Možnosti využití termoelektrických jevů pro výrobu elektrické energie z odpadního tepla

Datum: 12.8.2013  |  Autor: Ing. Marian Brázdil  |  Recenzent: doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.

Termoelektrická přeměna odpadního tepla v elektřinu je považována za slibnou technologii pro zvýšení elektrické účinnosti stávajících energetických procesů, úsporu paliv a redukci emisí. Předkládaný článek popisuje konstrukci termoelektrických generátorů, stávající termoelektrické aplikace a jejich možná využití.

1. Úvod

Termoelektrické jevy umožňují přímou přeměnu tepla v elektřinu nebo transportovat teplo z nižší teplotní úrovně na vyšší úroveň. Protože jevy probíhají v pevných látkách a „pracovní tekutinou“ jsou nosiče elektrického náboje, je pro termoelektrická zařízení typická jednoduchost a provoz bez chemických látek nebo pohyblivých částí. Pokud jsou korektně provozovány, pak i spolehlivost a dlouhá životnost. Vzhledem k nízké účinnosti termoelektrické přeměny při výrobě elektrické energie jsou možnosti využití omezené. Samostatně pracují tzv. termoelektrické generátory (TEG) jako zdroje elektrické energie a spotřebovávají pro provoz ušlechtilá primární paliva pouze ve specifických aplikacích: v odlehlých, těžko přístupných nebo nebezpečných oblastech. V souvislosti se vzrůstajícími cenami paliv a zájmem o technologie šetrné k životnímu prostředí se objevují snahy využívat termoelektřiny pro produkci elektrické energie z odpadního tepla. Ve světě je tento trend patrný od konce osmdesátých let. V případech, kdy zdrojem energie bude jinak nevyužité odpadní teplo, může být použití termoelektrických zařízení přínosem a způsobem, jak získat jakostní elektrickou energii, jejíž získání by s konvenčními způsoby přeměn mohlo být obtížně realizovatelné [1].

2. Termoelektrická výroba elektrické energie

Obr. 1 Termoelektrická dvojice
Obr. 1 Termoelektrická dvojice

Základním konstrukčním prvkem termoelektrických zařízení jsou termoelektrické dvojice (Obr. 1) tvořené polovodičovým p–n přechodem. V principu lze jejich funkci popsat následovně: Pokud je na p–n přechod přivedeno teplo, dochází v polovodičích k přerozdělení majoritních nosičů náboje. V polovodiči typu N dochází k pohybu elektronů, v polovodiči typu P k pohybu kladných děr. Tyto náboje se následně koncentrují u chladnějších konců polovodičů, mezi kterými vzniká rozdíl potenciálů. Uzavře-li se vytvořený obvod, dochází k pohybu elektronů přes přechod a průtoku elektrického proudu.

Obr. 2 Termoelektrický modul
Obr. 2 Termoelektrický modul

Pro dosažení většího napětí jsou dvojice spojovány elektricky do série, z hlediska přestupu tepla paralelně a tvoří tzv. termoelektrické moduly (Obr. 2). Geometrie modulů mohou být různé. Konstrukce vyobrazená na Obr. 2 je nejběžnějším typem průmyslově dostupných termoelektrických modulů.

Obr. 3 Parazitní konfigurace termoelektrického generátoru
Obr. 3 Parazitní konfigurace termoelektrického generátoru

Moduly nemohou pracovat samostatně. Přívod a odvod tepla zajišťují výměníky. V závislosti na typu aplikace může být zdrojem tepla pevná látka, kapalina nebo plyn, dominantní složkou přenosu tepla kondukce, konvekce nebo radiace. Průchodem tepla skrze termoelektrický modul je generováno napětí, po připojení na zátěž elektrický výkon. Vzhledem k účinnosti termoelektrické přeměny prochází větší část tepla skrze modul bez užitku. Termoelektrický systém se proto často používá v tzv. parazitní konfiguraci (Obr. 3), jako tepelný výměník/generátor. Část absorbovaného tepla se přemění na elektrickou energii a zbylá část, vyjma tepla uvolněného do okolí, je použita na předehřev. Relativně nízká účinnost termoelektrické přeměny není již tak významná. Můžeme produkovat teplo i elektřinu současně, s malým vlivem nebo zcela bez vlivu na výslednou účinnost systému. Použití je výhodou zejména v nízkovýkonových aplikacích, ve kterých není k dispozici zdroj elektrické energie nebo je dodávka elektřiny nestabilní [2], [3].

