Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

De thermo-elektrische kachel: een alternatief voor zonnepanelen?

Een houtkachel met thermo-elektrische generatoren kan een huishouden van zowel warmte als elektriciteit voorzien.

image

Illustratie: Diego Marmolejo.

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.

image

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

image

Een thermoelektrische module. Toestemming tot gebruik van afbeelding verkregen, Applied Thermoelectric Solutions LLC, 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.

image

Afbeelding: een thermo-elektrische generator op een petroleumlamp die een radio aandrijft, Soviet-Rusland, 1959. Bron: The Museum of Retrotechnology.

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.

image

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.

image

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

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

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

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. 1922232425 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.

imageimageimage

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. 26 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. 2728

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.

image

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. 29 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.

image

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.

Kris De Decker

Comments

Wil je reageren? Stuur dan een mailtje naar solar (at) lowtechmagazine (dot) com.

Maarten Van Tulder

Beste,

In dit artikel staat of valt alles toch met het rendement van de houtverbranding. De meeste kachels hebben een zeer slecht rendement en daarom lijkt een pleidooi voor het verbranden van hout toch steeds gepaard te moeten gaan met de noodzaak van een hoogrendementsverbranding, en duurzaam ontgonnen hout.

Zo niet is het rendement van zowel verbranding als elektrisch zeer slecht, en komt daar ook nog eens de nefaste gezondheidsinvloed van houtkachels bij en de roofbouw op de natuur.

Het toevoegen van een thermo-elektrisch element aan een kachel met een slecht rendement kan daarenboven in de praktijk ook zorgen voor een hoger houtverbruik om de elektrische productie op te drijven, en dat is al helemaal onzinnig. Voor de mensen die massa’s brandhout ter beschikking hebben door een eigen kapgebied bvb maakt het voor hen qua brandstof niets uit wat het rendement van de kachel is. Maar maatschappelijk is dat onhoudbaar.

De meeste lowtech houtkachels hebben een slecht rendement en zouden daarom wegens verspilling van energie, gezondheidseffecten en milieu-effecten moeten verboden worden. Dit wordt te weinig belicht in het artikel, hoewel het zeer relevant is om eindconclusies te trekken over de zin of onzin van deze techniek.

Niek Vermeulen

Beste Kris en ploeg,

Interessant artikel over de thermo-elektrische kachel. Niet dat ik denk dat deze op grote schaal zal doordringen in de huishoudens. De opbrengst aan kWh is bedroevend laag. Maar de elektra wordt wel opgewekt op het moment dat je hem nodig hebt. Daar schuilt namelijk precies het probleem van de combinatie van PV-panelen en een warmtepomp. Op het moment dat de warmtepomp moet presteren, komt de stroom niet van de panelen maar uit gas, olie, bruinkool, een kernsplijter en vooralsnog maar een beetje uit wind. Op winterse, sombere dagen schiet de PV-opbrengst enorm tekort om de pomp te laten draaien. Zelfs wanneer je veel zonnepanelen hebt, die over een heel jaar meer leveren dan je voor de warmtepomp nodig hebt, gaat de opbrengst in de zomer het net op en gebruikt de warmtepomp in de winter voornamelijk vuile energie.

Ook financieel worden de eigenaren van een systeem met PV-panelen in combinatie van een warmtepomp in de toekomst verrast door hoge kosten, nu de overheid (in NL) de salderingsregeling afbouwt. Nu maakt het niet uit wanneer je de elektriciteit opwekt. Maar in de toekomst ontvang je in de zomer slechts luttele centen voor de elektra die je het openbare net op pomp, maar betaal je het volle pond voor de elektriciteit die de warmtepomp in de winter meer nodig heeft dan je eigen productie op dat moment. Het installeren van accu’s kan helpen om het verschil tussen de productie van de panelen in dag en nacht op te heffen. Maar om het verschil in de seizoenen op te heffen zou je enorme accupakketten nodig hebben. En accu’s worden ook niet van lucht gemaakt.

