I en ny artikel publicerad i tidningen Hållbarhet, Forskare från Colombia, Chile och Brasilien gav en översikt över den senaste utvecklingen och trenderna inom termoelektriska kraftgenereringssystem. Huvudmålet är att studera teknologins hållbarhet och hur den kan hjälpa termoelektrisk kraftgenerering att uppnå sina rena koldioxidfria mål.
Forskning: Hållbarhet av material för termoelektriska moduler och perspektiv på cirkulär ekonomi. Fotokredit: Cardaf / Shutterstock.com
Bakgrund för forskning
Användningen av fossila bränslen för energiproduktion, bränsle och industriella processer har orsakat oöverträffade skador på miljön. Dessutom är fossila bränslen begränsade och resursutarmning leder till en ökande energikris. För att komma till rätta med dessa problem har forskningen inom området alternativa energi- och bränslekällor intensifierats.
Under årens lopp har flera alternativa grön energigenereringsteknik utvecklats. Fotovoltaiska solpaneler, vindkraftverk, vattenkraftverk, biomassasystem, kärnkraft och geotermisk energi har alla studerats omfattande. Alternativa kraftverk har installerats runt om i världen under de senaste decennierna och konventionella bränsleeldade kraftverk håller snabbt på att fasas ut.
Termoelektrisk kraftproduktion har fått forskningsintresse de senaste åren, och tekniska framsteg har bidragit till att föra tekniken närmare kommersialisering. Termoelektriska system använder värme som genereras av industriella processer eller på annat sätt förloras till atmosfären.
Forskare har insett att det inte räcker med att öka effektiviteten i dessa system – deras livslängd måste också beaktas, särskilt om systemen arbetar i låga temperaturområden. Att ta hänsyn till denna parameter möjliggör långsiktig tillförlitlighet av system och återvinning av deras delar, ökar hållbarheten för termoelektrisk kraftgenerering.
Även om betydande framsteg har gjorts i de tekniska aspekterna av termoelektriska systemdesign, har betydelsen av att använda hållbara material och processer inte erkänts tillräckligt i aktuell forskning. Detta är en viktig kunskapslucka som hindrar utvecklingen av verkligt hållbara system.
Ämnen i artikeln om termoelektriska modulers cirkulära ekonomi. Fotokredit: Castañeda, M et al., Sustainability
Forskning
Nytt papper Hållbarhet studerade de modernaste materialen som används i termoelektriska system. Dessutom granskade författarna vilka typer av moduler som används i dessa system, såväl som teknikens huvudsakliga tillämpningar.
Det uttalade syftet med studien är att fastställa återvinningsbarheten av befintliga tekniker och därmed deras hållbarhetspotential. Med hjälp av publikationer från det senaste decenniet klassificerar författarna nuvarande teknologier och hur de bidrar till hållbara produktionssystem.
Hållbarhet och lönsamhet undersöktes och forskningsmaterial, moduler, kostnader och effektivitet undersöktes. Dessutom jämförde författarna dessa system med andra kyl- eller energilagringssystem och modellerade systemens egenskaper och struktur. Slutligen tittade studien på modellen för cirkulär ekonomi och undersökte materialåtervinning och utgångsdatum.
Systematiska sökresultat (a) Antal artiklar hittade av söksträng och (b) antal årliga artiklar. Fotokredit: Castañeda, M et al., Sustainability
Den senaste utvecklingen inom hanteringen av termoelektrisk kraftproduktion
Författarna noterar att den främsta drivkraften för utvecklingen av termoelektriska material och system är behovet av renare industri- och produktionsprocesser. Konstruktion, transport och tillverkning ger betydande bidrag till den globala energiförbrukningen, och dessa industrier erbjuder betydande möjligheter att använda termisk energi för energiproduktion.
En annan ny utveckling är användningen av termoelektriska material för att komplettera förnybar energiteknik som använder solenergi och biomassa. Även om dessa tekniker är koldioxidneutrala producerar de för närvarande betydande mängder värme som går till spillo, och återställandet av termoelektrisk energi kan förbättra hållbarheten hos dessa system. Färska rapporter tyder på att användningen av förnybar energi och naturgas kommer att öka under de kommande decennierna.
Rena industriella processer och trender för produktion av förnybar energi ger möjligheter till termoelektrisk kraftproduktion med positiva utsikter för utveckling och användning av termoelektriska material. Även partiell restvärmeåtervinning kommer att avsevärt minska den globala energiförbrukningen och minska de globala utsläppen av växthusgaser, vilket är nyckelfaktorer i antropogen klimatförändring.
Förbättring av termoelektriska material
På grund av låg verkningsgrad kan termoelektriska material inte uppnå 100 % återvinning av värmeförlust. Dessutom förhindrar den höga kostnaden för dessa material den utbredda användningen av termoelektriska produktionsmoduler.
På grund av effektivitetsbegränsningar är konkurrenskraften hos termoelektriska system begränsad jämfört med termodynamiska eller elektrokemiska system, expansionsanordningar eller bränsleceller. Nyligen genomförda studier har undersökt användningen av termoelektriska generatorer som komplementära system inom sektorer som transporter för att kompensera för detta. Användningen av dessa system på detta sätt förbättrar hållbarheten i industriella processer och hjälper till att uppnå målen för den cirkulära ekonomimodellen.
Forskning inom termoelektriska material de senaste åren. Fotokredit: Castañeda, M et al., Sustainability
Senaste tankar
Studien identifierade luckor i forskningen om hållbarheten hos termoelektriska produktionssystem och begränsningar av effektiviteten hos befintlig teknik. Författarna föreslog ett tillvägagångssätt som förbättrade processkunskapen och livslängden för material och komponenter. Att balansera kostnadseffektivitet ur ett hållbarhetsperspektiv skulle ge en övergripande förståelse för teknisk hållbarhet och kostnadseffektivitet.
Främjandet av denna teknik kommer att ge betydande fördelar för återvinning av termisk energi och minskning av koldioxidutsläpp från industriella processer och produktion av förnybar energi i enlighet med gällande internationella överenskommelser. Även om det finns ett antal forskningsluckor i den befintliga litteraturen, ger denna översikt ett viktigt bidrag till forskningsområdet.
Ytterligare läsning
Castañeda, M et al. (2022) Materials hållbarhet för termoelektriska moduler och utsikter för cirkulär ekonomi Hållbarhet 14 (10) 5987 [online] mdpi.com. Tillgänglig på: https://www.mdpi.com/2071-1050/14/10/5987
