SUSTAVI TERMOELEKTRIČNE GENERACIJE I ZAŠTITA OKOLIŠA

Milan Davidović MILAN DAVIDOVIĆ VSITE, Zagreb milan.davidovic@vsite.hr

SUSTAVI TERMOELEKTRIČNE GENERACIJE I ZAŠTITA OKOLIŠA PRIMJENA DISTRIBUIRANIH SUSTAVA OPSKRBE TOPLINSKOM I ELEKTRIČNOM ENERGIJOM ZASNOVANIH NA TEG Pregledni rad / Review paper Sažetak U radu su prikazane mogućnosti i ograničenja korištenja termoelektrične generacije (TEG) i utjecaj sustava zasnovanih na TEG na okoliš. Prikazani su koncepti energetski samostojnih uređaja i distribuiranih sustava opskrbe toplinskom i električnom energijom i mogućnost primjene mikro kogeneracija i trigeneracija zasnovanih na TEG, s posebnim osvrtom na primjenu obnovljivih izvora i rast učinkovitosti termoelektričnih materijala i njihov utjecaj na ekonomičnost i kvalitetu opskrbe korisnika toplinskom i električnom energijom i održivi razvoj ruralnih područja.

Ključne riječi: termoelektrični efekti, termoelektrična generacija, energetski samostojni uređaj, distribuirani sustav opskrbe toplinskom i električnom energijom, zaštita okoliša 1.

UVOD

Termoelektrična generacija (eng. thermoelectric generation) je proces ili sustav direktne pretvorbe topline u električnu energiju i obratno, koja se zasniva na termoelektričnom efektu.

Termoelektrični efekt (eng. thermoelectric effect) obuhvaća tri pojave: Seebeckov (1821), Peltierov (1834) i Thomsonov efekt (1851). Seebeckov efekt je pojava električnog napona između krajeva termoelementa zbog razlike temperature vrućeg i hladnog kraja nastale zagrijavanjem zajedničkog kraja termoelementa. Peltierov efekt nastaje kod protjecanja istosmjerne struje kroz spojište dva različita termoelektrična materijala kad dolazi do primanja ili oslobađanja topline, ovisno o smjeru struje. Thomsonov efekt objedinjuje Seebeckov i Peltierov efekt; kad na vodljivi materijal djeluje električno polje i gradijent temperature, pojavit će se grijanje ili hlađenje, ovisno o međusobnim smjerovima vektora električnog polja i temperaturnog gradijenta [1]. Iako su termoelektrični efekti otkriveni još u XIX stoljeću, šire primjene termoelektrične generacije nije bilo zbog malog učina bimetala. Tek su razvoj poluvodičke tehnologije i učinkovitiji poluvodički termoelektrični materijali omogućili široku komercijalnu primjenu termoelektrične generacije, koja je postala koncept proizvodnje „zelene“ energije (eng. green power) s rasponom snaga od nekoliko μW do više MW. A zbog reverzibilnosti Seebeckovog i Peltierovog efekta, ona postaje zanimljiva i zbog stvaranja mikro kogeneracija i trigeneracija s drugim obnovljivim izvorima koje pridonose boljoj zaštiti okoliša.

Ovaj rad je usredotočen na mogućnosti primjene i ulogu sustava termoelektrične generacije u zaštiti okoliša, te ukazuje na prednosti termoelektrične generacije i njezina ograničenja, kako se mogu prevladati njezini nedostaci i kada se to može očekivati. Posebno je naglašen značaj korištenja otpadne topline i uloga termoelektrične generacije u razvoju ruralnih područja koji nije održiv bez elektrifikacije, očuvanja okoliša i njegove djelotvorne i učinkovite zaštite.

12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 88 -

Milan Davidović 2.

UTJECAJ TERMOELEKTRIČNE GENERACIJE NA OKOLIŠ

2.1.

Utjecaj termoelektričnih generatora na okoliš

Seebeckov efekt javlja se kod grijanja jednog kraja poluvodiča (v. sliku 1), kad je zbog razlike temperature ΔT=Th-Tc između vrućeg (Th) i hladnog kraja poluvodiča (Tc) narušena termodinamička ravnoteža u poluvodiču, jer nositelji naboja na toplom kraju imaju veću energiju od onih na hladnom kraju. Tada dolazi do difuzije nositelja naboja iz toplog u hladni kraj poluvodiča i nastaje električno polje koje je usmjereno od toplijeg prema hladnijem kraju (nositelji naboja u poluvodiča n-tipa su slobodni elektroni, a šupljine u poluvodiča p-tipa) [1].

