Energia elektryczna ze spalin

fot. Zbigniew Sulima/AGH

Generator termoelektryczny z AGH umożliwi odzysk wytwarzanego przez pojazdy ciepła odpadowego

Prof. AGH Krzysztof Wojciechowski z Katedry Chemii Nieorganicznej Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie wraz z zespołem pracuje nad generatorem, który ma przekształcać ciepło spalin samochodowych na energię elektryczną. Przedsięwzięcie prowadzi do skutecznego oszczędzania energii i jednocześnie ma wpływ na ochronę środowiska naturalnego. Dzięki odzyskowi ciepła odpadowego ze spalin, samochody będą mogły zużywać mniej paliwa, zmniejszy się również zanieczyszczenie środowiska, a kierowcy zaoszczędzą pieniądze.

Efekt Seebecka

Innowacyjne rozwiązanie polega na zastosowaniu w samochodach specjalnych generatorów termoelektrycznych, które wprost przekształcają energię cieplną na energię elektryczną. Prace zespołu pod kierunkiem prof. Krzysztofa Wojciechowskiego bazują na wykorzystaniu zjawiska, które odkrył w XIX wieku niemiecki fizyk Tomasz Seebeck. Wykonał on wtedy swoje słynne doświadczenie polegające na połączeniu ze sobą dwóch elementów wykonanych z różnych metali w obwód elektryczny. Ogrzewanie jednego ze złączy przy jednoczesnym chłodzeniu drugiego złącza spowodowało powstanie niewielkiego napięcia i przepływ prądu elektrycznego. Naukowcy do tej pory korzystają z tego zjawiska nazwanego na cześć jego odkrywcy efektem Seebecka. Elementy termoelektryczne - tzw. termopary można spotkać praktycznie w każdym laboratorium - służą one jako sensory do pomiaru temperatury.

Zespół prof. Wojciechowskiego pracuje nad wykorzystaniem tego zjawiska do efektywnego wytwarzania energii elektrycznej. Elementy do konwersji energii cieplnej mają zwykle kształt płytek i wykonane są ze specjalnych półprzewodnikowych materiałów termoelektrycznych. Wystarczy je jedynie ogrzać, aby powstała użyteczna energia elektryczna. - Zaletą modułów termoelektrycznych jest brak jakichkolwiek części ruchomych. Dlatego są niezwykle trwałe i niezawodne. W dodatku charakteryzują się niewielkimi gabarytami i małą wagą. Z powyższych powodów chętnie wykorzystywane są np. do zasilania w energię sond kosmicznych. Były zainstalowane chociażby w wystrzelonych w kosmos ponad trzydzieści lat temu sondach Voyager 1 i 2, i nadal tam działają - podkreśla prof. Krzysztof Wojciechowski.

Fot. Prof. AGH Krzysztof Wojciechowski z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki wraz z zespołem pracuje nad generatorem termoelektrycznym, który ma przekształcać ciepło spalin silników samochodowych w energię elektryczną. 

W Laboratorium Badań Termoelektrycznych WIMiC AGH powstał prototyp urządzenia do konwersji energii cieplnej na energię elektryczną zawierający moduły termoelektryczne podobne do tych montowanych w sondach kosmicznych. Generator termoelektryczny, po zainstalowaniu w układzie wydechowym samochodu, ma zamieniać odpadowe ciepło spalin na prąd elektryczny. Urządzenie to docelowo mogłoby wspomagać lub nawet zastąpić alternator samochodowy.

Materiały termoelektryczne

Działanie urządzenia opiera się na wykorzystaniu specjalnych materiałów funkcjonalnych - są to tzw. materiały termoelektryczne. W przeciwieństwie do Tomasza Seebecka, który użył w swoim eksperymencie zwykłych metali, w nowoczesnych generatorach stosuje się materiały półprzewodnikowe o złożonym składzie chemicznym. Muszą one m.in. zapewniać dużą sprawność i jednocześnie wykazywać się odpornością na wysokie temperatury. Opracowywanie, wytwarzanie i badanie specjalistycznych materiałów termoelektrycznych to domena Laboratorium Badań Termoelektrycznych na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki. -Wytworzenie materiałów, które będą mogły być zastosowane w generatorach termoelektrycznych nie jest proste. Z jednej strony muszą one wykazywać właściwości półprzewodników, z drugiej zaś przewodzić elektryczność tak dobrze jak metale. Ponadto powinny być materiałami izolacyjnymi jeśli chodzi o przewodzenie ciepła tak jak np. szkło czy tworzywa sztuczne. Dodatkowym zagadnieniem jest zapewnienie dużej trwałości w warunkach pracy jakie panują w układzie wydechowym silnika. Pogodzenie tych wszystkich właściwości w jednym materiale jest fascynującym zadaniem, a jednocześnie dużym wyzwaniem dla inżynierii materiałowej - podkreśla prof. Krzysztof Wojciechowski.

Zespół z Laboratorium Badań Termoelektrycznych może pochwalić się opracowaniem nowych tworzyw o właściwościach znacznie lepszych od tych, które posiadają materiały komercyjnie dostępne. Nowe elementy termoelektryczne złożone są z kilku odpowiednio dobranych składników. Charakteryzują się one między innymi, przy tych samych co powszechnie dostępne elementy rozmiarach, dwukrotnie lepszą sprawnością i prawie pięciokrotnie wyższą ilością energii, którą mogą wytworzyć.

