Polski wynalazek: moduły termoelektryczne dużo wydajniejsze niż PV
Zespół kierowany przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Wojciechowskiego, fot. materiały prasowe
Polscy naukowcy opracowali technologię, która może odegrać ważną rolę w transformacji energetycznej. Wykorzystując innowacyjne moduły termoelektryczne – które są znacznie tańsze i wydajniejsze niż fotowoltaika – można skutecznie przetwarzać odpadową energię cieplną na energię elektryczną.
Tradycyjna energetyka wykorzystuje jedynie około 40% energii pochodzącej z węgla i innych paliw kopalnych. Reszta, aż 60%, rozprasza się w postaci ciepła odpadowego. To ciepło odpadowe może stanowić darmowe źródło energii – podobnie jak wiatr czy słońce. Dużo taniej jest wykorzystać energię wygenerowaną przy okazji innego procesu niż ją kupić lub wyprodukować. Co więcej, wykorzystanie energii stanowiącej odpad może poprawić wydajność przemysłu i obniżyć ceny energii dla konsumentów. Ciepło odpadowe może zastąpić znaczną ilość paliw kopalnych, przyczyniając się do zielonej transformacji systemów energetycznych. Wykorzystanie potencjału tylko trzech największych źródeł ciepła odpadowego z Warszawy, czyli 3,3 TWh (m.in. z zakładu oczyszczania ścieków Czajka), pozwoliłoby na zapewnienie ciepła sieciowego dla ok. 380 tys. gospodarstw domowych.
Jedną z technologii, która pozwala przekształcać taką odpadową energię cieplną w energię elektryczną, są moduły termoelektryczne. Inżynierowie z polskich ośrodków opracowali ich niewielką wersję, pozbawioną ruchomych elementów mechanicznych.
Czym są moduły termoelektryczne
Zespół prof. dr hab. Krzysztofa Wojciechowskiego z Laboratorium Badań Termoelektrycznych na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie od lat z powodzeniem prowadzi badania nad materiałami zwanymi termoelektrykami. Efektem pracy tego zespołu jest stworzenie przełomowych modułów termoelektrycznych – 10-krotnie wydajniejszych niż ogniwa fotowoltaiczne – przy zbliżonych kosztach produkcji. W ocenie twórców proces wytwarzania, jak też koszt materiałowy nowego rozwiązania, nie odbiega od elementu fotowoltaicznego o tożsamych rozmiarach.
– Zważywszy na znacznie większą gęstość mocy konwerterów termoelektrycznych, cena za 1W mocy elektrycznej powinna być znacznie korzystniejsza niż w przypadku paneli fotowoltaicznych – zauważa prof. Wojciechowski.
Zastąpienie ceramicznych okładzin mniej kosztownymi i znacznie lepiej przewodzącymi ciepło stopami aluminium obniżyło ich cenę do poziomu porównywalnego z cenami paneli fotowoltaicznych. Cena plus 10-krotna skuteczność pozwalają postawić tezę, że termoelektryczność to jeden z ważniejszych polskich projektów ekologicznych.
Warto również wspomnieć o warszawskiej firmie GeniCore, która jest liderem w dziedzinie materiałów termoelektrycznych. Oferowana przez GeniCore maszyna zajmuje zaledwie 3 m², a kosztuje tyle, co duże mieszkanie w Warszawie. To narzędzie może stać się rewolucją w dziedzinie materiałów termoelektrycznych.
Wielkość kilkudziesięciu nanometrów sama w sobie może nie robić wrażenia. Tymczasem ziarna materiałów wytwarzanych w urządzeniu GeniCore mają właśnie takie rozmiary – to około kilkaset razy mniej niż grubość ludzkiego włosa. Co ciekawe, do tak precyzyjnej produkcji wykorzystywane są maszyny, które działają pod naciskiem rzędu 35 ton i natężeniem prądu rzędu kilku tysięcy amperów. Tak małe rozmiary mogą przyczynić się do wielkich zmian w dziedzinie energii.
