Z prof. dr. hab. inż. Krzysztofem Wojciechowskim z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie rozmawia Zygmunt Jazukiewicz.
– Unikalne Laboratorium Technologii Termoelektrycznych (TT), którym Pan kieruje osiągnęło ciekawe wyniki badań nad zjawiskiem termoelektrycznym. Jest to zjawisko znane ze szkoły, ale niewiele wiemy o możliwościach, jakie daje energetyce. Na czym polega główne osiągnięcie TT i jakie szanse wykorzystania mogą dać nowe technologie i materiały?
– Zjawiskami, ale przede wszystkim materiałami oraz urządzeniami termoelektrycznymi zajmuję się od ponad 20 lat. Laboratorium zostało założone z myślą o współpracy z przemysłem. Wynikami naszych prac, w szczególności dotyczącymi technologii, były zainteresowane duże podmioty, takie jak Honda czy General Electric, ale też Synthos i EDF – francuski koncern energetyczny i kilka innych.
– W opisie celów Laboratorium znalazł się fragment: „Powołane centrum badawczo-wdrożeniowe będzie miało za zadanie zaspokojenie rodzących się nowych potrzeb rozwijającego się polskiego przemysłu energetycznego. W szczególności będą w nim świadczone kompleksowe usługi w dziedzinie opracowania, zastosowania i certyfikacji nowych materiałów, urządzeń termoelektrycznych i innowacyjnych technologii z nimi powiązanych”. Czy z tego należy wnioskować, że polska energetyka w jakiś sposób inspirowała utworzenie Laboratorium?
– W 2015 r. wykonywaliśmy ekspertyzę dla EDF Polska, który ma udziały w polskiej branży elektroenergetycznej. Zapytano nas wtedy, jakie warunki muszą być spełnione, aby technologie termoelektryczne, które opracowywane są w wielu ośrodkach na świecie, mogłyby być zastosowane na szerszą skalę do celów odzysku ciepła odpadowego lub konwersji energii odnawialnej. Nasza opinia była taka, że na dziś podzespoły i urządzenia termoelektryczne są drogie, w porównaniu z siostrzaną technologią – fotowoltaiką, nawet 8–10-krotnie droższe, Wysoka cena konwerterów termoelektrycznych lub modułów Peltiera, czy też modułów generacyjnych wynika z szerokiego obszaru zastosowań. Konwertery przeznaczone jedynie do odzysku tzw. ciepła niskoparametrycznego tj. o niskiej temperaturze mogłyby mieć prostszą konstrukcję i być znacznie tańsze. Ta konkluzja stała się inspiracją do powstania nowego projektu badawczo-rozwojowego, który był realizowany pod moim kierunkiem przez cztery instytuty badawcze i partnera przemysłowego w ramach programu NCBiR – TECH-MAT-STRATEG 2. Celem było opracowanie nowych modułów termoelektrycznych o dużej gęstości mocy, które będą jednocześnie dużo tańsze od tych które aktualnie są dostępne na rynku.
– Ilość ciepła, które można wykorzystać to jedno, ale chyba problemem jest temperatura? Niedawno media doniosły, że naukowcy z MIT i National Renewable Energy Laboratory (NREL) stworzyli, cytuję: „Nowe ogniwo termofotowoltaiczne (TPV), które przekształca ciepło w energię elektryczną z ponad 40-procentową wydajnością (dotąd znane ogniwa osiągnęły 32%) prawie na poziomie tradycyjnych elektrowni z turbiną parową. Ogniwa mają potencjał do wykorzystania w bateriach termicznych na skalę sieciową”. Ogniwa MIT i NREL wymagają temperatur 1900–2400 st. C.