Odzysk energii odpadowej

Zespół naukowców wiąże ogromne nadzieje z możliwościami odzysku tzw. ciepła odpadowego. Jako cywilizacja wytwarzamy bowiem ogromne ilości energii, a jednocześnie wykorzystujemy ją w sposób bardzo rozrzutny. Duże ilości energii marnuje się np. w pojazdach samochodowych, procesach technologicznych i różnego typu urządzeniach. Sama idea przetwarzania odpadowego ciepła w energię elektryczną jest atrakcyjna m.in. dla biznesu zajmującego się produkcją i dostarczaniem energii.  

Generatory termoelektryczne nie są jeszcze na tyle wydajne, aby zastąpić np. przemysłowe generatory w elektrowniach, ale ich zastosowanie np. w samochodach może przynieść znakomite rezultaty. Jak pokazuje bilans energetyczny samochodu, większość silników spalinowych wykorzystuje zaledwie około 40% wytwarzanego ciepła. Na przykład, żeby wytworzyć moc mechaniczną 100 kW potrzebujemy aż 250 kW ciepła uzyskanego ze spalenia paliwa. Pozostałe 150 kW jest tracone i rozpraszane w otoczeniu m.in. przez układ chłodzenia i układ wydechowy samochodu.

Rys. 1. Przykładowy bilans energetyczny samochodu. Samochód o mocy mechanicznej 100 kW wytwarza 150 kW ciepła, które nie jest w żaden sposób wykorzystywane.

Żeby lepiej zobrazować jak dużo energii jest tracone, można posłużyć się porównaniem do potrzeb domu jednorodzinnego. Przykładowy mały dom jednorodzinny posiada piec grzewczy o mocy ok. 25 kW. Z powyższych obliczeń wynika, że samochód może tracić do 150 kW ciepła. Odpowiada to potrzebom aż sześciu domów. 

Rys. 2. Porównanie odpadowej mocy cieplnej wytwarzanej przez samochód z potrzebami energetycznymi przeciętnego domku jednorodzinnego. 

- Oczywiście powyższe wyliczenia mają charakter bardzo uproszczony. Niemniej jednak dobrze ilustrują skalę problemu. - komentuje prof. Wojciechowski. - Odzyskanie całej odpadowej energii w praktyce nie jest możliwe. Ale pozyskanie nawet niewielkiej jej części ma sens jeśli weźmiemy pod uwagę liczbę samochodów jeżdżących po naszych drogach.

Dzięki generatorowi termoelektrycznemu część tej odpadowej energii będzie można przetworzyć na użyteczną energię elektryczną, co w końcowym efekcie prowadzi do zaoszczędzenia paliwa. Zastosowaniem tego typu rozwiązań zainteresowane są wielkie koncerny samochodowe takie jak BMW, czy Honda. Aby wprowadzenie tego urządzenia do powszechnego użytku było ekonomicznie uzasadnione musi posiadać wystarczającą moc i sprawność. Do tego potrzebna jest wysoka temperatura oraz tworzywa, które pod jej wpływem nie ulegną degradacji. Naukowcy z AGH pracują właśnie nad materiałami, które mają spełniać te warunki.

Prototyp generatora termoelektrycznego

Zespół z Laboratorium Badań Termoelektrycznych współpracuje z polską firmą, która wykonała prototyp badawczy generatora termoelektrycznego w oparciu o przekazane założenia projektowe. Prototyp skonstruowany przy zastosowaniu dostępnych komercyjnie materiałów został wykorzystany do analizy zagadnienia odzysku ciepła odpadowego z układów wydechowych silników spalinowych. Badania były przeprowadzone w Instytucie Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej zarówno na różnego typu silnikach zainstalowanych na hamowni silnikowej jak i w realnych warunkach na ciągniku rolniczym. Wyniki przeprowadzonych eksperymentów potwierdzają, że silnik ciągnika o mocy ok. 240 kW wydziela przez rurę wydechową spaliny, w których zawarte jest od 200 do 250 kW ciepła.

Fot. Badania nad prototypem generatora TEG prowadzone we współpracy z Instytutem Silników Spalinowych i Transportu z Politechniki Poznańskiej pokazują, że silniki o mocy mechanicznej 250 kW emitują praktycznie tyle samo ciepła przez rurę wydechową. 

Nasz prototypowy generator uzyskał maksymalną moc ok. 200W. Jest to wystarczająco dużo by zasilić np. oświetlenie pojazdu i niektóre urządzenia elektroniczne. - mówi prof. Wojciechowski. - Aby takie urządzenie mogło zastąpić alternator, jego moc powinna być 4-5 -krotnie wyższa. Szacujemy, że zastosowanie naszych kompozytowych materiałów termoelektrycznych powinno pozwolić nam na zwiększenie mocy do ok. 1000 W i dwukrotne podniesienie sprawności urządzenia, co w pełni zaspokoiłoby potrzeby pojazdów drogowych.

Tego typu urządzenia mogłyby znaleźć szersze zastosowania niż tylko w motoryzacji, przykładowo mogłoby być użyte do konwersji energii słonecznej, czy geotermalnej. W tym momencie naukowcy finalizują działania nad utworzeniem konsorcjum z firmą, która chciałaby się zająć produkcją tego rodzaju generatorów. Przez następne dwa lata będą trwały prace nad prototypami urządzeń nadających się do sprzedaży. 

Źródło: Anna Żmuda, agh.edu.pl