En ny 3-D-tryckt termoelektrisk enhet, som omvandlar värme till elektrisk kraft med en verkningsgrad som är över 50 % högre än den tidigare bästa för tryckta material – och är billig att producera i bulk – har tillverkats av forskare vid Swansea Universitys SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre.

Ungefär en sjättedel av all energi som används av industrin i Storbritannien slutar för närvarande som spillvärme, släpps ut i atmosfären. Att utnyttja detta för att skapa elektricitet kan vara ett stort steg framåt för att hjälpa industrin att minska sina energiräkningar och minska sitt koldioxidavtryck.

Termoelektriska material omvandlar temperaturskillnader till elektrisk kraft, eller tvärtom. De används i kylskåp, kraftverk och även några smarta klockor som drivs av kroppsvärme.

Tidigare forskning har visat att ett material som kallas tennselenid (SnSe), en förening som består av tenn (Sn) och selen (Se), har hög potential som termoelektriskt material. Problemet är att metoderna som används för att tillverka den kräver mycket energi och därför är dyra.

Det är här Swansea-forskarnas arbete kommer in. Tekniken de har utvecklat är potentiellt mycket låg kostnad för industrin eftersom den gör att SnSe termoelektriska generatorer kan produceras snabbt och enkelt i stora kvantiteter.

Teamet formulerade tennselenid till en typ av bläck som de kunde skriva ut för att testa dess egenskaper. Nästa steg var att utveckla en typ av 3D-utskriftsteknik för att producera en liten termoelektrisk generator gjord av bläcket.

Teamets experiment visade att materialet gav rekordpoäng för effektivitet i prestanda, som mäts med "Figure of Merit" (ZT).

• Swansea-teamets element uppnådde ett ZT-värde (ett mått på termoelektriska generatorers effektivitet) på upp till 1,7
• Den tidigare bästa ZT-poängen för ett tryckt termoelektriskt material var 1,0
• Detta innebär en effektivitetsgrad – för att omvandla värme till el – för Swansea-teamets element på cirka 9,5 %, jämfört med 4,5 % för det tidigare bästa

Genombrottet kan vara till särskilt fördel för industrier där höga temperaturer är involverade i tillverkningsprocessen. Ett exempel är ståltillverkning, som genererar enorma mängder värme och kräver enorm elkraft. Att återvinna värmen till kraft har därför potential att öka energieffektiviteten avsevärt. Tata Steel kommer att stödja en doktorsexamen. forskare i teamet för att utforska den industriella tillämpningen av tekniken.

Forskargruppen är från SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre, ett Swansea University-ledda projekt som utvecklar tekniker för att minska koldioxidutsläppen och visar hur de kan tillämpas på byggnader och industri.

Dr Matt Carnie från Swansea University, som var huvudforskare för detta arbete, sa:

"Att omvandla spillvärme till elektrisk kraft kan öka energieffektiviteten avsevärt, minska räkningarna och minska koldioxidutsläppen. Våra resultat visar att tryckta termoelektriska material med tennselenid är en mycket lovande väg framåt.

Enheten vi utvecklade är det mest presterande tryckta termoelektriska materialet som registrerats hittills, med effektivitetsfaktorn förbättrad med över 50 % jämfört med det tidigare rekordet. Det är också billigt att tillverka i bulk jämfört med etablerade tillverkningsmetoder.

Mer arbete behövs, men redan vårt arbete visar att denna teknik, kombinera effektivitet och ekonomi, kan vara mycket attraktivt för energiintensiva industrier."

Tidningen är "3D-printade SnSe Thermoelectric Generators with High Figure of Merit", publiceras i Avancerade energimaterial .