LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Kunnen we lowtech zonnepanelen bouwen?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove staat naast zijn derde zonnepaneel. Bron: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Efficiënter, minder duurzaam

Sinds Bell Labs in de jaren vijftig van de twintigste eeuw het eerste praktische fotovoltaïsche zonnepaneel presenteerde, is de technologische ontwikkeling gericht geweest op verlaging van de kosten en verhoging van het rendement van zonnecellen. Volgens deze normen hebben onderzoekers veel vooruitgang geboekt. De efficiëntie van zonnepanelen is gestegen van minder dan 5% in de jaren 1950 tot meer dan 20% vandaag, terwijl de kosten zijn gedaald van 30 dollar per wattpiek in 1980 tot minder dan 0,2 dollar per wattpiek in 2020. Lagere kosten - waartoe hogere rendementen bijdragen - worden van het allergrootste belang geacht omdat zij het mogelijk maken dat PV-panelen op de markt kunnen concurreren met elektriciteit die wordt opgewekt met fossiele brandstoffen.

Op het gebied van duurzaamheid is er echter nog maar weinig vooruitgang geboekt. Om te beginnen zijn zonnepanelen al sinds de jaren vijftig ongeschikt voor recyclage, met als gevolg een afvalstroom die op stortplaatsen terechtkomt. Deze afvalstroom zal de komende jaren sterk toenemen. Zonnepanelen worden pas na minstens 25 tot 30 jaar weggegooid, en de meeste zijn pas de laatste jaren geïnstalleerd. Tegen 2050 verwachten onderzoekers dat bijna 80 miljoen ton zonnepanelen het einde van hun levensduur zullen bereiken. ¹ ² ³ Dat is een aanzienlijke verspilling van grondstoffen en een gevaar voor het milieu - afgedankte fotovoltaïsche panelen bevatten giftige elementen en vormen een brandgevaar.

De nood aan kapitaalintensieve technologie en lange aanvoerlijnen verhindert de kleinschalige productie van zonnepanelen.

De productie van fotovoltaïsche panelen is al even problematisch. Zij produceert giftig afval en vereist een wereldwijde toeleveringsketen, met kapitaalintensieve fabrieken, complexe machines, gedolven materialen en een gestage toevoer van fossiele brandstoffen. In levenscyclusanalyses van zonnepanelen berekenen wetenschappers hoeveel energie en materialen er nodig zijn om een zonnepaneel te bouwen. Deze onderzoeken negeren echter de enorme hoeveelheid energie en materialen die nodig zijn om de fotovoltaïsche toeleveringsketen zelf op te zetten en te onderhouden. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Bijgevolg onthullen deze studies niet de werkelijke kosten van zonnepanelen in termen van afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, emissies, en andere milieuverontreiniging. Bovendien verhinderen de behoefte aan kapitaalintensieve technologie en lange aanvoerlijnen de kleinschalige productie van zonnepanelen, bijvoorbeeld door minder welvarende samenlevingen of autonome gemeenschappen.

Inspiratie vinden in het verleden

Zijn fotovoltaïsche panelen inherent niet-duurzaam, niet-recycleerbaar en afhankelijk van hoogtechnologische en kapitaalintensieve productieprocessen? Of is het mogelijk om ze te bouwen met lokale, recycleerbare en minder energie-intensieve materialen en productiemethoden? Met andere woorden, kunnen we lowtech zonnepanelen bouwen? En zo ja, wat zou dat betekenen voor de kosten en de efficiëntie?

Voordat we deze vraag proberen te beantwoorden, is het belangrijk op te merken dat het beste low-tech alternatief voor een high-tech zonnepaneel vaak niet een low-tech zonnepaneel is, maar direct gebruik van zonne-energie. Dat wil zeggen, zonne-energie gebruiken zonder deze eerst om te zetten in elektriciteit. Een waslijn en een zonneboiler zijn bijvoorbeeld veel efficiënter, duurzamer en zuiniger dan een elektrische droogtrommel en een zonneboiler met PV-panelen. Direct gebruik van zonne-energie is mogelijk met lokale materialen, relatief eenvoudige fabricagetechnologieën en korte aanvoerlijnen.

Toch neem ik in dit artikel de vraag letterlijk: kunnen we low-tech fotovoltaïsche apparaten bouwen, die zonlicht omzetten in elektriciteit? In een vorig artikel hebben we gezien dat de geschiedenis inspiratie biedt voor het bouwen van duurzamere windturbines. Kan de geschiedenis ons ook inspireren om duurzamere zonnecellen te maken?

De voorgeschiedenis van zonnecellen

Het fotovoltaïsche paneel van Bell Labs, dat in 1954 werd gepresenteerd, kwam niet uit de lucht vallen. De silicium zonnecel had zijn wortels in minder complexe apparaten die elektriciteit konden produceren uit licht of warmte.

In 1821 ontdekte Thomas Seebeck dat een elektrische stroom ontstaat in een stroomkring van twee ongelijksoortige metalen, waarvan de verbindingen verschillende temperaturen hebben. Dit “thermo-elektrisch effect” vormde de basis voor de “thermo-elektrische generator” – die warmte (bijvoorbeeld van een houtkachel) rechtstreeks omzet in elektriciteit. In 1839 ontdekte Antoine Becquerel dat licht ook in elektriciteit kon worden omgezet, en in de loop van de jaren 1870 bewezen verschillende wetenschappers dit effect in vaste stoffen, met name in selenium. Dit “foto-elektrisch effect” vormde de basis voor de “foto-elektrische generator” - wat wij nu een “fotovoltaïsche” generator of PV zonnecel noemen. In 1883 construeerde Charles Fritts de eerste fotovoltaïsche module ooit gemaakt, met behulp van selenium op een dunne laag goud. ¹² ¹³ ¹⁴

Gedurende deze periode - en tot de jaren 1950 - waren de praktische toepassingen van thermo-elektrische en foto-elektrische apparaten beperkt. Uitvinders bouwden vele experimentele thermo-elektrische generatoren, gewoonlijk aangedreven door een gasvlam, maar hun efficiëntie bedroeg niet meer dan 1%. Ook het zonnepaneel van Charles Fritts, en de daarna gemaakte selenium zonnecellen, haalden slechts 1-2% rendement bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. ¹⁵ Kortom, de periode vóór de jaren vijftig lijkt op het eerste gezicht niet veel inspiratie te bieden voor het bouwen van duurzamere PV-panelen.

Een vergeten pionier van zonne-energie

Maar zou het kunnen dat de prehistorie van het zonnepaneel onvolledig is? In 2019 ontving ik een mail uit de Verenigde Staten van een lezer van Low-tech Magazine, Philip Pesavento:

“Ik bestudeer al sinds het begin van de jaren negentig een vroege pionier op het gebied van zonneceltechnologie uit het pre-WWI tijdperk. Ik word te oud om hier nog iets mee te doen, en ook al zijn er een of twee wetenschappelijke artikelen over de heer Cove verschenen, ze hebben volledig gemist wat hij heeft bereikt. Ik voeg een PDF bij van een PowerPoint die ik in 2015 in elkaar heb gezet en nooit aan iemand heb gepresenteerd. Als u geïnteresseerd bent om zelf een artikel te schrijven, kan ik u een thumb drive mailen met al het achtergrondmateriaal dat ik heb verzameld.”

