Tepelné generování energie: Využití tepla pro elektřinu celosvětově

Ve světě, který se stále více zaměřuje na udržitelná energetická řešení, se tepelné generování energie (TEG) ukazuje jako slibná technologie pro přímou přeměnu odpadního tepla na elektřinu. Tento proces, založený na Seebeckově jevu, nabízí jedinečný přístup k získávání energie a má potenciál způsobit revoluci v různých odvětvích, od průmyslové výroby až po automobilové inženýrství a dokonce i spotřební elektroniku. Tato komplexní příručka zkoumá principy, aplikace, výzvy a budoucí vyhlídky tepelného generování energie se zaměřením na jeho globální dopady a potenciál pro čistší energetickou budoucnost.

Co je termoelektřina?

Termoelektřina se vztahuje k jevům souvisejícím s přímou přeměnou tepelné energie na elektrickou energii a naopak. Dva primární efekty jsou Seebeckův jev a Peltierův jev.

Seebeckův jev

Seebeckův jev, objevený Thomasem Johannem Seebeckem v roce 1821, popisuje generování elektromotorické síly (napětí) v obvodu složeném ze dvou rozdílných vodivých materiálů, když mezi dvěma spoji existuje teplotní rozdíl. Toto napětí, známé jako Seebeckovo napětí, je přímo úměrné teplotnímu rozdílu. Termoelektrický generátor (TEG) využívá tento efekt k přeměně tepla na elektřinu.

Peltierův jev

Peltierův jev, objevený Jeanem Charlesem Athanasem Peltierem v roce 1834, je opakem Seebeckova jevu. Když elektrický proud prochází spojem dvou rozdílných vodivých materiálů, teplo je buď absorbováno, nebo uvolněno na spoji. Tento efekt se používá v termoelektrických chladičích a ohřívačích.

Princip tepelného generování energie

Termoelektrické generátory (TEG) jsou polovodičová zařízení, která přímo přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii na základě Seebeckova jevu. Typický TEG se skládá z mnoha malých termoelektrických párů zapojených elektricky sériově a tepelně paralelně. Každý termoelektrický pár se skládá z polovodičového materiálu typu p a typu n.

Když je jedna strana TEG (horká strana) vystavena zdroji tepla a druhá strana (studená strana) je udržována při nižší teplotě, vytvoří se teplotní rozdíl. Tento teplotní rozdíl pohání difúzi nosičů náboje (elektronů v materiálu typu n a děr v materiálu typu p) z horké strany na studenou stranu, čímž se vytváří napětí. Sériové zapojení termoelektrických párů zesiluje napětí na použitelnou úroveň.

Klíčové parametry výkonu

Účinnost TEG je určena několika faktory, včetně:

• Seebeckův koeficient (S): Měření velikosti termoelektrického napětí generovaného na jednotku teplotního rozdílu.
• Elektrická vodivost (σ): Měření toho, jak dobře materiál vede elektřinu.
• Tepelná vodivost (κ): Měření toho, jak dobře materiál vede teplo. Nižší tepelná vodivost pomáhá udržovat teplotní rozdíl napříč zařízením.
• Činitel jakosti (ZT): Bezrozměrné množství, které představuje termoelektrický výkon materiálu. Je definováno jako ZT = S²σT/κ, kde T je absolutní teplota. Vyšší hodnota ZT indikuje lepší termoelektrický výkon.

Maximalizace hodnoty ZT je zásadní pro zlepšení účinnosti TEG. Výzkumníci aktivně pracují na vývoji nových termoelektrických materiálů s vyššími hodnotami ZT.

Aplikace tepelného generování energie

Tepelné generování energie má širokou škálu potenciálních aplikací, včetně:

Rekuperace odpadního tepla

Jednou z nejslibnějších aplikací TEG je rekuperace odpadního tepla. Průmyslová odvětví, jako je výroba, elektrárny a systémy výfuků automobilů, generují obrovské množství odpadního tepla, které se obvykle uvolňuje do životního prostředí. TEG lze použít k přeměně tohoto odpadního tepla na elektřinu, čímž se zlepší energetická účinnost a sníží emise skleníkových plynů.

Příklad: V Německu společnost BMW zkoumá použití TEG ve výfukových systémech vozidel k rekuperaci odpadního tepla a zlepšení spotřeby paliva. Tato technologie by mohla potenciálně výrazně snížit spotřebu paliva a emise CO2.

Vzdálené generování energie

TEG mohou poskytnout spolehlivý zdroj energie ve vzdálených lokalitách, kde je přístup k síti omezený nebo neexistující. Mohou být napájeny různými zdroji tepla, jako je solární energie, geotermální energie nebo dokonce spalování biomasy. Díky tomu jsou ideální pro napájení vzdálených senzorů, meteorologických stanic a dalších elektronických zařízení.