– Technologia TPV o której Pan wspomina, choć bazuje na półprzewodnikach, różni się istotnie od termoelektrycznej. Zasadnicze różnice dotyczą zarówno zakresu temperatur źródeł ciepła, jak i zjawisk fizycznych odpowiedzialnych za konwersję energii. Przy okazji chciałbym dodać mały komentarz odnośnie porównania dotyczącego sprawności technologii TPV z klasyczną energetyką. Rzetelne porównanie powinno uwzględniać także zestawienie temperatur źródeł ciepła. Zgodnie z prawami termodynamiki sprawność maszyn cieplnych, włączając w to urządzenia półprzewodnikowe, ograniczona jest sprawnością wynikającą z cyklu Carnota znanego wszystkim ze szkoły średniej. Znaczące podwyższenie temperatury do 2400°C pozwala na uzyskanie bardzo wysokich sprawności – teoretycznie rzędu nawet 80%. W klasycznych elektrowniach pozyskujących energię ze spalania różnego typu paliw, temperatury zazwyczaj nie przekraczają 1000°C. I w tym zakresie temperatur elektrownie klasyczne wypadają bardzo dobrze, gdyż osiągają sprawność rzędu 90% maksymalnej sprawności Carnota. Analogicznie wyrażona sprawność dla opisywanych konwerterów TPV wynosi znacznie poniżej 10% w tej samej temperaturze. Jak na razie nie jest więc jeszcze opłacalne zastosowanie takich konwerterów w klasycznych elektrowniach węglowych.
Oczywiście można rozważać uzyskanie wyższych temperatur np. w wyniku spalania specjalnych paliw w tym wodoru. Ale z podwyższeniem temperatury spalania wiąże się wiele problemów technicznych zarówno materiałowych, jak i związanych np. ze zwiększoną emisją tlenków azotu. Nie znaczy to, że rozwijanie technologii TPV jest bezcelowe. Być może znajdą one zastosowanie w przyszłości np. w elektrowniach jądrowych lub termojądrowych.
Natomiast w przypadku konwerterów termoelektrycznych, nad którymi pracujemy, ich temperaturowy zakres pracy celowo został zawężony do ok. 200°C. Odpowiada to zakresowi temperatur niewykorzystanych źródeł ciepła, których w przemyśle jest najwięcej np. gazów spalinowych, gorących wyrobów metalurgicznych, szklarskich czy ciepła powstającego przy produkcji materiałów budowlanych – cementu, cegły, gipsu i innych wyrobów.
Ze źródeł ciepła o tak niskiej temperaturze nie da się zasilić tradycyjnej turbiny parowej. Dodatkowo, w przypadku pozyskiwania rozproszonego ciepła odpadowego unoszonego np. przez konwekcję, przenikanie lub promieniowanie osobnym problemem technicznym jest sposób jego przejmowania. Zastosowanie technologii termoelektrycznych wydaje się być dogodne. Przykładem prostego rozwiązania jest instalacja w japońskiej firmie Komatsu, gdzie prostokatny panel termoelektryczny o wymiarach 2×4 m zawieszono nad gorącymi wyrobami wychodzącymi z pieca hutniczego. Panel ten wytwarza moc elektryczną 10 kW, tyle co przeciętna instalacja fotowoltaiczna na dachu, ale jest od niej kilkukrotnie mniejszy.
– Czy udało się Panu dojść do rozwiązania technicznego?
– Tak, w zasadzie możemy pochwalić się nawet dwoma rodzajami osiągnięć. . Pierwsze z nich dotyczą projektu TEAM-TECH finansowanego przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej związanego z opracowaniem nowych klas kompozytowych i gradowanych materiałów termoelektrycznych do konwersji ciepła na prąd elektryczny. Materiały które opracowaliśmy na AGH wykazują maksymalną sprawność konwersji energii przekraczającą 15% przy temperaturze wynoszącej jedynie ok. 400°C. Jest to ponad 2-krotnie więcej w stosunku do analogicznych materiałów komercyjnych.
Drugi sukces ma charakter technologiczny i dotyczy wspomnianego już projektu modułu termoelektrycznego. Tutaj jesteśmy już blisko wdrożenia. Szukamy w tej chwili partnerów przemysłowych, którzy byliby zainteresowani budową prototypowej linii produkcyjnej.
– Darmowe wysokie temperatury można wykorzystać w strefie podzwrotnikowej stosując zwierciadła słoneczne. Dlaczego dotąd nie wykorzystano tej możliwości?