Als Philip Pesavento’s historische verslag en hypotheses kloppen, was George Cove van plan om een thermo-elektrische generator te bouwen, maar maakte hij per ongeluk een fotovoltaïsche generator - een PV-zonnecel. Hoewel dit begin 1900 gebeurde, bereikte Cove een vergelijkbaar vermogen en rendement als de Bell Labs wetenschappers in 1954. Zijn ontwerp bereikte ook veel hogere prestaties dan de selenium zonnecellen die tussen de jaren 1880 en de jaren 1940 werden gebouwd. Philip Pesavento:

“Het zou heel opwindend zijn om te bewijzen dat relatief hoog-efficiënte zonnecellen 40 jaar vóór de ontwikkeling van siliciumcellen werden uitgevonden. Belangrijker is dat als blijkt dat er al vóór de Eerste Wereldoorlog een fotovoltaïsch zonnecel- en paneelsysteem bestond, dit ook voordelen zou kunnen hebben met betrekking tot de betaalbaarheid van grondstoffen, het lage energieverbruik om de ertsen om te zetten in metaalhoudende materialen, de efficiëntie van de uiteindelijke PV-cellen, en het gemak van fabricage.”

Met andere woorden, als Philip Pesavento’s historische verslag en hypotheses juist zijn, is het misschien mogelijk om low-tech zonnepanelen te bouwen.

George Cove’s elektrische zonnegenerator

George Cove presenteerde zijn eerste “elektrische zonnegenerator” in 1905 in de Metropole Building in Halifax, Nova Scotia, Canada. Afgezien van een afbeelding zijn er geen gegevens over dit paneel. ¹⁶ Het vermogen en de efficiëntie waren echter opmerkelijk genoeg voor Amerikaanse investeerders om een deskundige naar Halifax te sturen. Op basis van het onderzoek van de machine door deze deskundige brachten zij Cove vervolgens naar de VS (Sommerville, Mass.) om de ontwikkeling van zijn apparaat voort te zetten.

Cove presenteerde daar in 1909 zijn tweede elektrische zonnegenerator. Dit paneel van 1,5 m2 kon 45 watt vermogen produceren en was 2,75% efficiënt in het omzetten van zonne-energie in elektriciteit. Medio 1909 was Cove verhuisd naar New York City, waar hij zijn derde prototype presenteerde, een zonne-installatie bestaande uit vier zonnepanelen van elk 60 wattpiek, die in totaal vijf loodaccu’s oplaadden. Het totale oppervlak was 4,5 m2, het maximale vermogen was 240 watt, en de efficiëntie steeg tot 5% - vergelijkbaar met het eerste zonnepaneel dat door Bell Labs werd gepresenteerd. ¹⁷

Hierboven: Het eerste zonnepaneel van George Cove, gedemonstreerd in 1905. Bron: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Hierboven: Het tweede zonnepaneel van Cove, waarvan een deel ontbreekt. Bron: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Hierboven: Het derde zonnepaneel van George Cove. Bron: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Hierboven: Het derde zonnepaneel van George Cove. De panelen zijn nu schuin geplaatst in plaats van horizontaal. Bron: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Hierboven: Een van de zonnepanelen van Cove's derde zonnepaneel, met de glazen afdekking verwijderd. Bron: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Hoewel George Cove in de meeste historische verslagen over zonne-energie ontbreekt, maakte zijn elektrische zonnegenerator indruk op sommige populaire technische media van die tijd. Zo schreef Technical World Magazine in 1909 dat “zo’n machine goedkoop en onverwoestbaar is als een keukenfornuis. Zelfs in zijn huidige en ietwat ruwe en experimentele staat zal het, gegeven twee dagen zon, voldoende elektrische energie opslaan om een gewoon huis een week lang te verlichten. De uitvinder heeft dit nu maandenlang in zijn inrichting bewezen”. ¹⁸

Pluggen in asfalt

Hoe slaagde George Cove erin een zonnepaneel te bouwen dat zijn tijd 40 jaar vooruit was? Volgens Philip Pesavento, die een achtergrond heeft in halfgeleidertechniek, was Cove van plan een betere thermo-elektrische generator (TEG) te bouwen. Hij stelde zijn generator bloot aan de warmte van een houtkachel en aan directe zonne-energie – Edward Weston had in 1888 de eerste experimentele thermo-elektrische zonnegenerator (of STEG) gemaakt. De bedoelingen van Cove blijken ook duidelijk uit de manier waarop hij zijn apparaat beschreef: “Het frame bevat een aantal ruiten van violet glas, waarachter door een asfaltlaag vele kleine metalen pluggen zijn aangebracht. Eén kant van de pluggen is altijd blootgesteld aan zonlicht, terwijl de andere kant koel en beschut is.”

Het creëren van een zo groot mogelijk temperatuurverschil is de sleutel tot thermo-elektrische energieproductie, dus Cove’s ontwerp is logisch. Het probleem is dat zijn generator niet reageerde op warmte zoals een thermo-elektrische generator verondersteld werd te doen. Aanvankelijk merkt Cove op dat zijn uitvinding zowel warmte als licht gebruikt om elektriciteit te produceren bij blootstelling aan zonne-energie:“Het voornaamste deel van mijn uitvinding is de eigenaardige samenstelling van de metalen pluggen die zodanig door de zon worden beïnvloed dat de stroom niet alleen door warmtestralen wordt opgewekt, maar ook door de violette stralen”.

Na verdere experimenten met zowel de houtkachel als zonne-energie, verklaart Cove echter: “Wanneer het apparaat wordt blootgesteld aan verschillende bronnen van kunstmatige warmte geeft het geen enkele stroom. Behalve de warmtestralen van de zon (kortgolvig infrarood) zijn misschien de violette of ultraviolette stralen actief bij het op gang brengen van de elektrische stroom”.

De primaire cel van het PV-paneel van Cove was een 7,5 cm lange plug of staaf van een legering van verschillende gangbare metalen. Het paneel van 1,5 m2 had 976 staafjes, terwijl de installatie van 4,5 m2 4 keer 1804 staafjes had. De staven aan de ene kant koel en aan de andere kant warm houden - gescheiden door een asfaltlaag - deed er echter niet toe. Wat wel uitmaakte was dat Cove onbewust een metaal-halfgeleidercontact had gemaakt.

De bandkloof van de halfgeleider

George Cove begreep niet hoe zijn zonnegenerator werkte, evenmin als iemand anders in die tijd. Pas met het werk van Einstein over het foto-elektrisch effect (in 1905) en later werk in de kwantummechanica (jaren 1930 en daarna) werd het concept van een halfgeleiderbandkloof gerealiseerd. Elektronen draaien om de kern van een atoom in verschillende “toestanden”, die gebieden vormen die “banden” worden genoemd. Deze banden houden de elektronen stevig op hun plaats. Tussen deze banden bevinden zich “bandkloven” of “verboden zones” - toestanden waarin geen elektron zich kan bevinden.

George Cove begreep niet hoe zijn zonnegenerator werkte, evenmin als iemand anders in die tijd.

In isolatoren (zoals hout, glas, kunststoffen of keramiek) is er een zeer brede bandkloof, die de stroom blokkeert. Geleiders hebben geen bandkloven, en dus stromen er elektronen doorheen. Daarom geleidt bijvoorbeeld een koperdraad elektriciteit. In halfgeleiders ten slotte, is er een relatief smalle bandkloof. Daardoor kunnen ze ofwel als een isolator ofwel als een geleider werken. Halfgeleiders kunnen geleiders worden wanneer zij een “foton” (een elementair lichtdeeltje) absorberen met een energiepotentiaal gelijk aan of groter dan de bandkloof van het halfgeleidermateriaal. ¹⁹

Het inzicht in halfgeleiders leidde tot de geboorte van de moderne fotovoltaïsche cel in de jaren 1950. Het verbeterde ook de prestaties van thermo-elektrische generatoren - zij het om verschillende redenen. Thermo-elektrische generatoren maken geen gebruik van de bandkloof van halfgeleiders. Halfgeleiders hebben echter hogere thermovolumes en lagere thermische geleidbaarheid dan metaal en metaallegeringen zonder bandkloof, waardoor thermo-elektrische generatoren efficiënter zijn.