Uplatnění získané termoelektřiny je široké. Výkony běžných termoelektrických generátorů se pohybují v rozmezí miliwattů až desítek kilowattů. Používají se jako miniaturní zdroje v detektorech, senzorech, jako přenosné zdroje nebo zdroje autonomních systémů v průmyslových a vojenských aplikacích. Zdrojem tepla může být např. lidské tělo, odpadní teplo chladicích vod technologických zařízení, spaliny vzniklé spalováním fosilních paliv nebo odpadů, teplo rozpadu radioaktivních izotopů nebo jiné zdroje.

3. Účinnost přeměny – termoelektrické materiály

Účinnost termoelektrické přeměny je dána použitými materiály. Pro vyjádření její velikosti se používá bezrozměrný koeficient ZT, který postihuje charakteristické vlastnosti použitého polovodičového materiálu a vliv pracovních teplot. Na Obr. 4 je znázorněn průběh účinnosti materiálů s daným ZT a účinnosti ideálního tepelného stroje. Běžně dostupné termoelektrické materiály mají přibližně parametr ZT ≤ 1 a tedy i malou účinnost. V nízkoteplotních aplikacích typicky okolo 5 %. Složitější segmentované moduly mohou dosahovat 10 %. Laboratorně připravované materiály mají vyšší koeficienty ZT a mohou dosahovat vyšších účinností (Obr. 5).

Obr. 4 Porovnání termoelektrické účinnosti a teoretické maximální účinnosti
Obr. 4 Porovnání termoelektrické účinnosti a teoretické maximální účinnosti
Obr. 5 Účinnost průmyslově používaných a laboratorně vyvíjených termoelektrických materiálů [5]
Obr. 5 Účinnost průmyslově používaných a laboratorně vyvíjených termoelektrických materiálů [5]

Nízká účinnost nediskvalifikuje termoelektřinu v nízkovýkonových aplikacích. Je nevýhodou při hromadné výrobě elektrické energie. Termoelektrické aplikace využívající tepla s vyšším potenciálem jsou přijatelné pouze v případech, kdy neexistují vhodnější způsoby přeměn. Naopak, využívání odpadního tepla o teplotách nižších než 140 °C konkurenceschopnost termoelektrické přeměny značně zvyšuje [4].

4. Aplikace termoelektrických zařízení

Termoelektrická zařízení založená na fyzikálních jevech pozorovaných v pevných látkách byla popsána už v první polovině 19. století. Seebeckův termoelektrický jev popisující vznik napětí v obvodu složeném ze dvou různých vodičů, jejichž konce mají rozdílné teploty, byl objeven v roce 1821. První zdokumentovaný termoelektrický generátor vznikl v roce 1840. V roce 1860 byl zkonstruován plynový termoelektrický generátor a v roce 1879 generátor spalující koks (Obr. 6), který dosahoval elektrického výkonu 192 Wattů. První komerční termoelektrický generátor byl uveden ve Velké Británii v roce 1925 pod názvem Thermattaix a napájel rozhlasové přijímače. K jeho ohřevu se používal plynový hořák, chlazení generátoru zajišťoval okolní vzduch. Všechny tyto generátory byly sestaveny z kovových materiálů a měly velmi malou účinnost (menší než 1 %). Jak se později ukázalo v souvislosti s vývojem syntetických polovodičových materiálů, kovy a kovové slitiny nejsou vhodné pro hromadnou výrobu elektrické energie. Velikost generovaného Seebeckova napětí v kovech je velmi malá. Nacházejí ale uplatnění v měřicí technice. Menší Seebeckův koeficient kovů je vykompenzován jejich teplotní, mechanickou a chemickou odolností.

