Quantificare l'efficienza energetica dei materiali termoelettrici nei sistemi di recupero del calore dei rifiuti

I materiali termoelettrici rappresentano una tecnologia trasformativa nella ricerca globale di soluzioni energetiche sostenibili, offrendo la capacità unica di convertire il calore direttamente in energia elettrica attraverso meccanismi a stato solido. Come le industrie in tutto il mondo si aggrappano con il montaggio dei costi energetici e delle pressioni ambientali, i materiali termoelettrici convertono il calore direttamente in energia elettrica, fornendo un approccio sostenibile per ridurre le prestazioni dei combustibili fossili e combattere l'inquinamento ambientale.

I principi della conversione dell'energia termoelettrica

I materiali termoelettrici operano su principi fisici fondamentali che permettono la conversione diretta di energia termica-elettrica. I materiali termoelettrici possono convertire il calore direttamente in energia elettrica. Questa proprietà si basa sull'effetto Seebeck, in cui una differenza di temperatura applicata ad un materiale genera una tensione. Questo fenomeno, descritto da Thomas Johann Seebeck all'inizio del XIX secolo, costituisce la base della moderna tecnologia termoelettrica.

Il processo di conversione funziona attraverso il movimento dei porta-carica all'interno del materiale quando è sottoposto a gradiente di temperatura. Quando una estremità di un materiale termoelettrico viene riscaldata mentre l'altra rimane fresca, i porta-carica si diffondono dal lato caldo al lato freddo, creando una differenza di potenziale elettrico. Questo meccanismo di conversione diretta elimina la necessità di parti in movimento, rendendo i generatori termoelettrici intrinsecamente affidabili e adatti per il funzionamento a lungo termine in ambienti difficili.

Oltre alla generazione di energia, i materiali termoelettrici presentano anche il fenomeno inverso: il rovescio è l'effetto Peltier, che viene solitamente utilizzato per il raffreddamento. Questa capacità bidirezionale rende i materiali termoelettrici versatili sia per la raccolta di energia che per le applicazioni di gestione termica, espandendo la loro utilità in più settori.

Comprendere la figura del merito: Il valore ZT

L'efficienza dei materiali termoelettrici è principalmente quantificata attraverso un parametro senza dimensioni noto come figura di merito, designato come ZT. ZT è il valore medio delle proprietà termoelettriche, che può essere utilizzato come parametro senza dimensione per misurare le proprietà dei materiali TE: dove S è il coefficiente Seebeck, σ è la conducibilità multiplo del materiale, к e è conducibilità termica elettronica, к L è lattice conducibilità termica e T è assoluta.

Il numeratore, S2σ, è spesso indicato come "fattore di potenza" e rappresenta la capacità del materiale di produrre energia elettrica da un gradiente di temperatura. Il fattore di potenza riflette come un materiale può generare energia elettrica quando è sottoposto a una differenza di temperatura, combinando sia la capacità di generazione di tensione (coefficiente di Seebeck) che la capacità del materiale di condurre quella corrente elettrica.

Ovviamente, il più grande valore ZT, il meglio delle proprietà termoelettriche del materiale, ma il raggiungimento di alti valori ZT presenta sfide significative a causa della natura interdipendente dei parametri costituenti.

Il coefficiente Seebeck: Capacità di generazione di tensione

Il coefficiente Seebeck, indicato come S, rappresenta la magnitudine di tensione generata per unità di temperatura di differenza tra un materiale. Il rapporto tra tensione elettrica e differenza di temperatura viene indicato come coefficiente Seebeck: S = U/ΔT con: S: effetto Seebeck U: Tension ΔT: differenza di temperatura. I materiali con coefficienti Seebeck più alti generano più tensione per un determinato gradiente di temperatura, rendendoli più attraenti per le applicazioni di generazione di potenza.

Il coefficiente Seebeck varia in modo significativo tra i diversi materiali ed è altamente dipendente dalla temperatura. I semiconduttori presentano in genere coefficienti di Seebeck superiori rispetto ai metalli, che spiegano la loro predominanza nelle applicazioni termoelettriche. La magnitudine e il segno del coefficiente (positivo o negativo) determinano anche se le funzioni materiali come elemento termoelettrico di tipo p o n, di cui sono necessarie per la costruzione di moduli termoelettrici completi.

Conduttività elettrica: Minimizzanti perdite resistive

Conduttività elettrica (σ) misura la capacità di un materiale di trasportare carica elettrica. La conducibilità elettrica è una misura della capacità di un materiale di condurre corrente elettrica. L'elevata conducibilità elettrica è fondamentale per ridurre il riscaldamento Joule (perdite I2R) all'interno del dispositivo termoelettrico, che altrimenti ridurrebbe l'efficienza complessiva. Quando la conducibilità elettrica è bassa, la resistenza al flusso corrente genera calore indesiderato attraverso il riscaldamento Joule, dissipando energia che potrebbe altrimenti essere raccolta come utile.

La sfida nell'ottimizzazione della conducibilità elettrica è la complessa relazione con altre proprietà termoelettriche, ad esempio, l'aumento della conducibilità elettrica riduce spesso il coefficiente Seebeck, in quanto questi due parametri sono accoppiati attraverso la concentrazione del vettore.

Conduttività termica: Il Meccanismo Critical Loss

La conducibilità termica (κ) quanta il calore scorre facilmente attraverso un materiale. Nelle applicazioni termoelettriche, la bassa conducibilità termica è auspicabile perché aiuta a mantenere il gradiente di temperatura attraverso il dispositivo. Il denominatore, κ, rappresenta la conduzione termica attraverso il materiale, che è un meccanismo di perdita. Quando la conducibilità termica è alta, il calore scorre rapidamente dal lato caldo al lato freddo, riducendo la differenza di temperatura e diminuendo quindi la tensione generata.

