Význam termoelektrických generátorů rychle roste

 

Zásoby fosilních zdrojů energií ve světě trvale klesají. Přesné prognózy jsou obtížné, ale nyní se všeobecně vychází z předpokladu, že zásoby ropy stačí krýt současnou světovou potřebu ještě asi 50 let. Proto je stále větší důraz kladen na lepší využití obnovitelných energií a na zavedení opatření směřujících ke snížení spotřeby energie. Často se proto nabí­zí otázka: Jak je možné fosilní zdroje energií využívat lépe než dosud? Mnoho technických procesů však využívá z vložené energie sotva jednu třetinu. Zbytek se ztrácí jako odpadní teplo. To by se mělo v budoucnu změnit. Na celém světě pracují vědci na tom, aby bylo nevyužité odpadní teplo automobilů, strojů, elektráren apod. účelně využíváno, a tím se snížila spotřeba primární energie. V energe­tice se již např. s výhodou využívá odpadní teplo při kogenerační výrobě tepla a elektři­ny, v budovách se začíná stále více využí­vat teplo z ohřátého vzduchu (např. švýcar­ská obec Uitikon využívá odpadní teplo výpočetního střediska IBM k ohřevu vody pro místní kryté lázně) apod. Z odpadního tepla je ale také možné přímo vyrábět elektrický proud. Experti v tomto případě hovoří o tzv. sklízení energie (energy harvesting). Umož­ňují to termoelektrické generátory, zkráceně označované TEG.

 

Funkce termoelektrických generátorů je založena na fyzikálním jevu známém jako Seebeckův jev, který popisuje vznik elektric­kého napětí mezi dvěma konci vodiče s roz­dílnou teplotou. TEG tedy využívají rozdíl teplot pro přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou. Vzniklé napětí je velmi malé a pohybuje se v řádu několika mikrovoltů na stupeň Celsia podle použitého materiálu a teplotního rozdílu. Větší napětí vzniká u po­lovodičového materiálu, který se i vhodněji zpracovává. Zjednodušené uspořádání polo­vodičového TEG složeného pro získání vyš­šího napětí z většího počtu základních článků v sérii je na připojeném obrázku [4].

 

Pro použití v praxi je však důležitá účin­nost termoelektrického generátoru. Ještě před několika lety měly TEG účinnost jen několik procent, takže k získávání většího množství energie nebyly vhodné. Účinnost TEG závi­sí na fyzikálních vlastnostech použitého ter­moelektrického materiálu, které lze souhrnně vyjádřit činitelem termoelektrické jakosti [1].

 

ZT = [(G·S_K²)/λ]·T

 

Hodnota ZT závisí na Seebeckově koefici­entu (S_{K), který je specifickou konstantou pro každý materiál, na elektrické vodivosti (G) a tepelné vodivosti (}λ) materiálu a je největ­ší při teplotě T = 300 K (27 °C). Při této tep­lotě je činitel termoelektrické jakosti ZT běž­ných materiálů přibližně 1, což je příliš málo na to, aby se využívání odpadního tepla ekonomicky vypla­tilo. Na celém světě proto odborníci pracovali na vývoji termoelektric­kých materiálů s vyšší hodnotou ZT. Takový materiál musí mít ved­le velkého Seebeckova koeficientu malou tepelnou vodivost (tedy po­kud možno špatně vést teplo) a sou­časně velkou elektrickou vodivost (tedy pokud možno dobře vést elek­trický proud).

 

Z fyzikálního hlediska je to těž­ko splnitelný požadavek, protože materiály, které dobře vedou proud, jsou většinou také dobrými vodiči tepla, elektrická a tepelná vodivost jsou spo­lu do jisté míry svázány a nelze je nezávisle na sobě optimalizovat. Proto museli odborní­ci „vyzrát na přírodu“ a vhodné materiály na atomární úrovni modifikovat tak, aby mohla být při zachování velké elektrické vodivos­ti uměle snížena jejich schopnost vést teplo, a přitom byla ponechána možnost používat je i při vysokých teplotách. Velké možnosti v tomto směru přinesla na přelomu 20. a 21. století nanotechnologie a používání nanokom­pozitních polovodičových materiálů. V sou­časnosti nejrozšířenější výrobní postup spo­čívá v tom, že se nanometricky tenké vrstvy z termoelektricky různě aktivního materiá­lu kladou na sebe. Styčné plochy, které tím v materiálu vznikají, brání přenosu tepla, ale na přenos proudu vliv nemají, což je pro do­sažení velké hodnoty ZT velmi příznivé. Jiný výrobní postup používá místo tenkých vrstev směs termoelektrických materiálů, které ale netvoří jeden společný krystal, nýbrž se sklá­dají z mnoha slisovaných nanokrystalů. Za­tímco velkým, geometricky dobře uspořáda­ným krystalem může tepelná vlna procházet rychle a neomezeně, v případě mnoha malých krystalů je na jejich styčných plochách zadr­žována a přenos tepla se zhorší.

