Je to zárodek „tepelné baterie“? Vědci ukázali, jak účinně měnit teplo v elektřinu

V nové studii vědci představili rekordní systém na přeměnu tepla na elektřinu s účinností více než 40 %. Podle autorů práce by s jeho pomocí mohlo jít vytvořit „teplotní baterie“. Ovšem v současné krizi technologie nepomůže.

Většinu elektřiny na světě dnes vyrábí turbíny. Páře, které je pohání, dodává energii teplo uvolněné nejčastěji spalováním, případně štěpěním atomových jader. Pára pak roztáčí hřídel rotoru generátoru, který mění kinetickou energii na elektřinu. Turbíny jsou elegantní a téměř k dokonalosti dovedená zařízení. Jejich průměrná účinnost se pohybuje někde mezi 35 až 40 procenty. Jejich efektivita se sice zlepšuje, především díky novým materiálům, ovšem jen velmi pomalu a krůček po krůčku.

Někteří odborníci se ovšem domnívají, že se rýsuje jiný postup, díky kterému by mohla výrobu elektřiny z tepla být efektivnější. Jde o tzv. termofotovoltaické články, které vyrábějí elektřinu z infračerveného (tedy tepelného) záření. Na rozdíl od turbín jde o zařízení, které nemá žádné pohyblivé části a – alespoň hypoteticky by mělo být jednodušší, levnější a snad i účinnější než řadě dnešních energetických systémů.

Srdcem termofotovoltaických generátorů bývá válec z wolframu s množstvím vyleptaných nepatrných otvorů. Ve válci se při vysoké teplotě spaluje palivo (příkladem může být methan). Válec – nazývaný emitor – se tak zahřívá na vysokou teplotu, až kolem 1300 °C. Válce tak září v infračerveném spektru. To dopadá na fotovoltaický článek, které přemění energii dopadajícího elektromagnetického záření přímo na elektrický proud.

Od jednotek k desítkám

Díky těmto a dalším „trikům“ se zkraje podařilo účinnost termofotovoltaiky poměrně dobře zvyšovat. Když v 60. letech 20. století byly postaveny první články tohoto typu, přeměňovaly tepelné záření na elektřinu s účinností pouze jednotek procent. V roce 1980 se účinnost zvýšila na přibližně 30 % a od té doby se v podstatě nezměnila.

Důvodů je více. Kromě nízkého zájmu o téma mimo jiné i proto, že wolfram a další kovy obvykle vyzařují po zahřátí fotony v širokém spektru, od vysokoenergetického ultrafialového záření po nízkoenergetické vzdálené infračervené záření. Všechny fotovoltaické články, včetně těch používaných v termofotovoltaice – jsou však optimalizovány tak, aby absorbovaly fotony v úzké části spektra. To znamená, že světlo s vyššími a nižšími frekvencemi se z rozžhaveného kovu vyzařuje bez užitku.

Problém do jisté míry řeší zrcadla. Infračervené záření před dopadem na článek prochází speciálním flitrem. Ten propouští jen vybrané vlnové délky, zatímco zbytek odráží zpět do emitoru (tedy onoho wolframového válce). Tím se zvyšuje teplota kovu a účinnost celého procesu roste. Ztrátám se ovšem nelze vyhnout ani tak.

Autoři nové studie se rozhodli s technologií „pohrát“ tak, aby řešení ještě vylepšili. Experimentovali jak se samotnými emitorem, tak i články na přeměnu energie. Rozhodli se zvýšit teplotu válce až o tisíc stupňů, tedy až na 2 400 °C. Původní teplota byla zvolena proto, že při ní wolfram vyzařuje největší část infračerveného světla v pásmu příhodném pro fotovoltaiku.

Ovšem při vyšších teplotách wolfram zase vyzařuje elektrony s vyššími energiemi, konkrétně s energiemi 1 až 1,4 elektronvoltu. A to by mohlo znamenat vyšší účinnost celého systému.

Tým autorů nového článku v čele Asegunem Henrym z americké techniky MIT, ovšem také věděl, že musí změnit i samotný článek. Ovšem od 80. let technologie fotovoltaických článků notně pokročila. Dnes existují postupy, které tehdy k dispozici nebyly.

V tomto případě experimentátoři na sebe pečlivě „nakladli“ několik desítek tenkých vrstev vybraných materiálů, aby jim vznikly de facto dva články nad sebou, tedy tzv. článek tandemový.

Horní článek absorbuje převážně viditelné a ultrafialové fotony, zatímco spodní článek absorbuje převážně infračervené záření. Pod spodním článkem je tenká zlatá vrstva, která funguje jako zrcadlo pro fotony s nižšími energiemi, jež články nezachytily. Tyto částice se tedy vrací zpět do materiálu, a pomáhají udržovat jeho teplu.

Ve výsledku pak jejich experimentální laboratorní zařízení (k nějakému sériovému je daleko) dokáže přeměnit v elektřinu 41,1 procent energie vyzařované wolframovým vláknem o teplotě 2400 °C. 7

Autoři si navíc myslí, že existuje poměrně jasná cesta, jak účinnost nadále navyšovat. V roce 2020 totiž v jiném čísle stejného vědeckého časopisu Nature tým odborníků z univerzity v Michiganu popsal výrazně dokonalejší zrcadlo na „neužitečné“ fotony, než jakým byl vybaven článek z MIT.