La conducibilità termica comprende due componenti: conducibilità termica elettronica (κe) e conducibilità termica reticolare (κL). La conducibilità termica elettronica è direttamente collegata alla conducibilità elettrica attraverso la legge Wiedemann-Franz, creando un'altra sfida di interdipendenza. Tuttavia, finché la conducibilità termica del reticolo con una piccola correlazione è ridotta, la figura termoelettrica del merito può essere ottimizzata in modo efficace.

L'obiettivo di qualsiasi esperimento termoelettrico è quello di rendere il fattore di potenza, S2 σ, più grande pur mantenendo una piccola conducibilità termica. Questo perché l'elettricità è prodotta attraverso un gradiente di temperatura, in modo che i materiali che possono equilibrare il calore molto rapidamente non sono utili.

Materiali termoelettrici di ultima generazione

Il paesaggio dei materiali termoelettrici si è evoluto considerevolmente, con diverse famiglie materiali ottimizzate per specifiche gamme di temperatura e applicazioni. La comprensione delle caratteristiche di prestazione di questi materiali è essenziale per la selezione di soluzioni appropriate per i sistemi di recupero del calore dei rifiuti.

Bismuth Telluride e le sue leghe

I materiali a base di telluride Bismuth sono stati a lungo i cavalletti di lavoro delle applicazioni termoelettriche a temperatura ambiente vicina. I materiali come Bi 2Te 3 e Bi 2Se 3 comprendono alcuni dei termoelettrici a temperatura ambiente più performanti con una figura-di-merito a temperatura indipendente, ZT, tra 0,8 e 1.0. Questi materiali eccellono nelle applicazioni che richiedono un funzionamento intorno a 300 K, rendendoli particolarmente adatti per il raffreddamento elettronico e il recupero a bassa temperatura.

I metodi di ingegneria avanzata hanno spinto ancora più avanti le prestazioni dei sistemi di telluride bismuth. Nanostructuring questi materiali per produrre una struttura a superlattice strati di alternare i livelli Bi 2Te 3 e Sb 2Te 3 produce un dispositivo all'interno del quale vi è una buona conducibilità elettrica ma perpendicolare a cui la conducibilità termica è scarsa. Il risultato è un miglioramento ZT migliorato (circa 2,4 a temperatura ambiente per tipo di proprietà di decoup elettrico).

La bersaurida e le sue soluzioni solide sono buone materie termoelettriche a temperatura ambiente e quindi adatte per applicazioni di refrigerazione intorno a 300 K. Tuttavia, le loro prestazioni si degrada a temperature più elevate, limitando la loro applicabilità negli scenari di recupero di calore industriale ad alta temperatura.

Sistemi di Telluride e Selenide di piombo

Per applicazioni a temperatura media elevata, i materiali di punta (PbTe) e selenide (SnSe) offrono prestazioni convincenti. A temperature estreme (∼500 K), materiali inorganici come la telluride bismuth (Bi2Te3) e la telluride di piombo (PbTe) hanno raggiunto valori ZT intorno al 2.0, indicando una grande efficienza nella produzione di energia.

La ricerca avanzata ha dimostrato significativi progressi nei compositi di selenide di stagno. Il composito CuS SnSe-3 wt% ottimizzato raggiunge un picco notevole ZT di 0,63 a 873 K, rappresentando un significativo progresso nelle prestazioni termoelettriche. Tali miglioramenti derivano da sofisticati approcci di ingegneria dei materiali che migliorano simultaneamente il trasporto elettrico riducendo la conducibilità termica.

Composto di silicida di magnesio

I composti a base di magnesio rappresentano un'alternativa attraente per applicazioni a medio temperatura, offrendo vantaggi in termini di costi, tossicità e abbondanza elementare. I composti Mg2BIV (B14=Si, Ge, Sn) e le loro soluzioni solide sono materiali termoelettrici buoni e i loro valori ZT sono paragonabili a quelli dei materiali stabiliti.

A 800 K, Mg2Si0.55−xSn0.4Ge0.05Bix è stato riferito di avere una cifra di merito circa 1.4, il più alto mai segnalato per questi composti. Questo livello di prestazioni rende i sistemi di silicidi di magnesio competitivi con materiali più consolidati, offrendo caratteristiche di sostenibilità superiori.

Termoelettriche dell'ossido

I materiali termoelettrici a base di ossigeno hanno guadagnato una notevole attenzione per applicazioni ad alta temperatura grazie alla loro stabilità termica e resistenza all'ossidazione. Layered Ca3Co4O9 ha esposto i valori ZT di 1.4–2.7 a 900 K. La struttura a cristalli strati di questi materiali impedisce naturalmente il trasporto fonico perpendicolare ai strati, riducendo la conducibilità termica mantenendo le proprietà elettriche ragionevoli.

Recentemente, i termoelettrici dell'ossido hanno guadagnato molta attenzione in modo che la gamma di fasi promettenti aumentasse drasticamente. I membri di questa famiglia includono ZnO, MnO2, e NbO2. Questi materiali offrono una stabilità eccezionale nelle atmosfere ossidanti ad alte temperature, rendendoli particolarmente adatti per applicazioni industriali del gas di scarico dove altri materiali potrebbero degradarsi.