Slika 1 – Poluvodički termoelektrični par

Izvor: Izradio autor temeljem [2][3]

Elektromotorna sila, odnosno napon U na krajevima termopara je proporcionalan razlici temperature između toplijeg i hladnijeg kraja poluvodiča, U= αΔT, gdje je α Seebeckov koeficijent. α je mjera je za učinkovitost termoelektrika, pa se zove još termoelektrična ili toplinska snaga (eng. thermoelectric power, thermopower) [2]. Izlazna snaga TEG povećava se povećanjem koncentracije primjesa u poluvodičima n-tipa i p-tipa i skraćivanjem duljine termoelektričnih elemenata i kontakata između elemenata, što se danas postiže primjenom tehnologije tankog filma u proizvodnji termoelektroničkih komponenata [4][5].

Poluvodički termoparovi moraju se toplinski spajati paralelno, a električki serijski, kao na slici 2. Prolaskom topline kroz poluvodič p-tipa teče struja šupljina u istom smjeru kao struja slobodnih elektrona kroz poluvodič n-tipa, tako da se na krajevima svakog termopara stvara napon U= αΔT razmjeran razlici temperatura vrućeg i hladnog kraja modula ΔT. Ako se tako spoji N termoparova dobije se napon praznog hoda U0=N·U=N·α·ΔT=N·α· (Th-Tc) [5]. Takve poluvodičke komponente nazivaju se poluvodički termoelektrični generatori (eng. thermoelectric generator, TEG). Izlazna snaga TEG ovisi o razlici temperature vrućeg i hladnog kraja, opterećenju i temperaturi ambijenta ako su TEG hlađeni zrakom.

Slika 2 – Poluvodički termoelektrični generator

Izvor: izradio autor temeljem [4] [5]

12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 89 -

Milan Davidović Iz prikaza djelovanja termoelektričnih generatora proizlazi da oni proizvode čistu, zelenu električnu energiju, ne stvaraju buku i ni na koji drugi način ne onečišćuju okoliš. Ako za pretvorbu koriste otpadnu toplinu iz drugih izvora, onda indirektno smanjuju emisiju topline, povećavaju učinkovitost takve kogeneracije i smanjuju ukupnu potrošnju fosilnih goriva i emisiju štetnih tvari u okoliš.

Primjenom TEG u kozmičkim letjelicama i sondama je i praktično dokazana njihova pouzdanost i dugovječnost (MTBF>250.000 h), tako da životni vijek termoelektričnog generatora određuje njegov toplinski izvor (na primjer u kozmičkim letjelicama toplinski izvor je mali nuklearni reaktor koji koristi Pu 238 čije vrijeme poluraspada je 87 godina [6]).

2.2. Utjecaj termoelektričnih hladila na okoliš Peltierov efekt dobivamo ako se poluvodički termoelektrični par priključi na istosmjerni izvor; onda se druga strana termopara hladi, jer na toj strani on oduzima toplinu iz okoline (Qc). Takav termopar je termoelektrično hladilo (eng. TEC – thermoelectric cooler, TEC) koji se razlikuje od TEG po učinkovitosti hlađenja i što imaju maksimalni omjer apsorbirane energije i električne energije potrebne za taj rad (eng. coefficient of performance, COP) kod određene razlike temperatura vrućeg i hladnog kraja. Da bi se povećao učinak hlađenja termoelektrična hladila se izrađuju kao poluvodički moduli koji se sastoje od određenog broja toplinski paralelno, a električki serijski spojenih termoparova n i p tipa kao na sl. 3 [7].

Slika 3 - Termoelektrični modul kao Peltierovo hladilo

Izvor: Izradio autor prema Buist&Lau [7]

Ako se okrene polaritet vanjskog izvora, onda druga strana grije, jer modul okolini predaje istu količinu topline. TEC može, dakle, po potrebi grijati ili hladiti i osnovni je element suvremenih klima uređaja koji se već koriste u luksuznim automobilima [8]. Klima uređaji izvedeni s termoelektričnim hladilima ne stvaraju buku, ne zagrijavaju okoliš svojom otpadnom toplinom, niti za pogon trebaju sredstva koja onečišćuju okoliš, te su dobro tehničko rješenje klimatizacijskih sustava budućnosti koje pridonosi zaštiti okoliša.

