A2C - Salerno

I materiali termoelettrici (TE) sono in grado di generare elettricità a partire da una fonte di energia termica o possono essere usati come pompe di calore allo stato solido. Il calore fornito è trasformato in elettricità da un convertitore termoelettrico che sfrutta l'effetto Seebeck. Una forza elettromotrice è prodotta dalla diffusione di elettroni attraverso l'unione di due differenti materiali (come ad esempio la coppia PbTe Piombo-Tellurio) che formano un circuito quando i capi del convertitore si trovano a temperature differenti.

L'effetto Seebeck è un effetto termoelettrico per cui, in un circuito costituito da conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura genera elettricità. È l'opposto dell'effetto Peltier. L'effetto fu scoperto accidentalmente dal fisico estone Thomas Johann Seebeck nel 1821, il quale notò la presenza di una differenza di potenziale ai capi di una barra metallica sottoposta a un gradiente di temperatura. Egli osservò inoltre che l'ago di una bussola subiva una deflessione in prossimità di un anello costituito da due metalli differenti con le due zone di giunzione poste a differenti temperature. Ciò è dovuto al fatto che i due metalli generano potenziali elettrici differenti nelle due regioni a differente temperatura dando origine a un flusso di corrente, il quale produce il campo magnetico che influenza la bussola. Generalmente il valore della differenza di potenziale generata per effetto Seebeck è dell'ordine di alcuni μV per kelvin di differenza.

In particolare, in caso i coefficienti di Seebeck si mantenessero costanti, la tensione V è data dalla formula:

V = ( Sb - Sa) * (T2-T1)

dove:

• A e B sono i due materiali,
• Sa e Sb sono i coefficienti di Seebeck (o potere termoelettrico) relativi ai due materiali A e B,
• T1 e T2 sono le temperature delle due giunzioni.

I coefficienti di Seebeck sono non lineari e dipendono dai materiali, dalla loro temperatura assoluta e dalla loro struttura molecolare. L'effetto Seebeck continua a esistere sia nel caso di due elementi metallici di natura diversa sia con un solo tipo di metallo. L'effetto Seebeck è dovuto a due effetti:

1. trasporto di carica per diffusione: I portatori di carica nei materiali (elettroni nei metalli, elettroni e lacune nei semiconduttori, ioni in conduttori ionici) diffonderanno quando un terminale del conduttore è a una temperatura diversa dall'altro. I portatori a temperatura più elevata diffonderanno verso quelli a temperatura più bassa, fintanto che si ha una densità di portatori ad alta temperatura diversa, nella parte a temperatura più bassa e in quella a temperatura più alta del conduttore. I portatori di carica nella zona a bassa temperatura diffondono dalla zona più fredda a quella più calda per la stessa ragione. Se l'equilibrio è raggiunto il processo farà sì che il calore sia uniformemente distribuito attraverso il conduttore. Il movimento di calore attraverso portatori di carica a temperatura più alta (ossia a più alta energia) da un capo all'altro del conduttore è nota come corrente di calore. Fintanto che i portatori di carica si muovono si avrà anche una corrente elettrica. In un sistema dove i terminali hanno una differenza di temperatura costante (una corrente costante fluisce dall'uno all'altro), si ha diffusione costante di portatori. Se la velocità di diffusione di portatori ad alta e bassa temperatura fosse la stessa, non ci sarebbe differenza di carica netta. Tuttavia i portatori sono "diffusi" (in inglese scattered) da impurezze presenti nel reticolo, imperfezioni e vibrazioni reticolari (noti come fononi). Se lo scattering dipende dall'energia del portatore, i portatori ad alta e bassa temperatura diffonderanno a velocità diverse (hanno infatti diverse energie, avendo diversa temperatura). Questo crea una densità di portatori più elevata a un capo del conduttore e la distanza tra cariche di segno opposto produrrà una differenza di potenziale, e un campo elettrico. Questo campo elettrico, comunque, si oppone allo scattering (dipendente dall'energia del portatore, quindi diseguale) e l'equilibrio è raggiunto quando l'effetto del numero di portatori che diffondono in una direzione è cancellato dal numero di portatori (dello stesso segno) che si muovono in direzione opposta a causa del campo elettrico generatosi. Questo vuol dire che la termopotenza di un materiale dipende da molti fattori, come il numero di impurezze, la presenza di imperfezioni e i mutamenti strutturali (che spesso variano con la temperatura e il campo elettrico).
2. resistenza al moto fononico: I fononi non si trovano sempre in equilibrio termico locale; si muovono seguendo il gradiente termico. Perdono energia interagendo con gli elettroni (o altri portatori) e imperfezioni reticolari. Se l'interazione fonone-elettrone è predominante, i fononi tendono a spingere gli elettroni verso una parte del materiale, perdendo energia nel processo. Questo contribuisce al campo elettrico già presente. Questo contributo è maggiormente importante nella regione di temperature dove lo scattering fonone-elettrone è predominante. Alle temperature più basse pochi fononi sono disponibili per il trasporto, ma ad alte temperature tendono a perdere energia in urti fonone-fonone piuttosto che in urti fonone-elettrone.

