Všade, kde prebieha priemyselný proces zahŕňajúci premenu surovín na užitočné produkty (oceliarne, papierne, rafinérie, chemické závody, ropovody a plynovody, výroba), je častým výsledkom plytvanie teplom. Ak sa odpadové teplo nezachytí a nevyužije, uvoľňuje sa do atmosféry a stráca príležitosť na energetické zhodnotenie. Rekuperácia je proces zhromažďovania odpadového tepla a jeho využitia na naplnenie požadovaného účelu inde. Jednou z možností je zachytiť a premeniť toto prevažne nevyužité odpadové teplo na výrobu elektriny.

Pohľad na technológiu

Dôležitým faktorom pri premene odpadového tepla na energiu (angl. Waste Heat to Power, WHP) sú termodynamické obmedzenia výroby energie pri rôznej teplote. Účinnosť výroby energie závisí od teploty zdroja odpadového tepla. Vo všeobecnosti bola výroba energie z odpadového tepla obmedzená len na stredne až vysokoteplotné zdroje odpadového tepla. Avšak pokrok v technológiách môže zvýšiť realizovateľnosť výroby aj pri nízkej teplote.

Väčšina dnešných systémov na výrobu odpadového tepla využíva kvapalnú pracovnú tekutinu, ktorá vstupuje do kotla na rekuperáciu tepla pri zvýšenom tlaku. Stlačená kvapalina sa odparuje pomocou energie získanej z odpadového tepla a potom expanduje na nižšiu teplotu a tlak v turbíne, čím sa generuje mechanická energia, ktorá poháňa striedavý alternátor. Pracovná kvapalina s nízkym tlakom sa potom odvádza do kondenzátora, kde sa teplo odoberá kondenzáciou pary späť na kvapalinu. Kondenzát z kondenzátora sa vracia do čerpadla a cyklus sa opakuje.

Pracovnou tekutinou v organickom Rankinovom cykle (angl. Organic Rankine Cycle, ORC) je uhľovodík, napríklad fluórovaný uhľovodík alebo amoniak. Konštrukcia ORC pozostáva z výparníka (kotla), expandéra (turbína), predhrievača, kondenzátora a regenerátora. Regenerátor zlepšuje účinnosť predhrievaním pracovnej tekutiny energiou, ktorá by sa inak vytratila. Pracovná tekutina v ORC stroji má zvyčajne nižší bod varu ako voda.

Kvapaliny používané v ORC majú termodynamické vlastnosti, ktoré umožňujú prevádzku so zdrojmi odpadového tepla, ktoré majú teplotu blízku 100 °C alebo dokonca nižšiu. Prevádzka pri takejto nízkej teplote je však zvyčajne nákladovo efektívna len pri použití prúdu kvapalného odpadu, čo umožňuje použitie výmenníka tepla typu kvapalina – kvapalina. Pri horúcich výfukových plynoch z priemyselného procesu sa v komerčne dostupných technológiách zvyčajne vyžaduje teplota aspoň 500 °F.

Ďalší súčasný proces WHP využíva Kalinov cyklus, ktorý je variáciou Rankinovho cyklu. Ako pracovná tekutina sa používa dvojica kvapalín (zvyčajne voda a čpavok). Okrem klasických štvorstupňových komponentov Rankinovho cyklu (výparník, turbína, kondenzátor, kompresor) existuje destilačno-kondenzačný subsystém pozostávajúci zo série separátorov, výmenníkov tepla a čerpadiel. Kalinov cyklus je špeciálne navrhnutý na premenu tepelnej energie na mechanickú energiu, optimalizovaný na použitie s tepelnými zdrojmi, ktoré majú relatívne nízku teplotu v porovnaní s teplotou chladiča (alebo okolia). Primárny rozdiel medzi jednoduchým kvapalinovým Rankinovým a Kalinovým cyklom je teplotný profil počas varu a kondenzácie. V cykloch ORC, keď sa teplo prenáša do pracovnej tekutiny, sa jeho teplota pomaly zvyšuje na teplotu varu; v tomto bode zostáva teplota konštantná, kým sa všetka tekutina neodparí.

Na rozdiel od toho binárna zmes vody a amoniaku v Kalinovom cykle (každý z nich má iný bod varu) sa počas vyparovania zvýši. Tento proces umožňuje lepšie tepelné prispôsobenie sa zdroju odpadového tepla a chladiacemu médiu v kondenzátore v protiprúdových výmenníkoch tepla. V dôsledku toho majú tieto systémy relatívne dobrú energetickú účinnosť v porovnaní s inými termodynamickými cyklami WHP.