Calcogenite a base di rame

I materiali a base di rame sono emersi come candidati promettenti per applicazioni termoelettriche, in particolare nei progetti di generatori segmentati. L'analisi CF rivela che i chalcogenidi a base di Cu mantengono una compatibilità favorevole rispetto a vaste gamme di temperatura, indicando un forte potenziale per la progettazione di generatori termoelettrici segmentati, mentre leghe intermetalliche e ad alta temperatura a base di Ni sono intri intri intrinsecamente limitate da fattori di compatibilità soppressi.

Materiali organici e ibridi

I materiali organici, come polianilina e poli(3,4-etilenodiossithiophene) polistirene solfonate (PEDOT), acquisiti valori ZT che vanno da 0,5 a 1.0, dimostrando la loro promessa per applicazioni versatili e a basso costo, che consentono di rilevare applicazioni elettroniche flessibili e leggere.

Bi2Te3/PEDOT, un materiale ibrido con componenti organici e inorganici, ha dimostrato una migliore performance con valori ZT di 1,5–2.0 a causa degli effetti sinergici dei suoi costituenti, che combinano i vantaggi di entrambe le classi materiali, potenzialmente aprendo nuovi domini applicativi.

Fattori completi che affettano l'efficienza del sistema termoelettrico

Mentre le proprietà materiali costituiscono la base delle prestazioni termoelettriche, numerosi fattori di livello del sistema influenzano significativamente l'efficienza complessiva delle applicazioni di recupero del calore dei rifiuti.

Gradiente di temperatura e condizioni operative

La differenza di temperatura attraverso un dispositivo termoelettrico influisce direttamente sulla sua potenza e sull'efficienza. Inoltre, la cifra di merito e la differenza di temperatura sono direttamente connesse all'efficienza di un dispositivo termoelettrico, quindi questo aumenta quando ZT e ΔT hanno grandi valori. I gradienti di temperatura più grandi consentono una maggiore generazione di tensione e una maggiore efficienza di conversione, rendendo le fonti di calore di scarto ad alta temperatura particolarmente interessanti per il recupero termoelettrico.

Tuttavia, mantenere gradienti di temperatura stabili richiede una gestione termica efficace. Il calore deve essere consegnato in modo efficiente al lato caldo degli elementi termoelettrici, mentre viene rimosso efficacemente dal lato freddo. La scarsa gestione termica può crollare il gradiente di temperatura, degradando notevolmente le prestazioni indipendentemente dal valore intrinseco ZT del materiale.

Progettazione e architettura dei dispositivi

Il design fisico dei generatori termoelettrici influisce in modo significativo sulle prestazioni oltre le proprietà materiali da soli. A differenza dei generatori termoelettrici a piastre piatti tradizionali (FTEG), il TTEG incorpora elementi termoelettrici a tutta aring all'interno di un layout tubolare, offrendo un approccio innovativo al recupero energetico da sistemi a base di fluidi.

In condizioni identiche di esposizione, volume e proprietà dei materiali termoelettrici, il TTEG dimostra un aumento della potenza di uscita del 62,5% rispetto al modulo termoelettrico TGM1-127-1.0-0.8 (FTEG), che dimostra un sostanziale miglioramento che l'ottimizzazione dell'architettura dei dispositivi può produrre prestazioni paragonabili o superiori a quelle realizzate attraverso lo sviluppo dei materiali da solo.

Integrazione scambiatore di calore

Gli scambiatori di calore efficaci sono fondamentali per il trasferimento di energia termica da fonti di calore di scarto ad elementi termoelettrici. Il design dello scambiatore di calore deve bilanciare diverse esigenze concorrenti: massimizzare il trasferimento di calore agli elementi termoelettrici, minimizzare la pressione nel flusso di calore di scarto, garantendo durata meccanica e mantenendo la convenienza.

Per le applicazioni gas di scarico, lo scambiatore di calore deve sopportare alte temperature e ambienti potenzialmente corrosivi, accoppiando efficacemente l'energia termica ai moduli termoelettrici. I progetti avanzati incorporano superfici micro-finite, materiali di cambiamento di fase e modelli di flusso ottimizzati per migliorare i coefficienti di trasferimento termico e migliorare l'efficienza complessiva del sistema.

Corrispondenza elettrica e elettronica di potenza

I generatori termoelettrici producono corrente diretta a tensioni e correnti che variano con le condizioni operative. L'estrazione ottimale richiede l'accoppiamento del carico elettrico alle caratteristiche di uscita del generatore. I sistemi di elettronica di potenza, inclusi i regolatori di monitoraggio del punto di potenza massimo (MPPT), assicurano che i generatori termoelettrici funzionino alla loro massima efficienza in condizioni termiche variabili.

Le perdite nei convertitori DC-DC, negli inverter e nei circuiti di controllo riducono l'uscita elettrica netta. L'elettronica di potenza avanzata con alta efficienza di conversione sono essenziali per massimizzare i vantaggi pratici dei sistemi di recupero termico.

Degradazione dei materiali e stabilità a lungo termine

I materiali termoelettrici e i dispositivi devono mantenere le loro prestazioni in periodi operativi prolungati per fornire valore economico. Inoltre, le TEG esposte ad alte temperature e ambienti difficili, come nei sistemi di scarico, possono sperimentare la degradazione, incidendo sulla loro longevità e affidabilità, portando ad un aumento dei costi di manutenzione e a prestazioni ridotte del sistema.

La selezione dei materiali deve considerare non solo i valori di picco ZT ma anche la stabilità in condizioni operative realistiche. Alcuni materiali ad alte prestazioni presentano un eccellente ZT in condizioni di laboratorio ma si degradano rapidamente in ambienti industriali.

