K napájení různých technických procesů, které pohánějí naši civilizaci, potřebujeme energii. Naprostá většina se stále vyrábí spalováním fosilních paliv. Platíme za to sice obrovskou cenu v podobě emisí oxidu uhličitého do atmosféry, které zvyšují skleníkový efekt, ale nevyužíváme ani polovinu původního potenciálu energetických zdrojů. Odhaduje se, že jen asi 40 procent. energie mimo jiné ze spalování uhlí a uhlovodíků se využívá, zatímco zbývajících 60 procent. se rozptyluje ve vzduchu jako odpadní teplo. V důsledku toho, abychom uspokojili poptávku po elektřině, musíme spalovat více surovin, což přispívá k negativní změně klimatu a vysokým nákladům na palivo.

Existují technologie, které přeměňují energii odpadního tepla na elektřinu. K tomuto účelu lze využít mechanické instalace - např. ORC systémy nebo Stirlingovy motory, které se však v provozu často ukazují jako příliš problematické. Alternativou jsou termoelektrické moduly bez pohyblivých mechanických prvků a s malými rozměry. Stejně jako v případě fotovoltaických článků jsou jejich nedílnou součástí prvky v podobě malých polovodičových kostiček zapojených do série. V typických konstrukcích jsou mezi keramickými obklady umístěny termoelektrické prvky, které působí jako izolant. Když se jeden z plášťů zahřeje a druhý ochladí, vytvoří se elektrické napětí a tok proudu.

Omezené aplikace termoelektrických generátorů

Příkladem pokročilé aplikace termoelektrických generátorů jsou vesmírné sondy a rovery používané například NASA. V jejich případě se teplo, které se následně přemění na elektřinu, vyrábí rozpadem radioaktivních izotopů, jako je plutonium-238. V pozemských podmínkách by však zdrojem tepla mohla být například pec v cementárně nebo ocelárně, rafinerie nebo geotermální zařízení nebo výfukové potrubí automobilů. Proč tedy technologie úspěšně používaná ve vesmíru není široce využívána a proč přicházíme o spoustu volných zdrojů?

Překážkou v tom je vysoká cena termoelektrických součástek, a tím i nepříznivý poměr nákladů na instalaci k hodnotě energie, kterou vyrobí. Je obtížné vyrábět elektřinu ve vesmírných misích jinými metodami, takže náklady na její výrobu nejsou hlavním faktorem při výběru technologie, která má být použita. V pozemských podmínkách jsou náklady na termoelektrická zařízení v poměru k hodnotě získané elektřiny stále příliš vysoké. To se však může brzy změnit díky vědcům z AGH University of Science and Technology.

Levné a efektivní moduly vyvinuté v AGH

Tým pod vedením prof. Dr. hab. Ing. Krzysztof Wojciechowski z Fakulty materiálových věd a keramiky AGH ve spolupráci s partnery z Łukasiewicz Research Network a Fyzikálního ústavu Polské akademie věd ve Varšavě vyvinul a vyrobil prototyp termoelektrických modulů s hustotou výkonu blízko 2,5 kW. / m2, což jim v tomto ohledu poskytuje desetinásobnou výhodu oproti komerčním fotovoltaickým článkům.

Technologický postup výroby a materiálová cena vyvíjeného řešení se podle názoru tvůrců neliší od stejně velkého fotovoltaického prvku. - Vzhledem k mnohem vyšší výkonové hustotě termoelektrických měničů by měla být i cena za 1 W elektrického výkonu mnohem příznivější než v případě fotovoltaických panelů - prohlašuje prof. Wojciechowski.

Náklady na moduly byly mimo jiné výrazně sníženy ve srovnání s komerčními protějšky nahrazením keramického obkladu levnějšími a mnohem lepšími tepelně vodivými hliníkovými slitinami. Hliníkové slitiny se navíc snáze tvarují než keramika, díky čemuž je možné konstruovat moduly téměř jakéhokoli tvaru přizpůsobené danému systému rekuperace tepla.

Vědci hledají odvážného investora

Abychom mohli běžně začít využívat výhody popsané technologie, je nutné snížit výrobní náklady měničů. Cena termoelektrického modulu vytvořeného v laboratorních podmínkách, kde veškerou práci prováděli téměř ručně členové týmu, dosahuje hodnoty podobné špičkovému smartphonu. Automatizace a hromadná výroba by však podle tvůrců umožnila snížit výrobní náklady alespoň na úroveň běžně dostupné fotovoltaiky

autor: Richard Šipka