Obr. 6 Termoelektrický generátor spalující koks [7]
Obr. 6 Termoelektrický generátor spalující koks [7]
Obr. 7 První komerční polovodičový termoelektrický generátor [7]
Obr. 7 První komerční polovodičový termoelektrický generátor [7]

Následný vývoj se soustředil v tehdejším Sovětském svazu, kde od 20. let probíhal výzkum polovodičových materiálů. Na konci druhé světové války měla armáda SSSR první experimentální termoelektrické polovodičové generátory. Sloužily pro napájení radiostanic. V civilním sektoru byl první komerční polovodičový generátor uveden v roce 1954 (Obr. 7). Využíval tepla petrolejových lamp a podobně jako generátor Thermattaix se používal k napájení rozhlasových přijímačů [1], [6], [7], [8].

4.1. Radioizotopové termoelektrické generátory

Od roku 1961 se začaly používat ve vesmírných sondách tzv. radioizotopové termoelektrické generátory (RTG, RITEG), kterých NASA vyslala do dnešních dnů více než čtyři desítky. Sehrály významnou roli při dobývání vesmíru. Jako zdroje tepla se využívá pelet izotopu plutonia 238Pu, silného alfa zářiče.

V generátorech určených pro tranzitní satelity je z důvodu minimalizování ztrát tepelnou vodivosti izolace vakuum. Teplo radioaktivní přeměny je přenášeno k termoelektrickým modulům sáláním. Po průchodu moduly je následně vyzářeno skrze hliníková žebra do kosmu. RTG generátory jsou kompaktní, odolné a mají dlouhou životnost. Generátor u sondy Pioneer pracoval po dobu více než 20 let. Generátor SNAP-27 použitý v programu Apollo pro let na měsíc, dosahoval výkonu 75 We. Generátor vozítka Curiosity pro průzkum povrchu Marsu měl při vypuštění výkon přibližně 110 We. Maximální výkony RTG generátorů dosahovaly přibližně 300 We [1], [9], [10], [11].

Obdobný typ radioizotopových termoelektrických generátorů se používal i na pevnině v nepřístupných oblastech. Na vývoj generátorů pro kosmické sondy později navázala řada generátorů využívajících již klasických fosilních paliv. Malé generátory o výkonech desítek až stovek wattů spalující plynná paliva se jako zdroje elektrické energie už několik desetiletí používají v odlehlých oblastech k monitorování prostředí, pro katodickou ochranu potrubních cest, v navigaci, pro napájení telekomunikačních sítí a mnoha dalších aplikacích [12], [13].

5. Odpadní teplo

Množství vyprodukovaného odpadního tepla uvolněného bez užitku do okolního prostředí, zejména v dopravě a energetickém průmyslu, je značné. V souvislosti s ropnou krizí v letech 1973 a 1979, se vzrůstajícími cenami paliv a zájmem o technologie šetrné k životnímu prostředí se zvýšil zájem i  o termoelektřinu. Objevily se snahy využívat termoelektřiny z odpadní tepla jako zdroje elektrické energie [1].

Získání elektřiny je v mnoha případech ideální. S ohledem na termoelektrickou účinnost musí aplikaci předcházet důkladná rozvaha. Nízká účinnost používaných termoelektrických materiálů je pro mnohé průmyslové aplikace limitujícím faktorem.

5.1. Automobilové termoelektrické generátory

Automobilový průmysl představuje pro využití termoelektřiny perspektivní oblast. Cílem automobilových termoelektrických generátorů (ATEG, AETEG) je využít energie paliva, která bez užitku odchází výfukovým potrubím a chladicí soustavou automobilu do atmosféry. Účinnost zážehových motorů je přibližně 25–35 %, vznětové motory dosahují účinnosti přibližně 30–45 %. Největší ztráty představují výfukové plyny: u zážehových motorů je to přibližně 30–50 % přivedeného tepla, u vznětových motorů 25–45 %. Ztráty chlazením jsou rovněž významné: u zážehových motorů přibližně 12–30 % přivedeného tepla, u vznětových motorů 15–35 % [14]. Vývoj termoelektrických generátorů kopíruje tyto dvě linie, u vznětových motorů se soustředí i na odpadní teplo chladicí soustavy.