Misurazione e quantificazione dell'efficienza termoelettrica

La misurazione accurata dell'efficienza termoelettrica richiede un'attenta caratterizzazione delle proprietà a più dipendenze dalla temperatura e la considerazione delle metriche di prestazione a livello di sistema.

Caratterizzazione del materiale-scivolo

La figura termoelettrica del merito "ZT" descrive l'idoneità dei materiali termoelettrici ed è definita come segue: dove S: Seebeck coefficient [μV/K] σ: conducibilità elettrica [S/m] λ: conducibilità termica [W/(m∞K)] a temperatura T. Tutte queste variabili sono a temperatura dipendente.

In primo luogo, i singoli parametri (coefficiente di Seebeck, conducibilità elettrica e termica) possono essere misurati, e ZT calcolato in base all'equazione 1. Questo approccio fornisce una panoramica dettagliata su come ogni proprietà contribuisce alle prestazioni generali e consente l'identificazione di fattori limitanti.

La conducibilità termica è solitamente determinata dal metodo laser o dal flash leggero. Il risultato diretto di questo metodo è la diffusione termica. La conversione della diffusività termica alla conducibilità termica richiede ulteriori misurazioni della densità e della capacità termica specifica, introducendo potenziali fonti di incertezza della misura.

Nella letteratura si può trovare un'analisi degli errori, evidenziando l'importanza dei protocolli di misura rigorosi e della quantificazione dell'incertezza nella caratterizzazione termoelettrica. I piccoli errori nelle singole misurazioni della proprietà possono aggravarsi quando si calcola ZT, potenzialmente portando a una significativa incertezza nella figura finale del merito.

Misurazione ZT diretta: il metodo Harman

Alternativa alla misura delle proprietà individuali, il metodo Harman consente la misurazione diretta della figura del merito, che applica un impulso corrente ad un elemento termoelettrico e misura la risposta alla tensione risultante. Il metodo fornisce una valutazione diretta della ZT senza richiedere misure separate di coefficiente Seebeck, conducibilità elettrica e conducibilità termica.

Il metodo Harman offre vantaggi in velocità e semplicità ma richiede un'attenta progettazione sperimentale per garantire risultati precisi. Fattori come resistenza al contatto termico, resistenza al contatto elettrico e effetti termici transitori devono essere adeguatamente considerati per ottenere valori ZT affidabili.

Metrics di efficienza del dispositivo-scivolo

Mentre la figura dei materiali termoelettrici è una metrica ben definita per valutare i materiali termoelettrici, può essere una scarsa metrica per la massima efficienza dei dispositivi termoelettrici a causa della dipendenza dalla temperatura del coefficiente Seebeck S, della resistenza elettrica ρ, e della conducibilità termica κ dove T è la temperatura assoluta.

L'efficienza di conversione energetica dell'apparecchiatura di generazione di materiali TE è definita come l'energia elettrica di uscita (P) divisa dall'energia termica fornita (Q). Questa metrica di efficienza pratica si riferisce direttamente al valore economico dei sistemi di recupero del calore di scarto, in quanto determina quanto energia elettrica può essere generata dalle risorse termiche disponibili.

Le misurazioni di efficienza a livello di sistema devono tener conto di tutti i flussi energetici, comprese le perdite di calore attraverso l'isolamento, le perdite elettriche nelle connessioni e nell'elettronica di potenza, e il consumo di energia parassita da sistemi ausiliari come ventilatori o pompe di raffreddamento.

Strategie per migliorare l'efficienza termoelettrica

Nel frattempo, nei materiali termoelettrici, il miglioramento della figura senza dimensione del merito zT è sempre un tema fondamentale in modo che i dispositivi assemblati possano eseguire ad alta efficienza.

Ingegneria della struttura della banda elettronica

La manipolazione della struttura elettronica della banda dei materiali termoelettrici offre potenti opportunità di miglioramento del fattore di potenza. Nell'ingegneria elettronica della banda; la convergenza della banda, la curvatura del bandgap, o una manipolazione efficace della massa, ottimizza significativamente il fattore di potenza.

La convergenza delle bande, dove più bande elettroniche si allineano all'energia, aumenta la densità effettiva degli stati vicino al livello di Fermi. Questo miglioramento può aumentare il coefficiente Seebeck mantenendo elevata mobilità dei vettori, decoupling parziale del tradizionale trade-off tra queste proprietà.

Nanostrutturazione e sparatura gerarchica

Analogamente, le tecniche di dispersione gerarchica e di bassa dimensionalità sono strategie efficaci per ridurre la conducibilità termica.Introducendo centri di dispersione a più lunghezze, dai nanometri ai micrometri, i fononi attraverso uno spettro di frequenza ampio possono essere dispersi, riducendo drasticamente la conduzione del calore.

Questi ultimi possono essere raggiunti, ad esempio, mediante la nanostrutturazione, poiché questo riduce notevolmente la conducibilità termica senza influenzare notevolmente il fattore di potenza. Nanostrutture come i confini del grano, precipitati e interfacce superlattice preferibilmente disperdono fononi (che portano il calore) consentendo agli elettroni (che trasportano la corrente elettrica) di passare relativamente non impediti, sfruttando le diverse scale di lunghezza di fono e di percorsi liberi di elettroni.

Per quanto riguarda il motivo per cui si è pensato di migliorare il valore ZT, la meccanica dello scambio di cationali spesso comportano difetti cristallici, che causano fononi (semplicemente messo, particelle di calore) a spargere. Secondo il formalismo Debye-Callaway, un modello usato per determinare la conducibilità termica reticolare, κL, il comportamento altamente anomalo dovuto fono che disperde risultati in una grande resistenza termica diminuiscono quindi, una maggiore densità.

