Mer effektiv utnyttelse av spillvarme

Gunstein Skomedal fra Søgne disputerer for ph.d.-graden med avhandlingen «Thermally activated degradation processes in novel thermoelectric for waste heat recovery».

Skomedal forsker på termoelektriske materialer, som omdanner varme til strøm. I avhandlingen viser han at ved å bruke nye termoelektriske materialer kan han øke mengden strøm som hentes ut av spillvarme. Foreløpig er gevinsten langt mindre enn potensialet, antar han - siden forsøkene med nye materialer foreløpig er i forsøksfasen.

Gunstein Skomedal disputerer på Fakultet for teknologis doktorgradsprogram med spesialisering i fornybar energi. Før han startet doktorgradsprosjektet ved UiA arbeidet han som prosessingeniør ved Elkem Solar i Kristiansand.

Se også nettsiden/bloggen www.termoelektrisitet.no der Gunstein Skomedal er en av bloggerne, og les mer og se video om Gunstein Skomedals forskning:

Slik beskriver kandidaten selv essensen i avhandlingen:

Utvikling av nye termoelektriske materialer for spillvarmegjenvinning

Omtrent 60% av alt menneskelig energiforbruk forsvinner til omgivelsene som spillvarme. Nye teknologier trengs for å utnytte dette potensialet på en bedre måte.

Et termoelektrisk materiale omdanner varme direkte til strøm og er derfor en svært aktuell teknologi for dette formålet. I motsetning til etablert teknologi som dampturbiner, foregår omdannelsen av varme til strøm i termoelektriske materialer uten noen form for bevegelige deler. Det krever lite vedlikehold og er modulært og lett å skalere opp og ned i størrelse.

Dermed kan man bruke termoelektrisitet til å gjenvinne varme der andre teknologier av ulike grunner ikke er lønnsomt eller praktisk mulig å gjennomføre.

Behøver nye termoelektriske materialer

Utfordringen med dagens termoelektriske materialer er at de er relativt kostbare, består av sjeldne og giftige råvarer og er mindre effektive enn andre teknologier for varmegjenvinning. Det har derfor gjennom de siste tiårene vært mye forskningsaktivitet på å utvikle nye og bedre termoelektriske materialer.

Fokuset til nå har stort sett vært på å få en akseptabel effektivitet på disse nye materialene, mens lite fokus har blitt gitt andre egenskaper.

En minst like viktig egenskap som effektivitet, altså hvor mye av varmen som omdannes til elektrisitet, er holdbarheten til materialet.

Siden energikilden for spillvarmegjenvinning er gratis, er de viktigste faktorene som bestemmer energiprisen installasjonskostnaden delt på levetiden. For å kunne skalere opp produksjonen og bruken av de nye materialene er det helt nødvendig med kunnskap og kontroll på ulike mekanismer som kan forårsake forringelse av materialet over tid - og dermed redusere levetiden.

Dette er hovedfokuset i doktorgradsavhandlingen «Thermal durability of novel thermoelectric materials for waste heat recovery».

To lovende nye materialer

Skomedal valgte å ta for seg to av de mest lovende nye termoelektriske materialene – skutteruditter (kobolt og antimon) og silisider (silisium-basert). Begge materialene har god effektivitet og lages av mye billigere råvarer enn dagens termoelektriske materialer.

Siden disse materialene skal fungere ved høye temperaturer i korrosive (tærende, nedbrytende) omgivelser må de motstå forringelse forårsaket av dette.

Hovedfokuset i avhandlingen har vært på forståelse av oksidasjon av disse materialene, med andre ord hvordan de reagerer med oksygen i lufta ved høye temperaturer.

Skomedal håper at innsikten i disse prosessene kan hjelpe med å designe materialene, ikke bare for høy effektivitet, men også for å tåle de svært aggressive forholdene de utsettes for.

I tillegg forteller han om hvordan ulike typer maling har blitt testet på utsiden av materialene som et alternativ for å unngå oksidasjon.

Rekordeffektive moduler i nytt materiale

Det mest oppløftende resultatet er kanskje arbeidet som ble gjort med å lage termoelektriske moduler basert på disse nye materialene.

Et svært fruktbart forskningssamarbeid med flere europeiske partnere resulterte i at vi laget noen nye prototype termoelektriske moduler. Vi greide å oppnå rekordhøy effektivitet på mer enn 5 % på moduler laget bare av silisider, så vidt oss bekjent en ny rekord med disse nye materialene.

Enda denne effektiviteten er relativt lav sammenliknet med andre teknologier for å omdanne varme til strøm, forsikrer Gunstein at mye bedre effektiviteter er forventet ved kontinuerlig forbedring av denne gruppen materialer.

Dette er svært lovende resultater for utviklingen av nye billige, stabile og effektive termoelektriske materialer for spillvarmegjenvinning.

Det er på høy tid at vi utnytter den energien vi i dag lar gå til spille på en bedre måte, og termoelektrisitet kan absolutt være en del av løsningen.

Disputasfakta:

Kandidaten: Gunstein Skomedal (født 1986) vokste opp i Søgne. I 2010 ble han ferdig med mastergraden i materialteknologi ved NTNU i Trondheim. Siden har han jobbet i ulike stillinger i Elkem, blant annet som prosessingeniør i Elkem Solar i Kristiansand. Fra 2013 til 2016 har han jobbet med et doktorgradsprosjekt på nye termoelektriske materialer ved Universitetet i Agder.

Prøveforelesning og disputas finner sted i Rom C2-042, Campus Grimstad.

Dekan, professor Michael Rygaard Hansen leder disputasen.

Tid for prøveforelesning: Tirsdag 14. juni 2016 kl 10:00

Oppgitt emne for prøveforelesning: “Taking the nanostructuring approach to improve thermoelectric materials”

Tid for disputas:Tirsdag 14. juni 2016 kl 12:00

Tittel på avhandling: «Thermally activated degradation processes in novel thermoelectric for waste heat recovery»

Søk etter avhandlingen i AURA - Agder University Research Archive, som er et digitalt arkiv for vitenskapelige artikler, avhandlinger og masteroppgaver fra ansatte og studenter ved Universitetet i Agder. AURA blir jevnlig oppdatert.

Opponenter:

Førsteopponent: Dr. Gao Min, School of Engineering, Cardiff University

Annenopponent: Professor Kjell Wiik, Institutt for materialteknologi, NTNU

Bedømmelseskomitéen er ledet av førsteamanuensis Martin Choux, UiA

Veiledere i doktorgradsarbeidet var professor Hugh Middleton, UiA (hovedveileder) og Marianne Engvoll, TEGma (bi-veileder).