ترموالکتریسیته (Thermo Electrictiy) علم تبدیل گرما به انرژی الکتریکی (Seebeck) و یا بطور معکوس تبدیل انرژی الکتریکی به گرمایش و یا سرمایش (Peltier) است. علم تبدیل گرما به انرژی الکتریکی این امکان را فراهم می‌آورد که انرژی حرارتی اتلافی بصورت انرژی الکتریکی ذخیره شود. با وجود آنکه بازدهی این نوع تبدیل معمولاً کم است ولی مدتی است که بدلیل تجدیدپذیر بودن آن مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات و پیشرفت‌های بدیعی در ساخت مواد جدید و یا ساختارهای متفاوت در اندازه نانومتری در حال انجام است. با وجود آنکه تحقیقات گسترده‌ای برای تولید نانوساختارها و نانومواد جدید برای کاربرد ترموالکتریک در حال انجام است ولی هنوز هم ماده‌ای که بتواند بطور قاطع برای این کاربرد معرفی شود ساخته نشده و ساخت ماده مناسب باعث خواهد شد تا روش ترموالکتریک در میان روش‌های برداشت انرژی، جایگاه والا داشته باشد. نوید بخش‌ترین کاربرد ترموالکتریک در زمینه ذخیره انرژی، بازیافت حرارتی ماشین‌های گرمایی، بخصوص در کاربرد حمل و نقل، و تبدیل حرارت بدن انسان به انرژی در دستگاه‌های قابل حمل و نقل است. در برداشت انرژی به روش ترموالکتریک چندین مانع برای غلبه وجود دارند که از آن جمله می‌توان به بازدهی کم، سمی بودن و دسترسی محدود به عناصر شیمیایی که در ترکیبات مواد ترموالکتریک بکار می روند اشاره کرد. در این زمینه چالش اصلی فناوری نانو بهبود بخشیدن بازدهی مواد ترموالکتریک با هزینه ساخت کم است.
- لزوم برداشت انرژی ترموالکتریک
وقتی تراشه ترموالکتریک در محیطی قرار گیرد که در مواضع مختلف اختلاف دما بصورت پایدار وجود داشته باشد، شارش انرژی حرارتی در چنین محیطی باعث می‌شود تا بطور موضعی انرژی الکتریکی تولید شده و بدین ترتیب، پدیده ترموالکتریک روشی برای تولید انرژی الکتریکی می شود. حتی با بازدهی متوسط، این پدیده می‌تواند مزیت فراوانی داشته باشد.
در حقیقت به دلیل اتلاف و نشت انرژی حرارتی موضعی انتظار می رود که از این پدیده در کاربردهای فراوان و متنوع برای تولید انرژی الکتریکی موضعی استفاده شود. از آنجایی که این انرژی به هر حال قابل دسترس است، می‌توان منفعت این راه حل را با توجه به قیمت تراشه ترموالکتریک نسبت به سرمایه بازگشتی، مثل کاهش در نیازمندی انرژی موضعی تخمین زد. مهمترین مشخصه این تراشه‌ها این است که فقدان قسمت‌های مکانیکی، امکان کاربری پاک و بی‌صدا، ابعاد کوچک و وزن سبک، قابلیت اطمینان و نیز شرایط نگهداری و تعمیر ساده را فراهم می‌کند. مانع اصلی در تجاری‌سازی این فناوری، کارآمدی ناچیز آن است. ماده ترموالکتریک خوب، باید قابلیت بالای تبدیل گرما به الکتریسیته را داشته باشد تا ولتاژ مورد نیاز را تولید کند. برای حصول این خاصیت باید هدایت الکتریکی ماده زیاد باشد تا نوفه حرارتی (Noise) کاهش یابد. همچنین هدایت حرارتی باید تا حد امکان کم باشد تا از اتلاف انرژی حرارتی جلوگیری شود. این خواص با فاکتوری به نام ZT اندازه‌گیری می‌شود. در سراسر دنیا تحقیق در مورد نیمه‌رساناهای جدید که فاکتور ZT بالایی دارند بسیار فعال است. در حال حاضر مواد ترموالکتریک مقادیر ZT یک یا کمتر را دارا هستند. یک تخمین گسترده جمعی ZT اجازه گسترش بیشتر ترموالکتریک را می‌دهد.