Příklad: V mnoha odlehlých oblastech Aljašky se TEG napájené propanem používají k poskytování elektřiny pro malé komunity a výzkumné stanice. To poskytuje spolehlivý a nezávislý zdroj energie v drsných podmínkách.

Automobilové aplikace

TEG lze použít ve vozidlech k rekuperaci odpadního tepla z výfukového systému motoru nebo chladicího systému, čímž se zlepšuje spotřeba paliva a snižují emise. Lze je také použít k napájení pomocných systémů, jako je klimatizace nebo elektrické posilovače řízení.

Příklad: Několik výrobců automobilů, včetně společností Toyota a Honda, zkoumá a vyvíjí systémy TEG pro vozidla. Tyto systémy se snaží zlepšit spotřebu paliva a snížit dopad dopravy na životní prostředí.

Průzkum vesmíru

TEG se používají při průzkumu vesmíru po celá desetiletí k napájení kosmických lodí a roverů. Radioizotopové termoelektrické generátory (RTG) využívají teplo generované rozpadem radioaktivních izotopů, jako je plutonium-238, k výrobě elektřiny. RTG poskytují dlouhotrvající a spolehlivý zdroj energie pro mise na vzdálené planety, kde solární energie není snadno dostupná.

Příklad: Rover Mars Curiosity je poháněn RTG, což mu umožňuje fungovat po delší dobu na povrchu Marsu. RTG se také používaly na kosmické lodi Voyager, která zkoumá vnější oblasti sluneční soustavy již více než 40 let.

Spotřební elektronika

TEG lze použít k napájení malých elektronických zařízení, jako jsou nositelné senzory, chytré hodinky a lékařské implantáty. Mohou být napájeny tělesným teplem nebo jinými okolními zdroji tepla, což eliminuje potřebu baterií nebo externích napájecích zdrojů.

Příklad: Výzkumníci vyvíjejí nositelné senzory napájené TEG, které dokáží sledovat životní funkce, jako je srdeční frekvence a tělesná teplota. Tyto senzory by mohly potenciálně poskytovat nepřetržité a neinvazivní monitorování zdraví.

Výhody tepelného generování energie

TEG nabízí několik výhod oproti konvenčním technologiím výroby energie:

• Polovodičový provoz: TEG nemají žádné pohyblivé části, díky čemuž jsou spolehlivé, odolné a nenáročné na údržbu.
• Tichý provoz: TEG nevydávají žádný hluk během provozu, díky čemuž jsou vhodné pro použití v prostředích citlivých na hluk.
• Škálovatelnost: TEG lze snadno škálovat tak, aby splňovaly různé požadavky na napájení, od miliwattů po kilowatty.
• Všestrannost: TEG mohou být napájeny různými zdroji tepla, včetně odpadního tepla, solární energie a geotermální energie.
• Šetrnost k životnímu prostředí: TEG mohou snížit emise skleníkových plynů rekuperací odpadního tepla a zlepšením energetické účinnosti.

Výzvy a omezení

Navzdory svým výhodám se TEG potýkají také s několika výzvami a omezeními:

• Nízká účinnost: Účinnost TEG je obvykle nižší než účinnost konvenčních technologií výroby energie. Současné TEG mají účinnost v rozmezí od 5 % do 10 %.
• Vysoké náklady: Náklady na termoelektrické materiály a výrobní procesy mohou být relativně vysoké.
• Omezení materiálu: Dostupnost a výkon termoelektrických materiálů jsou omezeny. Výzkumníci aktivně pracují na vývoji nových materiálů s vyššími hodnotami ZT.
• Požadavky na teplotu: TEG vyžadují významný teplotní rozdíl mezi horkou a studenou stranou, aby generovaly podstatné množství energie.

Nedávné pokroky v termoelektrických materiálech

Účinnost TEG je do značné míry určena výkonem termoelektrických materiálů použitých při jejich konstrukci. Nedávné pokroky v materiálové vědě vedly k vývoji nových termoelektrických materiálů s výrazně zlepšenými hodnotami ZT.

Nanostrukturované materiály

Nanostrukturace může zlepšit termoelektrický výkon materiálů snížením jejich tepelné vodivosti při zachování jejich elektrické vodivosti. Nanostrukturované materiály vykazují slibné výsledky při zlepšování hodnot ZT několika termoelektrických materiálů.

Příklad: Výzkumníci vyvinuli nanostrukturované křemíkové nanodráty s výrazně sníženou tepelnou vodivostí, což vede ke zlepšení termoelektrického výkonu.

