Universitetet i Oslo skal bruke nesten 100 millioner kroner de kommende fire årene til en storsatsing på innovasjon. Satsingen er organisert i to såkalte innovasjons-klynger.

Professor Truls Norby ved Kjemisk institutt leder den ene klyngen, som skal bruke termoelektriske materialer til å utnytte spillvarmen fra smelteverk og andre prosesser som avgir mye slik varme, det være seg i industrien eller for eksempel i avgassystemer fra biler.

Termoelektriske materialer har egenskaper som virker nesten magiske: Hvis et panel eller en modul med et par av slike materialer plasseres i en temperaturgradient, slik at de motsatte endene av panelet har ulik temperatur, begynner panelet å produsere elektrisk kraft som kan hentes ut.

Det omvendte er også mulig: Hvis det sendes elektrisk strøm inn i et termoelektrisk panel, kan det bli avkjølt i den ene enden og varmet opp i den andre.

Interessert i flere nyheter om realfag og teknologi? Meld deg på vårt ukentlige nyhetsbrev.

Varer lenge, lite vedlikehold

– Dette betyr at termoelektriske materialer kan brukes til å produsere elektrisk kraft i en temperaturgradient, helt uten bruk av bevegelige deler som for eksempel turbiner eller pumper. Paneler lagd av slike materialer kan derfor brukes i veldig mange år, og vedlikeholdskostnadene er minimale, forteller Truls Norby.

Til tross for disse fordelene, er termoelektriske materialer fortsatt forholdsvis like brukt.

Hvis du har en nyere bil med kjøling i hanskerommet, står det kanskje et lite Peltier-element der inne – og det er basert på termoelektrisk kjøling. Men de virkelige store og utbredte anvendelsene har latt vente på seg, fordi materialene også har noen ulemper:

– Termoelektriske materialer har blant annet en tendens til å være giftige. De er også forholdsvis lite effektive, i den forstand at de i beste fall kan omgjøre ca. 10 prosent av den tilførte varme-energien til elektrisk kraft. I praktiske anvendelser snakker vi kanskje om bare 1-2 prosent.

– Men i store industriprosesser kan også noen få prosents effektivitet fort bli til ganske mange kroner, forklarer Truls Norby.

Små fotavtrykk gir konkurransefortrinn

Innovasjonsklyngen med navnet «Termoelektriske materialer for industriapplikasjoner» består i praksis av Truls Norby og andre professorer ved UiO, fire doktorgradsstipendiater, og en rekke små og store industripartnere.

Blant de store er Norsk Hydro og Elkem, som er interessert i å bruke termoelektriske materialer til å hente ut elektrisk kraft fra spillvarmen i flere fabrikkanlegg.

– De store bedriftene er blitt flinke til å bruke spillvarme til for eksempel oppvarming og varmegjenvinning, men det er fortsatt mye varme som bare blir sluppet ut. Dessuten har bedriftene innsett at det er et konkurransemessig fortrinn på det internasjonale markedet hvis de kan levere salgbare produkter med et lavere CO2- eller energifotavtrykk enn konkurrentene. Dermed blir det ekstra interessant å hente ut noe av energien i spillvarmen, og kjøre den tilbake inn i prosessens energiregnskap. Dette er også teknologi som kan være velegnet i for eksempel sementfabrikker, sier Norby.

Han tenker seg at innovasjonsklyngen skal komme langt i å utvikle paneler som kan plasseres for eksempel på utsiden av en smelteovn eller et varmt avgassrør. Der kan panelene produsere elektrisitet som oppstår på grunn av varmeforskjellen i forhold til omgivelsene.

Professor Truls Norby
Professor Truls Norby leder en innovasjonsklynge - det betyr at forskerne ikke starter på "scratch". Foto: Ola Sæther, UiO.

– Det er viktig at vi finner løsninger som ikke kompliserer selve produksjonsanlegget eller gir nedetid i industriprosessen, påpeker Norby.