Schottkydiode

Om een fotovoltaïsch effect op te wekken, moet er inhomogeniteit in het systeem zijn. In de jaren 1950 slaagden Bell Labs wetenschappers erin dit te doen met de zogenaamde p-n junctie, die een grens vormt tussen een positief geladen en een negatief geladen halfgeleider. P-type halfgeleiders hebben een tekort aan elektronen, terwijl N-type halfgeleiders extra elektronen hebben. Op de overgang tussen beide is een elektrische potentiaal.

Het is echter ook mogelijk een PV-cel te maken met een zogenaamde Schottkydiode, die een halfgeleider met een metaal verbindt. In dit geval fungeert het metaal als de n-type halfgeleider. Philip Pesavento:

“Mijn hypothese is dat George Cove op een Schottkydiode fotovoltaïsche cel stuitte, tientallen jaren voordat deze door Walter Schottky werd beschreven. ²⁰ Deze apparaten kunnen zowel een fotovoltaïsche (overwegend) als een thermo-elektrische reactie opwekken. De staafjes waren een legering van zink en antimoon - waarvan we nu weten dat het een halfgeleider is. Ze waren aan de uiteinden afwisselend bedekt met alpaca (een legering van nikkel, koper en zink) en koper. Dit vormde respectievelijk een ohms contact en een Schottky-contact. Dit is een fotovoltaïsch apparaat.”

Toevallige ontdekking

Volgens Philip Pesavento is George Cove waarschijnlijk begonnen met alpaca als negatief materiaal aan beide uiteinden van de pluggen, en een antimoon-zink legering (ZnSb) als positief materiaal. Dit waren de best beschikbare thermo-elektrische materialen in die tijd:

“Waarschijnlijk was het alpaca op en verving hij het door koper om staafjes te maken, omdat het verschil in thermo-elektrische spanning tussen koper en alpaca klein was. Tijdens het testen merkte Cove op dat deze plugs (met een alpaca kapje aan het ene eind en een koperen kapje aan het andere eind) een veel groter voltage gaven: honderden millivolt tegenover de gebruikelijke tientallen millivolt voor een thermo-elektrische generator.”

Door koper te gebruiken, had Cove zonder het te weten een Schottkydiode gemaakt. Dat veranderde zijn thermo-elektrische generator in een “thermofotovoltaïsche generator”. Zo’n apparaat werkt hetzelfde als een fotovoltaïsche zonnecel, maar op een andere golflengte. Het zonnespectrum bestrijkt een gebied van ongeveer 0,5 tot 2,9 elektronvolt (eV), van infrarood tot ultraviolet. Een halfgeleider met een bandkloof tussen 1 en 1,7 eV zet zichtbaar licht efficiënt om in elektriciteit (een fotovoltaïsche generator). Een halfgeleider met een bandkloof tussen 0,4 en 0,7 eV zet kortgolvige infrarode zonne-energie efficiënt om in elektriciteit (een thermofotovoltaïsche generator).

Hierboven: Deze tekening uit [Cove's 1906 patent](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) toont de zink-antimoon legering \"b\"; de alpaca (ohmse) eindkap \"c\"; en de koperen of tinnen (Schottky) eindkap \"f\". Deze zijn allemaal geperst omdat het solderen van de verbindingen het rendement verlaagde.

We weten nu dat ZnSb - het negatieve materiaal in Cove’s pluggen - een halfgeleider is met een bandkloof van 0,5 eV. Dat verklaart grotendeels waarom de uitvinder aanvankelijk vaststelde dat zijn zonnegenerator zowel warmte als licht in elektriciteit omzette. Het spectrum van een thermofotovoltaïsche generator komt niet alleen overeen met de infrarode staart van het zonnespectrum, maar ook met het directe spectrum van een brandende vlam of een roodgloeiend oppervlak dat wordt verwarmd door brandend hout of aardgas. Een thermofotovoltaïsche generator zet ook het lagere gedeelte van het zichtbare spectrum om in elektriciteit, zij het op zeer inefficiënte wijze.

Volgens Philip Pesavento slaagde Cove er vervolgens in de samenstelling van de legering te verfijnen tot dicht bij Zn4Sb3 - een zink-antimoonlegering met verhoudingen van vier delen zink op zes delen antimoon. Dat, zo weten we nu, is ook een halfgeleider. Dit materiaal heeft echter een bandkloof van 1,2 eV - zeer dicht bij de bandkloof van silicium (1,1 eV). Bijgevolg veranderde zijn thermofotovoltaïsche generator in een fotovoltaïsche generator:

“In zijn enthousiasme heeft Cove waarschijnlijk een groter aantal staafjes in elkaar geknutseld en bij één partij de verhoudingen op de een of andere manier “verkeerd” gekozen. Vervolgens heeft hij een nog grotere spanning gemeten. Tenslotte maakte hij een zorgvuldige studie van zink-antimoonlegeringen en ontdekte dat de zinklegering met 40-42% zink het hoogste voltage gaf (vergeleken met 35% zink in ZnSb). Nadat hij - bij toeval - Zn4Sb3 had ontdekt, zorgde de hogere bandkloof van deze halfgeleider ervoor dat de plugs niet meer werkten wanneer ze werden blootgesteld aan de hitte van een houtkachel. Maar ze werkten nog beter wanneer ze aan zonne-energie werden blootgesteld - omdat ze nu veel meer van het zichtbare spectrum van het zonlicht efficiënt in elektriciteit konden omzetten”.

Met behulp van gekleurde glasfilters stelde George Cove vast dat het grootste deel van de respons afkomstig was van het violette deel van het spectrum en slechts een klein beetje van de zogenaamde warmtestraling. Zijn eerdere PV-pluggen hadden even goed gereageerd op warmtestraling als op violette straling, terwijl de oudere thermo-elektrische generatoren (alpaca aan beide zijden) helemaal niet reageerden op de violette straling.

Een nieuwe kans voor de Schottky zonnecel?

Schottkydiode zonnecellen hebben slechts weinig aandacht gekregen van onderzoekers en bedrijven. Bijzonder weinig ontwerpen voor zonnecellen gebruiken metalen in het actieve gebied, tenzij dan voor de contacten. ²¹ Niettemin gelooft Philip Pesavento dat het de moeite waard zou zijn om te proberen enkele Schottky zonnecellen te fabriceren volgens Cove’s ontwerp:

“Als zou kunnen worden aangetoond dat Zn4Sb3 (bandkloof 1,2 eV) kan worden gebruikt in een fotovoltaïsche cel, is er een goede kans dat een dergelijk zonnecelontwerp duurzamer zal zijn. Het is verbazingwekkend dat iedereen dit materiaal en de toepassing ervan in fotovoltaïsche cellen gemist schijnt te hebben en dat er geen ontwikkeling heeft plaatsgevonden. Zelfs niet nadat onderzoekers het in het begin van de jaren tachtig kortstondig als een mogelijke optie hadden onderkend. Het past in de categorie van een premature ontdekking, wat zou moeten betekenen dat het in deze tijd heel snel ontwikkeld zou kunnen worden”.