Obr. 8 Pohled na termoelektrický generátor integrovaný do výfukového potrubí vozidla [18]
Obr. 8 Pohled na termoelektrický generátor integrovaný do výfukového potrubí vozidla [18]

V roce 1963 byl sestrojen první automobilový termoelektrický generátor. Další vývoj pokračoval až s objevením účinnějších a levnějších materiálů. V roce 1988 byl na univerzitě v Karlsruhe sestrojen generátor pro automobil Porsche 944. Při plném zatížení motoru dosahoval generátor výkonu 58 We. O čtyři roky později prezentoval výrobce termoelektrických modulů společnost Hi-Z Technology Inc. 400 We generátor instalovaný v nákladním automobilu. O osm let později, v roce 2000 představila společnost Nissan konstrukci termoelektrického generátoru pro osobní automobil, který dosahoval výkonu necelých 90 We. V roce 2004 byly zveřejněny výsledky pokusného generátoru, který vznikl na Clarksonově univerzitě za podpory ministerstva energetiky USA DOE (Department of Energy) a dalších subjektů. Bylo dosaženo výkonu 255 We. Ve stejném roce byl v USA na konferenci zabývající se účinností vozidel a emisemi Directions in Engine-Efficiency and Emissions Research (DEER) Conference prezentován termoelektrický generátor v kolovém obrněném transportéru Stryker, který dosahoval výkonu 1 kWe. Mezi v současnosti poslední zkonstruované generátory se řadí generátory automobilky BMW. V roce 2008 prezentovala generátor o výkonu 200 We. V roce 2011 dosahoval generátoru ve voze BMW X6 (Obr. 8) výkonu už více než 600 We [15], [16], [17], [18].

Přestože se výzkum automobilových termoelektrických generátorů potýká ještě s řadou problémů, je velmi pravděpodobné, že v dohledné době budou tyto generátory uvedeny na trh. Zatímco první generace vyvíjených generátorů má za cíl zmenšit a/nebo zkrátit dobu provozu alternátoru a ušetřit minimálně 5 % paliva, další generace generátorů by ho měla zcela nahradit [18], [19]. Podle autorů studie [20], [21] by bylo možné získat přibližně 0,9 kWe elektrické energie v běžných osobních vozidlech a 5–6 kWe v nákladních vozidlech.

5.2. Kombinovaná výroba tepla a elektřiny

V předchozích letech vzniklo množství pokusných termoelektrických generátorů, jejichž cílem bylo ověřit možnosti autonomního provozu malých spalovacích zařízení, resp. krytí jejich spotřeby elektrické energie termoelektřinou vyrobenou z odpadního tepla. Systém může být také používán jako zdroj elektrické energie. Vlastní konstrukce generátorů využívá zpravidla parazitní konfigurace termoelektrických modulů.

V roce 2009 byla prezentována mikrokogenerační jednotka, termoelektrický systém ve spojení s plynovým hořákem na zemní plyn, která dosahovala výkonu 1 kWe. O rok později byl představen termoelektrický generátor integrovaný v domovním plynovém kotli. Dosahoval výkonu 160 We. Vývoj se zaměřuje i na oblast malých spalovacích zřízeních na biomasu o výkonech v řádu jednotek až desítek kW. V roce 2007 byla prezentována jednotka vzniklá spojením termoelektrického generátoru s komerčním 10 kW kotlem na dřevěné pelety (Obr. 9), která dosahovala výkonu necelých 150 We. Po úpravách elektrický výkon vzrostl na téměř 350 We a jednotka po odečtení vlastní spotřeby (napájení oběhového čerpadla, spalinového ventilátoru, podavače paliva, lambda sondy a logiky kotle) byla schopná generovat průměrně 276 We [22] [23], [24].

Obr. 9 Kotel na biomasu s termoelektrickým generátorem [24]
Obr. 9 Kotel na biomasu s termoelektrickým generátorem [24]
Obr. 10 Externí termoelektrický generátor pro automatický teplovodní kotel
Obr. 10 Externí termoelektrický generátor pro automatický teplovodní kotel
 

Na Energetickém ústavu Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně jsou realizovány termoelektrické generátory pro malá spalovací zařízení (Obr. 10). Experimentální generátory pro kotle na biomasu v současnosti dosahují výkonu desítek wattů.

