Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie we współpracy z Siecią Badawczą Łukasiewicz oraz Instytutem Fizyki PAN w Warszawie opracowali prototypowe moduły termoelektryczne. Pod względem gęstości mocy ponad dziesięciokrotnie przewyższają ogniwa fotowoltaiczne. 

Moduły termoelektryczne przekształcą ciepło odpadowe na prąd

Bez energii nie ma życia. Korzystamy z niej w każdej sekundzie. Niestety wciąż w przeważającej większości wytwarzana jest poprzez spalanie paliw kopalnych. Co ma dramatyczny wpływ na środowisko. W trakcie spalania powstają także gazy, które zanieczyszczają powietrze, gleby i wody gruntowe. Co więcej proces spalania węgla i węglowodorów nie jest wydajny. Szacuje się, że tylko ok. 40% energii jest wykorzystywana, a pozostała część rozprasza się w powietrzu w postaci ciepła odpadowego. W konsekwencji spalamy więcej surowców, emitujemy więcej CO2 do atmosfery i pogłębiamy kryzys klimatyczny.

Istnieją technologie, które pozwalają przekształcić odpadową energię cieplną na prąd. Przykładem mogą być instalacje mechaniczne lub pozbawione ruchomych elementów mechanicznych i niewielkie gabarytowo moduły termoelektryczne. Niestety są drogie i mało wydajne, przez co ich zastosowania są mocno ograniczone. 

Zespół kierowany przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Wojciechowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górcznio-Hutniczej w Krakowie z partnerami z Sieci Badawczej Łukasiewicz oraz Instytutu Fizyki PAN w Warszawie poszukiwali odpowiedzi na ten problem. Opracowali i wytworzyli prototypowe moduły termoelektryczne o gęstości mocy zbliżonej do 2,5 kW/m², co daje im dziesięciokrotną przewagę w tym względzie nad komercyjnymi ogniwami fotowoltaicznymi.

• Czytaj także: Ciepło z produkcji wodoru ogrzeje 200 domów w Danii. Pierwszy taki projekt na świecie

Produkty, które zmienią świat

W ocenie twórców proces technologiczny wytwarzania oraz koszt materiałowy opracowanego rozwiązania nie odbiega od rozwiązania fotowoltaicznego o tożsamych rozmiarach. 

– Zważywszy na znacznie większą gęstość mocy konwerterów termoelektrycznych, cena za 1 W mocy elektrycznej powinna być też znacznie korzystniejsza niż w przypadku paneli fotowoltaicznych – mówi prof. Wojciechowski.

Koszt modułów udało się znacząco obniżyć w stosunku do komercyjnych odpowiedników, m.in. dzięki zastąpieniu ceramicznych okładzin mniej kosztownymi i znacznie lepiej przewodzącymi ciepło stopami aluminium. Co więcej, w porównaniu do ceramiki, stopy aluminium łatwiej jest formować, dzięki czemu moduły mogą mieć różne kształty dostosowane do danego systemu odzysku ciepła.

Niezbędne jest jeszcze obniżenie kosztów wytworzenia konwerterów. Prototyp modułu termoelektrycznego został stworzony w warunkach laboratoryjnych niemalże „ręcznie” przez członków zespołu badawczego. Jego cena osiąga wartość zbliżoną do smartfona z najwyższej półki. Zdaniem twórców automatyzacja i masowość produkcji pozwoliłaby na obniżenie kosztów wytwarzania co najmniej do poziomu powszechnie dostępnej fotowoltaiki. Dlatego naukowcy poszukują inwestora.

– Firmy produkujące bądź rozwijające technologie termoelektryczne istnieją obecnie tylko w Chinach, Stanach Zjednoczonych, Ukrainie i Rosji. Na rynku europejskim praktycznie nie ma konkurencji, więc jest szansa na dobry zysk. Bardzo bym chciał, żeby znalazł się w Polsce ktoś, kto uzna, że cel jest wart ryzyka, i zbuduje prototypową linię produkcyjną. Jeżeli uda się uzyskać niskie koszty wytworzenia modułów termoelektrycznych, możemy naszymi produktami podbić świat – uważa prof. Wojciechowski.

Zielone technologie na AGH. Poznaj smart-rozwiązania krakowskiej uczelni

Nowe podejście do materiałów termoelektrycznych

Zespół prof. Wojciechowskiego od wielu lat z powodzeniem rozwija technologie konwersji odpadowej energii cieplnej na prąd. Oprócz tanich modułów, w ramach realizowanych prac uczonym udało się również uzyskać materiały termoelektryczne o rekordowej sprawności przekraczającej 15%. Są znacznie wydajniejsze i perspektywiczne, ale niestety droższe.

– Produkty dostępne obecnie na rynku osiągają sprawność rzędu 4-5%, stosowane w łazikach marsjańskich Curiosity i Perseverance 8%, a my dokładamy prawie drugie tyle – mówi uczony.

Doskonałe parametry wydajnościowe udało się osiągnąć dzięki zmianie podejścia, które dominuje w inżynierii materiałów termoelektrycznych. 

Sprawność w konwersji energii zależna jest od wartości tzw. współczynnika materiałowej efektywności termoelektrycznej (ZT). Większość grup badawczych skupia się na tym, aby uzyskać maksymalną wartość tego parametru. Problem w tym, że wpływają na niego zmiany temperatury. Tymczasem wieloletnie badania prowadzone przez zespół prof. Wojciechowskiego dowodzą, że znacznie wyższą sprawność wykazują materiały posiadające dobre, lecz nie rekordowe wartości ZT w szerokim zakresie temperatur.

W celu uzyskania materiałów o pożądanych właściwościach zespół prof. Wojciechowskiego opracował dwie metody ich modyfikacji, które zmieniają ich właściwości strukturalne i mikrostrukturalne.

– Dobry materiał termoelektryczny nie powinien przewodzić ciepła, ale powinien dobrze przewodzić prąd. Bardzo trudno jest jednak pogodzić te wymagania, ponieważ wiążą je pewne zależności fizyczne. Jesteśmy natomiast w stanie wyprodukować materiał, który stanowi barierę dla transportu ciepła podobnie jak gąbka czy styropian, a jednocześnie przewodzi prąd jak metale – podsumowuje naukowiec z AGH.

źródło: Biuro Prasowe AGH, agh.edu.pl

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.