Stroom uit bloempotten; Aardse toepassing thermionische energie-omzetting

De telexverbinding met de Sovjet-Unie werkt nog. Dat is te zeggen: de telex-verbinding tussen het Institute of Physics and Power Engineering (IPPE) in Rusland en de faculteit chemische technologie van de Technische Universiteit Eindhoven. Nog tijdens het interview met dr.ir. L.R. Wolff van de Vakgroep vaste stof chemie en materialen blijven de telexen uit Obninsk komen.

Wolff ziet het weekend met spanning tegemoet. Maandag zal op het stadhuis van Eindhoven officieel de BV Energy Conversion Systems worden opgericht. De BV is een joint venture tussen het IPPE en het bedrijfje Adenco (Advanced Energy Conversion) waarvan hij directeur is. Het IPPE is een gezaghebbend research-instituut dat tot voor kort voornamelijk voor het Sovjet-ministerie van defensie werkte maar na de ontspanning tussen Oost en West moest proberen civiele toepassingen voor zijn research te vinden. Het instituut telt niet minder dan tienduizend medewerkers en hield zich voor een belangrijk deel bezig met kernenergie en de toepassing daarvan in de ruimtevaart.

Als de samenwerking met Obninsk alsnog afketst, staat Wolff voor de zoveelste hindernis op de weg naar commercialisering van een "aardse' en civiele toepassing van "thermionische energieomzetters'. Maar loopt alles volgens plan dan kan over een jaar of drie begonnen worden met de serie-produktie van "omzetters' die in staat zijn warmte rechtstreeks in elektriciteit om te zetten met een rendement van 10 procent.

De omzetters zouden een plaats kunnen vinden in verwarmingsketels van ziekenhuizen, zwembaden of tuinbouwkassen. De gemiddelde burger zou misschien niet eens merken dat ze er waren, tot hij een CV-ketel koopt waarvan de pomp niet meer op het elektriciteitsnet hoeft te worden aangesloten.

Wie zich op voorhand een beeld wil vormen van de "omzetters' moet denken aan twee in elkaar geschoven bloempotjes waarover een klein spanningsverschil ontstaat als de buitenste bloempot (van wolfraam, bedekt met geavanceerde keramisch materialen) in een gasvlam wordt verhit en de binnenste bloempot (van nikkel) voldoende met water of zelfs vloeibaar natrium wordt gekoeld. Tussen de potjes bestaat een vacuüm.

Het klassieke middel om een temperatuurverschil rechtstreeks in een spanningsverschil om te zetten is het thermokoppel, dat in zijn simpelste uitvoering bestaat uit twee aan elkaar gelaste draden van bijvoorbeeld ijzer en konstantaan waarvan de lassen op verschillende temperaturen worden gebracht. Het thermokoppel heeft een rendement van maar een paar procent en kan geen hoog vermogen ontwikkelen. Toch heeft de Sovjet-Unie het thermokoppel wel gebruikt in satellieten die een kleine kernreactor als energiebron mee kregen. Voor sommige toepassingen leverden zonnepanelen te weinig vermogen.

Tijdens de Falkland-crisis in 1982 leidden Westerse technici uit de prestaties van nieuwe Russische satellieten af dat deze over meer elektrisch vermogen beschikten dan tot dusver haalbaar leek. Ze gebruikten, bleek later, TOPAZ-reactoren waarin enige tientallen thermionische energie-omzetters waren ondergebracht. De omzetters waren door het IPPE ontwikkeld.

Het principe van de thermionische energieomzetting is door Edison ontdekt. Ook een thermionische energieomzetter (thermionic energy converter: TEC), bestaat uit twee verschillende materialen die een spanningsverschil ontwikkelen onder invloed van een temperatuurverschil. Meestal beschrijft men de combinatie als een stelsel van twee elektroden, een diode. De emitter is de elektrode die op een temperatuur van zo'n 1400 graden Celsius wordt gebracht en dan "thermisch' elektronen afgeeft, zoals de gloeidraad in de ouderwetse gelijkricht- en versterkerbuizen toen die nog niet door die nieuwerwetse halfgeleiders waren vervangen. De koude collector is de tegenelektrode die de uitgezonden elektronen opvangt en afvoert als de twee elektroden, zoals dat heet, "uitwendig belast worden'. De collector wordt niet warmer dan een graad of 600.