– W wielu ośrodkach na świecie prowadzone są zaawansowane prace nad takimi rozwiązaniami. Na przykład w Australii opracowano prototyp generatora solarnego. W uproszczeniu jest to zwierciadło paraboliczne, w którego ognisku umieszczono generator termoelektryczny o mocy 10 kW. Podobne badania były prowadzone także na wymienionym już MIT czy też w szwajcarskim instytucie EMPA. Choć w przypadku prób użycia tego typu instalacji na obszarach pustynnych pojawiły się problemy. Niestety zwierciadła w warunkach pustynnych pokrywają się kurzem i pyłem. Po jakimś czasie piasek niszczy powierzchnię zwierciadeł, podobnie jak paneli PV i lustra nie działają efektywnie. Wydaje się, że jest to błahy problem ale nie znaleziono jeszcze prostego rozwiązania.
– Ale zwierciadła nie wymagałyby tak gigantycznych powierzchni, jak panele PV przy tej samej mocy. Duże powierzchnie to duże koszty.
– Rzeczywiście zajmowana powierzchnia byłaby istotnie mniejsza. Ale trzeba mieć na uwadze także problemy techniczne – układ z lustrami wymaga użycia elektromechanicznego systemu nadążnego, który cały czas zapewnia odpowiednie skupienie promieni słonecznych na konwerterze termoelektrycznym. To rozwiązanie choć ma wiele zalet to niestety komplikuje system i podnosi też całkowite koszty instalacji.
– Może da się połączyć efekt termoelektryczny z fotowoltaicznym w jednym urządzeniu?
– Często spotykam się z tym pytaniem. Zazwyczaj pytający mają już w głowie gotowe, dość naiwne rozwiązanie polegające na tym, że moduł termoelektryczny umieszczony jest bezpośrednio pod fotowoltaicznym. Niestety ten prosty pomysł nie sprawdza się. Wykonywano już wiele badań na ten temat. Ogniwo fotowoltaiczne w takiej konfiguracji zawsze znacznie traci na sprawności z powodu podniesienia temperatury pracy a różnica temperatur po obu stronach modułu termoelektrycznego jest zbyt mała by wygenerować moc elektryczną rekompensującą straty.
Można jednak podejść do tego zagadnienia trochę inaczej. W tym zakresie mamy nawet własny patent europejski.
Nasz pomysł w uproszczeniu jest rozwinięciem omawianej koncepcji zwierciadła parabolicznego. Różnica jest taka, że lustro pokryte jest specjalną powłoką tlenkową selektywnie odbijającą podczerwień i jednocześnie transparentną w obszarze światła widzialnego. Część widzialną promieniowania słonecznego konwertuje panel fotowoltaiczny umieszczony za półprzepuszczalnym lustrem a podczerwoną moduł termoelektyczny znajdujący się w ognisku optycznym lustra. Rozwiązanie to istotnie wpływa na zwiększenie efektywności z jednej strony dlatego, że wykorzystujemy całe spektrum promieniowania słonecznego a z drugiej redukujemy skutki niepożądanego zjawiska utraty sprawności panelu fotowoltaicznego w wyniku jego ogrzewania przez ciepło słońca. Nasz patent bardzo podobał się ekspertom. Otrzymaliśmy za niego liczne nagrody (w tym platynową i złotą) na międzynarodowych targach wynalazków.
– Czy, w związku z dekarbonizacją forsowaną przez Unię Europejską może Pan liczyć na fundusze unijne przeznaczone na badania nad termoelektrycznością?
– W programach badawczych UE regularnie pojawia się zagadnienie urządzeń termoelektrycznych. Wiele osób dostrzega przyszłość w tej technologii. Oczywiście bardziej rozwinęła się fotowoltaika, ale wydaje się, że technologie termoelektryczne mają porównywalny potencjał. Na razie oprócz problemu podniesienia sprawności konwersji energii, trzeba też rozwiązać liczne kwestie techniczne, np. związane z efektywnym przejmowaniem ciepła, czy też technologiczne umożliwiające osiągnięcie odpowiedniej skali produkcji. Jesteśmy na początku tej drogi jaką kiedyś przeszła fotowoltaika. Nie mniej jednak co raz częściej ośrodki badawcze zajmujące się energetyką odnawialną podejmują ten temat.
– Dziękuję za rozmowę.