2.3. Primjena Peltierovih hladila u proizvodnji električne energije Za termoelektričnu generaciju mogu se koristiti i termoelektrična hladila. Ako se TEC grije i tako mu se dovodi toplina Qh onda se na drugom („hladnom“) kraju generira istosmjerni napon koji ima polaritet kao na slici 2. Po zatvaranju strujnog kruga kroz priključeno električno trošilo poteći će istosmjerna struja [7].

TE hladila su znatno jeftinija od TE generatora i ekonomično ih je primijeniti kad je temperatura toplinskog izvora manja od 500 K (što je u pravilu maksimalna temperatura vrućeg kraja TEC). Pri tom treba napomenuti, da je učinkovitost TEG veća od TEC koji su ipak dizajnirani za drugu namjenu. No, to je važna prednost termoelektrične generacije prema 12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 90 -

Milan Davidović ostalim sustavima. Zbog reverzibilnosti Peltierovog i Seebeckovog efekta, TEC se po potrebi mogu koristiti kao hladila ili grijači tj. akumulirana električna energija proizvedena pomoću TEG ili TEC može se koristiti za hlađenje ili grijanje, ovisno o polaritetu vanjskog napona (jasno, uz isključen toplinski izvor). Ovo svojstvo se primjenjuje u izgradnji termoelektričnih trigeneracija, a može se iskoristiti i kod energetski samostojnih uređaja koji se koriste u preradi i čuvanju poljoprivrednih proizvoda (mini mljekare, mini sirane, sušare i sl).

2.4. Prednosti termoelektrične generacije Glavne prednosti poluvodičkih termoelektričnih generatora su [9] - širok raspon snaga - visoka pouzdanost (dugi životni vijek) - djeluju u surovom i dalekom okruženju gdje je raspoloživost najvažnija značajka - nema pokretnih dijelova - ne trebaju redovno održavanje ili posebna kapitalna ulaganja za eksploataciju i održavanje - mogućnost primjene na područjima gdje se ostali izvori električne energije ne mogu primijeniti ili ih se uopće ne isplati koristiti - ne zagađuju okoliš (ne stvaraju buku, nema emisije štetnih plinova i topline) - povećavaju učinak ostalih izvora pretvorbom iskorištene topline u električnu energiju - u kogeneracijama nema troškova goriva i drugih operativnih troškova (podmireni su troškovima primarne proizvodnje) - mobilnost ili prenosivost.

Termoelektrični generatori (TEG) mogu se primijeniti tamo gdje se ostali izvori ne mogu koristiti jer nisu dovoljno pouzdani ili njihova primjena u takvim uvjetima nije moguća ili je preskupa (kozmičke letjelice, udaljeni i nepristupačni tereni, vojni uređaji, podmornice i sl).

Termoelektrična hladila (TEC), pored prednosti navedenih u t. 2.2 i 2.3, imaju znatno manje vibracije i manjih su dimenzija od ostalih sustava hlađenja, mogu se minijaturizirati, jako su pouzdani (MTBF>250.000 h) i na njih ne djeluje gravitacija (rade u bestežinskom stanju).

3.

MOGUĆNOSTI TERMOELEKTRIČNE GENERACIJE

3.1.

Opseg primjene termoelektrične generacije

Termoelektrična generacija je sveobuhvatan koncept proizvodnje električne energije, jer obuhvaća pretvorbu toplinske energije u električnu energiju u širokom rasponu snaga, od nekoliko μW do nekoliko MW. Ne postoji sustav proizvodnje električne energije koji ima tako širok raspon snaga i područje primjene kao termoelektrična generacija [10].