Een buffer met waterstofgas kan wel het zomer-winter-verschil overbruggen. Maar de echt schone productie daarvan vergt een enorm areaal aan PV-panelen of windmolens. Het zou een prachtig idee zijn om de honderden miljarden die nu in het zwarte gat van bedrijfsondersteuningen wordt gestort, te gebruiken om in Noord-Afrika enorme zonneparken met waterstoffabrieken aan te leggen. Dit zou ook voor werkgelegenheid zorgen, zodat de Afrikanen zich niet genoodzaakt zien om in wrakke bootjes over te steken.

Vriendelijke groet, Niek Vermeulen

Bert Lamoree

Beste beheerder van Lowtechmagazine.

Wat jammer dat u de website hebt veranderd naar deze voor mij niet erg leesbare variant. Ik vrees dat ik het niet lang zal volhouden deze site te bezoeken. Elke verandering is helaas geen verbetering! (Uiteraard mijn mening en wellicht niet die van anderen) Het ontvangen van feedback is niet leuk meestal het geven ook niet. Excuses daarvoor. Met het is welgemeend en opbouwend bedoeld!

Met vriendelijke groet,

Bert Lamoree

eddy devliegere

Beste ,

Ik heb met interesse uw artikel gelezen omdat ik al een tijdje met een idee loop dat ik niet kan testen wegens geen warmtepomp. Een teg maakt elektriciteit uit een temperatuurverschil. Het maakt niet uit op hoge of lage temperatuur. Nu heeft de het koelmiddel in de koude kant van de warmtepomp na de ontspanner heel koud voor het naar het captatienet gaat en iets minder koel bij retour uit het captatienet.

Twee manieren om die koelte te gebruiken.

  1. Aan de koudste kant met bijna gratis warmte

Je kan bijna gratis een beperkt temperatuurverschil maken met een lucht of grondwaterwaterpomp maar dan heb je maar een 40 tal graden verschil en zal het rendement ook belabberd zijn alleen weet ik niet hoe belabberd en dat hoopte ik ook te weten te komen maar het stond ook niet in uw artikel. Maar teg’s zijn ook heel goedkoop.

2 Aan de retourkant van het captatienet als het koelmiddel al wat warmte opgenomen heeft

Het eigenlijke idee dat ik eens wilde testen met een gasvlam die de warme kant 200 °C geeft en de retourleiding uit het captatienet , dus nadat het koelmiddel al wat opgewarmd is als koude kant. Op die manier geeft de warmte uit het gas aan het koelmiddel extra warmte en zet het naar schatting 5 % om in elektriciteit. Resultaat is ook een hogere cop voor de warmtepomp.

Of een combinatie van beide.

Een lucht/waterwarmtepomp. Waarbij de ventilator in de warmtewisselaar op de warme kant van de tegs blaast en het koelmiddel de koude kant koel houd. Met erna een kleine gasverwarming die 5% elektriciteit levert en voor de rest een hogere cop voor de warmtepomp. Of het kostenefficiënt is betwijfel ik wat ook de reden is dat ik er niet aan begonnen ben maar ik dacht ik ga het toch eens van uit mijn luie zetel typen.

Mvg

Marieke Van Coppenolle

Dag Kris,

Bij het lezen van jouw artikel vroeg ik mij de hele tijd af of dat op mijn klein kacheltje ook toegepast zou kunnen worden (en of dat de moeite is). Ik leef al vele jaren op 8 m² op wielen, en in de herfst/winter/lente brandt mijn kacheltje ofwel de hele tijd (vaak ook ‘s nachts, maar dan op een laag pitje) en soms zelfs in de zomer (als er een te hoge luchtvochtigheid is, vooral ‘s avonds en ‘s morgens).

Elektriciteit haal ik ofwel van het net, als ik bij familie of vrienden sta, ofwel van twee zonnepanelen op mijn dak, maar die werken in de winter alleen als ik in het zuiden van Europa ben - in België staat de zon in de winter veel te laag en de kou doet de batterijspanning ook veel sterker dalen.

Ik denk eerlijk gezegd wel dat het sop de kool niet waard is, om van mijn kacheltje een thermo-elektrische kachel te maken…

Maar ik wilde jouw gedacht toch eens horen!

Lieve groet, Marieke

Ludwig Van Wonterghem

Beste meneer De Decker,

Ik heb met veel aandacht uw interessant artikel gelezen over thermo-elektrische kachels.