Ottimizzazione della concentrazione del vettore

Ottimizzazione della concentrazione del vettore per migliorare il coefficiente Seebeck, il costante miglioramento della mobilità dei vettori e l'influenza dell'ingegneria della banda energetica sulle prestazioni termoelettriche sono discussi. La concentrazione del vettore influenza profondamente sia il coefficiente Seebeck che la conducibilità elettrica, con una concentrazione ottimale che massimizza il fattore di potenza.

Tuttavia, trovare il livello di doping ottimale richiede un equilibrio degli effetti concorrenti: troppi vettori risultano in bassa conducibilità elettrica, mentre troppi vettori soppressono il coefficiente Seebeck. Tecniche di doping avanzate, tra cui doping di modulazione e doping di livello di risonanza, offrono percorsi per migliorare le prestazioni oltre gli approcci convenzionali.

Approcci materiali compositi e ibridi

Ibridi termoelettrici composite implicano la miscelazione dei materiali organici o di altri materiali compositi precedentemente discussi con altri materiali conduttivi, allo scopo di migliorare le proprietà di trasporto. I compositi possono combinare i vantaggi di diverse classi di materiali, potenzialmente realizzando combinazioni di proprietà non agganciabili in materiali monofase.

Materiali compositi di novità, come i compositi Bi2Te3-carbon nanotube (CNT) e l'utilizzo del grafo, sviluppati per ottimizzare le caratteristiche termiche ed elettriche, prestazioni migliorate del dispositivo fino al 25% su materiali standard. I nanomateriali di carbonio forniscono elevata conducibilità elettrica e possono creare interfacce di dispersione fononica, migliorando contemporaneamente il trasporto elettrico e riducendo la conducibilità termica.

Lavorazione ad alta pressione e ad alta temperatura

Per affrontare questa sfida, abbiamo sviluppato un approccio sinergico che combina ad alta pressione e ad alta temperatura (HPHT) metodo con CuS doping in policristallina SnSe. Il composito CuS di SnSe-3 wt% raggiunge un picco notevole di 0,63 a 873 K, che rappresenta un significativo progresso nella conduzione termoelettrica concorrenziale.

La lavorazione HPHT può indurre le distorsioni della reticola, creare interfacce coerenti e modificare le strutture del bordo del grano in modi che influiscono positivamente sulle proprietà termoelettriche.

Applicazioni industriali del recupero termico dei rifiuti

I generatori termoelettrici trovano applicazioni in diversi settori industriali in cui il calore dei rifiuti rappresenta sia una preoccupazione ambientale che una risorsa energetica non sfruttata.

Industrie manifatturiere e di processo

Hendricks e Choate hanno osservato che, nel settore industriale, oltre un terzo dell'energia utilizzata nella produzione statunitense viene rilasciata nell'atmosfera o nei sistemi di raffreddamento come calore di scarto. Questa enorme perdita di energia rappresenta una significativa opportunità per i sistemi di recupero termoelettrico.

I processi industriali che producono queste temperature includono operazioni di calcinazione (ad esempio cemento, calce, alumina, coke di petrolio), fusione di metalli, fusione di vetro, riscaldatori di fluidi petroliferi, ossidanti termici e processi di sintesi esotermica.

Secondo i dati presentati dal KcORC "Il Centro di conoscenza della tecnologia ORC", nel loro rapporto "Thermal Energy mietitura", il 75% dell'energia termica ottenuta dai combustibili primari utilizzati nei processi di industria ad alta intensità energetica nell'UE è attualmente sprecato.

Automobili e trasporti

I motori a combustione interna, componenti essenziali di automobili, moto, navi e generatori industriali, trasformano l'energia chimica in energia meccanica con una efficienza media di circa il 25%. L'efficienza varia tra il 20% e il 45%, a seconda della struttura interna del motore e delle condizioni operative. La maggior parte dell'energia del combustibile viene persa come calore di scarico attraverso gas di scarico e sistemi di raffreddamento.

Ciò indica che una parte significativa, che va dal 55% all'80%, dell'energia chimica derivata principalmente dai combustibili fossili viene persa come calore attraverso le emissioni del sistema di raffreddamento e del motore. I generatori termoelettrici integrati nei sistemi di scarico possono recuperare una parte di questo calore di scarto, convertendolo in energia elettrica che può alimentare i sistemi elettrici del veicolo o le batterie di carica nei veicoli ibridi, migliorando l'efficienza complessiva del combustibile.

Inoltre, nelle industrie aerospaziale e marittima, dove l'efficienza energetica e il peso sono critici, TEG possono migliorare l'utilizzo complessivo dell'energia convertendo il calore dei rifiuti dai motori in energia elettrica utile, riducendo così il consumo di carburante e migliorando l'efficienza del sistema. L'assenza di parti mobili rende i generatori termoelettrici particolarmente attraenti per applicazioni aerospaziali dove l'affidabilità è fondamentale.

Settore Energia e Generazione

La produzione di energia termica rappresenta, ad esempio, oltre il 50% della produzione di energia elettrica globale, ma la sua efficienza operativa è solo del 30%-40%. Il calore generato da centrali elettriche, processi industriali, fumi, sorgenti geotermiche e sistemi di scarico del motore è un importante contributo a questa perdita di energia, con oltre la metà delle risorse energetiche globali sprecate ogni anno come calore.