Supermřížky kvantových teček

Supermřížky kvantových teček jsou periodické struktury složené z kvantových teček zabudovaných do matricového materiálu. Tyto struktury mohou vykazovat jedinečné termoelektrické vlastnosti díky kvantově omezeným efektům.

Příklad: Výzkumníci vyrobili supermřížky kvantových teček se zvýšenými Seebeckovými koeficienty a sníženou tepelnou vodivostí, což vede ke zlepšení hodnot ZT.

Skutterudity

Skutterudity jsou třída intermetalických sloučenin, které vykazují slibný termoelektrický výkon. Mohou být dopovány různými prvky, aby se optimalizovaly jejich elektrické a tepelné vlastnosti.

Příklad: Výzkumníci vyvinuli termoelektrické materiály na bázi skutteruditu s hodnotami ZT přesahujícími 1 při vysokých teplotách.

Slitiny Half-Heusler

Slitiny Half-Heusler jsou ternární intermetalické sloučeniny, které vykazují vynikající termoelektrický výkon. Jsou mechanicky robustní a chemicky stabilní, díky čemuž jsou vhodné pro vysokoteplotní aplikace.

Příklad: Výzkumníci vyvinuli slitiny Half-Heusler s hodnotami ZT přesahujícími 1,5 při vysokých teplotách.

Budoucnost tepelného generování energie

Tepelné generování energie má významný potenciál pro udržitelnou energetickou budoucnost. Probíhající výzkum a vývoj se zaměřují na zlepšení účinnosti, snížení nákladů a rozšíření aplikací TEG.

Vylepšené materiály

Vývoj nových termoelektrických materiálů s vyššími hodnotami ZT je zásadní pro zlepšení účinnosti TEG. Výzkumníci zkoumají různé přístupy, včetně nanostrukturace, dopingu a kompoziční optimalizace.

Snížení nákladů

Snížení nákladů na termoelektrické materiály a výrobní procesy je nezbytné pro to, aby byly TEG ekonomicky konkurenceschopné. Výzkumníci zkoumají nové syntetické techniky a zkoumají použití materiálů, které jsou hojně zastoupené na Zemi.

Optimalizace systému

Optimalizace návrhu a integrace systémů TEG může zlepšit jejich celkový výkon. Výzkumníci vyvíjejí nové strategie řízení teploty a zkoumají použití pokročilých výměníků tepla.

Rozšířené aplikace

Rozšíření rozsahu aplikací pro TEG může zvýšit jejich tržní potenciál. Výzkumníci zkoumají nové aplikace v oblastech, jako je rekuperace odpadního tepla, vzdálené generování energie, automobilové inženýrství a spotřební elektronika.

Globální perspektiva a spolupráce

Rozvoj tepelného generování energie vyžaduje globální spolupráci a sdílení znalostí. Výzkumníci, inženýři a tvůrci politik z celého světa spolupracují na vývoji a zavádění technologií TEG.

Mezinárodní spolupráce jsou zásadní pro podporu inovací a urychlení vývoje nových termoelektrických materiálů a systémů. Tyto spolupráce mohou zahrnovat společné výzkumné projekty, výměnné programy a mezinárodní konference.

Podpora vlády hraje zásadní roli při podpoře přijetí technologií TEG. Vlády mohou poskytovat finanční prostředky na výzkum a vývoj, nabízet pobídky pro nasazení systémů TEG a stanovit předpisy, které podporují rekuperaci odpadního tepla.

Partnerství s průmyslem jsou zásadní pro komercializaci technologií TEG. Společnosti mohou investovat do vývoje a výroby systémů TEG, integrovat TEG do svých produktů a uvádět technologie TEG na trh spotřebitelům.

Závěr

Tepelné generování energie nabízí slibnou cestu k udržitelné energetické budoucnosti. Přeměnou odpadního tepla přímo na elektřinu mohou TEG zlepšit energetickou účinnost, snížit emise skleníkových plynů a poskytnout spolehlivý zdroj energie ve vzdálených lokalitách. I když zůstávají výzvy z hlediska účinnosti a nákladů, probíhající výzkum a vývoj připravují cestu pro nové termoelektrické materiály a systémy se zlepšeným výkonem a širšími aplikacemi. Vzhledem k tomu, že se svět nadále potýká s problémy změny klimatu a energetické bezpečnosti, má tepelné generování energie potenciál hrát stále důležitější roli při uspokojování globálních energetických potřeb.

Globální perspektiva a spolupráce jsou zásadní pro maximalizaci potenciálu tepelného generování energie. Spoluprací mohou výzkumníci, inženýři, tvůrci politik a lídři v průmyslu urychlit vývoj a nasazení technologií TEG a přispět k čistší a udržitelnější energetické budoucnosti pro všechny.