Prevádzková účinnosť systému WHP Kalinovho cyklu je približne 15 % s teplotou zdroja tepla 150 °C. Pretože fázová zmena z kvapaliny na paru nie je pri konštantnej teplote, teplotné profily horúcej a studenej kvapaliny vo výmenníku tepla môžu byť bližšie, čím sa zvyšuje celková účinnosť.

Termoelektrické techniky

Obnovenie čo i len nepatrného zlomku odpadového tepla na energiu by malo významný vplyv na zmenu klímy. Pomôcť môžu aj termoelektrické materiály, ktoré premieňajú odpadové teplo na užitočnú elektrinu.

Transformácia tepla na elektrickú energiu termoelektrickými materiálmi je založená na Seebeckovom efekte. V roku 1826 nemecký fyzik Thomas Johann Seebeck pozoroval, že vystavenie koncov spojených kúskov rôznych kovov rozličnej teplote vytvára magnetické pole, o ktorom sa neskôr zistilo, že je spôsobené elektrickým prúdom. Krátko po jeho objave boli vyrobené kovové termoelektrické generátory na premenu tepla z plynových horákov na elektrický prúd. Ako sa však ukázalo, kovy vykazujú len nízky Seebeckov efekt – nie sú veľmi účinné pri premene tepla na elektrinu.

V roku 1929 ruský vedec Abraham Ioffe spôsobil revolúciu v oblasti termoelektriky. Zistil, že polovodiče – materiály, ktorých schopnosť viesť elektrinu patrí medzi vlastnosť kovov (ako meď) a izolantov (ako sklo) – vykazujú výrazne vyšší Seebeckov efekt ako kovy, čím zvyšujú termoelektrickú účinnosť 40-násobne. Tento objav viedol k vývoju prvého široko používaného termoelektrického generátora, ruskej lampy – petrolejovej lampy, ktorá zahrievala termoelektrický materiál na napájanie rádia.

Z minulosti do prítomnosti

Termoelektrické aplikácie dnes siahajú od výroby energie vo vesmírnych sondách až po chladiace zariadenia v prenosných chladničkách. Napríklad vesmírne výskumy sú poháňané rádioizotopovými termoelektrickými generátormi, ktoré premieňajú teplo z prirodzene sa rozpadajúceho plutónia na elektrinu. Napríklad vo filme The Martian škatuľa plutónia zachránila život postave, ktorú hrá Matt Damon, tým, že ho udržala na Marse v teple.

Napriek tejto obrovskej rozmanitosti aplikácií je rozsiahla komercializácia termoelektrických materiálov stále obmedzená ich nízkou účinnosťou. Čo ich brzdí? Treba zvážiť dva kľúčové faktory: vodivé vlastnosti materiálov a ich schopnosť udržiavať teplotný rozdiel, ktorý umožňuje výrobu elektriny. Najlepší termoelektrický materiál by mal elektronické vlastnosti polovodičov a zlú tepelnú vodivosť skla. No táto jedinečná kombinácia vlastností sa nenachádza v prirodzene sa vyskytujúcich materiáloch. Preto ich treba vyrobiť.

Hľadanie ihly v kope sena

V poslednom desaťročí sa objavili nové stratégie návrhu termoelektrických materiálov. V nedávnej štúdii v Nature Materials výskumníci z rôznych kútov sveta uviedli, že skonštruovali materiál nazývaný selenid cínu s doteraz najvyšším termoelektrickým výkonom, takmer dvojnásobným v porovnaní s výkonom spred 20 rokov. Trvalo im však takmer desať rokov, kým ho optimalizovali.

Aby urýchlili proces objavovania, použili vedci kvantové výpočty na hľadanie nových termoelektrických kandidátov s vysokou účinnosťou. Prehľadávali databázu obsahujúcu tisíce materiálov, aby našli tie, ktoré by mali vysoké elektronické vlastnosti a nízku úroveň vedenia tepla na základe ich chemických a fyzikálnych vlastností. Tieto poznatky im pomohli nájsť najlepšie materiály na syntézu a testovanie a vypočítať ich termoelektrickú účinnosť. S toľkými možnosťami a premennými je hľadanie cesty ako hľadanie ihly v obrovskej kope sena.