Naast fotovoltaïsche zonne-energie ziet Philip Pesavento potentieel in thermofotovoltaïsche zonnecellen voor een houtkachel, thermische zonne-energie, of tandem-zonnecellen, waarbij ZnSb wordt gebruikt in plaats van Zn4Sb3. Bovendien denkt hij dat als de plug-type zonnecellen effectief blijken te zijn, ze het mogelijk zouden maken om zonnecollectoren - zoals vacuümbuiscollectoren - te bouwen tegen sterk gereduceerde kosten.

Low-tech fabricage

Het belangrijkste voordeel van het ontwerp van Cove zou de low-tech fabricagemethode zijn. In de jaren 1970 en 1980 onderzochten wetenschappers Zn4Sb3 voor gebruik in fotovoltaïsche energie en kwamen tot de conclusie dat de “duidelijke voordelen van het materiaal de eenvoud en de relatief lage temperatuur van de bereidingsprocedure zijn”. ²² Het smeltpunt voor Zn4Sb3 is 570 graden Celsius, terwijl dat voor silicium 1400 graden is. Er is dus minder energie nodig.

Onderzoekers bestudeerden metaal-halfgeleider junctie zonnecellen gebaseerd op andere soorten halfgeleiders dan Zn4Sb3 in de jaren 1970. Ook hier was hun motivatie de eenvoudige en kosteneffectieve fabricageprocedure in vergelijking met silicium p-n junctie zonnecellen in die tijd. ²³ ²⁴ Schottky cellen vereisen geen hoge-temperatuur fosfor-diffusie stap, die gewoonlijk de n-laag van de p-n junctie in silicium creëert. Dit alleen al vermindert de energie-input in het productieproces van zonnecellen met 35%. ²¹

In de jaren 1980 boekten onderzoekers belangrijke vooruitgang op het gebied van silicium p-n-overgangen, en de belangstelling voor alternatieve configuraties nam af. De laatste jaren is er echter opnieuw belangstelling. Onderzoek naar grafeen/silicium Schottky zonnecellen concludeert bijvoorbeeld dat “eenvoudige en kosteneffectieve apparaatfabricage die geen hoge temperaturen vereist, een van de voordelen is.” ²⁵ In andere recente studies concluderen wetenschappers dat Schottky-type “selenium zonnecellen… extreem eenvoudig en goedkoop te fabriceren zijn”. ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹

Makkelijk te recycleren

Een ander voordeel van Schottky-zonnecellen kan zijn dat ze gemakkelijker kunnen worden gerecycleerd. Silicium modules worden ingekapseld tussen twee laminaat lagen (meestal EVA, een ethyleen/vinylacetaat copolymeer). Deze lagen zijn essentieel voor de levensduur van de modules. ¹ ² ³ Om het silicium - de meest waardevolle component van een zonnepaneel - te recyclen, moeten deze lagen worden gescheiden, maar verbranding ervan vernietigt ook de modules. Siliciumcellen kunnen alleen worden gerecycleerd door een combinatie van thermische, chemische en metallurgische methodes. Dat is een duur proces met negatieve gevolgen voor het milieu. Hoewel wordt beweerd dat ongeveer 10% van de zonnepanelen wordt “gerecycleerd”, is het waarschijnlijker dat ze worden “gedowncycled”. De modules worden versnipperd, en het resulterende materiaal wordt gebruikt als vulmateriaal in de asfalt- en cementindustrie. De door George Cove gebouwde zonnecellen waren daarentegen volledig recycleerbaar. Ze hadden geen beschermlaag nodig en bevatten zelfs geen soldeer. Philip Pesavento:

“Als je de cellen precies zo zou bouwen als Cove deed, door de staafjes in te klemmen en ze te omwikkelen met draad zodat ze strak blijven zitten, zouden ze ook gemakkelijker te recyclen zijn. Dat kan dan met een strikt mechanische bewerking, waar geen chemicaliën aan te pas hoeven te komen. Het zou arbeidsintensief zijn om ze in elkaar te zetten en weer uit elkaar te halen, maar het zou ook geautomatiseerd kunnen worden.”

Pesavento denkt dat het ook mogelijk is om platte zonnecellen te maken van Cove’s materiaal. Maar of die een beschermlaag nodig hebben die het recyclen bemoeilijkt, valt nog te bezien. In de jaren zeventig hadden Schottky-zonnecellen op basis van andere materialen niet altijd beschermlagen nodig om een levensduur van meer dan 20 jaar te bereiken. ²³

Efficiëntie

Als we meer low-tech zonnepanelen zouden kunnen bouwen, hoe efficiënt zouden we ze dan kunnen maken? Volgens Philip Pesavento zijn Schottky cellen iets minder efficiënt voor dezelfde materialen dan p-n juncties, omdat p-n juncties een hogere spanning genereren. Ze krijgen meer energie uit de fotonen die ze absorberen. “Als elk beetje efficiëntie telt, doe je dat. Als het je doel is om zonnecellen te maken met behulp van handmatige of ambachtelijke methoden, zou de Schottky-diode een logischer keuze zijn.” Aan de andere kant is het misschien mogelijk om Schottky-cellen dunner te bouwen dan siliciumzonnecellen - en dat zou hun efficiëntie verhogen. Philip Pesavento: “Ik heb de specifieke getallen voor de parameters - dragersnelheid, recombinatielevensduur, absorptiecoëfficiënt - niet gevonden om dit eenduidig te kunnen zeggen. Maar het feit dat Cove zulke lange, dunne cellen maakte en zo’n hoog rendement haalde, is een goed voorteken om ze dunner te kunnen maken.”

Recent onderzoek naar Schottky-cellen op basis van andere materialen lijkt dit te bevestigen. Zo brachten recente experimenten met Schottky seleniumcellen de laagdikte terug tot slechts 100 µm, vergeleken met 200 tot 500 µm voor siliciumcellen. ²⁶ ³⁰ Wetenschappers bereikten ook 17% experimenteel rendement voor een grafeen/silicium Schottky-cel, tegenover 1,5% tien jaar eerder. ²⁵

We kunnen ook vraagtekens zetten bij de huidige obsessie met hogere rendementen. Veel mensen zullen argumenteren dat als low-tech zonnepanelen minder efficiënt zijn, we meer zonnepanelen nodig zouden hebben om dezelfde stroomopbrengst te produceren. Bijgevolg zouden de grondstoffen die door low-tech productiemethoden worden bespaard, tenminste gedeeltelijk worden gecompenseerd door de extra grondstoffen om meer zonnepanelen te bouwen. Efficiëntie is echter alleen van cruciaal belang wanneer we de vraag naar energie als vanzelfsprekend beschouwen, kan het opofferen van een beetje efficiëntie ons veel opleveren op het gebied van duurzaamheid.

Wat is er met George Cove gebeurd?

Als het zonnepaneel van Cove zo revolutionair was, waarom is het dan vergeten? Over deze vraag leest het onderzoeksmateriaal van Philip Pesavento als een misdaadroman. Cove’s poging om zijn zonne-energie apparaat te produceren en op de markt te brengen mislukte op mysterieuze wijze.

De uitvinder raakte verwikkeld in een fraudezaak. Elmer Burlingame gaf in 1909 en 1910 aandelen uit van bedrijven die niet van hem waren, waaronder Cove’s start-up de Sun Electric Generator Company. In oktober 1909 werd Cove naar verluidt ontvoerd en bedreigd als hij niet zou stoppen met de ontwikkeling van zijn uitvinding. De politie deed de ontvoering van Cove echter af als een hoax. In 1911 werden zowel Cove als Burlingame gearresteerd wegens aandelenfraude en brachten een jaar in de gevangenis door. Hoewel Cove daarna nog aan andere uitvindingen werkte, had geen daarvan betrekking op zonne-energie. ³¹

In oktober 1909 werd Cove naar verluidt ontvoerd en bedreigd als hij niet zou stoppen met de ontwikkeling van zijn uitvinding.