Glavna područja primjene termoelektrične generacije su: - napajanje medicinskih naprava i ručnih satova korištenjem topline ljudskog tijela [11] - neprekidno napajanje uređaja u svemirskim letjelicama i sondama - napajanje komunikacijskih sustava i perifernih uređaja sustava mjerenja, kontrole, nadzora i upravljanja; tamo gdje je potrebna neovisnost o elektrodistribucijskoj mreži i gdje dizel agregati i solarni sustavi ne osiguravaju neprekidno napajanje (npr. zimi) - opskrba energijom kućanstava, malih proizvodnih pogona, obiteljskih poljoprivrednih gospodarstava, ugostiteljskih i turističkih objekata na ruralnim područjima - pretvorba topline ispušnih plinova u električnu energiju za pogon pomoćnih uređaja i klimatizaciju cestovnih vozila (zamjena alternatora) - katodna zaštita [12] 12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 91 -

Milan Davidović - iskorištavanje otpadne topline u industrijskim postrojenjima (npr. u čeličanama) [13] - pretvorba geotermalne energije u električnu energiju primjenom velikih TEG. [12] Sustavi termoelektrične generacije kao izvor topline koriste otpadnu toplinu (eng. waste heat), izotope (eng. isotopic) i fosilna goriva (eng. fossil fuel). Gorivo koje se koristi za termoelektričnu generaciju određeno je namjenom i nazivnom snagom TEG. [10].

U nekim područjima termoelektrična generacija izravno doprinosi boljoj zaštiti okoliša (iskorištavanje otpadne topline) ili omogućava bolje korištenje obnovljivih izvora (iskorištavanje geotermalnih izvora, kogeneracije s drugim obnovljivim izvorima).

3.2. Izvedba distribuiranih elektroenergetskih sustava primjenom TEG Distribuirani elektroenergetski sustavi (eng. distributed generation, on-site generation, dispersed generation, decentralized generation) su sustavi proizvodnje električne energije iz mnogo malih izvora energije kao što su male hidroelektrane, solarni sustavi, male vjetroelektrane, plinske mikroturbine, Stirlingovi motori i različite izvedbe mikrokogeneracija ukupne instalirane snage od 3 kW do 10 MW koje su alternativno rješenje tradicionalnom elektroenergetskom sustavu [14]. Prema toj definiciji sustavi termoelektrične generacije spadaju u distribuirane elektroenergetske sustave. Primjer mikrokogeneracije, prikladne za energetski samostojne kuće, prikazan je na slici 4. To je automatizirani sustav termoelektrične generacije na plin (propan, butan ili bioplin) s vodenim hlađenjem TEG, pri čemu se otpadna toplina, dobivena hlađenjem TE modula, koristi za grijanje prostora i vode; na sustav se priključuju istosmjerna električna trošila izravno, a izmjenična preko DC/AC pretvarača.

Slika 4 - Trigeneracija za proizvodnju električne i toplinske energije i klimatizaciju

Izvor: Davidović [9]

Ovakve mikrogeneracije mogu se prilagoditi za goriva raspoloživa na mjestu proizvodnje (biomasa, bioplin, plin i dr), otpadni materijal (koštice masline, komina i sl) ili goriva koja se mogu dobiti preradom poljoprivrednih proizvoda (ulja, alkohol, masti). One se mogu jednostavno povezati s malim solarnim sustavima, malim vjetroelektranama i mini hidroelektranama čime se racionalizira potrošnja ulaznih energenata i kompenziraju slabosti tih obnovljivih izvora. Nazivna snaga mikrogeneracija određuje se prema stvarnim potrebama i mogućnostima korisnika, te zahtjevima tehnoloških procesa. U skladu s tim, koriste se TEG 12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 92 -

Milan Davidović modularne izvedbe i energetski samostojni uređaji, čime se smanjuje potrošnja energije i ulaznih energenata, te utjecaj izvora topline na okoliš.

Mikrogeneracije zasnovane na termoelektričnoj generaciji prikladne su za elektrifikaciju malih otoka, brdsko-planinskih i drugih ruralnih područja tj. za opskrbu malih potrošača električne energije, kao samostalni sustavi ili kao kogeneracije s drugim obnovljivim izvorima. Te mikrogeneracije male električne snage (do 10 kW) su optimalno rješenje za područja bez distributivne mreže i s malim brojem potrošača, jer mogu zadovoljiti njihove godišnje potrebe za električnom i toplinskom energijom. Naime, zbog male učinkovitosti termoelektrika od 5-10% ove mikrogeneracije mogu imati toplinsku snagu do 200 kWt. Primjena temoelektrične generacije u funkciji je održivog razvoja ruralnih područja, jer se uspostavlja infrastruktura neophodna za razvoj malog gospodarstva, poljoprivrede, ruralnog turizma i poboljšanje životnog standarda stanovništva na ruralnim područjima.