Mezi další zkoumané aplikace termoelektřiny se řadí mikrokogenerační jednotky s palivovými články. Probíhají první pokusy s termoelektrickými generátory využívajících palivové články s pevným elektrolytem (SOFC). Při praktické realizaci, na které se podílela dánská Aalborg University, byla zvýšena účinnosti mikrokogenerační jednotky s palivovým článkem o více než 5 % [25].

5.3. Energy harvesting zařízení
Obr. 11 Bezdrátový monitorovací systém [27]
Obr. 11 Bezdrátový monitorovací systém [27]

Energy harvesting zařízení jsou rychle se rozvíjející oblastí. „Energy harvesting“ (nebo také energy scavening) je označení způsobu získávání elektrické energie z okolních dostupných zdrojů energie, používaných např. pro napájení senzorů. Zdroji energie jsou např. barometrické výkyvy, proudění tekutiny, okolní vibrace, elektromagnetické záření, lidská činnost, biologická energie, apod. V případě termoelektrických energy harvesting zařízeních jsou využívány dostupné teplotní gradienty s pomocí velmi malých tenkovrstvých termoelektrických modulů a generátorů o výkonech v řádu mW vyráběných planární technologií. Využívají rozdílné teploty povrchu zařízení a teploty okolního prostředí. Zdrojem tepla může být např. parní potrubí, teplo vznikající třením, ústřední vytápění, klimatizace a podobně [26]. Komerčně dostupné mikrogenerátory jsou schopné provozu od teplotního rozdílu přibližně ΔT = 5 °C a větších. Zařízení nebo senzory využívající termoelektrického zdroje mohou být umístěny i v nebezpečném nebo citlivém prostředí, kde by umístění chemických zdrojů bylo jinak nepřijatelné. Navíc získají časově neomezený zdroj energie, protože životnost napájecího zařízení je omezena pouze životností jednotlivých komponent. Příkladem aplikací napájených termoelektrickým mikrogenerátorem je např. bezdrátový a bezbateriový systém vyobrazený na Obr. 11. Využívá tepla vznikajícího za provozu v ložiscích a monitoruje jejich stav. Základna senzoru je v přímém kontaktu s ložiskem. Součástí zařízení je bezdrátový modul vysílající v pásmu 2,4 GHz.

Na Obr. 12 je obdobné bezdrátové zařízení. Využívá tepla vznikající v rozvodných vodičích. Monitoruje jejich teplotu a prostřednictvím bezdrátového modulu informuje o jejich stavu. Výrobcem udávaná životnost je 20 let [26].

Obr. 12 Bezdrátový termoelektrický monitorovací systém sledující teplotu rozvodných vodičů [28]
Obr. 12 Bezdrátový termoelektrický monitorovací systém sledující teplotu rozvodných vodičů [28]
Obr. 13 Mikrogenerátor pro napájení senzorů
Obr. 13 Mikrogenerátor pro napájení senzorů
 

Zařízení na Obr. 13 není typickým zástupcem energy harvesting zařízení. Jedná se o mikrogenerátor vyvíjený na Energetickém ústavu Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Oproti výše zmíněným mikrogenerátorům využívá většího teplotního rozdílu (tepla proudících kapalin) a dosahuje většího výkonu.

Výzkum a vývoj termoelektrických materiálů a termoelektrických generátorů se koncentruje především ve velkých průmyslových zemích v Evropě, v Severní Americe, Rusku, Číně a Japonsku. Soustředí se intenzivně zejména na automobilové termoelektrické generátory a energy harvesting aplikace. V Japonsku je snahou využit termoelektrických generátorů i ve spalovnách komunálního odpadu a průmyslových spalovacích zařízeních. V České Republice se výzkumem termoelektrických materiálů zabývá Fakulta chemicko-technologická Univerzity Pardubice. Vývoj termoelektrických zařízení pro spalovací zařízení probíhá na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně [29].