Was George Cove een charlatan? Was hij het slachtoffer van een charlatan? Of werd zijn reputatie vernietigd omdat de elektrische zonnegenerator de belangen van andere bedrijven bedreigde? Er zijn veel historische voorbeelden van onderdrukking van technologische innovaties door grote Amerikaanse bedrijven. George Cove was actief in dezelfde periode als de Edison Electric Illuminating Company of New York, waarvan de gewetenloze praktijken tegen concurrenten goed zijn gedocumenteerd. Als Cove’s elektrische zonne-generator werkte, had hij mogelijk de groeiende vraag naar Edison’s kolen- en oliegestookte elektriciteitscentrales kunnen verminderen. ³¹ Eerder, in de jaren 1880, had Edison het bedrijf gekocht dat op dat moment de beste thermo-elektrische generator produceerde - Clamonds’s Improved Thermopile - en vervolgens de ontwikkeling van de machines gestopt. ³²

Meer mysterie

Hoewel het verleidelijk is om George Cove als slachtoffer te zien, kunnen we alleen maar speculeren. Philip Pesavento’s archiefmateriaal bevat meer mysteries, zoals Cove’s patent - aangevraagd in 1905, toegekend in 1906. De uitvinder beschrijft in detail het maken van zijn Zn4Sb3 pluggen, wat Pesavento hielp bij het berekenen van het vermogen en de efficiëntie van de zonnepanelen. Cove beschrijft deze pluggen echter voor het omzetten van warmte van een houtkachel in elektriciteit, hetgeen niet verenigbaar is met zijn materiaalkeuze. Om de kachelgenerator te laten werken, had hij ZnSb pluggen nodig met een bandkloof van 0,5 eV. Philip Pesavento: “Was dit misleiding van de kant van Cove om te voorkomen dat mensen zijn kachelpatent kopieerden en het werkend kregen? Ik weet het niet.”

Nog verrassender is dat een afbeelding waarop Cove naast een van zijn zonnepanelen staat, ook voorkomt in John Perlin’s historische overzicht van zonne-energie uit 2013: Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy. Het zonnepaneel op de afbeelding wordt echter toegeschreven aan Charles Fritts, de uitvinder van de selenium zonnecel. Bovendien is George Cove zelf uit de afbeelding verdwenen. Fragmenten uit het boek, alsmede de foto, zijn op verschillende websites verschenen.

Philip Pesavento was niet verbaasd toen ik weer contact opnam: “Ik deed deze ontdekking enkele jaren geleden. Ik denk dat iemand dringend een afbeelding nodig had van Fritts’ zonnepanelen, deze afbeelding vond, en er vervolgens George Cove uit weg photoshopte. Cove is immers totaal onbekend en als hij bekend is, zou hij een thermo-elektrische generator op zonne-energie hebben uitgevonden, en geen PV-paneel. Als je goed naar de twee foto’s kijkt, zie je dat de bovenkant van de rechter zuil van het portiek achter hem is weggeknipt en in spiegelbeeld is geplakt op de plaats waar Cove had gestaan, het perspectief is niet helemaal juist.”

Update: Bellingcat ontrafelde het mysterie van de afbeelding.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎ ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Extrapolerend van de prestaties van het volgende paneel, kunnen we gokken dat dit paneel een vermogen had van ongeveer 25W en een rendement van net geen 3%. ↩︎
Cove beweerde een nog groter paneel van 9 m2 te hebben gebouwd, maar daar is geen afbeelding van bewaard gebleven. Het zou een vermogen hebben gehad van 768 watt bij 8% rendement uitgaande van 100 W/ft2 zonne-insolatie. Deze array bestond uit 8 panelen met een totaal van 14.432 stekkers. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Waarom gebruiken we geen geleiders voor zonnepanelen? Wanneer licht een geleidend oppervlak raakt, weerkaatst het meestal, en wordt er weinig of geen energie geabsorbeerd. Bovendien bewegen in geleiders de vrije elektronen willekeurig, er is geen stroom, geen richtingsvermogen. ↩︎
Cove was echter niet de eerste. De zonnecel van Charles Fritts was ook gebaseerd op een Schottkydiode. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102.. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
Meer details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎

De thermo-elektrische kachel: een alternatief voor zonnepanelen?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Illustratie: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Als de 2000 jaar oude windmolen de voorloper is van de hedendaagse windturbine, dan zijn de open haard en de houtkachel de nog oudere voorlopers van het moderne zonnepaneel. Net zoals zonnepanelen zetten bomen en andere planten zonlicht om in een voor de mens bruikbare energievorm. Een blok hout is niets meer of minder dan gestolde zonne-energie.

Doorheen de geschiedenis heeft het stoken van hout en andere biomassa huishoudens voorzien van thermische energie die gebruikt werd om te koken, te verwarmen, te wassen en te verlichten. Fotosynthese lag ook aan de basis van alle historische bronnen van mechanische energie. Biomassa was de “brandstof” voor mensen en dieren, en hout was ook het bouwmateriaal voor water- en windmolens.

De klassieke windmolen en de houtkachel produceren geen elektriciteit, maar beide kunnen eenvoudig worden aangepast om dat wel te doen. Het volstaat om een windmolen te verbinden met een elektrische generator, en een houtkachel uit te rusten met een thermo-elektrische generator.

De thermo-elektrische generator

Een thermo-elektrische generator (of TEG) lijkt erg op een foto-elektrische generator – wat we nu een “fotovoltaïsche cel” of zonnepaneel noemen. Een zonnepaneel zet licht rechtstreeks om in elektriciteit, terwijl een thermo-elektrische generator warmte rechtstreeks omzet in elektrciteit. ¹

Een thermo-eletrische generator bestaat uit een aantal baarvormige halfgeleiders, met elkaar verbonden door metalen stroken, en samengeperst tussen twee keramische platen die elektrisch isolerend maar thermisch geleidend zijn. ² Ze worden verkocht door producenten als Hi-Z, Tellurex, Thermalforce en Thermomanic.

Een thermoelektrische module. Afbeelding: Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Een thermoelektrische module. Toestemming tot gebruik van afbeelding verkregen, Applied Thermoelectric Solutions LLC, [How Thermoelectric Generators Work](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Als een thermo-elektrische module op het oppervlak van een houtkachel wordt bevestigd, zal hij elektriciteit produceren telkens wanneer de kachel wordt gebruikt om te koken of te verwarmen. In de experimenten die hieronder uitgebreider worden toegelicht, varieert het elektrisch vermogen per module tussen 3 en 19 watt.

Net als bij zonnepanelen kunnen de modules parallel en in serie met elkaar verbonden worden om het gewenste vermogen te krijgen. Tenminste, zolang er ruimte is op het oppervlak van de kachel. Net als bij zonnepanelen wordt de geproduceerde stroom gereguleerd door een laadregelaar en opgeslagen in een batterij zodat er ook stroom beschikbaar is wanneer de kachel niet brandt. Een thermo-elektrische kachel wordt vaak gecombineerd met elektrische toestellen die op gelijkstroom draaien. Dat beperkt het energieverlies van de omvormers.