3.3. Energetski samostojni uređaji Energetski samostojni uređaji (eng. self-powered apliancess) su uređaji koji istovremeno stvaraju toplinu i generiraju dovoljno električne energije za pogon vlastitih električnih komponenata. Oni mogu raditi neovisno o električnoj i toplinskoj opskrbnoj mreži [15].

U svakom toplinskom uređaju može se primjenom TEG pretvoriti bar 5-10% proizvedene topline u električnu energiju za pogon njegovih električnih i elektroničkih uređaja. Primjer takvog uređaja su sušare koje mogu pomoću TEG proizvesti električnu energiju za pogon električnih ventilatora, automatike, rasvjetnih tijela i dr. Primjenom energetski samostojnih uređaja zasnovanih na termoelektričnoj generaciji štedi se električna energija, omogućavaju optimalni uvjeti za primjenu tehnološkog procesa (na primjer, sušenje i prerada aromatičnog i ljekovitog bilja u mobilnim sušarama i destilerijama na mjestu proizvodnje) ili stvaraju infrastrukturne pretpostavke za malo gospodarstvo i poljoprivredu na neelektrificiranim područjima (prerada mlijeka, čuvanje mlijeka i mliječnih proizvoda i dr).

4.

OGRANIČENJA TERMOELEKTRIČNE GENERACIJE

4.1.

Glavni nedostatak termoelektrične generacije

Glavni nedostatak termoelektričnih generacija je njihova niska učinkovitost zbog male učinkovitosti termoelektričnih materijala koja je pak posljedica malog faktora izvrsnosti termolektričnih materijala zT

gdje je α - Seebeckov koeficijent, K - toplinska vodljivost, ρ - specifični električni otpor, σ=1/ρ - električna vodljivost, a T razlika temperatura vrućeg i hladnog kraja ([2][8] i dr).

Faktor izvrsnosti termoelektrika zT može se povećati samo povećanjem električne vodljivosti i smanjenjem toplinske vodljivosti, što je zahtjev koji tehnologija dugo nije mogla zadovoljiti.

Primjenom termoelektrika s većim zT povećava se maksimalna struja i snaga TEG kod iste temperaturne razlike T, što znači da se povećava i učinkovitost termoelektrične generacije.

Napon će se povećati samo ako se poveća Seebeckov koeficijent.

Nakon 1990. stalno se povećava faktor izvrsnosti koji 2007. dostiže vrijednost zT≈1,5, da bi se 2010. počeli ispitivati termoelektrici koji imaju zT>4 čime termoelektrična generacija postaje učinkovita kao ostali izvori energije, η≈35% [16]. Poslije 2000. godine faktor 12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 93 -

Milan Davidović izvrsnosti jako raste zahvaljujući korištenju tehnologije tankog filma. Prema dugoročnim prognozama predviđa se da će se do 2030. godine, zahvaljujući razvoju nanotehnologije, postići vrijednost zT>10, čime će sustavi termoelektrične generacije postići učinkovitost η≈60% koja odgovara učinkovitosti idealnog toplinskog stroja.

4.2.

Usporedba termoelektrične generacije s ostalim toplinskim sustavima

Termoelektrični generatori izrađeni od termoelektrika s faktorom izvrsnosti zT≈1 učinkovitiji su od ostalih kogeneracija u području malih snaga do 1 kW. Primjenom novih termoelektrika s većim stupnjem izvrsnosti (do 3), učinkovitost TEG dostiže vrijednost 20% i oni su učinkovitiji od ostalih kogeneracija i u području izlaznih snaga od 1 do 10 kW (v. sliku 5).

Slika 5 - Usporedba termoelektrične generacije s toplinskim sustavima

Izvor: Weisse [17]

U području snaga većih od 10 kW ostali toplinski strojevi su puno učinkovitiji od termoelektričnih generacija (v. sliku 6) [17], bar dok se ne razviju komercijalni upotrebljivi termoelektrični nanomaterijali. Da bi termoelektrične generacije postale konkurentne toplinskim postrojenjima snage veće od 1 MW, čija je učinkovitost između 35 i 40%, termoelektrični materijali bi trebali imati stupanj izvrsnosti zT>10.

