Naukowcy rozwijają systemy termofotowoltaiczne (TPV), które przekształcają ciepło w energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych, prezentując ciche i wymagające niewielkiej konserwacji rozwiązanie energetyczne. Najnowsze badania ujawniły potencjał TPV w zakresie opłacalnej produkcji energii, podkreślając kluczowe czynniki wpływające na wykonalność ekonomiczną. Szczegóły opisano w czasopiśmie Journal of Photonics for Energy.
Czym jest termofotowoltaika?
Termofotowoltaika to technologia, która przekształca ciepło w energię elektryczną, wykorzystując proces zbliżony do działania ogniw fotowoltaicznych, ale o wiele bardziej efektywny przy wysokich temperaturach. W urządzeniach TPV ciepło pochłaniane przez specjalny materiał emitujący jest zamieniane na fotony, które z kolei są wychwytywane i konwertowane przez ogniwa fotowoltaiczne. Rozwiązanie to, mimo niższej obecnie wydajności od klasycznej fotowoltaiki, obiecuje korzyści w postaci bezgłośnej pracy i braku ruchomych elementów, co obniża koszty utrzymania.
Czytaj też: Agrofotowoltaika? Korzyści mogą odnieść polscy rolnicy. My to wiemy, ale politycy – niekoniecznie
Technologia TPV może przekształcić ciepło na energię elektryczną przy wyższej efektywności niż standardowe turbiny parowe stosowane w elektrowniach węglowych czy jądrowych, które zwykle osiągają około 35 proc. wydajności. Systemy TPV mogą działać w ekstremalnych temperaturach, powyżej 2000oC, co umożliwia wykorzystanie gazu ziemnego lub wodoru jako źródeł ciepła, a także zastosowanie w niskoemisyjnych elektrowniach. TPV mogą stać się fundamentem dla przyszłych systemów magazynowania ciepła w skali sieciowej, co pozwoli na przechowywanie energii odnawialnej i wykorzystanie jej na żądanie.
Okazuje się, że termowoltaika może być także opłacalna. Analiza przeprowadzona przez naukowców z Iowa State University oceniła opłacalność systemów TPV w połączeniu z magazynowaniem ciepła na bazie fazowych materiałów zmiennych, użytych w kontekście budynków mieszkalnych. Wyniki wykazały, że koszt uzyskanej energii elektrycznej (LCOEel) wyniósł 0,128 dol. za kWh, co nadal przewyższa średnią cenę rynkową. Jednocześnie zidentyfikowano kluczowe czynniki wpływające na koszt TPV, takie jak koszty kapitałowe, inflacja cen energii i żywotność systemu.
Choć TPV wymaga dalszych prac nad zwiększeniem wydajności i obniżeniem kosztów, analiza pokazuje jej potencjał jako technologii przyszłości. Dzięki elastyczności w zastosowaniach (np. wykorzystanie ciepła odpadowego lub energii słonecznej) TPV może odegrać ważną rolę w dążeniu do zrównoważonej energii. Dalsze badania mogą pomóc poprawić stosunek kosztów do efektywności, co pozwoli na zwiększenie dostępności TPV na rynku energii odnawialnej.
Jednym z kluczowych zastosowań TPV może być magazynowanie energii cieplnej, w którym nadmiar prądu z sieci przekształcany jest na ciepło, przechowywany w izolowanych zasobnikach, a następnie konwertowany z powrotem na energię elektryczną w urządzeniach TPV. Oczekuje się, że tego typu “baterie termiczne” będą tańsze od tradycyjnych baterii litowo-jonowych. Mimo że wydajność konwersji energii cieplnej z powrotem na prąd wynosi około 40–55 proc., a nie 70 proc. jak w ogniwach litowo-jonowych, technologia TPV może być nawet dziesięciokrotnie tańsza w przeliczeniu na jednostkę energii.