Twee jaar geleden waren we op bezoek bij een kachelfabrikant in Duitsland http://he-energy.gmbh/de/thermoelect-gmbh.html

Het is heel mooi (technisch gezien toch). Zie de foto’s in bijlage.

Aber …

300W elektriciteit bij 15000W thermisch is niet echt “top” als je bedenkt dat er toch nog makkelijk 30 Watt naar regeling en pompen gaat. Bovendien is het allemaal zeer gevoelig. De elementen mogen niet te warm worden, de druk erop moet via veren en speciale klemmen gebeuren (kan je ook zien op je eigen foto’s van de website), het is ook een grote spaghetti van kabels. En duur. Om die 300W te halen waren er voor meer dan €5.000,- aan elektro-elementen nodig. Bij Conrad kost een 1.8V , 1.8W (tot maximaal 8W) cel al iets van een €50,-.Toen we in het Duitse labo waren, lag het vol, werkelijk vol, met defecte of slechte cellen. Het is dus bovendien zeer gevoelig en kwetsbaar.

Ondertussen is de firma die de fantastische kachel (werkelijk zeer goede verbranding, om jaloers op te zijn !) bouwde, failliet…

Om die elementen op een gewone (luchtgekoelde) kachel te gebruiken, is het ook niet zo eenvoudig omwille van de gevoeligheid van de temperatuur. Het komt erop aan om aan de éne kant een stabiele temperatuur te hebben, warm genoeg, maar niet té warm. Ook aan de koude kant moet de temperatuur liefst zo stabiel en zo koud mogelijk zijn. In een gewone kachel is er sterke opwarming door de vuurhaard enerzijds, maar anderzijds (gezien we geen waterkoeling hebben) stijgt ook de convectiestroming en dus ook de temperatuur aan “afname kant”. Niet simpel om dit geregeld te krijgen en er enig rendement uit te halen.

ÖkoFEN, Oostenrijkse fabrikant van pelletketels, heeft een jaar of 10 geleden samen met de KULeuven aan een project meegewerkt, het is met stille trom begraven.

Ik vermoed dat voor outdoor en camping die thermo-elektrische cel het wel een goed idee is. Om off-grid te gaan of om werkelijk een alternatief te zijn voor zonnepanelen, zijn ze wellicht een tandje te licht en te delicaat.…

Mocht u vragen hebben, altijd welkom.

Met vriendelijke groeten, Ludwig Van Wonterghem

Hendrik-Jan Peeters

Beste Kris,

Heel fijn artikel. Bedankt. De lamp/radio in je artikel deed me denken aan deze:

https://www.olielampen.nl/radiolielamp.html

Groet!

Kris De Decker

Eerst en vooral excuses dat de site plat ging vlak na de lancering van de nieuwsbrief. Ik probeer te publiceren bij een goede weersvoorspelling maar het weer sloeg onverwacht om….

@ Maarten

Het klopt uiteraard wat je schrijft over het rendement. En als je speciaal de kachel gaat aansteken om elektriciteit te maken (zonder te koken of te verwarmen) dan wordt het bijzonder inefficient. Maar voor de belangrijkste doelgroep van deze technologie geldt dit allemaal niet. De kachels branden sowieso en hout verzamelen kost veel tijd, dus mensen hebben geen toegang tot “massa’s brandhout”.

@ Niek

Ik ben het met je eens en het is goed dat je ook deze kant belicht. De thermo-elektrische kachel is verre van ideaal, maar hetzelfde geldt voor de combinatie van zonnepanelen en elektrische warmtepomp. Die lijkt veel duurzamer en schoner, maar in praktijk bots je op het fundamentele probleem dat er geen zon is als je ze het meeste nodig hebt — in de winter.

@ Bert

Het spijt me dat je de nieuwe website niet leesbaar vindt. Ik begrijp dat het een ingrijpende verandering is, en dat de reacties verdeeld zijn. Sommige mensen vinden de nieuwe website fantastisch, anderen vinden er niks aan. Maar misschien moet je ze nog een kans geven. Er zijn meer voordelen dan op het eerste gezicht lijkt. Je schrijft niet waarom je de website niet leesbaar vindt, maar je kan bijvoorbeeld eens proberen een artikel uit te printen. Of, als de batterijmeter je stoort, kan je proberen overdag te lezen.

