Исследовательские проекты в области термоэлектрических материалов, которые могут открыть новые возможности для преобразования тепловых потерь в электроэнергию

Согласно последним исследованиям Министерства энергетики США, от 20 до 50% энергии, потребляемой в различных промышленных отраслях,  теряется в виде тепла. Основными источниками тепловых потерь являются горячие выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу, продукты нагрева, получаемые в различных технологических процессах, а также тепло от горячих поверхностей оборудования.

Использование тепловых потерь для получения полезной энергии является перспективной возможностью получения экологически чистой и дешевой энергии. Идея преобразования тепловых потерь в электроэнергию не является новой. Начиная с 1970-х годов, паровые турбины были использованы для крупномасштабного преобразования высокотемпературных (> 650°C) тепловых потерь электричество. Позже, были созданы технологии, основанные на органическом цикле Ренкина, цикле Калины и двигателе Стирлинга, которые позволили преобразовывать тепловые потери средних (230-650°C) и низких (<232°C) температур в меньших масштабах.

Между тем, последние достижения в  области нанотехнологий способствовали открытию новых способов преобразования тепловых потерь в электроэнергию, основанных на использовании термоэлектрических материалов. Важнейшим свойством термоэлектрических материалов является их способность напрямую преобразовывать тепловую энергию в электричество без использования движущихся частей или циркулирующих жидкостей. При этом использование известных термоэлектрических материалов, до недавнего времени, было ограничено главным образом из-за их низкой эффективности.

Однако, в течении последних нескольких лет мы могли наблюдать стремительного развития группы американских стартапов, разработавших различные технологии на основе новых наноструктурированных термоэлектрических материалов.

Компания Alphabet Energy коммерциализирует инновационную технологию, разработанную в Калифорнийском университете. Alphabet Energy использует термоэлектрики на основе кремния (кремниевые нанопроволоки), которые позволяют получить высокую эффективность преобразования тепла в электроэнергию, будучи при этом дешевым и доступных материалом. На сегодняшний день компания сфокусирована на развитии технологии термоэлектрических генераторов, которые используют для получения электроэнергии высокотемпературные выхлопные газы.

GMZ Energy была основана на результатах научных исследований в области термоэлектрики, сделанных в Массачусетском технологическом институте и Бостонском колледже. Компания разрабатывает термовольтаическое устройство, способное напрямую преобразовывать тепловую энергию солнца  в электричество. В основе данной технологии лежит эффект Зеебека, который заключается в возникновении ЭДС в электрическом контуре, состоящем из двух проводников с различными температурами. Компания намерена интегрировать разработанное устройство в традиционные солнечные водонагреватели, что позволит получать электроэнергию в дополнение к отоплению и горячей воде.

Phononic Devices обладает эксклюзивной лицензией на коммерциализацию инновационных термоэлектрических материалов и устройств, разработанных в Университете Оклахомы. Кроме прямого преобразования тепла в электричество, термоэлектрические материалы могут быть использованы для вытеснения тепловой энергии и поддержания низкой температуры в различных технических устройствах (ноутбуках, лазерах, холодильниках и т.п.). Phononic Devices разрабатывает твердотельные термоэлектрические тепловые насосы для создания бескомпрессорных холодильных установок.

Как мы видим, все вышеуказанные стартапы являются спин-офф компаниями, которые были основаны на результатах научных исследований, полученных в различных университетских лабораториях.  В данном контексте, я бы хотел представить пять текущих европейских научно-исследовательских проектов, направленных на создание новых инновационных технологий в области термоэлектрических материалов.  Каждый из данных проектов имеет большой потенциал создания новых технологий  преобразования тепла в электроэнергию, которые впоследствии могут стать основой для новых спин-офф компаний.

Проект NEAT направлен на разработку нового класса термоэлектрических нанокомпозитов, основанных на экологически чистых материалах. До недавнего времени известные термоэлектрические материалы   обладали эффективностью термоэлектрической генерации ZT≈1. Структурирование термоэлектрических материалов на нано уровне, предложенное в 1990-х годах, позволяет повысить их эффективность. В настоящее время было создано несколько пленочных наноструктурированных материалов с параметром эффективности ZT близким к 3. Задача проекта NEAT заключается в создании новых гранулированных нанокомпозитных материалов, способных достичь значения ZT>3.

Задача проекта ThermoMag заключается в разработке недорогих, нетоксичных, легких,  компактных и широкодоступных термоэлектрических материалов. Для выполнения данных требований, участники проекта изучают трехмерные нанокристаллы Mg2Si. Магний и кремний являются одними из самых распространенных элементов в природе. Кроме того, оба элемента не требуют дорогостоящих технологий для их получения. Поэтому использование магния и кремния может позволить значительно снизить стоимость термоэлектрических устройств, по сравнению с их аналогами на основе редких элементов (Bi, Te, Ge, Sb, и Se). С помощью легирования различными элементами и совершенствования наноструктуры, исследователи стремятся значительно увеличить показатель эффективности ZT для термоэлектрических материалов на основе Mg2Si.

Целью проекта H2ESOT является разработка эффективных термоэлектрических модулей с использованием органических термоэлектрических материалов. Для осуществления этой амбициозной задачи участникам проекта предстоит создать первые прототипы устройств на основе полиаценов. Полиацены – это класс органических соединений с ярко выраженными полупроводниковыми свойствами. Полиацены обладают одновременно высоким значением коэффициента Зеебека и низкой теплопроводностью, что говорит о большом потенциале их использования для преобразования тепла в электроэнергию.

Проект NanoCaTe направлен на разработку гибких термоэлектрических материалов на основе наноуглеродов (графена и нанотрубок) для последующего применения  в преобразовании тепловой энергии в электричество с помощью термоэлектрических генераторов и хранении электроэнергии с помощью суперконденсаторов.

Проект NexTec направлен на  разработку новых устройств преобразования тепловых потерь в электроэнергию на основе современных термоэлектрических материалов. Задача первого этапа проекта заключается в создании эффективных и экономически выгодных термоэлектрических устройств. Далее, созданные устройства будут испытаны различными промышленными партнерами проекта. В результате, наиболее эффективные модели будут выбраны для лицензирования и последующего массового производства.

Несмотря на недавний прогресс в использовании термоэлектрических материалов в преобразовании тепловых потерь в электроэнергию, данные технологии все еще не являются достаточно зрелыми для того, чтобы в значительной степени увеличить энергоэффективность промышленных процессов.  Вышеуказанные исследовательские проекты, направленные на повышение эффективности и уменьшение стоимости термоэлектрических материалов, могут послужить основой для создания новых технологий преобразования тепловых потерь. Развитие данных технологий и их последующее внедрение в промышленный сектор позволит значительно повысить энергоэффективность существующих процессов и оборудования, способствуя при этом глобальному сокращению выбросов СО2.