- سابقه فناوری
فناوری نانو یکی از دستاوردهایی است که می‌توان به کمک آن بازدهی ترموالکتریک را بهبود بخشید. هچنین فناوری نانو پتاسیل بالایی برای کاربردهای مختلف انرژی را داراست. از یک سو با افزایش ثابت سیبک (Seebeck: ثابت تبدیل گرما به الکتریسیته)، هدایت الکتریکی کاهش می‌یابد. از جنبه دیگر، افزایش هدایت الکتریکی باعث افزایش سهم الکترونی هدایت حرارتی شده و در نتیجه منجر به افزایش هدایت حرارتی می‌شود. اصلاحاتی که فناوری نانو در فرآیند تولید ایجاد می‌کند، امکان بهبودبخشی کارآیی مواد را فراهم می‌آورد ولی تا بحال تلاش‌هایی برای تولید تراشه‌های کارآمد برای برداشت انرژی، نارسا باقی‌مانده است. به هرحال موضوع اصلی همان پایداری نانوساختارها در دماهای بالا و نیز تغییرات دمایی زیاد است.
- اثرات اقتصادی و صنعتی
بازار رایج ترموالکتریک اساساً شامل خنک‌کننده‌ها و برخی دیگر از کاربردهای ویژه است. انتظار می‌رود بازار مصرف کننده، بطور پیوسته در سال‌های آینده افزایش یابد که در حال حاضر حدود 35 درصد بازار را تشکیل می‌دهد. کل بازار موجود بین 175 تا 200 میلیون یورو بر اساس منابع بیان‌شده در زیر تخمین زده می‌شود:
- 175 میلیون یورو، شرکت میکرو پاورگلوبال (MicroPower Global)؛
- 175 میلیون یورو، شرکت اِنکو (ENECO Company)؛
- 200 میلیون یورو تراشه‌های فتونیکی؛ و
- 200 میلیون یورو که انتظار می‌رود تا سال 2015 به 300 میلیون یورو نیز برسد، روس‌نانو (Rusnano).
اگر ZT را بتوان بیشتر از 2 بدست آورد، تمام بازارها می‌تواند با فاکتور 10 تا 100 افزایش یابد. در حال حاضر 15 پروژه بر روی ترموالکتریک متمرکز هستند که بوسیله هفتمین برنامه چارچوبی (FWP) سرمایه‌گذاری شده‌است که این نتیجه همکاری دانشگاه‌های اروپایی و صنعت ترموالکتریک است.
اثر این پدیده را بیشتر می‌توان در صنعت خودرو، جایی که حرارت اگزوز می‌تواند بوسیله تراشه‌های ترموالکتریک بازیافت شود، دید. پتانسیل بازار در این کاربرد بسیار با اهمیت است بطوریکه 40 درصد انرژی تولید شده در ماشین‌های احتراقی داخلی، حرارت را از طریق اگزوز از دست می‌دهد. صنعت خودرو به‌عنوان اولین صنعت مصرف‌کننده از محصولات ترموالکتریک شناخته شده است. اندازه پتاسیل بازار برای بازیافت حرارت هدر رفته هفت‌میلیون یورو است. بقیه کاربردها در اتومبیل به قرار زیر است:
- تولید نیرو؛
- مدیریت حرارتی باطری؛ و
- صندلی‌های گرم و سرد شده.