@ eddy

Als ik het goed heb, moet je zeker een temperatuurverschil van 80 graden zien te halen.

@ Marieke

Het zou een extra oplossing kunnen zijn voor de winter, wanneer de zonnepanelen veel minder energie leveren. Als je op 8 m2 woont dan heb je wellicht ook geen grote elektriciteitsverbruikers in huis. En met zuinige technologie kan je heel veel doen met een beetje elektriciteit. Als je er 30 watt-uur per dag kan uithalen, dan kan je bv. een uur of zes een tablet gebruiken. Probleem is dat je het wel zelf zal moeten bouwen, er zijn (nog) geen kant en klare pakketten op de markt.

@ Ludwig

De eerste thermo-elektrische systemen werden speciaal ontwikkeld om alle regeling en pompen van een centrale verwarming te doen werken. Het grote voordeel is dat een centraal verwarmingssysteem zo onafhankelijk wordt van het elektriciteitsnet. Als nu de elektriciteit uitvalt, dan valt in de meeste woningen ook de verwarming uit.

De kwetsbaarheid van de modules is inderdaad een issue, al heb ik er niet echt harde data over gevonden. Ik weet niet of het een inherent probleem is met de technologie, of dat ze te goedkoop worden gefabriceerd. Ik vermoed het tweede, want thermo-elektrische modules worden bijvoorbeeld ook in de ruimtevaart gebruikt en daar worden ze als buitengewoon betrouwbaar bestempeld. https://solarsystem.nasa.gov/missions/cassini/radioisotope-thermoelectric-generator/

Ik heb er zelf een aantal in gebruik en ik heb nog geen defecte cel gezien. Ik gebruik ze niet voor het opwekken van elektriciteit maar voor de productie van koude (omgekeerde werking dus).

@ Hendrik-Jan

Mooi !

Guy

Beste,

Ik las uw artikel over de ‘TEG

Wij ruilen ons compacte passiefhuis in voor een te renoveren woning van +300m2. Het is dus koortsachtig zoeken naar nieuwe technieken om onze ‘footprint’ terug te verkleinen.

We keken al naar pelletsystemen voor centrale verwarming en ik vraag me af of een combi van dit systeem met een ‘TEG’ uberhaupt al op de markt is en of het nuttig zou zijn om te investeren in een dergelijk systeem.

Als ik aan potentiële leveranciers vertel dat ik graag de verwarming, koeling, warm water, verwarming zwembad, ventilatie e.d. wil combineren, met een minimum aan energieverbruik, wordt het meestal erg stil.

Kan u mij hierover informeren of nuttige contacten bezorgen? Ik kijk alvast uit naar uw reactie.

Vriendelijke groeten, Guy


  1. 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. 

  2. Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. 

  3. Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm 

  4. 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. 

  5. Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. 

  6. Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. 

  7. The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. 

  8. Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. 

  9. Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. 

  10. 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. 

  11. Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. 

  12. Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. 

  13. 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. 

  14. Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). 

  15. 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. 

  16. 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 

  17. Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. 

  18. 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. 

  19. Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. 

  20. 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. 

  21. O’Shaughnessy, S. M., et al. “Field trial testing of an electricity-producing portable biomass cooking stove in rural Malawi.” Energy for Sustainable development 20 (2014): 1-10. 

  22. Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. 

  23. 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 

  24. Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. http://www.soliftec.com/ThermGen20170.pdf 

  25. 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. 

  26. 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. 

  27. 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. 

  28. 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. 

  29. 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. 

  30. Moser, Wilhelm, et al. “A biomass-fuel based micro-scale CHP system with thermoelectric generators.” Proceedings of the Central European Biomass Conference 2008. 2008. 

  31. Liu, Changwei, Pingyun Chen, and Kewen Li. “A 1 KW thermoelectric generator for low-temperature geothermal resources.” Thirty-ninth workshop on geothermal reservoir engineering, Stanford University, Stanford, California. 2014. 

568.23KB