Piëzo-elektriciteit is in opkomst. Piëzo-elektrische cellen wekken elektriciteit op uit trillingen, of omgekeerd trillingen uit elektriciteit. Het eerste is van belang voor het oogsten van energie, want onze wereld heeft steeds meer behoefte aan de kleine vermogens die piëzo-elektrische cellen kunnen opwekken – vooral voor sensoren en LED-verlichting. Piëzo-elektriciteit kan batterijen vervangen waar energie uit trillingen anders verloren zou gaan, zoals onder spoorbielzen of zware machines. Maar zelfs kleine trillingen als die onder een kinderspeelplaats of in de slagaderen van het menselijk lichaam kunnen elektriciteit opwekken; deze autonome apparaten passen goed in een wereld die steeds minder afval voortbrengt. Bestaande toepassingen zijn in gasaanstekers, inktjetprinters, schokbrekers, en apparatuur met ultrageluid. In de toekomst misschien energieterugwinning uit trillingen in auto’s, huishoudelijke apparaten en industriële machines.
Materiaalonderzoek
‘Er zijn in de natuur veel piëzo-elektrische materialen,’ zegt Beatriz Noheda, die materiaalonderzoek doet aan het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG). Het werk van haar groep wordt deels betaald uit het Ubbo Emmius Fonds, gesteund door alumni van de RUG. ‘Piëzo-elektrische materialen zijn kristallen die elektriciteit produceren wanneer zij onder druk worden gezet en van vorm veranderen. Kwarts (aanwezig in gewoon zand) is een bekend piëzo-elektrisch materiaal, gebruikt in klokken en bruikbaar voor zeer precieze tijdmetingen. Kort geleden heeft men ontdekt dat zelfs virussen piëzo-elektriciteit opwekken.’
Misschien had piëzo-elektriciteit al een belangrijke rol kunnen spelen in ons elektriciteitssysteem, als niet verreweg het beste bekende piëzo-elektrische materiaal voor bijna 50 gewichtsprocent uit lood had bestaan. Massale toepassing van dit materiaal zou een groot milieuprobleem hebben veroorzaakt. Daarom is materiaalonderzoek de kern van piëzo-elektrische ontwikkeling. ‘Momenteel onderzoeken we voornamelijk perovskieten (waartoe ook het lood bevattende materiaal behoort),’ zegt Noheda. ‘We ontwikkelen materialen met precies beheerste eigenschappen door zorgvuldig zeer dunnen kristallijne lagen boven op elkaar aan te brengen, zodat we materialen verkrijgen met de gewenste elektrische eigenschappen.’
Zelfvoorzienende sensoren
Het vermogen opgewekt door piëzo-elektrische cellen is klein – maar apparaten met een zeer kleine elektriciteitsvraag worden steeds meer gebruikt. Vele sensoren gebruiken vrijwel geen elektriciteit – maar toch, als ze worden gevoed door batterijen, produceren ze afval als de batterij wordt vervangen; en een veelvoud van de materiaalkosten wordt veroorzaakt door de manuren bij de vervanging van de batterijen, vooral wanneer deze op afgelegen plekken hangen. Bij gebruik van een piëzo-elektrische cel die elektriciteit opwekt uit aanwezige trillingen, voorkomt men zowel loonkosten als afval. Rond elke fabriekshal zijn voldoende trillingen voor het voeden van piëzo-elektrische cellen. Een mooi voorbeeld is de zelfvoorzienende sensor gemaakt door het Israëlische bedrijf Innowattech, aangebracht onder spoorbielzen, die van elke langskomende trein precies de snelheid, samenstelling etc. kan overbrengen.
Het Amerikaanse MicroGen heeft een schaalbare ‘Vibrational Energy Harvesting Micro Power Generator’ ontwikkeld, bruikbaar voor vele toepassingen, zoals productie-automatisering, meten van de bouwkundige staat van bruggen en van de spanning van autobanden, en afstandsbedieningen. Het Britse Pavegen en het Nederlandse Tauw ontwikkelen stoeptegels die elektriciteit opwekken uit voetstappen, elektriciteit die bijvoorbeeld kan worden gebruikt voor plaatselijke verlichting. Pavegen liet fraai de mogelijkheden zien bij de finish van de marathon in Parijs in 2013. Ze legden 176 energieproducerende tegels, waaronder een stuk van 25 vierkante meter bij het eind van de race op de Champs Elysées. Door demonstraties als deze wil Schneider Electric, hoofdsponsor van de race, de marathon CO2-positief maken gedurende hun vier jaar durende sponsorschap. Zulke tegels verweren niet, ze vereisen geen ver transport van elektriciteit, en ze kunnen stroom opwekken wanneer deze nodig is, bijvoorbeeld voor straatverlichting als er mensen aan komen, of voor verkeersborden die oplichten wanneer er een auto nadert. Met LED-verlichting die veel minder stroom nodig heeft, lijkt de combinatie van piëzo-elektrische cellen en openbare verlichting erg kansrijk.
Piëzo-elektrische kleden
Een heel andere toepassing is het aanbrengen van een mini-piëzo-elektrisch kleedje aan de binnenkant van menselijke slagaders na hartoperaties, om de pacemaker te voorzien van stroom. Bij deze combinatie zijn er geen vervolgoperaties nodig om de pacemaker te vervangen. En doordenkend op dit voorbeeld kunnen we ons voorstellen dat onze hoge gebouwen worden bekleed met zulke materialen, om energie uit de wind te oogsten. Dan zijn er geen MW-machines meer nodig voor dit doel. En zowaar: in Zweden heeft architectenbureau Belatchew zo’n gebouw voorgesteld.
Voorlopig nestelen piëzo-elektrische cellen zich in niches van waaruit ze een steeds toenemende rol kunnen gaan spelen in de lokale energievoorziening.
www.rug.nl/research/our-top-research/rosalind-franklin-fellows-2003-2010/beatriz-noheda
www.rug.nl/science-and-society/alumni-and-fundraising/support-the-university/ubbo-emmius-fund/projects/energie-oogsten-uit-beweging
www.microgensystems.com
www.pavegen.com
www.innowattech.co.il/
www.tauw.nl/nieuws/artikel/e-tegel-dingt-mee-naar-accenture-innovation-awards-2012/?cHash=2038600d94fa1c8e8f5904d3367a3b31
www.utwente.nl/ctw/trc/EN/projects/piezo.doc/
www.prweb.com/releases/2013/6/prweb10864734.htm
belatchew.com/2013/06/27/strawscraper-the-movie-2/
Als je een 1,5AA batterij neemt.daaronder hang je schroef ,die je met de kopkant aan een sterke ronde magneet doet, aan de onderkant doe je weer een schroef met de kopkant aan de magneet,het geheel moet met de punt aan de min kant van de batterij,komen te hangen ,als je draad op de pluskant doet,en de andere kant van die draad ,tegen de ronde magneet doet ,gaat hij draaien,en de batterij gaat trillen,is daar geen stroom uit te halen?