صنایع مشخصی از جمله کارخانه‌های فولاد، گدازش گاز و کوره پسماندها می‌توانند از مجاورت منابع سرد و گرم استفاده کنند. دمای حرارت هدررفته در کوره‌های صنعتی 200 تا 450 درجه سانتیگراد و برای کوره پسماند 500 تا 700 درجه سانتیگراد است. بکارگیری این حرارت و تبدیل آن به الکتریسته می‌تواند بازدهی و اثر محیطی این صنایع را بهبود بخشد.
علم ترموالکتریک امکان برداشت گرمای ساطع‌شده از بدن انسان را، برای مصارف متحرک فراهم می‌کند. برای تراشه‌هایی که انرژی مصرفی پایینی دارند، تفاوت دمای بدن و محیط کافی است تا به تراشه انرژی رسانی شود. این انرژی حدود 25 میکرووات بر سانتی‌متر مربع است. در صنعت هوانوردی با استفاده از تراشه‌های ترموالکتریک می‌توان برای تغذیه ادوات الکتریکی که در بیرون هواپیما وجود دارند، نظیر حسگرها، استفاده کرد و به این ترتیب از سیم‌کشی‌های خارجی اجتناب خواهد در نتیجه هواپیما سبکتر و مصرف سوخت آن کمتر می‌شود. مطالعات بوسیله شرکت مشاوره‌ای فراست و سالیوان (Frost & Sullivan) پیش‌بینی می‌کند که ترموالکتریک‌ها نقشی عمده در سیستم‌های حسگری، که خود بتوانند انرژی مورد نیاز خود را تأمین کنند، دارند.
- سطح آمادگی فناوری ترموالکتریک
اگرچه در بهترین حالت پیش‌بینی می‌شود که محصولات ترموالکتریک تا 2 الی سه سال دیگر وارد بازار صنعت خودرو شوند ولی با این وجود با دید واقع‌بینانه انتظار می‌رود که کاربردی‌شدن محصولات با بازه زمانی تأخیری بیشتری صورت بگیرد. راهکار بازیافت انرژی ترموالکتریک بدلیل بازدهی تبدیل پایین و هزینه بالای تولید که از مرتبه چندین یورو به ازای هر وات تولیدی است، همچنان گران بوده و ورود به بازار بطور گسترده تنها در صورتی صورت می گیرد که نرخ تولید محصولات ترموالکتریک به 25/0 یورو به‌ازای هر وات رسد (شکل 1). به‌لحاظ تاریخی، قیمت نیمه‌رساناها با حجم کاهش می‌یابد و ترموالکتریک نیز باید چنین روندی را داشته باشد. فناوری نانو گزینه مهمی برای افزایش بازدهی است ولی اثر آن بر فاکتور ZT باید بهبود بخشیده شود. پیاده‌سازی آن در سطح صنعتی با مشکل مواجه است به این ترتیب تولید انبوه آن بعد از سال 2020 پیش‌بینی می‌شود.
- سطح آمادگی فناوری ترموالکتریک
هدف اصلی در سیستم‌های بازیافت انرژی از گرمای اتلافی، کاهش انرژی مصرفی است. این تراشه‌ها اثر خیلی محدودی بر روی طبیعت دارند و کاملا انفعالی و تمیز بوده و بدون منبع انرژی اضافی کار می‌کنند. کاربرد آنها در خودروها و وسایل نقلیه عمومی، مصرف سوخت را تا چند درصد کاهش می‌دهد. افزایش قیمت گازوئیل و دیزل دلیل خوبی برای جستجوی فناوری‌های مؤثر و تجدیدپذیر است.
ترموالکتریک می‌تواند تمام موارد فوق را فراهم کند و بطور همزمان میزان نشر گاز دی‌اکسیدکربن را نیز در اروپا کاهش دهد. بعلاوه مولدهای ترموالکتریکی می‌توانند بطور مستقل و بدون سیم کار کنند و این امر احتمالا منجر به ظهور کاربردهای جدید خواهد شد و نیز نیاز به استفاده از ادوات ذخیره انرژی الکتریکی در کنار مولدهای الکتریکی را از بین خواهد برد. در حال حاضر، سیستمی برای حسگرهای مستقل از منبع تغذیه بوسیله سه شرکت اروپایی گسترش داده شده است.
