Fotovoltaïsche experts werken al jaren aan het verbeteren van de efficiëntie van zonnepanelen, met materialen die hun prestaties met wel 190% kunnen verbeteren. De grote resterende uitdaging van hernieuwbare energiebronnen, die al 60% van de in Nederland verbruikte energie produceren, is echter hun wisselvalligheid en de moeilijkheden bij het opslaan ervan. Hoewel er momenten van de dag zijn waarop het overschot aan energie uit hernieuwbare energiebronnen de elektriciteitsprijs naar een minimum brengt, is de onmogelijkheid om deze overtollige elektriciteit op een duurzame en effectieve manier op te slaan een enorme verspilling.
De grote hoop voor een elektriciteitsnet dat 100% gebaseerd is op hernieuwbare energiebronnen ligt in oplossingen zoals thermische batterijen gemaakt van stenen of zand en batterijen die gebaseerd zijn op thermofotovoltaïsche energie (TFV), zoals de batterij die ontwikkeld is door een team van het Instituut voor Zonne-energie en de Polytechnische Universiteit. Ditzelfde principe, waarbij overtollige energie wordt opgeslagen in de vorm van warmte en vervolgens weer wordt omgezet in elektriciteit, is de drijvende kracht achter Heat2Power, een bedrijf dat is opgericht door een multidisciplinair team van de Universiteit van Michigan (VS).
“Naarmate we het aandeel van hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet vergroten om onze doelstellingen op het gebied van decarbonisatie te bereiken, hebben we lagere kosten en een langere duur van de energieopslag nodig, aangezien de productie van zonne- en windenergie niet altijd samenvalt met het gebruik ervan ”, legt Andrej Lenert uit, universitair hoofddocent chemische technologie aan de Universiteit van Michigan en medeoprichter van Heat2Power. Hun oplossing? Ultramoderne thermofotovoltaïsche cellen die alle records op het gebied van efficiëntie van warmte naar elektriciteit kunnen breken.
Hoe het werkt
TFV cellen lijken op de zonnepanelen die we allemaal kennen, maar ze hebben een belangrijk verschil. Hoewel beide elektromagnetische straling van licht omzetten in elektriciteit, zijn TFV’s ontworpen om alleen infrarode fotonen met een lagere energie te gebruiken in plaats van fotonen van zichtbaar licht. In tegenstelling tot dakpanelen worden TFV’s dus zo dicht mogelijk bij warmtebronnen van meer dan 1.000°C geïnstalleerd.
Het belangrijkste is dat warmte de goedkoopste vorm van energieopslag is. En nu er momenten zijn waarop overtollige zonne- en windenergie wordt verspild, is er behoefte om deze langer en efficiënter op te slaan.
“Het is een soort batterij, maar dan heel passief,” legt Stephen Forrest uit, hoofdauteur van een artikel in het vakblad Joule en medeoprichter van Heat2Power. “Je hoeft geen lithium te delven zoals bij elektrochemische batterijen, wat betekent dat je niet hoeft te concurreren met de markt voor elektrische voertuigen. In tegenstelling tot het pompen van water voor hydro-elektrische energieopslag, kan het overal geplaatst worden en heb je geen nabijgelegen waterbron nodig.”
Thermofotovoltaïsche energie kan daarentegen veel bronnen met een hoge temperatuur benutten om goedkope elektriciteit te produceren op aanvraag en op verschillende schaalniveaus, van overtollige energie van grote wind- en zonneparken tot afvalwarmte van industrieën en datacenters. In combinatie met oplossingen voor de opslag van thermische energie bij hoge temperaturen zouden TFV-panelen een volledig hernieuwbaar elektriciteitsnet mogelijk maken.
Luchtbrug
Om de efficiëntie van deze cellen te verbeteren en dichter bij hun theoretische limiet te komen, hebben de ontwikkelaars van Heat2Power gekozen voor een luchtbrugsysteem, dat de eigenschappen van eerdere panelen aanzienlijk verbetert. Het TFV-apparaat, ontwikkeld aan het Lurie Nanofabrication Center van de Universiteit van Michigan, heeft een efficiëntie van 44% bereikt, hoewel de verantwoordelijken verdere verbeteringen tot boven 50% niet uitsluiten.
Deze panelen zijn ontworpen om de grote TES-containers te bekleden, waar een blok materiaal dat op hoge temperatuur wordt verhit verantwoordelijk is voor het uitzenden van de thermische fotonen. Om de 1000°C te overschrijden, wordt elektriciteit van windturbines of zonnepanelen door een weerstand geleid, maar overtollige warmte van de productie van staal, glas, beton of zelfs koelsystemen van datacenters kan ook worden gebruikt.
“In wezen is het gebruik van elektriciteit om iets te verwarmen een zeer eenvoudige en goedkope methode om energie op te slaan in vergelijking met lithium-ionbatterijen. Het geeft toegang tot veel verschillende materialen om te gebruiken als opslagmedium in thermische batterijen,” legt Lenert uit.
Tot voor kort was 41 procent conversie de maximale efficiëntie die werd bereikt door TFV-cellen, maar om dat cijfer te bereiken waren zeer hoge temperaturen nodig, in sommige gevallen meer dan 2000 graden Celsius. Om de efficiëntie bij lagere temperaturen te verbeteren, hebben de ingenieurs van Heat2Power het halfgeleidermateriaal geoptimaliseerd, zodat het meer fotonen opvangt en dus meer energie oplevert.
Om bestaande technologieën te omzeilen, bouwde het team van de Universiteit van Michigan een dunne luchtlaag in de thermofotovoltaïsche cel en voegde een gouden reflector toe. Dit vormt een zogenaamde luchtbrug, een holte die helpt om meer fotonen ‘op te vangen’ en ongebruikte fotonen terug te sturen naar het warmteopslagmateriaal. Op deze manier krijgt de cel een nieuwe kans om die thermische fotonen op te vangen die anders hopeloos verloren zouden gaan.
Er is een groot potentieel voor verbetering, want een ander onderzoek suggereert dat twee luchtbruggen kunnen worden gestapeld om het ontwerp verder te verbeteren, waardoor zowel het bereik van fotonen die worden omgezet in elektriciteit als het bruikbare temperatuurbereik voor de warmtebatterijen wordt vergroot. Tot nu toe heeft het apparaat een energieomzettingsrendement van 44 procent bij 1.435°C, meer dan de 37 procent die eerdere ontwerpen bereikten bij temperaturen onder 1.600°C.
“We pionieren met de eerste solid-state energiegenerator met een warmte-efficiëntie van meer dan 44% en een duidelijk pad naar meer dan 50%,” zegt Forrest in een persbericht. De volgende stap is het voltooien van de ontwikkeling van een demonstratieproduct in de komende twee jaar, met als doel stroom te leveren aan industriële gebruikers tegen bodemprijzen. “Het is opwindend om te zien dat iets dat we in het laboratorium hebben ontwikkeld, aansluit bij de behoeften van klanten en gebruikt wordt voor iets dat goed is voor de maatschappij,” besluit Lenert.