 

Odborníkům Fraunhoferova ústavu pro fyzikální měřicí techniku IPM (Institut für Physikalische Messtechnik) ve Freiburgu se podařilo laboratorně vyrobit termoelektric­ké polovodičové materiály s hodnotou ZT až 3,5 a zvýšit tak účinnost TEG více než tři­krát. Rekordních hodnot z laboratoří ovšem zatím v běžné praxi není dosahováno. Ale již od hodnoty ZT = 1,5 mají TEG široké hos­podářské využití, a kdyby se podařilo činitel termoelektrické jakosti zvýšit na hodnotu 2, současný objem trhu TEG by se mohl až zde­sateronásobit. Proto začal nyní světový závod o to, komu se podaří nové termoelektrické materiály co nejdříve a za přijatelnou cenu zavést ve velkém měřítku do výroby.

 

Již několik let odborníci Fraunhoferova ústavu IPM ve Freiburgu nejenom pracují na vývoji termoelektrických materiálů nové ge­nerace, ale navrhují i nové moduly a systémy TEG k efektivnímu využití zbytkového tep­la [3]. Pro přímou výrobu elektrického prou­du by chtěli především využít odpadní tep­lo vznikající v automobilu, kde se téměř dvě třetiny energie pohonné hmoty ztrácejí jako nevyužité teplo. Z toho se asi 30 % ztrácí pří­mo v motorovém bloku a dalších 30 až 35 % odchází ve výfukových plynech. V důsled­ku toho panují ve výfukovém potrubí vysoké teploty přesahující až 700 °C, a teplotní roz­díl mezi výfukovou trubkou a vedením chladicí kapaliny tak může činit až několik set stupňů Celsia. Takový teplotní rozdíl je vel­mi výhodný pro použití termoelektrického ge­nerátoru. Odborníci ústavu předpokládají, že výhledově by mohl TEG o výkonu asi 1 kW zajistit napájení trvale rostoucího počtu elek­trických spotřebičů ve výbavě moderního au­tomobilu (protiblokovací systém brzd ABS, protiprokluzový systém ASR, inteligentní bezpečnostní program ESP, klimatizace aj.), což by umožnilo snížit spotřebu pohonných hmot o 5 až 7 %.

 

Svoje úvahy pro názornost doplňují jed­noduchým výpočtem. V Německu je v sou­časné době registrováno asi 50 milionů au­tomobilů, které využívají téměř jednu pětinu energie celkem spotřebovávané v zemi. Podle statistických údajů jezdí německá auta v prů­měru asi 200 hodin ročně. Kdyby se podařilo pro napájení palubní elektroniky získat v jed­nom vozidle z odpadního tepla pomocí TEG asi 1 kW elektrické energie, bylo by možné takto za jediný rok ušetřit až 10 TW·h ener­gie. To je pro lepší představu přibližně kapa­cita elektrárny o výkonu 1 000 MW. Proto je o využití energie z odpadního tepla výfuko­vých plynů v automobilovém průmyslu ob­rovský zájem. První prototypy termoelektric­kých generátorů s využitím termoelektrických materiálů nové generace se chystají pracovní­ci Fraunhoferova ústavu IPM představit a vy­zkoušet v provozu příští rok. Na využití TEG se intenzivně pracuje i na dalších pracovištích v Německu i ve světě.

 

Například v Německém středisku pro le­tectví a kosmonautiku DLR jsou v současné době zkoušeny prototypy termoelektrického generátoru pro automobilový průmysl, které používají polovodičový materiál na bázi tel­luridu vizmutitého (Bi_{2Te3) a} jejich elektric­ký výkon je asi 200 W. To sice odpovídá je­nom čtvrtině energetické potřeby dobře vy­bavených automobilů střední třídy, ale je to obstojný začátek. Americký výrobce automo­bilů General Motors již má TEG s elektric­kým výkonem 270 W a vzhledem k rychlému vývoji nových materiálů očekává, že během několika let bude dosaženo hranice 1 000 W. Z evropských automobilek se na použití TEG připravuje firma BMW v rámci svého progra­mu EfficientDynamics [2], který je v podsta­tě souborem opatření ke snižování spotřeby energie a omezování škodlivých emisí bez nepopulárního zhoršení dynamiky jízdy. Ve zkušebním voze BMW řady 5 konstruktéři začlenili prototyp TEG do výfukového sys­tému a umístili ho v podlahové části vozu. Průtočné průřezy výfukového potrubí bylo nutné upravit tak, aby nebyly ovlivněny charakteristiky spalovacího motoru. Koncepčně by měl termoelektrický generátor účelně do­plnit systém rekuperace, kdy se při brždění nebo během jízdy setrvačností akumulátor dobíjí elektrickou energií získanou z pohy­bové energie automobilu.

 

Termoelektrické generátory mají pro pou­žití v automobilu mnoho výhod: nejsou citli­vé na otřesy, jsou bezhlučné a nevadí jim ani velké rozdíly teplot, neprodukují žádné emi­se. Protože TEG neobsahují žádné mecha­nické díly, nepotřebují ani údržbu a mají mi­mořádně dlouhou životnost. To je také hlav­ní důvod, proč se TEG již více než čtyřicet let používají v radioizotopových generáto­rech jako zdroje energie pro kosmické son­dy a satelity při letu v oblastech, kde není sluneční záření.

[1] HONSEL, G.: Wettlauf um Strom aus Wärme. Spiegel Online Wissenschaft (3. 2. 2008).

[2] BRISENO, C.: Ernten statt verschwenden. Fraunhofer Magazin, 2008, č. 3, s. 16–17.

[3] BISKUP, P.: Využití odpadního tepla. Automo­bil, 2008, 52, č. 10, s. 72–73.

[4] Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/Ther­moelektrischer_Generator).