- اثرات EHS
دوستداران زمین تاکید دارند که باید میزان مصرف انرژی و منابع طبیعی را در هنگام ساخت محصولات مختلف مربوط به فناوری‌های تولید انرژی و نیز مواد مصرفی و میزان صرفه‌جویی در انرژی را به‌هنگام استفاده از محصولات در نظر گرفت. سرب و کادمیم از جمله مواد با بهره ترموالکتریک زیاد هستند که بدلیل سمی‌بودن از آنها استفاده نمی‌شود و جایگزین استفاده شده از آنها نظیر تلوریم نیز از لحاظ محیط‌زیست ماده‌ای مخرب بشمار می‌رود. تجاری‌شدن این ترکیبات در اروپا بعید به نظر می‌رسد و مطالعات فراوانی برای جایگزینی این ترکیبات با ترکیبات دیگر برنامه‌ریزی شده است. انتظار می‌رود نانوساختارهای این ترکیبات با سمیّت کمتر، کارایی این مواد را بهبود بخشد و در عین حال موادی با آستانه تحمل بالا برای ترموالکتریک باشند. در آمریکا شرایط قدری متفاوت است و ترکیبات سرب هنوز برای کاربرد در ترموالکتریک مناسب در نظر گرفته می‌شوند. به‌همین دلیل هنوز تاثیرات آتی محصولات ترموالکتریک بر محیط‌زیست واضح نیست. در آینده، تراشه‌های ترموالکتریک براساس فناوری نانو شامل نانوساختارها یا نانومواد ماتریسی خواهند بود. بدین دلیل فرآیند تولید باید کنترل‌شده باشد تا از در معرض قرارگرفتن با نانوساختارها در زمان ساخت آنها و آزاد‌سازی نانوذرات در حین کاربرد آنها جلوگیری شود تا درمقابل میزان اثرات مخرب این نانوذرات به بشر و نیز محیط‌زیست به حداقل مقدار ممکن برسد.
- چالش‌ها
پیشرفت‌های اخیر، امکان غلبه بر محدودیت‌های کلاسیک و بهبودبخشی مواد ترموالکتریک را به مقدار قابل ملاحظه‌ای پیشنهاد می‌دهد. ترموالکتریک در حال حاضر از بازدهی کم -حدود 5درصد- و مشکلات مواد در دمای بالا تأثیر گرفته است. مشکل بازدهی از طریق بالابردن هدایت الکتریکی مواد و کاهش هدایت حرارتی قابل حل است. با این حال بهینه‌ساختن همه خواص بطور همزمان غیر ممکن است. انتظار می‌رود فناوری نانو در بهینه ساختن و بهبود بخشیدن فاکتور ZT تاثیرگذار باشد.
هزینه زیاد و بازدهی کم، از موانع اصلی برای تجاری‌شدن و استفاده گسترده از محصولات ترموالکتریک محسوب می‌شود. دسترسی محدود به عناصر شیمیایی مورد نیاز در تراشه‌های ترموالکتریک می‌تواند مسئله‌ساز باشد. تحقیقات بر روی مواد جدید که ارزانتر و فراوانتر هستند، مورد نیاز است. هچنین معماری و طراحی تراشه‌های ترموالکتریک نقش مهمی را در تجاری‌کردن بازار مصرفی بازی می‌کند. یکی از جنبه‌های منحصربه‌فرد تراشه‌های ترموالکتریک این است که جانشین مستقیمی ندارند. وقتی مشکلات فناورانه و تجاری حل شوند، تراشه‌های ترموالکتریک از طریق تفاوت دما در ادوات مختلف بر بازار برداشت انرژی مسلط خواهد شد.
