Als land gaat meer dan de helft van wat we uitgeven aan energie verloren, volgens een rapport van het Lawrence Livermore National Laboratory.
Een van de belangrijkste boosdoeners is warmte. Fabrieken, zoals staalfabrieken, geven een enorme hoeveelheid energie af in de vorm van warmte - maar die warmte ontsnapt bijna altijd in de atmosfeer, waar het niet veel goeds kan doen.
Maar een team van wetenschappers die samenwerken tussen het Massachusetts Institute of Technology en de Stanford University hebben een nieuw type batterij ontwikkeld die kan helpen warmte-uitlaatgassen te benutten en terug te voeren naar het net, gebruik makend van een minder bekend principe dat het thermogalvanische effect wordt genoemd.
Tot nu toe was het grootste deel van het onderzoek rond de conversie van restwarmte gericht op thermo-elektrische energie. Thermo-elektrische generatoren zijn bijvoorbeeld de laatste jaren steeds populairder geworden. De systemen verplaatsen elektronen van de hete zijde van een geleidend materiaal, zoals metaal, naar de koele zijde; daar kunnen elektronen worden omgezet in stroom om apparaten van stroom te voorzien of een batterij op te laden. De generatoren worden gebruikt om dingen zoals radio- en telemetriesystemen op gasleidingen aan te drijven, als back-upstroombronnen voor onbemande onderzoekslocaties en zelfs als de hernieuwbare energiebron op de Mars Curiosity-rover.
Het systeem is zo bekend en goed onderzocht dat het al wordt gebruikt in consumentengerichte producten, waaronder de populaire BioLite CampStove.
Maar volgens Yi Cui, universitair hoofddocent aan Stanford, die de ontwikkeling van de nieuwe batterij heeft helpen leiden, kunnen thermo-elektrische generatoren niet voldoende energie oogsten uit grote fabrieken en fabrieken die niet zo heet worden als bijvoorbeeld een kampvuur.
De afvalwarmte die van een staalfabriek komt, is bijvoorbeeld niet heet genoeg (of de batterij kan niet voldoende worden afgekoeld) om een thermo-elektrische reactie te laten werken.
In nauwe samenwerking met een team van MIT onder leiding van Gang Chen, een onderzoeker met een diepe achtergrond in thermo-elektronica, ontwikkelde Cui in plaats daarvan een batterij die specifiek was ontworpen met de zogenaamde "low-grade" warmte in gedachten.
Het nieuwe concept is gecentreerd rond een redelijk standaard op water gebaseerde batterij met een positieve en negatieve elektrode. Het team plaatste een lege batterij in een gebied met veel afvalwarmte en begon deze vervolgens op te laden. Nadat de batterij volledig was opgeladen, koelden ze deze af tot kamertemperatuur, waarna deze werd ontladen - en de gekoelde batterij kan meer energie ontladen dan erin was geplaatst.
Dat is het thermogalvanische fenomeen op het werk.
"Een verandering in temperatuur veroorzaakt een verandering in vrije energie en het vermogen verandert veel, " zegt Cui. In feite neemt de batterij energie op van de afvalwarmte - anders verspilde energie die terug in het net zou kunnen worden teruggevoerd.
De batterijen kunnen, in tegenstelling tot thermo-elektrische systemen, momenteel niet volledig off-grid gaan, omdat ze een gelijkstroom nodig hebben om op te laden. Het idee is echter dat je daarvoor minder stroom uit het net moet halen.
Het team experimenteert nog steeds met hoe snel het de batterijen kan verwarmen en koelen en hoe vaak een cel kan worden gefietst voordat deze leeg is. In het laboratorium duurt het een paar uur voordat de batterij een laad-ontlaadcyclus heeft voltooid. Het team heeft geen enkele cel door meer dan 50 cycli geduwd.
Op dit moment hebben we geen duidelijk idee hoeveel vermogen een systeem als Cui kan produceren. Cui stelt zich uiteindelijk een circuit voor van meerdere cellen die in een fabriek kunnen worden geïnstalleerd. Terwijl de temperatuur van een cel stijgt door blootstelling aan afvalwarmte, gaat een andere in de koelcyclus.
"De helft laadt op bij een hoge temperatuur en de helft laadt op bij een lage temperatuur", zegt hij.
Op dit moment is het primaire doel in de fabriek geproduceerde restwarmte, maar Cui denkt dat het systeem in de toekomst elders zou kunnen worden toegepast. Het team kan ook experimenteren met andere batterijmaterialen waardoor het thermogalvanische effect kan worden toegepast op hogere warmteniveaus, zoals die geproduceerd door een open haard of een oven.
In een tijd waarin energieoogstsystemen al gemeengoed worden in het buitenland, kunnen systemen zoals Cui's van onschatbare waarde zijn voor het verkennen van nieuwe gebieden van energie in de Verenigde Staten. De komende jaren zal warmte uit de Londense metro worden gebruikt om ongeveer 1.400 huizen te verwarmen. En veel van de energie van Denemarken komt van afvalwarmte.
Met dit soort uitvindingen zouden we kunnen inhalen.