I generatori termoelettrici possono essere integrati in flussi di scarico delle centrali elettriche, circuiti di raffreddamento e altre fonti di calore per generare energia supplementare. Mentre l'efficienza di conversione può essere modesta, la scala di calore dei rifiuti nelle strutture di generazione di energia significa che anche i piccoli miglioramenti percentuali possono produrre un notevole recupero di energia.

Integrazione energetica geotermica e rinnovabile

I risultati rivelano che i generatori termoelettrici indossabili hanno una densità di potenza inferiore (<100 μW/cm2), mentre i generatori termoelettrici industriali variano da 25 a 300 mW/cm2 e i generatori termoelettrici geotermici si aggirano intorno ai 20–130 mW/cm2. Le applicazioni geotermiche sfruttano gradienti di temperatura naturali per generare energia elettrica, con generatori termoelettri elettrici che offrono un semplice meccanismo di conversione affidabile.

L'integrazione con i sistemi termici solari rappresenta un'altra area di applicazione promettente: le strategie di integrazione, come l'integrazione di moduli termoelettrici in flussi di scarico industriali, scarichi automobilistici e collettori termici solari, hanno dimostrato la fattibilità e scalabilità della conversione di energia termoelettrica.

Sistemi di costruzione e HVAC

Gli edifici consumano energia sostanziale per il riscaldamento e il raffreddamento, con un significativo calore di scarto generato da sistemi HVAC, riscaldatori ad acqua e altre attrezzature. I generatori termoelettrici possono recuperare il calore dei rifiuti da queste fonti, generando energia elettrica per compensare il consumo energetico dell'edificio. La natura distribuita delle fonti di calore dei rifiuti di costruzione si allinea bene con le caratteristiche modulari e scalabili dei sistemi termoelettrici.

Recovery+ si concentra sui generatori termoelettrici che generano elettricità dal calore industriale dei rifiuti e forniscono calore allo stesso tempo - senza parti in movimento. Ciò consente di risparmiare costi energetici e emissioni e i sistemi ammortizzano entro un breve periodo di tempo. Questa doppia funzionalità migliora il valore complessivo del sistema fornendo sia i benefici elettrici che termici.

Considerazioni economiche e metriche di performance

La pratica distribuzione dei sistemi di recupero termico dei rifiuti termoelettrici dipende in modo critico dalla redditività, comprendendo il rapporto costi-benefici e gli indicatori chiave delle prestazioni guidano le decisioni di investimento e le priorità di sviluppo tecnologico.

Efficienza di conversione e Densità di potenza

Una limitazione primaria è l'efficienza di conversione relativamente bassa di TEGs, tipicamente intorno al 5%–10%, che limita la quantità di energia elettrica generata dal calore di scarto. Ciò rende TEGs meno attraente per applicazioni su larga scala a meno che la fonte di calore di scarto è abbondante e continua.

La densità di potenza determina le dimensioni fisiche e i requisiti materiali per una data uscita elettrica. I sistemi di densità di potenza più elevata richiedono meno materiale e occupano meno spazio, riducendo sia i costi di capitale che la complessità di installazione.

Costi e disponibilità dei materiali

Inoltre, materiali termoelettrici ad alte prestazioni, come la telluride bismuth, sono spesso costosi e possono avere una disponibilità limitata, ponendo una barriera all'adozione diffusa, in particolare nelle industrie sensibili ai costi.

Se i termoelettrici sono utilizzati nell'industria, nei costi, nella tossicità e nella disponibilità dei materiali sono considerazioni chiave. I materiali contenenti elementi rari o tossici affrontano sia le sfide economiche che regolamentari. Lo sviluppo dei materiali termoelettrici basati su elementi abbondanti e atossici affronta queste preoccupazioni, riducendo potenzialmente i costi.

Costi di integrazione e installazione del sistema

Le sfide di integrazione esistono anche, come incorporare sistemi TEG nei sistemi di scarico esistenti, soprattutto nelle applicazioni automobilistiche e industriali, può essere complesso. Il design deve ospitare sia il TEG che gli scambiatori di calore necessari senza alterare significativamente la funzionalità del sistema di scarico o introdurre una sovraccarico eccessivo, che potrebbe influire negativamente sulle prestazioni del motore.

L'integrazione di successo richiede un'attenta progettazione del sistema che considera la gestione termica, il montaggio meccanico, le connessioni elettriche e la compatibilità con le apparecchiature esistenti.

Periodo di rimborso e ritorno sull'investimento

La valutazione del periodo di rimborso, che si riferisce al tempo necessario per rimborsare i fondi espulsi in questi sistemi, è un buon indicatore per valutare le prestazioni economiche del sistema.

Il rendimento elettrico è paragonabile a quello di un impianto fotovoltaico di 60 m2, che fornisce anche energia termica e ha un periodo di ammortamento inferiore a tre anni. Con il raggiungimento dei periodi di rimborso di alcuni anni, il recupero termico termico del calore è economicamente convincente, in particolare quando i costi energetici sono elevati o i meccanismi di prezzo del carbonio sono in atto.

Costi operativi e di manutenzione

La mancanza di parti mobili nei generatori termoelettrici ha la promessa di ridurre i costi di funzionamento e manutenzione e tempi più lunghi tra i guasti, che rendono importanti i generatori termoelettrici per le applicazioni industriali WHR.

Inoltre, i sistemi di recupero del calore dei rifiuti basati su TEG sono sicuri, hanno una lunga durata di vita lavorativa, non comprendono meccanismi meccanici, e sono adatti per applicazioni ingombranti e compatte. Queste caratteristiche contribuiscono al costo totale favorevole di proprietà, anche quando i costi iniziali del capitale sono superiori a alcune alternative.