Thermo-elektrische kachels kunnen bijna overal ter wereld worden gebruikt. Het meeste onderzoek is gericht op het globale Zuiden, waar bijna 3.000 miljoen mensen (40 % van de wereldbevolking) biomassa verbranden om te koken en om water te verwarmen. Sommige van deze huishoudens gebruiken een kachel of haardvuur ook om te verlichten (1.300 miljoen mensen hebben geen toegang tot elektriciteit) en om ruimtes te verwarmen in de koudere periodes van het jaar. Maar er is ook onderzoek gericht op huishoudens in industriële samenlevingen, waar biomassakachels vooral buiten de steden aan populariteit hebben gewonnen.

100% efficiënt

Sinds het thermo-elektrische effect voor het eerst werd beschreven door Thomas Seebeck in 1821, staan thermo-elektrische generatoren bekend om hun lage efficiëntie. ³⁴⁵⁶ Vandaag de dag bedraagt de efficiëntie van een thermo-elektrische module bij het omzetten van warmte in elektriciteit amper 5-6%, ruwweg drie keer lager dan dat van de meestgebruikte zonnepanelen. ⁴

Gecombineerd met een kachel doet de elektrische efficiëntie van zo’n module er echter niet zo toe, omdat de kachel toch al in gebruik is voor andere doeleinden. Als de module in staat is om 5% van zijn input in elektriciteit om te zetten, komt de overige 95 % nog steeds vrij als warmte. Wordt de kachel gebruikt om de ruimte te verwarmen, dan kan deze 95 % warmte niet als verlies beschouwd worden, want ze dient nog steeds haar oorspronkelijke doel. De totale systeemefficiëntie (warmte + elektriciteit) is wat telt . Met een speciaal ontwerp kan de hitte die vrijkomt bij de elektriciteitsomzetting ook hergebruikt worden om te koken of om water te verwarmen.

Betrouwbaarder dan zonnepanelen

Thermo-elektrische modules delen veel voordelen met zonnepanelen: ze zijn modulair, vragen weinig onderhoud, hebben geen bewegende onderdelen, zijn geruisloos en hebben een lange levensverwachting. ⁷ Bovendien hebben thermo-elektrische modules bijkomende voordelen ten opzichte van zonnepanelen, tenminste zolang er een (niet-elektrische) warmtebron aanwezig is die regelmatig wordt gebruikt.

Hoewel thermo-elektrische modules drie keer minder efficiënt zijn dan zonnepanelen, zijn thermo-elekrische kachels een betrouwbaarder bron van elektriciteit. Ze zijn namelijk minder afhankelijk van het weer, de seizoenen en het uur van de dag. In vakjargon: thermo-elektrische kachels hebben een hogere ’netto retentiefactor’ dan zonnepanelen.

Zelfs wanneer een kachel enkel wordt gebruikt om te koken en om water te verwarmen, dan garanderen deze dagelijkse huishoudelijke taken een betrouwbare elektriciteitsopbrengst – ongeacht het klimaat. Bovendien stemt de elektriciteitsproductie goed overeen met de huishoudelijke energievraag: elektrische stroom is meestal nodig wanneer de kachel wordt gebruikt. Zonnepanelen daarentegen produceren amper of geen elektriciteit op momenten waarop het huishoudelijke energieverbruik piekt.

Afbeelding: een thermo-elektrische generator op een petroleumlamp die een radio aandrijft, Soviet-Rusland, 1959. Bron: [The Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Merk op dat al deze voordelen verdwijnen wanneer thermo-eletrische generatoren door direct zonlicht worden aangedreven. Thermo-elektrische generatoren op zonne-energie (“STEGS”), waarin de thermo-elektrische modules verwarmd worden door geconcentreerd zonlicht, zijn net zo afhankelijk van het weer als zonnepanelen. Hun lagere efficiëntie wordt dus niet gecompenseerd door een hogere betrouwbaarheid. ⁸⁹¹⁰

Minder energieopslag

Door de hogere betrouwbaarheid is er in vergelijking met zonnepanelen minder nood aan generatie- en opslagcapaciteit om nachten, donkere seizoenen of slecht weer te compenseren. De capaciteit van de batterij moet enkel groot genoeg zijn om elektriciteit op te slaan tussen twee stookbeurten.

Zonnepanelen en thermo-elektrische kachels kunnen ook worden gecombineerd, wat resulteert in een betrouwbaar autonoom systeem waarin relatief weinig energieopslag nodig is. Zo’n hybride systeem is vooral handig wanneer de kachel enkel gebruikt wordt om de ruimte te verwarmen. De thermo-elektrische modules verzorgen dan de energieproductie in de winter, terwijl de zonnepanelen het in de zomer overnemen.

Goedkoper te installeren, makkelijker te recycleren

Een tweede voordeel van een thermo-elektrische kachel is de eenvoudige installatie. Er moet niets op het dak worden vastgemaakt en er moeten geen kabels van binnen naar buiten lopen – alle onderdelen bevinden zich binnenshuis. Ook dieven krijgen minder kans om er met de energie-installatie vandoor te gaan – iets wat bij zonnepanelen in sommige delen van de wereld een groot probleem vormt.

Al deze factoren zorgen ervoor dat de stroom die een thermo-elektrische kachel produceert goedkoper en duurzamer is dan de energie afkomstig van zonnepanelen. Er is minder energie, materiaal en geld nodig om batterijen, modules en montagesystemen te fabriceren.

In termen van duurzaamheid is er een bijkomend voordeel: in tegenstelling tot zonnepanelen zijn thermo-elektrische modules relatief eenvoudig te recycleren. Hoewel bij zonnepanelen de silicium zonnecellen op zichzelf te recycleren zijn, zijn ze ingekapseld in een plastic film (meestal “EVA” of Ethyleenvinylacetaat/polyvinylacetaat) die absoluut noodzakelijk is om de langetermijnprestatie van de modules te verzekeren. ¹¹ Deze film verwijderen zonder de siliconencellen te vernietigen is technisch mogelijk, maar zo complex dat het recyclageproces zowel vanuit financieel als energetisch standpunt weinig aantrekkelijk is. ¹²¹³ Thermo-elektrische modules daarentegen bevatten helemaal geen plastic. ¹⁴¹⁵¹⁶

De modules koelen

De elektrische efficiëntie van een thermo-elektrische generator is niet enkel afhankelijk van de module zelf. Ze wordt ook in grote mate beïnvloed door het temperatuursverschil tussen de koude en de warme zijde van de module. Met de helft van het temperatuurverschil wordt slechts een kwart van het vermogen geleverd. Bijgevolg is de thermische regulatie van de generator een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp van thermo-elektrische kachels. Een groter temperatuurverschil zorgt ervoor dat je met minder modules meer elektriciteit kan produceren.

Enerzijds betekent dit dat de modules best op de warmste plek van de kachel worden bevestigd. Bij de meeste kachels bedraagt de oppervlaktetemperatuur tussen 100 en 300 graden Celsius, terwijl de warme zijde van bismut-telluride modules (het meest betaalbare en efficiënte type) temperaturen verdraagt van 100 tot 350 graden Celsius, afhankelijk van het model.

Anderzijds is het de kunst om de temperatuur aan de koude zijde van de module zo laag mogelijk te houden. Hiervoor bestaan vier mogelijkheden: geforceerde luchtgekoelde of watergekoelde convectie – gebruikmakend van elektrische ventilatoren en pompen – en natuurlijke luchtgekoelde of watergekoelde convectie – gebruikmakend van passieve koeling die geen extra energieverbruik introduceert.