Halvmetaller og skutteruditter

Det finnes mange ulike typer termoelektriske materialer. De mest effektive materialene tåler ikke veldig høye temperaturer og varer kanskje ikke så lenge, og er nokså giftige.

– De mindre effektive materialene tåler derimot høyere temperaturer og varer lenger, og er mindre giftige. Det er jo et interessant dilemma for en forsker, påpeker Norby.

Mange termoelektriske materialene består av såkalte halvmetaller – som fosfor, antimon og tellur – i kombinasjon med kobolt og andre innskuddsmetaller.

– Vi har noen favoritt-materialer som for eksempel koboltfosfid, sinkantimonid og blytellurid. Du hører nesten bare på navnet at dette er materialer som ikke bør havne i tekoppen, så det er viktig å ta HMS-arbeidet på alvor når man skal bruke disse, forteller Norby.

En spesiell gruppe av disse materialene heter skutteruditter og er oppkalt etter gården Skuterud i nærheten av Blaafarveverket på Modum i Buskerud. Skutterudittene inneholder mye kobolt, som også dannet grunnlaget for glassproduksjonen ved Blaafarveverket – og gården Skuterud er langt på vei blitt et valfartssted for internasjonale forskere som er interessert i skutteruditter.

– På Skuterud er de blitt så lei av busser med japanske forskere som skal ta "selfier" foran innkjøringen til gården at de har satt opp et «Keep out»-skilt, forteller Norby.

Den andre klassen av termoelektriske materialer består av oksider, som er mer stabile og tåler høyere temperaturer i oksygenholdig atmosfære. Norby forteller at utviklingen av oksid-materialene ikke er kommet like langt som når det gjelder fosfidene, antimonidene og telluridene.

Skal ikke starte fra "scratch"

– Dette er en innovasjonsklynge, og det betyr at vi ikke skal starte helt fra scratch. Vi skal isteden ta utgangspunkt i de materialene som allerede eksisterer, og bygge moduler som gjør at de virker i bedriftene, forteller Norby.

Blant de mindre industripartnerne i klyngen finnes blant annet Cerpotech på Heimdal utenfor Trondheim, som produserer og leverer termoelektriske materialer i pulverform.

Forskerne ved UiO skal også samarbeide med Kristiansand-bedriften Tegma, som har beregnet at ca. 60 prosent av verdens primære energiproduksjon går tapt i form av spillvarme. Tegma er en oppstartsbedrift som satser på utvikling og produksjon av termoelektriske moduler. En av gründerne er kjemikeren og seriegründeren Alf Bjørseth, som tidligere har hatt stor suksess med blant annet produksjon av solcellepaneler i Norge.

Professoren har tidligere vært med på å etablere to bedrifter. Han vant også Universitetet i Oslos innovasjonpris i 2012, men er fortsatt kledelig beskjeden på egne vegne.

– Etter at jeg vant innovasjonsprisen lærte jeg at jeg ikke visste nok om hva innovasjon er, og jeg har fortsatt ikke noe klart svar på hva det er. Men jeg vet i alle fall at det er veldig langt fra en oppfinnelse til noe som kan brukes i praksis.

– En innovatør trenger dessuten ikke være en oppfinner, det er like viktig å være en tilrettelegger eller en fasilitator, en som holder i trådene, eller en som vet hva markedet ikke vet at de trenger. Dessuten er det opplagt at innovasjon handler om mye hardt arbeid, om å ikke gi seg – og – dessverre – om ikke å være naiv, sier Norby.

Kontakt:

Professor Truls Norby, Kjemisk institutt

Les mer på Titan:

Mer informasjon:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Henrik Svensen

Steinbra formidler

Henrik Svensen ble tidlig bergtatt av steiner og Jordens eldgamle mysterier. Nå er han hedret for sitt arbeid med å bringe denne kunnskapen ut til folk.