Sfide e limitazioni nel recupero di calore dei rifiuti termoelettrici

Nonostante i progressi significativi, il recupero di calore dei rifiuti termoelettrici affronta diverse sfide tecniche e pratiche da affrontare per consentire una diffusione diffusa.

Sfide dei materiali fondamentali

Tuttavia, l'interdipendenza intrinseca dei parametri critici dei materiali limita fondamentalmente l'ottimizzazione della figura termoelettrica del merito (ZT). La natura accoppiata della conducibilità elettrica, il coefficiente Seebeck e la conducibilità termica creano vincoli fondamentali sui valori ZT realizzabili. Tuttavia, esiste un rapporto intricato tra il coefficiente Seebeck, la conducibilità elettrica e la conducibilità termica, rendendo difficile per la figura termoelettrica del merito essere migliorata sensibilmente attraverso approcci convenzionali.

Inoltre, i metodi volti a migliorare lo scattering fononico per ridurre la conduttività termica reticolare possono ridurre simultaneamente la mobilità dei vettori, incidendo negativamente sulla conducibilità elettrica.

Stabilità e degradazione ad alta temperatura

Molti materiali termoelettrici ad alte prestazioni presentano una stabilità limitata alle temperature elevate o in atmosfere reattive. Le trasformazioni di ossidazione, sublimazione e fase possono degradare le prestazioni nel tempo, riducendo la durata pratica dei generatori termoelettrici nelle applicazioni industriali.

Le strategie di protezione, tra cui l'incapsulamento, i rivestimenti delle barriere e il funzionamento dell'atmosfera inerte aggiungono complessità e costi ai sistemi termoelettrici.

Complessità di gestione termica

Migliorata la gestione termica: la ricerca futura dovrebbe focalizzarsi sull'ottimizzazione dei progetti di scambiatori di calore e sullo sviluppo di tecniche di raffreddamento avanzate per mantenere i gradienti di temperatura ottimali in tutto il TEG. Ciò potrebbe contribuire a migliorare le prestazioni e l'affidabilità a lungo termine.

In molte applicazioni industriali, le fonti di calore dei rifiuti sono diffuse o intermittenti, complicando la gestione termica. Le condizioni di funzionamento variabili richiedono strategie di controllo adattative per mantenere le prestazioni ottimali del generatore termoelettrico attraverso i carichi termici in evoluzione.

Scalabilità e produzione

Molti materiali ad alte prestazioni richiedono procedure complesse di sintesi o costosi precursori che sono difficili da scalare economicamente. I processi produttivi devono raggiungere tolleranze strette sulla composizione materiale e sulla microstruttura per garantire prestazioni costanti.

Strategie di riduzione dei costi: trovare modi per ridurre i costi dei sistemi TEG, attraverso l'utilizzo di materiali alternativi o processi produttivi migliorati, potrebbe renderli più economicamente sostenibili per l'adozione diffusa nei settori industriale e automobilistico.

Le direzioni e le opportunità di ricerca future

Il campo del recupero termico dei rifiuti termoelettrici continua ad evolversi rapidamente, con numerose promettenti direzioni di ricerca che potrebbero migliorare notevolmente le prestazioni e espandere le applicazioni.

Sviluppo dei materiali avanzati

La ricerca in nuovi materiali con maggiori efficienze di conversione termoelettrica, come materiali nanostrutturati o materiali con spazi di banda ottimizzati, potrebbe aumentare significativamente le prestazioni dei sistemi TEG.

L'ultimo decennio ha assistito allo sviluppo di materiali termoelettrici ad alte prestazioni che possono funzionare in modo efficiente in diverse temperature e alla crescente ricerca sui dispositivi termoelettrici azionati da applicazioni.

Sistemi di tecnologia ibrida e multi-tecnologia

Sistemi ibridi: Combinando TEG con altre tecnologie di recupero del calore, come il ciclo di Rankine Organico (ORC) o PCM, potrebbe portare a sistemi più efficienti e versatili che possono recuperare una quota maggiore di calore di scarto e convertirlo in energia utile.

Sistemi termoelettrici Cascaded o segmentati che utilizzano materiali diversi ottimizzati per diverse gamme di temperatura possono migliorare l'efficienza attraverso gradienti di temperatura ampi. Tali sistemi richiedono un design attento per garantire la compatibilità tra segmenti di materiale e corrispondenza ottimale del carico.

Ottimizzazione delle applicazioni-Specifiche

In funzione delle applicazioni pratiche, nessun singolo materiale termoelettrico/dispositivo può soddisfare tutti i requisiti applicativi in scenari versatili, il che significa che si dovrebbe sviluppare e progettare materiali termoelettrici compatibili e dispositivi per applicazioni specifiche.

Nel complesso, i risultati evidenziano un passaggio dalla valutazione basata su powerfactor alla proiezione orientata al dispositivo utilizzando il parametro materiale e il fattore di compatibilità, fornendo un quadro unificato per la progettazione razionale di materiali termoelettrici ad alte prestazioni.

Digitalizzazione e Smart Control

Sistemi di controllo avanzati che ottimizzano dinamicamente il funzionamento del generatore termoelettrico basato su condizioni in tempo reale possono migliorare le prestazioni e l'affidabilità.

I gemelli digitali e gli strumenti di simulazione permettono di prototipare e ottimizzare virtualmente i sistemi termoelettrici prima dell'implementazione fisica, riducendo i tempi e i costi di sviluppo. L'integrazione con piattaforme IoT industriali consente il monitoraggio remoto e l'ottimizzazione degli impianti termoelettrici distribuiti.