4.3.

Odnos učinkovitosti i ekonomičnosti termoelektrične generacije

Kod termoelektričnih generacija koje iskorištavaju otpadnu toplinu niska učinkovitost termoelektrika nije ograničavajući faktor, jer je za korisnika TEG ulazni energent besplatan.

Zato su tehnička rješenja termoelektrične generacije usredotočena na ekonomičnost tj. na snižavanje ukupnih troškova korisnika mikrogeneracije kroz njen životni vijek, od troškova nabave opreme, troškova eksploatacije (troškovi goriva, održavanja, nadzora i sl) do dekomisije (troškovi demontaže uređaja nakon prestanka upotrebe i odlaganja otpada). Pri tom je važna i dodana vrijednost za korisnika mikrogeneracije zbog korištenja otpadnog materijala kao goriva (umjesto troškova zbrinjavanja otpadnog materijala korisnik ima izravne koristi u obliku smanjenih troškova električne i toplinske energije), koristi od pokretanja novih gospodarskih aktivnosti koje nisu bile moguće bez toplinske i električne energije (na primjer, obiteljska poljoprivredna gospodarstva mogu pokrenuti preradu vlastitih poljoprivrednih proizvoda, ruralni turizam i sl) i podizanje kvalitete života i životnog standarda na ruralnim područjima [9].

12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 94 -

Milan Davidović

5.

ULOGA TERMOELEKTRIČNE GENERACIJE U ZAŠTITI OKOLIŠA

5.1.

Primjena termoelektrične generacije u kućanstvu

Preko dvije milijarde ljudi u svijetu koriste peći na drva, ugljen i druga fosilna goriva [18] u koje se mogu ugraditi TEG čija automatika omogućava optimalne uvjete za termoelektričnu generaciju, te za učinkovitije izgaranje, regulirano sagorijevanje i redukciju dimova i toksičnih plinova. Zahvaljujući TEG centralno grijanje za obiteljske kuće i bojleri se mogu izvesti tako da proizvode i struju, a pri tom se kao gorivo koriste plin (propan, butan ili bioplin), pelete ili sječika koji se mogu kontrolirano dodavati u malim količinama radi održavanje konstantne temperature vrućeg kraja TEG [16] i [18].

5.2.

Primjena TEG u motornim vozilima

Razvoj TEG za motorna vozila imat će veliki utjecaj na smanjenje potrošnje naftnih derivata za pogon motora s unutrašnjim sagorijevanjem i emisiju štetnih ispušnih plinova. Samo korištenjem otpadne topline ispušnih plinova za pogon TEG mogu se nadomjestiti postojeći alternatori i pogoniti pomoćna oprema u automobilima i kamionima, te tako uštedjeti i do 10% goriva i smanjiti emisiju štetnih plinova. Primjenom učinkovitijih termoelektrika TEG će istisnuti alternatore i omogućiti dodatne uštede goriva i smanjenje emisije štetnih plinova ([12], [19]-[21]). Istraživanje primjene TEG koje provodi automobilska industrija u suradnji sa znanstvenom zajednicom potiču razvoj učinkovitih termoelektrika i konstrukcija termoelektričnih modula, TEG i izmjenjivača topline na vrućem i hladnom kraju.

5.3.

Iskorištavanje otpadne topline u industrijskim postrojenjima

Čeličane su ogroman izvor (otpadne) topline koja ostaje neiskorištena, a ostali ju poznati sustavi proizvodnje električne energije ne mogu iskoristiti. Primjenom termoelektrične generacije može se proizvesti mnogo „besplatne“ električne energije i postići velike uštede u troškovima električne energije, te smanjiti termičko zagađenje okoliša. Izvori otpadne topline visokih temperatura (od 800 do skoro 1000 K) u čeličanama su visoke peći, linije s usijanim čelikom, odnosno za hlađenje ingota i dr. [13] U industrijskim kogeneracijama i tehnološkim procesima stvara se velika količina otpadne topline koja ima znatno nižu temperaturu, najviše do 375 K (para, vrući zrak ili topla voda), koja također nije iskorištena. Njeno iskorištavanje rezultirat će smanjenjem troškova za električnu energiju i termičkog onečišćenja okoliša, što je veliki doprinos smanjivanju globalnog zatopljenja. Za učinkovito iskorištavanje termalnih izvora (do 85ºC) i otpadne topline niske temperature nužni su jeftini termoelektrici visoke učinkovitosti (zT≥2) [22].