Actieve (geforceerde) koelsystemen hebben doorgaans een hogere efficiëntie – zelfs wanneer het energieverbruik van een ventilator of pomp mee in rekening wordt gebracht. Passieve systemen daarentegen zijn geruisloos en bovendien betrouwbaarder en goedkoper dan actieve koelsystemen. Wanneer een elektrische ventilator het begeeft, kan de module door oververhitting worden beschadigd. ¹⁷

Thermo-elektrische kachel met koellichaam

De eerste thermo-elektrische kachels werden in de vroege jaren 2000 gebouwd, hoewel er in de jaren 1950 reeds een gelijkaardig concept ontstond in de Sovjet-Unie. Daar werden voornamelijk elektrische radio’s door olielampen aangedreven. ⁶ In 2004 bouwde een team Libanese onderzoekers een gietijzeren houtkachel om tot een thermo-elektrische kachel door er een thermo-elektrische module aan te bevestigen. De module had een afmeting van 56 x 56 mm en was door de onderzoekers zelf gemaakt. ¹⁸ Het gaat om een relatief kleine en lichte kachel (52 x 44 x 29 cm, 40 kg) die vooral wordt gebruikt om te koken en om water en ruimtes te verwarmen.

Afbeelding: De gietijzeren kachel gebruikt in het experiment. [^18]

De onderzoekers bevestigden een gladde aluminiumplaat met een dikte van 1 cm op het warmste deel van het kacheloppervlak. Daarop monteerden ze de elektro-thermische module met aan de koude zijde een grote, geribde koelplaat (180 x 136 x 125 mm). Met een houtverbruik van 2,5 kg per uur (zacht dennenhout) bedroeg de vermogensopbrengst 4.2 watt. Als de kachel 10 uur per dag wordt gebruikt, dan kan er dus 42 watt-uur elektriciteit per dag worden geproduceerd – genoeg om de basisbehoeften te bevredigen van een Libanees gezin.

Afbeelding: TEG-installatie: details en plaatsing op de kachel. [^18]

Om de elektriciteitsopbrengst te verhogen, kunnen meerdere modules worden toegevoegd, al is het oppervlak van een kachel uiteraard beperkt. Bovendien verlaagt de efficiëntie naarmate er meer modules toegevoegd worden, omdat er dan minder warme plekken van de kachel moeten worden gebruikt. Een andere manier om de stroomproductie te vergroten is het gebruik van grotere koelelementen en/of duurdere koelelementen die beter warmte geleiden.

Thermo-elektrische kachel met ventilator

De meeste thermo-elektrische kachels die tot nu toe werden gebouwd – en de enigen die voorlopig commercieel verkrijgbaar zijn – gebruiken een elektrische ventilator om de module af te koelen, in combinatie met een veel kleiner koelelement. Hoewel een ventilator stuk kan gaan en een deel van de geproduceerde elektriciteit verbruikt, brengt het gebruik ervan extra voordelen die deze nadelen compenseren. De elektrische ventilator heeft immers een dubbele functie. Hij koelt de module, maar verhoogt ook de efficiëntie van de kachel door hete lucht in de verbradingskamer te blazen. Het verbruik van brandhout en de luchtvervuiling worden zo gehalveerd. Bovendien wordt het op die manier mogelijk om een stoof te installeren zonder een schoorsteen – een horizontale uitlaatpijp volstaat. ¹⁹

Deze door ventilatoren gekoelde thermoelektrische kachels maken het mogelijk om het brandstofverbruik en de luchtvervuiling te verminderen in rurale gebieden waar mensen geen toegang hebben tot elektriciteit, en niet de middelen hebben om een schoorsteen door het dak te bouwen.

Een studie van een kachel met geforceerde trek resulteerde in een vermogensopbrengst van 4,5 watt, waarvan 1 watt nodig is voor de ventilator. ²⁰ De netto energieproductie (3,5 watt) is lager dan die van een thermoelektrische kachel met enkel een koelplaat (4,2 watt), maar de kachel met ventilator verbruikt daarentegen slechts half zoveel brandhout. Met 1 kg hout per uur produceert de module 3,5 watt, terwijl de passief gekoelde kachel elk uur 2,5 kg hout opslokt om 4,2 watt energie te produceren.

Image: Thermo-elektrische kachel met ventilator. [^20]

Er zijn een handvol door een ventilator gekoelde thermo-elektrische kachels op de markt, vaak ontworpen voor rugzaktoeristen. Voorbeelden zijn de kachels van BioLite, Termomanic en Termefor, die een vermogensopbrengst beloven van 3 tot 10 watt, afhankelijk van het design en het aantal modules. ¹⁷

Thermo-elektrische kachel met waterkoeling

De meest efficiënte thermo-elektrische kachels zijn diegenen waar de koude kant van een module (of modules) gekoeld wordt door direct contact met een waterreservoir. Water heeft een lagere thermische weerstand dan lucht en koelt dus doeltreffender. Daarbij kan de temperatuur niet boven de 100 graden stijgen, wat de kans verkleint dat een module oververhit raakt en stuk gaat.

Image: Het werkingsprincipe van de thermo-elektrische kachel met waterkoeling. [^17]

Als thermo-elektrische modules watergekoeld zijn, draagt de restwarmte van de omzetting naar elektriciteit niet bij aan de verwarming van de ruimte, maar wel aan de verwarming van water voor huishoudelijk gebruik. Watergekoelde kachels kunnen actief zijn (gebruik makend van een pomp) of passief (zonder bewegende onderdelen). ¹⁷

De meeste thermo-elektrische kachels met passieve waterkoeling zijn klein en worden gebruikt om relatief kleine hoeveelheden water te verwarmen. Het is zelfs zo dat het vaak niet de kachel maar wel de kookpot is die van thermo-elektrische modules wordt voorzien. De PowerPot is een commercieel voorbeeld van zo’n kookpot voor rugzaktoeristen, waar op de onderkant een thermo-elektrische module is bevestigd. Als de pot op een vuur wordt neergezet, zou de module 5 tot 10 watt elektriciteit produceren.

Image: Multi-functionele houtkachel met passieve waterkoeling. [^22]

Franse onderzoekers ontwierpen een veel grotere thermo-elektrische kachel met passieve waterkoeling. Ze baseerden zich op een grote, multifunctionele houtkachel van Marrokaans ontwerp, gebouwd uit klei. ¹⁹²¹²²²³²⁴ Op de bodem van een ingebouwde wateropslagtank van 30 liter bevestigden de onderzoekers acht thermo-elektrische modules. De watertank doet niet enkel dienst als koelplaat, ze voorziet ook het warm water voor huishoudelijk gebruik. Bovendien is de kachel uitgerust met een elektrische ventilator en een dubbele verbrandingskamer om de efficiëntie van de verbranding te verhogen.

Tests met een prototype leverden een vermogen op van 28 watt bij het gebruik van 2 modules, terwijl er 1,5 kg hout werd verbrand. De ventilator slokte daar 15 watt van op, wat betekent dat er 13 watt overbleef voor andere doeleinden. De kachel leverde ook 60 liter warm water op per uur. Afhankelijk van de duur van twee kooksessies, kon er op één dag tussen de 35 en de 55 wattuur aan energie opgeslagen worden in een batterij. Bij deze berekening hielden de onderzoekers rekening met het verlies in de laadregelaar, de 6V-batterij en de ventilator.