Politica e sviluppo del mercato

Le politiche di sostegno, tra cui i prezzi al carbonio, gli incentivi per l'energia rinnovabile e i mandati per l'efficienza energetica, possono migliorare l'attrattiva economica del recupero termico dei rifiuti.

Istruzione e divulgazione ai decisori industriali sulle capacità e i benefici del recupero termico dei rifiuti termoelettrici possono espandere la consapevolezza del mercato e l'implementazione dei drive.

Vantaggi di impatto e sostenibilità energetica globale

La diffusione diffusa dei sistemi di recupero termico dei rifiuti termoelettrici potrebbe contribuire in modo significativo agli sforzi globali di sostenibilità energetica e di mitigazione dei cambiamenti climatici.

Potenziale di conservazione dell'energia

Il Direct Thermal Energy Conversion Materials, Systems and Devices Technology Assessment (6.G) ha stimato un potenziale risparmio di 6.5 a 16 TWh di energia elettrica annualmente, che è 0,9 al 2,3% del 710 TWh di energia elettrica in loco utilizzata negli impianti di produzione modesta (basata sui dati del 2010), che è 1,5-3,7% dei 430 TWh di rifiuti di calore previsti per il consumo industriale assoluto di 2.470 TWh.

Il recupero e l'utilizzo di questo calore di scarto potrebbero aumentare significativamente l'efficienza energetica, ridurre le emissioni di gas serra e promuovere lo sviluppo sostenibile. Ogni unità di energia elettrica generata da rifiuti di calore disloca l'elettricità che altrimenti sarebbe generata da fonti di energia primaria, in genere con le emissioni di carbonio associate.

Vantaggi ambientali

Tra le crisi energetiche e le preoccupazioni ambientali, i generatori termoelettrici hanno acquisito interesse come fonti di energia eco-friendly convertendo direttamente il calore in energia elettrica. Oltre a ridurre il consumo di combustibili fossili, il recupero di calore termoelettrico può ridurre l'inquinamento termico catturando il calore che altrimenti sarebbe stato scaricato all'ambiente.

La natura a stato solido della conversione termoelettrica elimina i fluidi di lavoro che potrebbero perdere o richiedere lo smaltimento, riducendo i rischi ambientali. Le lunghe vite operative e la riciclabilità dei materiali termoelettrici contribuiscono a profili ambientali favorevoli del ciclo di vita.

Contributo agli obiettivi di decarbonizzazione

Oltre all'utilizzo delle energie rinnovabili, l'efficienza in tutti i settori è anche uno strumento chiave per ridurre le emissioni di CO2 e fermare i cambiamenti climatici. Il settore industriale offre un potenziale particolarmente elevato per questo: è necessario circa il 30% del consumo energetico finale in Germania per l'industria.

Poiché le reti elettriche incorporano quote crescenti di energia rinnovabile variabile, la generazione distribuita dal recupero termico dei rifiuti termoelettriche può fornire una potenza stabile e prevedibile che completa le rinnovabili intermittenti.

Conclusione: Il percorso in avanti per il recupero di calore dei rifiuti termoelettrici

La misura dell'efficienza energetica dei materiali termoelettrici nei sistemi di recupero del calore dei rifiuti richiede una comprensione completa delle proprietà materiali, della progettazione dei dispositivi, dell'integrazione del sistema e delle esigenze specifiche dell'applicazione. La figura senza dimensione del merito ZT rimane la metrica fondamentale per la valutazione dei materiali termoelettrici, incapsulando il complesso gioco di interazione tra il coefficiente Seebeck, la conducibilità elettrica e la conducibilità termica.

I recenti progressi hanno spinto i valori ZT a livelli senza precedenti, con alcuni materiali che raggiungono valori superiori al 2.0 attraverso sofisticati approcci di ingegneria dei materiali, tra cui nanostrutturazione, ottimizzazione della struttura della banda e ingegneria dei difetti.

Le applicazioni industriali che spaziano dalla produzione, dai trasporti, dalla produzione di energia e dagli edifici offrono enormi opportunità di recupero termico dei rifiuti. Mentre le sfide rimangono nella stabilità dei materiali, nella riduzione dei costi e nell'integrazione del sistema, gli sforzi di ricerca e sviluppo in corso continuano a soddisfare queste limitazioni. La convergenza dei materiali avanzati, i progetti ottimizzati dei dispositivi e le politiche di supporto creano condizioni favorevoli per la diffusione estesa dei sistemi di recupero del calore dei rifiuti termoelettrici.

Il recupero termico dei rifiuti termoelettrici, con la sua combinazione unica di semplicità, affidabilità e applicabilità a diverse fonti di calore, rappresenta un importante strumento nel più ampio portafoglio di soluzioni energetiche sostenibili. L’investimento continuo nella ricerca, nello sviluppo e nella dimostrazione accelererà la transizione della tecnologia termoelettrica dalle applicazioni specializzate all’adozione industriale mainstream, contribuendo ad un futuro energetico più efficiente e sostenibile.

Per i ricercatori, gli ingegneri e i decisori che lavorano per far progredire il recupero termico dei rifiuti, il successo richiede approcci integrati che considerano materiali, dispositivi, sistemi e applicazioni olistiche.

Per saperne di più sui materiali termoelettrici e sulle tecnologie di recupero del calore, visitate il Ufficio avanzato di produzione dell'energia[], esplorate le risorse dal