La termoelectricidad describe el proceso de convertir el calor directamente en energía eléctrica. Este efecto lleva el nombre del alemán báltico Thomas Seebeck, que lo descubrió en 1821. Debido a una diferencia de temperatura en los extremos de un conductor eléctrico, los electrones se desplazan (termodifusión). En los metales, más electrones migran del extremo caliente al frío del conductor que viceversa. Por lo tanto, el extremo frío está efectivamente cargado negativamente en comparación con el extremo caliente. El voltaje resultante se llama voltaje termoeléctrico. Depende del material, es decir, a la misma diferencia de temperatura, dos conductores diferentes tienen diferentes voltajes termoeléctricos. Un flujo de corriente se produce cuando dos conductores diferentes están conectados entre sí en un circuito y los dos puntos de contacto están expuestos a diferentes temperaturas. Se forma un emf termoeléctrico específico para cada conductor, y el voltaje total a través de ambos conductores resulta de la diferencia entre los dos voltajes individuales. Impulsado por la diferencia de temperatura en los dos puntos de contacto, se crea así un flujo de corriente.
El efecto inverso, es decir, la generación de calor (o frío) a partir de la energía eléctrica con materiales termoeléctricos, se denomina efecto Peltier. Actualmente, la refrigeración termoeléctrica tiene una cuota de mercado de más del 80 por ciento. El resto se debe a la generación de electricidad a partir del calor.
Un módulo termoeléctrico consiste en un número de materiales termoeléctricos conductores de n y p conectados eléctricamente en serie. Térmicamente, están conectados en paralelo para que el calor pueda fluir a través de ellos.
Un sistema termoeléctrico consiste en un intercambiador de calor en el lado caliente y otro en el lado frío, un módulo termoeléctrico intermedio y un convertidor electrónico para la alimentación de energía eléctrica.
El parámetro decisivo para los materiales termoeléctricos es el llamado valor ZT, que en relación con la eficiencia de Carnot es una medida de la eficiencia de la conversión de la energía térmica en energía eléctrica. Durante décadas, el valor de ZT se estancó en 1, pero en los últimos años los ensayos de laboratorio han permitido producir materiales termoeléctricos con un valor de ZT de 2,4. Cuanto más alto es el valor ZT, mayor es la proporción de calor que puede ser convertido en energía eléctrica. Para los materiales con un valor de ZT de 3, se esperan amplias aplicaciones comerciales, como el funcionamiento de refrigeradores domésticos.
Los materiales para los módulos termoeléctricos deben tener varias propiedades básicas. En primer lugar, deben tener una alta eficiencia termoeléctrica. Esto significa que el material tiene un alto coeficiente de Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. El alto coeficiente de Seebeck asegura que es sólo de tipo n o sólo de tipo p. La figura de mérito termoeléctrico combina estos factores y es, por lo tanto, una medida de la eficiencia de los materiales.
Ciertos materiales semiconductores son adecuados para la termoelectricidad, que puede ser optimizada mediante el dopaje, soluciones sólidas, modificando la estructura de la banda o utilizando nanomateriales. Cada uno de estos materiales se utiliza preferentemente en rangos de temperatura específicos, ya que deben presentar una resistencia térmica además de la mecánica.
El problema es que los materiales utilizados suelen ser raros y caros y consisten en elementos tóxicos. Por lo tanto, continúa la investigación intensiva de nuevos materiales termoeléctricos.
El uso de telúridos en los módulos termoeléctricos es muy común. El telurio de bismuto, el telurio de estaño y el telurio de plomo pertenecen a este grupo. El seleniuro de bismuto también exhibe muy buenas propiedades termoeléctricas. Varios silicios como el siliciuro de hierro o los compuestos artificiales de antimonido de galio o antimonido de indio también son adecuados para aplicaciones termoeléctricas.
Las alternativas son las perovskitas y los compuestos mitad Heusler. Un compuesto de Half-Heusler es una aleación de tres sustancias. Dos elementos de esta aleación consisten en metales de transición como el manganeso, el cobre, el titanio o el níquel. El otro elemento suele encontrarse en el tercer a quinto grupo principal de la tabla periódica, por ejemplo el aluminio o el indio.