Pokud se skutečně podaří dosáhnout 99procentní účinnosti, kterou zmíněná práce popisuje, zlepšení účinnost celého termofotovoltaického systému by mohlo být zásadní, odhadoval Henry pro časopis Science: „Myslíme si, že máme jasně narýsovanou cestu k dosažení 50procentní účinnosti.“ Kombinace takového reflektoru s novou termofotovoltaikou by mohla podle propočtu autorů vést k účinnosti více než 56 procent při teplotě emitoru 2 250 °C.

Maximální účinnost ale nemusí být nutně nejlepším řešením. V experimentálním zařízení byly použity fotovoltaické články z drahých materiálů, jako je galium. V energetice jde ovšem hlavně o cenu – pokud by se podařilo vytvořit systém třeba s nižší účinností, ale z výrazně levnějších materiálů, byl by to rozhodně krok vpřed.

Rozpálená baterie?

Pokud se opravdu výsledky potvrdí, bude asi dnes polozapomenutí pole termofotovoltaiky stát za bližší pohled, za větší investice a další vývoj. Na papíře totiž zatím možnosti vypadají fantasticky: „Náklady na systém výroby energie založený na turbíně se obvykle pohybují v řádu 1 USD za watt. V případě termofotovoltaiky však existuje potenciál snížit je na řádově 0,10 USD za watt,“ řekl Henry pro časopis IEEE Spectrum.

Nad jeho matematikou lze hodně diskutovat, protože výsledek závisí na řadě externích faktorů, které s technologií samotnou nemají nic společného. Ovšem efektivní a jednoduchý systém přeměny tepla na elektřinu by si nepochybně mohl najít své využití.

Bude mít samozřejmě svá omezení: vzhledem k provozním teplotám ho nelze použít vždy a všude. Klíčovou potenciální aplikací pro tyto nové termofotovoltaické články by podle Henryho a jeho kolegů mohla být „tepelná baterie“ pro síťové použití. Tedy jednoduše řečeno veliké baterie, které slouží ke skladování silové elektřiny.

V představě autorů by takový systém by přebytečnou elektřinu z obnovitelných zdrojů (či jiných, ovšem hlavně těch obnovitelných, protože ty mají největší přebytky), ukládal do důkladně tepelně izolovaných baterií z materiálu, jako je křemík nebo grafit. Když by byla energie potřeba, například během podmračených dnů, nebo jednoduše večer či v noci, termofotovoltaické články by přeměnily toto teplo na elektřinu a na požádání by ji odeslaly do elektrické sítě.

Aby takové zařízení dávalo smysl, musí být veliké a výkonné, aby se plně využila (zatím tedy jen hypotetická) efektivita procesu přeměny elektřiny na teplo a zpět. Autoři velmi optimisticky odhadují, že při použití vhodného materiálu (za ideální označují grafit) by termální baterie mohly být cenově konkurenceschopné. „Myslím, že nejdůležitějším důsledkem je, že termální baterie mohou pokročit v komercializaci i při nám demonstrované úrovni výkonu článků,“ řekl Henry pro IEEE Spectrum.

Podle nich by se předpokládané investiční náklady pohybovaly pod dnes těžko uvěřitelných 10 dolarů za kilowatthodinu. Lithiové baterie pro síťová úložiště dnes lze dnes pořídit pouze za ceny více než desetinásobně vyšší. Takto levné baterie by mohly učinit obnovitelné zdroje energii cenově konkurenceschopnými s fosilními palivy ve velké části světa a dost možná i po velkou část dne. (I termální baterie přichází o část uložené energie – jednoduše chladnou – takže je nelze používat ke skladování opravdu dlouhodobému. Podle odborníků by ale při dostatečných rozměrech a dobré konstrukci mohly energie s rozumnou efektivitou uchovat až po jednotky dnů).

Dodejme, že zatím je ale o zavádění do praxe předčasné hovořit. Zařízení v nové studii mají velikost asi centimetr čtvereční. Pro systém termálních baterií v síťovém měřítku si Henry představuje termofotovoltaické články o velikosti zhruba 1 000 metrů čtverečních. To už je úplně jiný problém.

Autoři práce tvrdí, že jsou na něj ovšem do velké míry připraveni. Tým například také postavil keramická čerpadla, která si poradí s ultra vysokoteplotními kapalnými kovy. Jinak řečeno, autoři nové práce se snaží udělat hlavní kroky k vytvoření životaschopného systému pro ukládání tepla ve velkém, v podstatě průmyslovém měřítku.

Ostatně Henry nedávno založil start-up Thermal Battery Corp. s cílem komercializovat technologii své skupiny, která by podle jeho odhadu mohla ukládat elektřinu za 10 dolarů za kilowatthodinu kapacity. S takovou cenou by mohlo být z termálních baterií v budoucnosti velmi horké zboží.