Zespół kierowany przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Wojciechowskiego z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH we współpracy z partnerami 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, co daje im dziesięciokrotną przewagę w tym względzie nad komercyjnymi ogniwami fotowoltaicznymi.
Technologie używane dotychczas do konwertowania ciepła odpadowego na prąd cechuje niska wydajność i wysoka cena, przez co ich zastosowania są mocno ograniczone. Wkrótce może się to zmienić za sprawą naukowców i doktorantów z AGH, którzy opracowali niedrogie moduły termoelektryczne o gęstości mocy ponad dziesięciokrotnie przewyższającej ogniwa fotowoltaiczne. Teraz poszukują inwestora, który podejmie się stworzenia prototypowej linii produkcyjnej.
W ocenie twórców proces technologiczny wytwarzania oraz koszt materiałowy opracowanego 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 też znacznie korzystniejsza niż w przypadku paneli fotowoltaicznych – deklaruje 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, stopy aluminium są łatwiej formowalne niż ceramika, dzięki czemu można konstruować moduły o niemal dowolnych kształtach dostosowanych do danego systemu odzysku ciepła.
Abyśmy mogli powszechnie zacząć korzystać z dobrodziejstw opisanej technologii, niezbędne jest obniżenie 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. Jednak zdaniem twórców automatyzacja i masowość produkcji pozwoliłaby na obniżenie kosztów wytworzenia co najmniej do poziomu powszechnie dostępnej fotowoltaiki. Dlatego naukowcy poszukują inwestora, który będzie gotów podjąć się tego wyzwania.
– 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.
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 znacznie wydajniejsze i perspektywiczne, choć niestety natenczas 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 – mówi uczony.
Doskonałe parametry wydajnościowe to wynik próby przełamania paradygmatu, który 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 zazwyczaj zmienia się on znacząco wraz ze zmianami 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. 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.
– 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: Akademia Górniczo-Hutnicza)