L'attuale efficienza termodinamica dei materiali attualmente disponibili si attesta attualmente a circa il 15% del limite di Carnot; ciò a causa della difficoltà di disaccoppiare la conduzione elettrica da quella termica. Ma il progresso delle tecniche di sintesi di nanomateriali e lo sviluppo di nuovi polimeri, offre opportunità per lo sviluppo di una generazione di materiali termoelettrici più efficienti, a basso costo, meccanicamente flessibili, interfacciabili in prospettiva con applicazioni domotiche, dispositivi biomedicali e sensori indossabili o impiantabili.

Un caso esemplare è costituito dal generatore TE in SiGe che alimenta la sonda Voyager 1, che attualmente si trova a circa 20 miliardi di chilometri dalla Terra: il suo generatore TE è in operazione nello spazio da quasi 40 anni e si prevede smetterà di funzionare intorno al 2025, solo per esaurimento della fonte di calore nucleare con cui è a stretto contatto.

Tale tecnologia è attualmente utilizzata soprattutto per applicazioni aerospaziali complesse come i generatori di energia per satelliti, ma potrebbe applicarsi ai settori automobilistico, aeronautico, energetico, e biomedico. Studi sperimentali stanno approfondendo l’utilizzo di polimeri piroelettrici flessibili, indossabili e utilizzabili per la realizzazione di dispositivi biomedici e per la fabbricazione di generatori per l’alimentazione di sensori biometrici che sfruttano il calore corporeo. 

La tecnologia termoelettrica risulta particolarmente adatta all’energy harvesting, in particolare:

• Recupero di energia dal calore dissipato dai macchinari esistenti. In questo caso la tecnologia va ad impattare i consumi di qualsiasi fonte energetica primaria alimenti i macchinari a cui viene associata.
• Energia solare a concentrazione. I generatori TE possono essere associati al solare a concentrazione, in casi in cui la scalabilità della tecnologia TE si rivelasse conveniente rispetto alle tecnologie alternative in questo ambito
• Corpo umano. I generatori TE per l’alimentazione di sensori biometrici potrebbero alimentarsi utilizzando il calore prodotto dal corpo umano.

Alcuni gruppi industriali stanno esplorando la possibilità di integrare dispositivi termoelettrici ad esempio in sistemi di recupero di energia termica di scarto su impianti industriali e non (waste heat recovery) (ad esempio: la Peltech Srl in campo nautico - http://www.peltech.com/ , la Perpetua - http://perpetuapower.com/ , la Alphabet energy http://www.alphabetenergy.com/ ) o su reti di sensori wireless (ad esempio: la greenTEG - http://www.greenteg.com/ o la Micropelt - http://www.micropelt.com/ ), che acquisiranno un ruolo sempre più importante nei prossimi anni nelle nuove tecnologie di Internet delle cose (IoT).
Nell’ambito automobilistico alcune case automobilistiche (Volkswagen, Volvo e BMW) stanno sviluppando generatori termoelettrici in grado di recuperare energia dal calore di scarto del motore, in sostituzione degli alternatori, ottenendo un risparmio attualmente stimato del 3-5% nel consumo di carburante. 

La tecnologia TE, in quanto largamente scalabile e molto robusta, risulta estremamente versatile e ci si aspetta che possa avere un impatto su svariati ambiti che vanno al di là di quello prettamente energetico. In particolare le prospettive di utilizzo sono:

• Reti di sensori remoti. Grazie al recente e significativo sviluppo dell’elettronica a basso consumo, risulta oggi prevedibile la realizzazione di sistemi di monitoraggio alimentati da piccoli generatori TE in grado di raccogliere energia da fonti di calore nell’ambiente. In questo ambito la tecnologia TE potrebbe essere particolarmente appetibile nei casi in cui sorgenti alternative non risultano disponibili (come per esempio l’energia solare) o in cui risulta difficile e/o non desiderabile dover sottoporre a manutenzione i sistemi di monitoraggio
• Sensori biometrici/indossabili. In maniera analoga al punto precedente, piccoli generatori TE potrebbero essere usati in un futuro prossimo per alimentare sensori biometrici che sfruttano il calore del corpo umano per la loro alimentazione
• Refrigerazione/condizionamento/pompe di calore allo stato solido. Nel caso in cui la tecnologia TE raggiungesse una efficienza adeguata, potrebbe essere utilizzata in applicazioni HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning) di larga scala, che oggi esistono ma confinate a mercati di nicchia.

Risulta, quindi, interessante attendere la maturazione degli studi sperimentali in corso, onde permettere l'applicazione di questa tecnologia per il recupero del calore di scarto e la generazione di energia elettrica locale.

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