ThermoHarv

De essentie van het Europese territoriale samenwerkingsprogramma Interreg Frankrijk-Wallonië-Vlaanderen ligt in de ontwikkeling van grensoverschrijdende partnerschappen die gericht zijn op de ondersteuning van industriële innovatie en economische groei via een grotere sociale en territoriale cohesie.

In het kader van het ThermoHarv-project zal de belangrijkste impact zich voordoen op het industriële bekken van het FWVL-gebied, en meer bepaald op de spelers in de bouwsector in het algemeen. Het CD2E (Centre de Déploiement de l’éco-transition dans les entreprises et les territoires) is toegetreden tot het consortium met als taak de communicatie tussen de actoren van het project en de industrie te optimaliseren, om zo de overdraagbaarheid van het project naar bedrijven in het FWVL-gebied te garanderen. Als regionaal kenniscentrum zal het de schakel vormen tussen bouwbedrijven, materiaalfabrikanten, overheidsactoren, architecten enz. POM West-Vlaanderen en Greenwin zijn aan het project verbonden om de verspreiding van technische vooruitgang te verbreden en een grotere gemeenschap te bereiken (bouw, kunststofverwerking, 3D-printen, elektronische apparatuur, formulering).

Voorwaarden: Bedrijven in de bouwsector informeren

In eerste instantie is het de taak van CD2E om spelers in de bouwsector bekend te maken met de concepten en technologie die in het project worden geïmplementeerd. Dit zal gebeuren door informatieve documenten te verspreiden via de projectwebsite en verschillende sociale netwerken, en door het project te presenteren op evenementen zoals fora, beurzen en workshops.

Strategie: Oprichting van een industriële stuurgroep

	Na deze fase, waarin een groep bedrijven of spelers in de bouwsector wordt geïdentificeerd vanwege hun interesse en betrokkenheid op dit gebied, wordt een discussie op gang gebracht om de echte verwachtingen en beperkingen duidelijk te maken. Er wordt dan een werkgroep opgericht om de discussie tijdens het hele project aan te moedigen en om een positieve, coöperatieve dynamiek te creëren die zo goed mogelijk inspeelt op de praktische uitdagingen van ThermoHarv.
	De rol van deze werkgroep zal in eerste instantie zijn om casestudy’s op te stellen (specifieke behoeften, gerichte stroom- en spanningsgegevens, mechanische beperkingen, dimensionale en geometrische beperkingen, etc.) op basis waarvan een technische en technologische gids of specificatie kan worden opgesteld voor het verbeteren van het prototype vande 1e generatie.
	Uitwisselingen met de werkgroep uit de industrie zullen plaatsvinden via halfjaarlijkse bijeenkomsten in de vorm van workshops waarin de voortgang, knelpunten en mogelijke prototypes worden gepresenteerd. De suggesties en opmerkingen van de stuurgroep zullen helpen om de samenwerking met de industriële sector te formaliseren, echt contact met de spelers te onderhouden en op de hoogte te blijven van de evolutie van de uitdagingen van de sector.
	Om uitwisselingen met de industrie te stimuleren, zal de stuurgroep worden uitgenodigd om de infrastructuren van onze verschillende operatoren te bezoeken. Ze zullen kennis kunnen maken met ons R&D-werk en het geïnstrumenteerde gebouw van CD2E.

Het doel van het ThermoHarv-project is de ontwikkeling van micro-generatoren die gebruikmaken van thermo- en pyro-elektriciteit als middelen om afvalwarmte om te zetten in elektrische energie. Deze energieterugwinnings-technieken zullen worden toegepast in het gebouw van de toekomst, dat steeds meer rekening houdt met het milieu en dus met energiebesparing. Om een thermo- of pyro-elektrisch materiaal te verkrijgen, zal een flexibele polymere matrix worden gecombineerd met thermo- of pyro-elektrische ladingen om een elektroactief composietmateriaal te vormen.

De matrices die in dit project worden gebruikt, zijn daarom klassieke bouwmaterialen. Ze moeten ook goedkoop, hittebestendig, gemakkelijk te verwerken en te vormen zijn en een goede langdurige weerstand hebben. Een van de materialen die voor dit project is geselecteerd, is thermoplastisch polyurethaan (TPU), dat veelvuldig in de bouw wordt gebruikt (isolerende, ademende, waterdichte eigenschappen, enz.). Dit polymeer heeft een afwisseling van zachte en harde segmenten in zijn structuur, waardoor het goede eigenschappen heeft, zoals lichtgewicht, weerstand (tegen schokken, wrijving en hitte), flexibiliteit, elasticiteit, enz. Het is een interessante kandidaat voor het terugwinnen van bijvoorbeeld de afvalwarmte van verwarmingsbuizen. Een ander materiaal dat van groot belang is voor ons project is polyamide, dat veel wordt gebruikt als isolatiemateriaal of in textiel zoals gordijnen.