Wytwarzanie materiałów termoelektrycznych
Firma GeniCore specjalizuje się w maszynach Spark Plasma Sintering, czyli w technologii spiekania, która umożliwia szybkie i ekonomiczne wytwarzanie materiałów termoelektrycznych.
– Nasze urządzenia wytwarzają materiały termoelektryczne, które pomogą uzyskiwać energię elektryczną bez użycia paliw kopalnych. Pozwolą korzystać z naturalnego ciepła, które już istnieje w naszym otoczeniu, na przykład ze słońca czy z różnych procesów przemysłowych, i zamieniać je na elektryczność. To nie tylko oszczędza energię, ale także dba o naszą planetę i dostarczy przyszłym pokoleniom więcej czystej energii – mówi dr inż. Marcin Rosiński z GeniCore.
Opisane rozwiązania mają kluczowe znaczenie dla produkcji urządzeń termoelektrycznych, które koncentrują się na pozyskiwaniu energii cieplnej dla potrzeb cyfryzacji przemysłu. Ich materiały znajdują zastosowanie w wielu obszarach, takich jak: produkcja zielonej energii elektrycznej z ciepła odpadowego, urządzenia zabezpieczające w przemyśle, ochrona przed oparzeniami kontaktowymi, zasilacze dla sieci ciepłowniczej, czujniki wycieku gazu w odległych miejscach, odzyskiwanie ciepła odpadowego do zdalnego zasilania w IoT, systemy odzysku ciepła odpadowego w branżach charakteryzujących się dużą ilością ciepła odpadowego.
Technologia termoelektryczna oferuje bardzo różne korzyści, takie jak możliwość pracy poza siecią, trwałość i generowanie energii odnawialnej w trudno dostępnych miejscach. Przyczynia się do zmniejszenia śladu CO2 przemysłu, poprawia efektywność energetyczną i umożliwia odzysk ciepła odpadowego.
Polskie rozwiązania, sukcesy międzynarodowe
Technologia termoelektryczna oferuje wiele korzyści, takich jak praca poza siecią, trwałość i generowanie energii odnawialnej w trudno dostępnych miejscach. Przyczynia się również do zmniejszenia śladu CO2 przemysłu i poprawy efektywności energetycznej.
Prof. dr hab. Wojciechowski realizował projekty między innymi z takimi partnerami przemysłowymi jak Honda Ltd, Sasol Technology Ltd, EDF Polska, Synthos S.A, Collins Aerospace Polska, General Electric Aviation Polska, Mesko S.A. i innymi.
GeniCore ma na swoim koncie min. współpracę z NASA oraz innymi agencjami kosmicznymi. To dowód na to, że ich technologia jest doceniana na arenie międzynarodowej. Teraz oferuje maszyny U-FAST Glovebox, umożliwiające przygotowanie spiekanych proszków bez ekspozycji na atmosferę. To kolejny krok w innowacyjnym procesie spiekania Spark Plasma Sintering. Zamówienie na taką maszynę złożył już prestiżowy ośrodek badawczy z Francji czyli CNRS, jeszcze w tym roku zamierza umieścić ją w swoim laboratorium badawczym w Paryżu.
Firma, współpracując z 12 europejskimi partnerami, realizuje obecnie badania w ramach projektu technologii termoelektrycznej START o łącznym budżecie 9,2 mln euro. Kluczowe zagadnienia obejmują min. redukcję zanieczyszczeń poprzez wykorzystanie odpadów górniczych.
Jedno jest pewne – przemysł energetyczny na całym świecie zmierza w kierunku pozyskiwania energii szybko, tanio, bezemisyjnie i z wykorzystaniem żródeł odnawialnych. W tym kontekście transformacja jest nieunikniona, a Polacy być może mają odpowiedź na wyzwanie przejścia na gospodarkę opartą na obiegu zamkniętym także w tym newralgicznym sektorze, bez konieczności wielkich wyrzeczeń.
Źródło: informacja prasowa