- جایگاه رقابتی EU
در حال حاضر بیش از 300 آزمایشگاه تحقیقاتی بر روی مواد ترموالکتریک کار می‌کنند. در این میان حدود 100 آزمایشگاه در اروپا، 35 آزمایشگاه در آلمان، 15 آزمایشگاه در فرانسه، 160 آزمایشگاه در آسیا -بیشتر آنها در چین و ژاپن قرار دارند- و حدود 75 آزمایشگاه تحقیقاتی نیز در آمریکا واقع است. این آزمایشگاه‌ها بخوبی تراز شده‌اند و بخش‌های توسعه و تولید نبوده که در بخش‌های صنعتی تکرار شده باشند، بلکه به‌همراه تعدادی از شرکت‌های اروپایی همچون، لیرد (Laird)، میکروپلت (Micropelt)، ژن‌ترمو (Termo Gen) و بیکن‌تکنولوژی (Beakon Technologies) هستند که تراشه ترموالکتریک تولید می‌کنند.
در حال حاضر حدود 1000 پتنت درباره ترموالکتریسیته در اروپا وجود دارد. بیشتر فعالیت‌های پتنتی مربوط به کشور آلمان می‌شود که حدود نصف پتنت‌ها را در بر می‌گیرد. برای مثال شرکت بزرگ و شیمیایی بی‌ای‌اس‌اف(BASF) حدود 29 پتنت در زمینه مواد ترموالکتریک دارد و فعالیت‌های پتنتی آن در سال‌های اخیر افزایش یافته است که می‌تواند بدلیل تجدید علاقه در مواد ترموالکتریک باشد.
اروپا از نظر تعداد پتنت بعد از آمریکا به‌همراه ژاپن و کره‌جنوبی در مقام دوم قرار دارد. در سه سال گذشته صنعت خودرو‌سازی بطور روزافزون در پروژه‌های توسعه و تولید روی مواد ترموالکتریک سرمایه‌گذاری کرده است. وزارت انرژی آمریکا برای سه کارخانه ماشین و آزمایشگاه یارانه می‌پردازد. در اروپا برنامه اف.پی. (FP7) ، بر روی پروژه بزرگی متشکل از سازنده‌های آلمانی، فرانسوی، ایتالیایی و سوئیسی سرمایه‌گذاری کرده است. برای مثال پروژه HeatReCar بر روی گسترش تراشه‌های ترموالکتریک که می‌تواند تا سه‌کیلووات در موتور احتراقی خودرو انرژی تولید کند، متمرکز بوده است. در آلمان –اپل (Opel)، دایملر (Daimler)، فولکس‌واگن (VW) و ب‌ام‌و (BMW)- و در فرانسه – والئو (Valeo) و رنو (Renault)- برنامه‌های ویژه‌ای بوسیله سازنده‌های خودرو و کامیون هدایت می‌شود.
- خلاصه
- تبدیل گرما به الکتریسیته، ترموالکتریسیته نام دارد این فناوری از انرژی گرمایی اتلافی استفاده می‌کند.
- توجه بنیادی بر روی مواد نانوساختاری به‌مقدار قابل توجهی، تحقیقات در این زمینه را گسترش داده است.
- هزینه، بزرگترین مانع در تجاری‌شدن این مواد است.
- چندین مسئله فناورانه از جمله غلبه بر بازدهی پایین و تبدیل و دوام مواد در دمای بالا وجود دارد.
- تجاری‌شدن مواد ترموالکتریک براساس دستیابی به کارایی بهتر در موتورهای حرارتی و در نتیجه کاهش نشر دی‌اکسیدکربن در اروپا امکان‌پذیر است.
- بهبود بخشیدن فاکتور ZT بوسیله فناوری نانو می‌تواند در آینده، ترموالکتریسته را به بازار چند میلیون دلاری تبدیل کند.
- محققان اروپایی در جایگاه خوبی قرار دارند و تأکید و سرمایه‌گذاری بیشتر از صنعت در آینده مورد نیاز است.