Obecnie jedynie około 40 proc. energii pochodzącej m.in. ze spalania węgla i węglowodorów jest wykorzystywane, zaś pozostałe 60 proc. rozprasza się w powietrzu w postaci ciepła odpadowego.

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. "Tak, jak w przypadku ogniw fotowoltaicznych, ich integralną częścią są elementy mające formę niewielkich, połączonych szeregowo kostek półprzewodnikowych" - wyjaśniono w komunikacie Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

W typowych konstrukcjach elementy termoelektryczne umiejscowione są pomiędzy ceramicznymi okładzinami, które pełnią rolę izolatora. Przy podgrzewaniu jednej z okładzin i chłodzeniu drugiej powstaje napięcie elektryczne i wytwarzany jest przepływ prądu.

Do tej pory moduły termoelektryczne nie są w pełni wykorzystywane głównie dlatego, że są mało wydajne i drogie. Na razie używane są m.in. przez NASA w sondach i łazikach kosmicznych. "W ich przypadku ciepło, które następnie konwertowane jest na prąd, produkowane jest w wyniku rozpadu radioaktywnych izotopów, np. plutonu-238. Podczas misji kosmicznych trudno wyprodukować prąd innymi metodami, więc cena jego wytworzenia nie jest głównym czynnikiem przy wyborze wykorzystywanej do tego technologii" - podkreślono w informacji prasowej AGH.

Zespół kierowany przez dr. hab. Krzysztofa Wojciechowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH we współpracy z naukowcami z Sieci Badawczej Łukasiewicz oraz Instytutu Fizyki PAN w Warszawie opracował i wytworzył prototypowe moduły termoelektryczne o gęstości mocy zbliżonej do 2,5 kW/m2. Naukowcy deklarują, że znacząco obniżyli koszt modułów w stosunku do komercyjnych odpowiedników. Osiągnęli to m.in. dzięki zastąpieniu ceramicznych okładzin mniej kosztownymi i znacznie lepiej przewodzącymi ciepło stopami aluminium. Jak zaznaczają, stopy aluminium są też łatwiej formowalne niż ceramika, dzięki czemu można konstruować moduły o niemal dowolnych kształtach dostosowanych do danego systemu odzysku ciepła.

W ocenie twórców proces technologiczny 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 1 W mocy elektrycznej powinna być znacznie korzystniejsza niż w przypadku paneli fotowoltaicznych" – zauważa prof. Wojciechowski.

Twórcy wynalazku podkreślają, że powszechne korzystanie z dobrodziejstw tej technologii wymaga obniżenia kosztów wytworzenia konwerterów. "Cena modułu termoelektrycznego stworzonego w warunkach laboratoryjnych, gdzie wszystkie prace były wykonywane niemalże ręcznie przez członków zespołu, osiąga wartość zbliżoną do smartfona z najwyższej półki" - podkreślono w komunikacie AGH. Zdaniem twórców "automatyzacja i masowość produkcji pozwoliłaby na obniżenie kosztów wytworzenia, co najmniej do poziomu powszechnie dostępnej fotowoltaiki".

Dlatego naukowcy szukają inwestora, który zbuduje prototypową linię produkcyjną. Prof. Wojciechowski zaznacza, że firmy produkujące bądź rozwijające technologie termoelektryczne istnieją dziś tylko w Chinach, USA, Ukrainie i Rosji, zaś "na rynku europejskim praktycznie nie ma konkurencji".

Jak podkreślono w informacji prasowej z uczelni, zespół prof. Wojciechowskiego od lat rozwija technologie konwersji odpadowej energii cieplnej na prąd. Oprócz tanich modułów uzyskano również "wydajniejsze i perspektywiczne, choć droższe" materiały termoelektryczne o rekordowej sprawności przekraczającej 15 proc. "Produkty dostępne obecnie na rynku osiągają sprawność rzędu 4-5 proc., stosowane w łazikach marsjańskich Curiosity i Perseverance 8 proc., a my dokładamy prawie drugie tyle" – zaznacza naukowiec AGH.

Jak wyjaśniono w informacji prasowej, 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. "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" - podkreśla uczelnia.

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

"W przypadku pierwszej naukowcy rozwinęli koncepcję materiałów gradientowych, w których za pomocą starannie wyselekcjonowanych domieszek regulują jednocześnie dwa parametry mające wpływ na lokalną wartość parametru ZT: energię Fermiego oraz szerokość przerwy energetycznej. W przypadku drugiej – opracowali materiały kompozytowe, w których transport ciepła jest znacząco ograniczony przy zachowaniu dobrego przewodnictwa elektrycznego" - informuje AGH.

Jak wyjaśnił prof. Wojciechowski, "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" - tłumaczy naukowiec z AGH. "Jesteśmy natomiast w stanie wyprodukować materiał, który stanowi barierę dla transportu ciepła podobnie jak gąbka czy styropian, a jednocześnie przewodzi prąd jak metale" – podsumowuje.

Prace zespołu realizowane są w ramach projektów finansowanych przez FNP oraz NCBR.

Nauka w Polsce

amk/ zan/