Een Alkaline Metaal Thermo-Electrische Cel (AMTEC) zet warmte om in electriciteit doordat natrium of kalium dampen onder druk door een membraan wordt geperst. In dit membraan worden de electronen van het metaal damp gescheiden en via een extern circuit naar de andere kant geleid. Deze systemen heten ook wel Vloeibare Metal Reactoren (Liquid Metal Reactors or LMR). Als je een beetje geinteresseerd bent in alternative energie klinkt dit proces misschien nieuw in de oren. Het eerste patent stamt echter van 1987. De efficientie van een AMTEC cell ‘Benadert de Carnot limiet‘ [1]. Waarom is zo’n cel niet te koop?
De oorsprong van AMTEC
AMTEC werd ontwikkeld in de zoektocht naar efficiente energie bronnen voor ruimte missies. Het benut een hoge temperatuur gradient (van 627 – 1027 graden celsius) waardoor deze techniek ook geschikt is voor geconcentreerd zonlicht applicaties (en concureert met Stirling warmte generatoren). Een AMTEC cell heeft geen bewegende delen. Het bestaat uit een verdampings deel waar de warmte word omgezet in dampdruk, een membraan en een condensatie deel. Het membraan (ofwel barriere) is de grootste technische uitdaging, voor de rest zijn de grondstoffen ruim voorhanden (ijzer, aluminium, zout). Een AMTEC generator zal zijn opgebouwd uit een aantla kleine cellen, zoals je in onderstaande afbeelding kunt zien.
NASA
NASA ontwikkelde de technologie specifiek voor zonlicht-electriciteits conversie. Het vindt dat AMTEC efficienter is dan Stirling technologie waar het ook uitgebreid onderzoek naar heeft gedaan..
Uit eerdere publicaties
“Het apparaat is een natrium concentratie cel ddie gebruik maakt van een ceramische, polykristallijne b”-alumina vaste stof electroliet (BASE) als scheidingswand tussen een hoge druk compartiment met natrium van 627-1027 graden celcius en een lage druk compartiment met vloeibaar natrium van 127 tot 427 graden celcius. Er is recent gewerkt aan zaken als de efficientie van de cathodes en hermetische pakkingen, passief pompen van het natrium en warmte verliezen. De efficientie van de AMTEC cell is nu 16% en wordt verwacht de 20% te bereiken.”
En
“De initiele evaluatie van een ruimte zonneenergie bron gekoppeld aan een AMTEC cell wordt hier besproken. De studie wijst uit dat het AMTEC systeem 30% van het gewicht van een photovoltaisch systeem zou hebben, en 70% van een stirling systeem als het om 35 kWe energie productie gaat die de baseline voor een US ruimtestation vormt. De werktemperatuur van een AMTEC heat pipe en zonnespiegel passen goed bij elkaar. AMTEC is daarom een aantrekkelijk alternatief voor zonne energie opwekking in de ruimte.”
De energie branche
Zover als ik kan overzien is er geen commerciele producent van AMTEC cellen. Google levert niets op. Bedrijven die AMPTEC units hebben gemaakt zijn er mee gestopt. Er zijn wel ‘Heat pipes’ verkrijgbaar, deze voeren warmte efficient af door een vloeistof te laten verdampen die na condensatie weer wordt terug gevoerd. Ik ga na wat de relatie is met AMTEC.
AMTEC wordt hier genoemd. Na te hebben geconstateerd dat AMTEC superieur is aan Stirling wordt voorgesteld de techniek te gebruiken om motor warmte van trucks te benutten. Het heeft er veel van weg dat AMTEC is geinterpreteerd als normale laag efficiente thermoelectrische cellen. Je vind wel publicaties over het omzetten van nucleaire energie met AMTEC. Dat is ook een van de originele toepassingen die NASA voor ogen stond (AMTEC in combinatie met een vervallend isotoop).
“Samenvattend, kleine nucleaire reactors zouden kunnen worden ontworpen met LMR generatoren om de warmte om te zetten in electriciteit met een thermodynamische efficientie van maximaal 35%, en als de restwarmte slim word benut een totale energie utilisatie van ~89% van de output van de reactor. Een energie centrale met een AMTEC (LMR) bied meer flexibiliteit in het gebruik van de thermische output met 2-3 keer zoveel conversie naar electriciteit in vergelijking met een gas gekoelde centrale. Dit is omdat gas gekoelde centrales met een groter temperatuur verloop werken dan liquid metal reactors (LMRs). Aan de andere kant is de fractie van de thermische output in de vorm van processwarmte en de totale energie utilisatie groter met de gas gekoelde centrale dan met de LMR.” [3]
Waarom wordt deze technologie niet bij kolen centrales benut?
En de Kosten?
Natuurlijk zou AMTEC/LMR om een of andere reden erg duur kunnen zijn. Dit is tot in detail onderzocht. Het duurste onderdeel van een AMTEC cell is het membraan (BASE). Dit wordt het meest efficient gemaakt mbv plasma opdaming (zoals in een publicatie te lezen is). In een studie uit 2003 van het Departement van Energie wordt geconcludeerd dat naar een prijs voor units gekeken moet worden van 1000-2000 USD/kWe. Dat veslaat de 1,73 USD/kWe van de koleb gestookte centrales dus al (want voor die 73 cen kun je plenty spiegels kopen).
In de aanbeveling staat echter te lezen:
“Het ontwikkelen van fabricage methodes, procedures en protocols voor grote volumes (wordt geadviseerd). Dit zou de kosten met 50% kunnen reduceren. Een haalbaar doel voor productie kosten van AMTEC cellen is 100-200 USD/kWe.” [3]
< 100 – 200 $/kWe is haalbaar
Elders word 350 USD/kWe genoemd. De range is dus 0,10 tot 0,35 USD/Watt.
Refs.
[1] THE ALKALI METAL THERMAL-TO-ELECTRIC CONVERTER FOR SOLAR SYSTEM EXPLORATION M.A. Ryan
[2] NOVEL, INTEGRATED REACTOR / POWER CONVERSION SYSTEM (USDE comprehensive) here .
[3] HIGH ENERGY UTILIZATION, CO-GENERATION NUCLEAR POWER PLANTS WITH
STATIC ENERGY CONVERSION (Mohamed S. El-Genk and Jean-Michel P.
Tournier)