Termoelektryki – czy polska innowacja, która podbija zagranicę znajdzie uznanie także w kraju?

W ostatnich latach coraz częściej słyszymy o konieczności przejścia na odnawialne źródła energii. To nie tylko kwestia ekologii, ale także suwerenności energetycznej. W Polsce, ze względu na nasze położenie geopolityczne, ta dyskusja jest szczególnie żywa Jednak nie jest to jedyny powód – Polacy wyrastają na liderów technologii, która może odegrać kluczową rolę w energetycznej transformacji.                            

Termoelektryki lepsze niż fotowoltaika         

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 3 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 tysięcy 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.

Zespół prof. dr hab. Krzysztofa Wojciechowskiego od lat z powodzeniem prowadzi badania nad materiałami zwanymi termoelektrykami. Kierownik Laboratorium Badań Termoelektrycznych, z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie i jego zespół stworzyli przełomowe moduły termoelektryczne ponad dziesięciokrotnie wydajniejsze niż ogniwa fotowoltaiczne przy zbliżonych kosztach produkcji.

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 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 porównywalnej do dzisiejszych paneli fotowoltaicznych.

Cena plus 10 krotna skuteczność pozwala postawić tezę, że termoelektryczność to jeden z ważniejszych polskich projektów ekologicznych.         

Czy termoelektryczność zdetronizuje fotowoltaikę?

“Wcale nie musi, może wręcz współgrać z fotowoltaiką. Moduły termoelektryczne umieszczone w elektrowni słonecznej mogą zwiększać efektywność instalacji fotowoltaicznej, która często zajmuje całe hektary i w ten sposób ograniczyć nawet o 40% powierzchnię niezbędną do uzyskania zasilania”. – tłumaczy dr inż. Marcin Rosiński z warszawskiej firmy Genicore.

Firma której zaufała nawet NASA

Genicore jest liderem w dziedzinie materiałów termoelektrycznych. Oferowana przez tę firmę maszyna o nazwie U-FAST Glovebox zajmuje zaledwie 3 m², a kosztuje tyle, co duże mieszkanie w Warszawie. To narzędzie może z dotychczas utrudnioną produkcję materiałów termoelektrycznych.

U-FAST Glovebox eliminuje to, co dotychczas sprawiało, że wytwrzanie termoelektryków było kosztowne i trudne ze względu min. na warunki atmosferyczne, pozwala produkować termoelektryki w warunkach kontrolowanej zawartości tlenu i wilgotności. Połączenie innowacyjnej technologii SPS (Spark Plasma Sintering) z komorą rękawicową (Glovebox) umożwia wytwarzanie materiałów poprzez proces spiekania bezpośrednio po etapie mechanicznej syntezy (mechanical synthesis).

“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.           

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.

Genicore specjalizuje się w maszynach Spark Plasma Sintering, czyli w technologii spiekania, która umożliwia szybkie i ekonomiczne wytwarzanie materiałów termoelektrycznych. 

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.

Czy zmarnujemy kolejną polska technologię która mogła byc przełomem? Sprzedawana na rynki zagraniczne.

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 ntb, jeszcze w tym roku zamierza umieścić ją w swoim laboratorium badawczym w Paryżu.

Czy to kolejna polska innowacja, która powędruje za granicę, podczas, gdy w Polsce jej potencjał nie będzie wykorzystywany?

Twórcy mają nadzieję, że tym razem tak się nie stanie, wszak cena nie uchodzi za najwyższą, a spektrum zastosowań urządzenia do wytwarzania materiałów termoelektrycznych jest bardzo szerokie.

Według Marcina Rosińskiego urządzenie od GeniCore produkuje materiały, które mają wiele zastosowań. Dlatego nietrudno sobie wyobrazić podmiot, który zechce produkować materiały na zamówienie konkretnych klientów z bardzo wielu branż – właściwie w każdej, od energetycznej i paliwowej, poprzez hutniczą aż po petrochemię. Termoelektryki rozwiązują bowiem różnorodne problemy. Wszędzie, gdzie znajdziemy rurociągi i urządzenia, które znacząco się nagrzewają poprawiają one chociażby bezpieczeństwo pracy, ale można też wyobrazić sobie nie wyładowujące się baterie termoelektryczne na potrzeby IoT. Dodatkową zaletą termoelektryków jest fakt, że są bezobsługowe, nie mają części ruchomych i mogą produkować energię przez wiele wiele lat. “Co ważne, etap rozwoju technologii U-FAST już wyszedł z laboratorium, dysponujemy urządzeniem zdolnym do efektywnego spiekania nawet miliona elementów składowych modułów rocznie.” – zapewnia dr Rosiński.

I być może dr Rosiński ma rację, jeśli spojrzeć na fakt, że rodzimy Orlen jeden ze swoich programów pilotażowych poświęcił właśnie modułom termoelektrycznym, oferując zgłaszającym się do programu “Orlen Skylight” dostęp do własnej infrastruktury a nawet finansowanie, po to, aby powstała testowa linia modułów termoelektrycznych w ramach wyzwania pod nazwą Zagospodarowanie ciepła odpadowego i nikotemperaturowego ciepła produkcyjnego.

Magazyn „Science” potwierdza, że dla materiałów termoelektrycznych znajdzie się wiele zastosowań. Technologia sprawdzi się nie tylko w elektrowniach. Doskonale sprawdzię się w przemyśle motoryzacyjnym, użyta np. do tworzenia nowej generacji bardziej ekologicznych silników samochodowych, a także w przemyśle ciężkim, w rafineriach, hutach jako efektywna i niskoemisyjna energetyka.

Genicore współpracując z 12 europejskimi partnerami, realizuje obecnie badania w ramach projektu technologii termoelektrycznej START o łącznym budżecie 9,2 mln euro. Jest to jedno z najwyższych tego typu  dofinansowań dla polskiej firmy. 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. Czy problemy z zieloną energią rozwiążą właśnie Polacy? Nie można tego wykluczyć.