Elektřina z tepla bez pohyblivých částí
Termofotovoltaický článek, vyvinutý inženýry z MIT, přesáhl 40% účinnost při přeměně tepla na elektřinu, což by mohlo otevřít cestu k výkonným tepelným bateriím pro rozvodné sítě.
Stejně jako solární články vyrábějí elektřinu ze slunečního záření, termofotovoltaické (TPV) články tak činí z infračerveného světla. Výzkumníci nyní v nové studii, o níž informovali v časopise Nature, představili TPV články s rekordně vysokou, více než 40% účinností konverze, což je lepší než průměrné turbíny používané k výrobě elektřiny.
Místo turbín termofotovoltaika?
„Většina tepelných elektráren vyrábí elektřinu pomocí turbín, aby roztočila hřídel rotoru generátoru, který přeměňuje kinetickou energii tekutiny na elektřinu. Průměrná účinnost takovéto výroby energie je méně než 35 %,“ říká hlavní autorka studie Alina LaPotin, strojní inženýrka z MIT s tím, že náklady a výkon turbín už víceméně dosáhly plné zralosti, takže vyhlídky na jejich budoucí zlepšení jsou omezené.
Termofotovoltaiku s účinností 29 % vědci poprvé vytvořili zhruba před 40 lety, ale navzdory předpovědím, že jejich účinnost přesáhne 50 %, se podařilo dosáhnout pouze skromného vylepšení na max. účinnost 32 %. Nicméně oproti turbínám má podle ní vyhlídky na zlepšení své účinnosti i nákladů.
V nové studii výzkumníci experimentovali s termofotovoltaickými materiály optimalizovanými pro teploty emitoru 1900 až 2400 °C a emitujícími infračervenými fotony s energiemi mezi 1 a 1,4 eV (elektronvolt – je práce vykonaná na jediném elektronu urychleném prostřednictvím 1 voltového rozdílu potenciálu rovnajícího se 0,16 kvintiliontin joulu neboli attojoule).
Tyto jednofotonové energie jsou vyšší než ty, které zkoumal předchozí výzkum s cílem vyhnout se ztrátám napětí snižujícím účinnost termofotovoltaiky, která využívá infračervené fotony (s nižší energií). Studie se zaměřuje na vyšší teploty než u dřívějších TPV článků, kdy platí pravidlo, že čím vyšší je teplota, tím vyšší je hustota výkonu zařízení a tím nižší je jejich cena v poměru k energii, kterou generují.
Zařízení 1,2–1,4 eV má výhodu, že pracuje při vyšším napětí, a tedy při nižší proudové hustotě pro danou teplotu emitoru, což může snížit energetické ztráty způsobené elektrickým odporem. Zařízení 1–1,2 eV má zase výhodu, že pracuje s vyšší hustotou výkonu při dané teplotě emitoru, poznamenává Alina LaPotin.
Vědci zvýšili účinnost zařízení pomocí vysoce reflexních zadních povrchů, které odrážely infračervené fotony s nižší energií zpět k zářičům. Tyto odražené fotony pak ještě dále zahřívají zářiče, což jim umožňuje vyzařovat infračervené světlo s vyšší energií, které je pro novou termofotovoltaiku užitečnější.
Účinnost těchto zařízení se podle výzkumníků může s lepšími reflektory zvýšit na více než 50 %. Reflektor ve studii jiné skupiny v roce 2020 dosáhl odrazivosti více než 98 %. Kombinace takového reflektoru s novou termofotovoltaikou by mohla vést k více než 56 % účinnosti při 2250 °C nebo více než 51 % v průměru v rozmezí 1900 až 2400 °C, domnívají se vědci. Tato nová zjištění naznačují, že termofotovoltaika by mohla pomoci vyrábět energii s nižšími náklady než turbíny.
„Náklady na systém výroby energie na bázi turbíny jsou obvykle řádově 1 USD za watt, u termofotovoltaiky však existuje potenciál snížit ji na řádově 0,10 USD za watt,“ říká Asegun Henry, profesor strojního inženýrství na MIT.
Na cestě k superbateriím
Klíčovou potenciální aplikací pro tyto nové TPV systémy je mřížková tepelná baterie. Takový systém by absorboval přebytečnou elektřinu z OZE, jako je slunce, a převáděl by tuto energii do silně tepelně izolovaných úložišť, odkud by v případě potřeby, např. v zatažených dnech, přeměňovaly TPV články teplo na elektřinu a odesílaly ji do rozvodné sítě.
Ačkoli bylo takové úložiště tepelné energie původně koncipováno s roztaveným křemíkem, jako lepší řešení se ukázal grafit za cca 0,50 USD za kilogram, což vedlo k projektovaným nákladům nižším než 10 USD za kWh, tzn. dostatečně nízkým, aby obnovitelná energie byla cenově konkurenceschopná s fosilními palivy.
Zařízení v uváděné studii má velikost asi centimetr čtvereční. Pro tepelný bateriový systém v mřížkovém měřítku by bylo potřeba TPV články o velikosti cca 1000 m2 v klimaticky řízených skladech, aby čerpaly energii z velkých zásob akumulované solární energie s tím, že existuje infrastruktura pro výrobu velkých fotovoltaických článků, které by mohly být přizpůsobeny i výrobě termofotovoltaiky.
Charles Choi, IEE Spectrum
Foto: MIT
64
.gif)