De zogenaamde actieve vulstoffen zijn verschillend, afhankelijk van de beoogde toepassing. De belangrijkste pyro-elektrische vulstof die in dit project wordt gebruikt is een anorganische verbinding die bekend staat om zijn goede pyro-elektrische eigenschappen, Barium Titanaat (BaTiO3). Deze verbinding is een keramiek die ook bekend staat om zijn piëzo-elektrische eigenschappen. Wat betreft thermo-elektriciteit zal dit project zich richten op organische ladingen en in het bijzonder derivaten van koolstofnanobuisjes. Om een thermo-elektrisch composiet te maken, moeten twee soorten ladingen worden gebruikt: een verbinding van het type p en een verbinding van het type n, die respectievelijk positieve en negatieve ladingen in het materiaal zullen geleiden.

Het ThermoHarv-project heeft als doel apparaten te ontwikkelen die een ruimtelijke of tijdelijke thermische gradiënt kunnen omzetten in elektrische energie met een lage intensiteit. Het doel is om deze apparaten in de gebouwen van de toekomst te gebruiken om elektrische energie te produceren uit zogenaamde verloren energie, en zo kleine, energie-efficiënte apparaten zoals het IoT van energie te voorzien. De prestaties van micro-generatoren zijn niet alleen afhankelijk van de gebruikte materialen, maar ook van hun ontwerp en dus van de gebruikte processen. De technieken en processen die in het project worden gebruikt, zullen aangepast of aanpasbaar zijn aan de industriële sector. Verschillende manieren zullen worden onderzocht om de materialen te verwerken en te vormen volgens industriële kunststofverwerkingsprocessen (injectie, extrusie, thermocompressie en/of additieve fabricage).

Composieten op basis van een polymeermatrix en elektroactieve vulstoffen zullen worden geproduceerd via een smeltproces van het extrusietype voor pyro-elektrische apparaten op basis van bijvoorbeeld BatiO3, of via een solventproces voor thermo-elektrische apparaten gevuld met koolstofnanobuisjes. Voor de laatste wordt een originele aanpak overwogen die bestaat uit het aanbrengen van elektroactieve inkt op het oppervlak van een flexibele polymere matrix met behulp van Direct Ink Writing (DIW)-technologieën.

Om de temperatuurgradiënten maximaal om te zetten in elektriciteit, is het essentieel dat het gebruikte materiaal een lage thermische geleidbaarheid heeft. Tegenwoordig zijn er maar weinig studies die robuuste relaties vaststellen tussen de aard van het materiaal, zijn thermische eigenschappen en zijn structurele eigenschappen. Het zou bovendien te eenvoudig zijn om te veronderstellen dat alles op basis van koolstof een lage thermische geleidbaarheid heeft: zo is diamant een uitstekende thermische geleider, in tegenstelling tot vele koolwaterstofpolymeren. In deze context zal Thermoharv gebruikmaken van theoretische modelleringstools op basis van moleculaire-dynamicamethoden om het warmtetransport binnen polymere matrices en aan de grensvlakken met geleidende ladingen te simuleren om: (i) de aard te begrijpen van de belangrijkste parameters die het warmtetransport sturen, en (ii) de keuze van de in de apparaten gebruikte materialen te begeleiden. In organische materialen zijn het de zeer laagfrequente trillingen die het warmtetransport verzekeren, wat de keuze voor een klassieke theoretische benadering rechtvaardigt. Onze berekeningen zullen er dus op gericht zijn om met name te begrijpen hoe de warmteoverdracht via deze trillingen wordt beïnvloed door de chemische aard van de ketens, hun grootte en de morfologie van de film.

Bij het ontwikkelen van producten is het belangrijk om in de ontwerpfase na te denken over hoe het product kan worden ontmanteld en gerecycled. Deze fase is vooral moeilijk voor complexe materialen zoals laminaten. Bij producten met geïntegreerde elektronische componenten staat het Design2Recycle-principe nog in de kinderschoenen. Daarom zal ThermoHarv extra aandacht besteden aan deze aspecten.

De aanpak volgt de principes van “hergebruik, reductie, recycling”. ThermoHarv wil in eerste instantie herbruikbare modules ontwerpen. We willen methoden ontwikkelen om energieterugwinningsmodules in andere producten te herplaatsen. Waar dit niet mogelijk is, zal de nadruk liggen op de volledige recyclebaarheid van de gebruikte materialen.

Voor elektronische componenten is het essentieel om aandacht te besteden aan de specifieke gebruikte materialen, zoals metaaldeeltjes, functionele additieven of de scheiding van verschillende polymeren. De complexiteit van de door ThermoHarv ontwikkelde producten – een combinatie van textielcomponenten, nieuwe milieuvriendelijke bindmiddelen (zoals NiPU), elektronische componenten en laminaten – maakt dit project tot een uitstekende kans om alle mogelijkheden van de Design2Recycle-aanpak te demonstreren.