6. Budoucnost

Úsilí najít vhodné termoelektrické materiály od počátku nového tisíciletí zesílilo a v současnosti probíhá velmi intenzivní výzkum. Vědci z celého světa se předhánějí v nalezení a publikování nových termoelektrických materiálů. Upravují se i stávající materiály, jejich parametry a geometrie, aby dosahovaly co nejvyšší účinnosti vzhledem k zamýšleným aplikacím a umožnily cenově srovnatelný způsob výroby elektřiny. Evropská unie jako celek se v 7 rámcovém programu ThermoMag (2011–2014) soustředí na výzkum pokročilých termoelektrických materiálů založených na 3D nanostrukturních Mg2Si materiálech [30].

Cílem snah obecně je najít vhodné termoelektrické materiály a uvádět komerčně na trh termoelektrické generátory ve spojení s běžnými zařízeními. Očekává se, že v dlouhodobém horizontu přinesou termoelektrické technologie zvýšení účinnosti stávajících systémů přeměn a budou se podílet na úsporách paliv a redukci škodlivých emisí. Pokud by se podařilo naplnit výzkumné plány, např. adopci kvantových teček a jam, výrobu nanokompozitních materiálů anebo organických termoelektrických materiálů a dosáhlo se dalšího zvýšení účinnosti při současném prudkém poklesu ceny za watt výkonu, jak je plánováno americkou administrativou přibližně na dobu okolo roku 2050, mohlo by to přinést výraznou změnu stávajících technologií a celou řadu inovací. Na druhou stranu, zaznívají silné kritiky, že k nalezení výrazně lepších termoelektrických materiálů nedojde. Pro nahrazení klasických tepelných oběhů by bylo potřeba nalezení termoelektrických materiálů s koeficientem ZT > 8, což se jeví jako krajně nepravděpodobné. Termoelektrické generátory tak budou tvořit spíše doplňkové decentralizované zdroje [2], [5].

7. Závěr

Myšlenka využití termoelektrické přeměny a termoelektrických jevů jako zdroje elektrické energie není nová. Existuje řada komerčně dostupných termoelektrických generátorů využívajících fosilních paliv, schopných dlouhodobě spolehlivého provozu. Stávající vývoj, konstrukce generátorů využívajících odpadního tepla, je dlouhodobým trendem. Snahou je stavět autonomní systémy, nezávislé na dodávkách elektřiny z rozvodné sítě. V nízkovýkonových aplikacích mohou termoelektrické mikrogenerátory výrazně ovlivnit nebo eliminovat použití chemických zdrojů elektrické energie.

Použité zdroje

 
Komentář recenzenta
doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.

Článek představuje čtivě a kvalitně zpracovaný přehled problematiky využívání termoelektrických jevů pro produkci elektrické energie. V úvodní části je stručně představen princip generování elektrické energie s využitím termoelektrických dvojic. Dále je problematika představena s ohledem na historický vývoj používaných termoelektrických materiálů a úspěšných realizací. Autor se neomezil jen na historický přehled, ale podstatnou část článku věnoval nejnovějším známým realizacím s termoelektrickou produkcí elektrické energie v ČR i ve světě.

Kvalita zpracovaného příspěvku je na vysoké úrovni a odráží několikaletou aktivní činnost autora v oblasti termoelektrické produkce elektrické energie. Článek představuje kvalitní přehledový materiál k uvedené problematice, jehož velkým přínosem je vysoká aktuálnost uvedených informací.

English Synopsis
The possibility of using thermoeletctric power to convert waste heat

The thermoelectric transformation of waste heat into electric power is considered to be a promising technology enabling to enhance electric efficiency of current energy processes, fuel saving and emissions reduction. The submitted paper deals with the construction of thermoelectric generators, current thermoelectric applications and their potential utilization.

 

Hodnotit:  

Datum: 12.8.2013
Autor: Ing. Marian Brázdil
Recenzent: doc. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Projekty 2017

Partneři - Energetika

logo BOSCH
logo Yello Energy
logo ZEPPELIN
logo KAMSTRUP
 
 

Aktuální články na ESTAV.czNájemné v Praze je oproti severu Čech a Moravy zhruba dvojnásobnéDomy v centru Benešova včetně bývalé šatlavy jsou na prodejÚstecký kraj rozdělí dalších 156 milionů korun na výměnu kotlůMech v bytě. Živý nebo umělý?