Termoelektrična generacija može preuzeti ključnu ulogu u rješavanju problema globalnog zatopljenja baš na području iskorištavanja otpadne topline tek kad će biti raspoloživi termoelektrici sa zT≥4 koji su učinkoviti na velikim i malim temperaturnim razlikama T [23].

5.4.

Efekti iskorištavanja otpadne topline za pogon TEG

Iskorištavanje otpadne topline za proizvodnju električne energije primjenom TEG omogućava - manje termičko onečišćenje iz industrijskih, toplinskih i elektroenergetskih pogona - povećanje stupnja učinkovitosti kogeneracija - viši stupanj podmirenja vlastitih potreba za električnom energijom - manji udjel nuklearki i termoelektrana u ukupnoj proizvodnji električne energije 12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 95 -

Milan Davidović -

smanjenje emisije ispušnih plinova i potrošnje goriva kod cestovnih vozila i brodova koji koriste motor s unutrašnjim sagorijevanjem, uz istovremeno podmirenje sve većih potreba za električnom energijom za pogon pomoćnih uređaja i hlađenje (supstitucijom i zamjenom alternatora s termoelektričnim generatorom).

5.5. Efekti povezivanja solarnih sustava i termoelektričnih generacija TEG koji se dodaju fotonaponskim ili termalnim solarnim sustavima pretvaraju njihovu otpadnu toplinu u električnu energiju i tako povećavaju učinkovitost takve kogeneracije.

Temoelektrične mikrogeneracije na plin dodaju se solarnim sustavima i povećavaju sigurnost opskrbe električnom energijom iz solarnih sustava u vrijeme manje insolacije (zimi, noći i za oblačnog vremena) i zamjenjuju skupe dizel agregate kao rezervni sustav napajanja koji se na niskim temperaturama teško pokreću, iziskuju predgrijavanje, stalno održavanje i dr.

Uključivanje solarnog sustava i termoelektrične generacije na plin smanjuje potrošnju plina.

6.

ZAKLJUČAK

Zahvaljujući razvoju poluvodičke tehnologije i poluvodičkih termoelektričnih elemenata, termoelektrična generacija je postala koncept proizvodnje električne energije s najširim rasponom snaga. Ona se uglavnom primjenjuje na onim mjestima na kojima ostali sustavi nisu dovoljno pouzdani ili naprosto ne funkcioniraju. Termoelektrična generacija je naročito prikladna za elektrifikaciju ruralnih područja, bilo kao termoelektrična kogeneracija ili trigeneracija, bilo kao kogeneracija s drugim obnovljivim izvorima energije. Termoelektrična generacija preuzet će ključnu ulogu u zaštiti okoliša i rješavanju problema globalnog zatopljenja kad postanu raspoloživi jeftini termoelektrici s faktorom izvrsnosti zT≥4 koji će omogućiti rentabilnu pretvorbu enormnih količina neiskorištene otpadne topline u industrijskim, toplinskim i elektroenergetskim postrojenjima, smanjenje potrošnje fosilnih goriva i globalnog zatopljenja, uz velike uštede u troškovima električne energije.

LITERATURA [1] A.Bilušić, A. Smontara: Što su i kako se istražuju termoelektrični materijali?, 20. Ljetna škola mladih fizičara HFD-a, Vela Luka, 2004 [2] Thermoelectric Effect, www.wikipaedia.com, preuzeto 18.3.2012.