Thermo-elektrische kachel met elektrische pomp

Passieve waterkoelsystemen hebben ook een nadeel. Als de temperatuur van het water in de tank stijgt, daalt het verschil tussen de koude en de warme zijde van de module en daalt dus ook de energie-efficiëntie. Er moet daarom voldoende tijd zijn tussen twee gebruikssessies van de kachel zodat het water opnieuw kan afkoelen, of als wam water wordt gebruikt, bijvoorbeeld om af te wassen of te douchen. In het laatste geval moet de tank uiteraard opnieuw met (koud) water worden gevuld. Een pomp maakt dit een stuk handiger.

Image: Prototype van een thermo-elektrische kachel met waterkoeling en elektrische pomp. [^26]

Een prototype uit 2015, waarbij de houtkachel gebruikt werd om te koken en om de ruimte te verwarmen, werd voorzien van 21 thermo-elektrische modules die gekoeld werden door een waterpompsysteem. Het prototype leverde 25 watt aan stroom bij de verbranding van 1 kg dennenhout per uur. Met vier kilogram hout steeg het geproduceerde vermogen tot 70 watt, en bij 9 kilogram hout werd dat 166 watt. ²⁵ De vermogensopbrengst per module bedraagt 7,9 watt, bijna dubbel zoveel als die van een module op een kachel met passieve luchtkoeling. De pomp verbruikt 5 watt en de ventilator – die de efficiëntie van de verbranding verhoogt – 1 watt. ²⁶²⁷

Thermo-elektrische gasboilers?

In tegenstelling tot de andere types, die vooral bedoeld zijn voor regio’s waar mensen niet of nauwelijks toegang hebben tot elektriciteit, is de thermo-elektrische kachel met actief waterkoelsysteem meer geschikt voor de energie-infrastructuur in geïndustrialiseerde samenlevingen. Het systeem werkt immers op dezelfde manier als een centrale verwarming.

Uiteraard ligt het elektriciteitsverbruik in rijke landen een heel stuk hoger. Maar er kunnen meer modules toegevoegd worden, wat resulteert in een hogere elektriciteitsproductie. Het probleem is dat centrale verwarmingssytemen enkel worden gebruikt om water en ruimtes te verwarmen, en niet om op te koken. Dat maakt de elektricteitsproductie van een thermo-elektrisch systeem veel minder betrouwbaar: ’s winters is er veel meer elektriciteit beschikbaar dan ’ s zomers. Ten tweede draaien de meeste centrale verwarmingssystemen niet op de verbranding van biomassa of houtpellets, maar op gas, olie of elektriciteit.

Prototype van een thermo-elektrische pelletkachel. [^30]

Het heeft uiteraard geen zin om een thermo-elektrische module op een elektrische boiler te bevestigen. Bestaat de energiebron daarentegen uit gas of olie, dan is een thermo-elektrische boiler net zo’n koolstofarme oplossing als zonnepanelen op het dak. ²⁸ Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem maakt een huishouden niet onafhankelijk van fossiele brandstoffen, maar dat doet een set zonnepanelen ook niet. Zonnepanelen steunen op een (grotendeels door fossiele brandstoffen aangestuurd) elektriciteitsnet om overschotten en tekorten op te vangen, en worden vaak gecombineerd met een centraal verwarmingssysteem voor warmte en water dat eveneens van fossiele brandstoffen afhankelijk is. Ook de productie van zonnepanelen kost fossiele energie.

Een thermoelektrische generator van 1 kW met een actief waterkoelsysteem voor geothermische warmtebronnen met een lage temperatuur. [^31]

Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem dat van fossiele brandstoffen afhankelijk is, heeft ook een voodeel ten opzichte van een grote warmte-krachtcentrale – die de restwarmte van elektriciteitsproductie opvangt en verdeelt naar individuele huishoudens voor water- en ruimteverwarming. In een thermo-elektrisch verwarmingssysteem gebeuren productie en consumptie op dezelfde plaats. Er is geen infrastructuur nodig die de warmte en elektriciteit verdeelt, wat wel het geval is bij een warmte-krachtcentrale. Dat bespaart energie: er moet minder infrastructuur worden gebouwd, en er zijn geen energieverliezen bij het transport van elektriciteit. Die verliezen zijn niet onaanzienlijk: 10 à 20 % voor het vervoer van warmte en 3 tot 10 % voor de distributie van elektriciteit (in sommige regio’s kan dat zelfs veel meer zijn).

Een warmtekrachtcentrale is veel efficiënter (25 tot 40 %) dan een thermo-elektrische kachel in het omzetten van warmte in elektriciteit. Maar aangezien beide zowel warmte als elektriciteit leveren, maakt dat niet uit. Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem levert simpelweg een groter aandeel warmte en een kleiner aandeel elektriciteit. Dit is allesbehalve problematisch te noemen als je weet dat gemiddeld 80 % van het energieverbruik in een Europees huishouden wordt besteed aan verwarming, en slechts 20% aan elektricteit.

In beide gevallen kan de werking omgekeerd worden. Elektrische stroom die door een thermo-elektrische module loopt kan zowel ter verwarming of ter afkoeling dienen. Elektrische stroom door een photovoltaïsche cel sturen, produceert licht - dat is het principe van een LED-lamp. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17.5 (2014): 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. ↩︎
Gayathri, Ms D. Binu Ms R., Mr Vijay Anand Ms R. Lavanya, and Ms R. Kanmani. “Thermoelectric Power Generation Using Solar Energy.” International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 5, Issue 03, 2017. ↩︎
Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎
Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). ↩︎
Balva, Maxime, et al. “Dismantling and chemical characterization of spent Peltier thermoelectric devices for antimony, bismuth and tellurium recovery.” Environmental technology 38.7 (2017): 791-797. ↩︎ ↩︎
Wat het gewicht betreft: een thermo-elektrische module van 5 gram bestaat uit alumininiumoxide voor de keramische platen (44%); koper voor de elektrische contacten (28%); tellurium (10%); bismut (6%) en antimoon (2%) voor de thermo-elektrische benen; kleien hoeveelheden tin (om te solderen), selenium (om de bismut telluride te “doppen”) en siliconepasta (het enige polymeer in de module om alles aan elkaar te kleven). In thermo-elektrische modules is de concentratie van de schaarse elementen antimoon, tellurium en bismut veel hoger dan de traditionele grondstoffen, wat het recycleren ervan aantrekkelijk maakt. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Nuwayhid, Rida Y., Alan Shihadeh, and Nesreen Ghaddar. “Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convection cooling.” Energy conversion and management 46.9-10 (2005): 1631-1643. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
De onderzoekers suggereren ook een methode die de pomp overbodig maakt: een watertank kan op 1 meter hoogte geplaats worden, waardoor de zwaartekracht haar werk doet en het water in het koelsysteem stroomt terwijl het warm water afkomstig van het koelsysteem in een geïsoleerde tank opgeslagen kan worden. ↩︎
Een ander prototype genereerde gemiddeld 27 Watt met amper twee modules, wat meer dan genoegis om de pomp te doen werken (8W). De entto-productie bedroeg 9,5 Watt per module. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
De vroegste experimenten met thermo-elektrische verwarmingssystemen dateren van de late jaren 1990. Het doel was om gasboilers te ontwikkelen die zichzelf van stroom voorzagen. Centrale verwarmingssystemen verbruiken gemiddeld 250 tot 400 watt energie om hun elektrische componenten in werking te stellen: ventilators, blazers, pompen en controlepanels. De toevoeging van thermo-elektrische modules garandeert de functionaliteit van het systeem, ook wanneer er lange stroomonderbreking is. In combinatie met zonnepanelen die aangesloten zijn op het elektriciteitsnet is dit enkel mogelijk wanneer de zon schijnt. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