Het beoogde elektronentransport slaagt alleen in hoog-vacuüm en wanneer de afstand tussen de elektroden niet groter is dan 5 micrometer. Bij een grotere afstand ontstaat tegenwerking van de elektronenwolk die boven de emitter komt te hangen, het "ruimteladingseffect'. Omdat het technisch lastig is elektroden op een afstand van 5 micron te brengen en te houden, wordt een makkelijk ioniseerbare damp tussen de elektroden gebracht die de negatieve lading van de ruimteladingswolk compenseert. Is damp van het vluchtige metaal cesium aangebracht, dan mag de elektrode-afstand oplopen tot 0,5 millimeter. Dan nog ontwikkelt de diode een spanning van 0,5 volt bij een aangenaam hoge stroomdichtheid van 10 ampère per cm².

Zo simpel als het principe is, zo moeilijk bleek het in de praktijk een economisch interessante "omzetter' te ontwikkelen. Tegen het eind van de jaren zeventig, toen Wolff belangstelling voor de techniek kreeg, hadden anderen hun enthousiasme net verloren. Duitse onderzoekers die voor Mercedes een motor-onafhankelijke omzetter ontwikkelden op basis van molybdeen met (verarmd) uraniumoxyde en samenwerking zochten met Wolff, moesten stoppen toen Mercedes bij nader inzien geen uranium in de auto's wilde. Ook een korte vrijage met de Amerikaanse Thermo Electronic Corp. liep in 1983 dood toen dat voor het SDI-programma ging werken en een geheimhoudingsverklaring werd vereist.

Zo komt het dat de experimentele TEC's die nu in Eindhoven staan grotendeeels door het team van Wolff zelf zijn ontwikkeld. En zo komt het dat Wolff de verslaggever een uitputtend overzicht kan geven van de technische barrières die hij zou ontmoeten als hij zelf een vlamverhitte TEC zou willen bouwen.

Vooralsnog houdt Eindhoven vast aan het bloempot-concept. De buitenste pot ontleent zijn mechanische sterkte aan wolfraam. Aan de binnenkant daarvan bevindt zich de geavanceerde emitter-laag op basis van wolfraam-aluminiumoxyde Dankzij een zelf ontwikkelde opdamptechniek is de laag, microscopisch gezien, naaldvormig van structuur hetgeen de functie zeer ten goed komt.

Het inwendig gecoate wolfraam maakt deel uit van de hot shell, de omhulling van de omzetter die hem beschermt tegen de vlam. Daartoe is het wolfraam aan de buitenzijde gecoat met titaannitride en siliciumcarbide, dat de oxydatie-bescherming biedt.

De binnenste bloempot, de collector, bestaat uit nikkel. Aanvankelijk werd deze gekoeld met water (zoals de illustratie nog laat zien), later is voor het gebruik van een heat pipe gekozen. In dat koelinstrument (in andere vorm ook te vinden in de geruchtmakende nieuwe Philips QL-lamp) circuleert natrium door een capillair systeem waarbij het beurtelings condenseert en verdampt. De hot shell-emitter wordt van de collector elektrisch gescheiden door een ceramic seal, een metaal-keramiek verbinding die tegelijk vacuümdicht moet zijn.

Met de steun van vijftig Russische wetenschappers en de eigen inbreng van elf onderzoekers, hopen Wolff c.s. binnen drie jaar goed werkende prototypen van vlamverhitte TEC's geïntegreerd in verwarmingstoestellen geproduceerd te hebben. Daarna zou een verdere commercialisering door het THERMIE-programma van de EG gesteund kunnen worden. Een eerste commercieel interessante toepassing ziet Wolff in installaties voor warmte-kracht-koppeling: apparatuur die de afvalwarmte van elektriciteitsopwekking nuttig aanwendt of - zoals bij TEC's - juist andersom elektriciteit produceren in toestellen die in eerste instantie voor verhitting zijn bedoeld. Zo zouden ketels waarmee ziekenhuizen, winkelcentra of kassen worden verwarmd als nevenprodukt elektriciteit kunnen opwekken en daarmee het totaal rendement van het energiegebruik kunnen verbeteren.

Dat het elektrisch rendement van de TEC maar bescheiden is is volgens Wolff geen bezwaar. ""Het gaat om het economisch rendement en de terugverdientijd. Als ze in massa geproduceerd worden kunnen TEC's redelijk goedkoop worden. Bovendien eisen ze geen onderhoud omdat ze geen bewegend delen bevatten.'' De economische levensduur van de omzetters wordt voorlopig geschat op een jaar of vijf, daarna zou de emitter te ver geoxydeerd zijn. Wolff ziet goede mogelijkheden voor het regenereren van de omzetters.