Aplikácie vo veľkom meradle budú vyžadovať termoelektrické materiály, ktoré sú lacné, netoxické a dostupné. Olovo a telúr sa nachádzajú v dnešných termoelektrických materiáloch. Nevýhodou je ich cena a negatívny vplyv na životné prostredie.

Medzinárodné úsilie zahŕňajúce vládne laboratóriá a univerzity v Spojených štátoch, Kanade a Európe odhalilo viac ako 500 predtým nepreskúmaných materiálov s vysokou predpovedanou termoelektrickou účinnosťou. Aktuálne sa skúma termoelektrický výkon týchto materiálov v experimentoch a už boli objavené nové zdroje vysokej termoelektrickej účinnosti. Tieto výsledky naznačujú, že ďalšie kvantové výpočty môžu určiť najefektívnejšie kombinácie materiálov na výrobu čistej energie z odpadového tepla.

Výroba elektriny z odpadového tepla bez použitia vzácnych prvkov

Doteraz bol na výrobu generátorov, ktoré vyrábajú elektrinu z tepla, potrebný jeden z najvzácnejších prvkov na Zemi: telúr. Vedci z rôznych kútov sveta od Nemecka až po Čínu ukázali, že existuje aj iný spôsob a že takéto generátory môžu byť vyrobené z udržateľnejších materiálov. Všetky materiály sú založené na ľahšie dostupných prvkoch, ako je horčík a antimón.

Termoelektrické generátory premieňajú teplo – predovšetkým odpadové teplo uvoľnené do životného prostredia pri výrobe elektriny – na elektrickú energiu. V tomto procese majú nosiče náboja väčšiu tepelnú rýchlosť pri vysokej teplote ako pri nízkej. Pri teplotnom rozdiele termoelektrických materiálov sa nosiče náboja presúvajú z teplejších do chladnejších oblastí. V dôsledku toho vytvárajú využiteľné elektrické napätie.

„Táto technológia by mohla byť použitá na opätovné čiastočné využitie odpadového tepla,“ hovorí profesorka Gabi Schierning z Fyzikálnej fakulty Bielefeldskej univerzity v Nemecku. „Pri spaľovaní fosílnych palív sa veľká časť vyrobenej energie stráca ako odpadové teplo,“ vysvetľuje. „Výrobou dodatočnej elektriny z tohto odpadového tepla by sa napríklad mohli znížiť emisie skleníkových plynov.“

Odpadové teplo je vo všeobecnosti horúce, až do približne 250 °C. V tomto rade moduly vyrobené z materiálov na báze telúru efektívne premieňajú teplo na elektrinu. „Cieľom je nájsť materiály, ktoré sú podobne účinné, a teda lacnejšie – čím sa zvyšuje šanca, že sa technológia stane predajnou,“ hovorí Schierning. Vedci použili na štúdium chemické zlúčeniny na báze prvkov horčíka a antimónu. „Už nejaký čas je známe, že takéto zlúčeniny sú vhodným materiálom pre termoelektroniku. Doteraz sa však nepodarilo preukázať, že by sa z nich dali vyrobiť aj fungujúce termoelektrické zariadenia. Teraz sa nám to podarilo.“

Vo svojich štúdiách vedci najskôr syntetizovali termoelektrické materiály. Aby to urobili, rozdrvili všetky komponenty na jemný prášok a stlačili ich za tepla. Tieto materiály potom použili na výrobu modulu. S týmto cieľom výskumníci z Leibnizovho inštitútu na výskum pevných látok a materiálov IFW Dresden optimalizovali syntézu materiálov aj štruktúru „tak, aby zariadenie mohlo generovať elektrickú energiu čo najefektívnejšie, čo závisí napríklad od vrstvenia materiálu či geometrickej štruktúry modulu“. Výsledkom výskumu bolo, že zariadenia na báze horčíka boli rovnako účinné ako tie na báze telúru.

Zdroje

[1] Waste-Heat-to-Power Applications on the Rise. ElectronicDesign. [online]. Publikované 22. 6. 2018. Citované 20. 12. 2021.

[2] Generating electricity from waste heat without using rare elements. Innovation Origins. [online]. Publikované 23. 2. 2021. Citované 20. 12. 2021. 

[3] Waste heat recovery technologies and applications. ScienceDirect. [online]. Publikované jún 2018. Citované 20. 12. 2021.