[3] D. Champier, J.P.Bedecarrats, M.Rivaletto, F.Strub:Thermoelectric power generation from biomass cook stoves, Energy (2009)1-8, www.elsevier.com, 2009 [4] D.Mastbergen, B.Willson, S. Joshi: Producing Light from Stoves using a Thermoelectric Generator, Engines and Energy Conversion Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Colorado University, ETHOS Conference, 2005 [5] J.Eakburanawat, I.Boonyaroonate:Development of a thermoelectric battery-charger with microcontrollerbased maximum power point tracking technique, School of energy and materials, Faculty of Engineering, King Mongkut's University of Technology Thonbury, Bangkok, Thailand, 2006 [6] G. Min:Developments in Thermoelectric Power Generation,School of Engineering,Cardiff University, 2008 [7] D.J.Buist, P.G.Lau: Thermoelectric Power Generator Design and Selection from TE Cooling Module Specifications, XVI International Conference of Thermoelectrics, Dresden, 1997 [8] Gao Min: Thermoelectric Energy Harvesting, Energy Harvesting 2011, London, 2011 [9] M. Davidović: Razvoj mikrogeneracije zasnovane na termoelektričnoj generaciji, Provjera inovativnog koncepta, Studija, Projekt potpomognut sredstvima iz Programa provjere inovativnog koncepta i BICRO-a, Infooprema za tvrtku MKP Zagreb, 2011.

[10] D. M. Rowe: Review Thermoelectric Waste Heat Recovery As Renewable Energy Source, International Journol of Innovations in Energy Systems and Power, Vol. No 1 Nov. 2006

12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 96 -

Milan Davidović [11] M.Rowe:An Overview of Thermoelectric Waste Heat Recovery Activities in Europe, Thermoelectric Applications Workshop, San Diego CA, 2009.

[12] L. Weiling, T.Shantung: Recent developments of thermoelectric generation, Chinese Science Bulletin 2004, vol. 49 No. 12 P. 1212-1219 [13] S.Kilgrow, A.Geirsson. T. Sigfusson; Harvessing of Low Temperature Geothermal and Waste Heat Using Power ChipsTM in Varmaraf Heat Exchangers, IGC Paper Final Working, 2003 [14] Distributed Generation, www.wikipaedia.com (preuzeto 11.3.2012) [15] D.T. Allen, A.S. Kushch, J.C.Bass:Thermoelectric Generation for Self-Powered Appliances, International Appliances Technical Conferences, West Lafayete IN, 2003.

[16] J.W. Fairbanks: Vehicular Thermoelectrics: A New Green Technology, Thermoelectric Applications Workshop, Coronado CA, 2011.

[17] J. M. Weisse:Thermoelectric Generators, Standford University, Oct. 2010 [18] TEG Power: Thermoelectric Generator Domestic Use Market Analysis, 2010 [19] J. Vasquez, M.A.Sanz-Bobi, R.Palacios, A.Arenas: State of the Art of Thermoelectric, Generators Based on Heat Recovered from the Exhaust Gases of Automobiles, Proceedings of the 7th European Workshop on Thermoelectrics, Pamplona, Spain, 2002 [20] K. Saqr:Design and Simulation o fan Exhaust Based Thermoelectric Generator (TEG) for Waste Heat Recovery in Passenger Vehicles, A thesis submitted in fulfillment oft he requirements for the award oft he degree of Master of Engineering (Mechanical), Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia , October 2008 [21] J. Fairbanks: Thermoelectric Applications in Vehicles Status 2008, U.S. Department of Energy, 2008 [22] B.I.Ismail, W.H.Ahmed:Thermoelectric Power Generation Using Waste-Heat Energy as an Alternative Green Technology, Recent Patents on Electrical Engineering 2009, 2, 27-39 [23] C.B.Vining:The Limited Role for Thermoelectrics in the Climate Crisis,Nanotechnology and New Materials,2008 THERMOELECTRIC GENERATION SYSTEMS AND ENVIRONMENT PROTECTION APPLYING A DISTRIBUTED ON-SITE GENERATION SYSTEM BASED ON THERMOELECTRIC GENERATION

Summary This work presents the possibilities and constraints of thermoelectric generation (TEG) and the impact of a TEG-based system on the environment. It presented the concepts of self-powered appliances and distributed onsite generation systems and the possibilities for micro cogeneration and tri-generation based on TEG, and a review of renewable sources and the development of more effective thermoelectric materials and their impact on the economics and quality of heating and electric supplies and the sustainable development of rural areas.

Keywords: Thermoelectric effects, Thermoelectric generation, Self-powered appliances, Distributed on-site generation system, Environment protection

12. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI I 3. ZNANSTVENI SKUP HRVATSKOG DRUŠTVA ZA KVALITETU, Brijuni 10. – 12. svibnja 2012. g.

- 97 -