Clases de materiales relativamente nuevas y efectivas son los clatratos, así como los TAGS y LAST. Los clatratos son compuestos cristalinos que confinan a los átomos individuales en cavidades similares a una jaula. Ya se han producido clatratos a partir de bario, silicio y oro, que contienen átomos de cerio. El cerio pertenece a las tierras raras. TAGS y LAST son cristales mixtos especiales basados en compuestos de plata, antimonio, telurio, germanio o plomo. Estos materiales son particularmente adecuados para las altas temperaturas.
Actualmente hay un gran número de aplicaciones especializadas para las termoeléctricas. Van desde sensores autónomos de energía hasta precalentadores para locomotoras diesel, estaciones de vigilancia ambiental y enfriadores de vino, pasando por marcapasos y aplicaciones de camping. Además, los generadores termoeléctricos alimentados con gas se han utilizado ampliamente durante años para el suministro autosuficiente de estaciones de medición en gasoductos y oleoductos en zonas de difícil acceso.
En los viajes espaciales, los termoeléctricos se han utilizado durante 40 años para generar energía eléctrica para las sondas espaciales como la Voyager 1 y 2 y para la exploración planetaria. En estas aplicaciones, la termoeléctrica se caracteriza por su funcionamiento fiable y sin mantenimiento.
Una novedad para los países emergentes y en desarrollo, en la que se utiliza la cocción con biomasa, es una estufa de leña con un ventilador termoeléctrico. Esto asegura una combustión más eficiente, y al mismo tiempo reduce el desarrollo de gases de combustión nocivos a cerca del 10 por ciento de las emisiones de otras plantas comparables.
Un nuevo campo de aplicación de la termoelectricidad es la refrigeración y el control de la temperatura de los asientos de los automóviles. En los EE.UU. se venden aproximadamente 300.000 unidades al año. El enfriamiento termoeléctrico de los chips de computadora no ha sido ampliamente aceptado. El potencial de aplicación de los termoeléctricos en la medicina no es aún previsible. También es concebible para el futuro la generación de electricidad utilizando el calor corporal para dispositivos electrónicos móviles.
En el ámbito de la utilización del calor residual industrial, sólo se han identificado hasta ahora unas pocas aplicaciones en las que sería posible una simple adaptación de los sistemas basados en generadores termoeléctricos. Por un lado, no se debería rebajar una densidad de flujo de calor de 10 a 20 W/cm². Por consiguiente, se requieren constelaciones en las que estén presentes altas densidades de corriente de energía con grandes diferencias de temperatura simultáneas. Por otra parte, en estas aplicaciones los termoeléctricos compiten con los procesos del ciclo de rango orgánico, especialmente para obtener mayores rendimientos en el rango de los megavatios. Estos pueden ser usados desde un rango de potencia de 350 kW. Sin embargo, en cambio, hay un mayor esfuerzo de mantenimiento.
En Japón hay estudios sobre el uso de gases de incineración de residuos con generadores termoeléctricos. La instalación de generadores termoeléctricos en las centrales de cogeneración y en la combustión de pellets podría resultar económica si se dispusiera de generadores termoeléctricos comerciales para temperaturas superiores a 250°C. Actualmente, hay plantas de demostración con una potencia eléctrica de hasta 10 kW, alimentadas con el calor residual de los gases de combustión, y con generadores termoeléctricos en plantas de micro-CHP (plantas de combustión de pellets, hasta 300 Wel). Se están preparando sistemas con temperaturas de funcionamiento de hasta 400 °C.
La aplicación de la termoelectricidad para la conversión en electricidad del calor residual de los gases de escape de los automóviles es actualmente la aplicación predestinada de la termoelectricidad o la aplicación piloto en la que los generadores termoeléctricos deben probarse a sí mismos. Sin embargo, la industria automovilística no utiliza los últimos avances en materiales, sino que utiliza materiales ya establecidos, es decir, esencialmente telururo de bismuto. Los déficits son, en primer lugar, el desarrollo de materiales adecuados que sean altamente eficientes en un amplio rango de temperaturas, en segundo lugar, hay una falta de cadenas de suministro, y en tercer lugar, los sistemas de intercambio de calor deben ser más desarrollados.
Los materiales a base de óxido permiten convertir el calor en electricidad a altas temperaturas. Las ventajas del uso de generadores termoeléctricos en las centrales termosolares son, sobre todo, el sencillo principio de funcionamiento y el uso de un espectro más amplio de energía solar que en las actuales centrales de energía solar concentrada.