Produkcja prądu z ciepła odpadowego

zarowka

Użytkownicy laptopów, zwłaszcza namiętni gracze, doskonale wiedzą, co oznacza marnowanie ciepła. Komputery leżące na naszych udach zmuszone do największego wysiłku parzą – dlatego przedsiębiorczy producenci gadżetów wymyślili „chłodzące” podstawki pod laptopy. Nie zmienia to faktu, że energia zmagazynowana w baterii zamiast być wykorzystywana przez maszynę, zamieniana jest na ciepło i komputer czasami parzy.

Rzadko kiedy zdajemy sobie sprawę, że np. w zakładach przemysłowych prawie dwie trzecie energii jest tracona w postaci tzw. ciepła odpadowego. Z mniejszymi lub większymi stratami ciepła mamy do czynienia właściwie we wszystkich urządzeniach technicznych, np. nasze samochody podgrzewają miasta. To ciepło można jednak wykorzystać. Nowy materiał opracowany przez zespół chemików i fizyków amerykańskich i chińskich będzie w stanie zamienić na energię elektryczną 20 proc. ciepła odpadowego.Materiał bazuje na półprzewodniku – tellurku ołowiu ułożonym w wyrafinowane nanostruktury. Badacze z Northwestern University i Uniwersytetu Stanu Michigan opisali odkrycie w ostatnim wydaniu magazynu „Nature”.

Kiedy nowy materiał trafi do powszechnego użytku – a wedle badaczy ma wszelkie na to szanse – użytkownicy laptopów odniosą korzyść podwójną: komputer przestanie parzyć, a bateria będzie wystarczała na dłużej. Mniejsze urządzenia mobilne, które potrzebują do łączności ze światem sporo energii elektrycznej, np. tablety czy smartfony, noszone pod ubraniem będą mogły być doładowane ciepłem naszego ciała.

– Uzyskaliśmy najskuteczniejszy na świecie system termoelektryczny i działa on w każdej temperaturze – powiedział prof. Mercouri Kanatzidis z Wydziału Chemii, Northwestern University w Evanston. – Nasz materiał może skutecznie zamieniać ciepło na energię elektryczną.Na tym poziomie skuteczności perspektywy odzyskania ciepła odpadowego i zamienienia go w energię użyteczną są realne. Dotychczas znane materiały termoelektryczne były mało wydajne, ich zastosowanie na skalę przemysłową było nieopłacalne. Mimo słabej wydajności wykorzystanie ciepła do produkcji energii jest stosowane w wyjątkowych przypadkach.

Źródłem energii marsjańskiego łazika Curiosity jest radioizotopowy generator termoelektryczny. Tam także wykorzystywany jest tellurek ołowiu, choć system, jaki pracuje na pokładzie łazika, jest zaledwie w połowie tak skuteczny jak mógłby być, gdyby zastosować materiał opisany w „Nature”. Nowy materiał znacznie poprawia perspektywę odzyskiwania ciepła w samochodach. Może pozwolić na ładowanie akumulatorów w naszych autach, dzięki ciepłu, które ucieka rurą wydechową. Odzyskiwanie ciepła z układów wydechowych samochodów testowało m.in. BMW. Silniki nieobciążone alternatorem będą zużywały znacznie mniej kosztownego paliwa i emitowały mniej szkodliwych substancji. Znakomity efekt naukowcy przewidują w przypadku dużych silników spalinowych pracujących nieprzerwanie przez dłuższy czas, na przykład służące do napędu statków czy okrętów.


Przemysłowe źródła ciepła odpadowego

Przemysłowe źródła ciepła odpadowego.

W „Nature” badacze zwracają uwagę na niezwykle obiecujące perspektywy zastosowania tego materiału do odzyskiwania energii w przemyśle, np. w hutach szkła i rafineriach. Wykorzystanie marnowanego ciepła znacznie zwiększyłoby efektywność elektrowni zasilanych ropą naftową bądź węglem, a nawet nuklearnych.W niektórych zakładach przemysłowych temperatura odpadów osiąga 400–600°C. Odzyskiwanie ciepła w takich przypadkach przyniosłoby olbrzymie oszczędności. – Ludzie często pytają, co może rozwiązać nasze problemy energetyczne – mówi prof. Vinayak Dravid, specjalista inżynierii materiałowej z Uniwersytetu Stanowego Michigan. – Nie ma jednej recepty, ale zamiana marnowanego ciepła na elektryczność jest jednym ze sposobów radykalnej poprawy wykorzystania energii. Teraz możemy na serio o tym myśleć.

– To, co udało się osiągnąć, to prawdziwy przełom – uważa prof Dravid. – Pracujemy dalej – dodał Mercouri Kanatzidis. – Mamy nadzieję uzyskać jeszcze lepsze właściwości materiału.

 Źródła: 
[1] http://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/waste-heat-to-electricity-breakthrough | 01.07.2013
[2] Converting waste heat into electricity by Micky.!, flickr.com, CC BY 2.0
[3] Waste heat by Oregon State university, flickr.com, CC BY 2.0

3 komentarze
  1. Krzysztof Lis Odpowiedz

    Pytanie tylko, czym chłodzić tę “zimną” stronę takiego modułu — bo jeśli np. wentylatorem, to spora część energii wytworzonej zostanie zużyta do jego napędu.

    • Norbert Piątek Odpowiedz

      Jak najbardziej jest to trafna uwaga, dlatego już wyjaśniam. Generalnie chodzi o różnicę temperatur pomiędzy złączem przyłożonym do układu wydechowego, (temperatura około 50 stopni Celsjusza zależnie oczywiście od miejsca zamontowania układu) a drugą stroną tzw. “zimną” i bynajmniej nie chodzi tu o temperaturę w okolicach 0 stopni, a na przykład temperaturę powietrza pod nadwoziem samochodu wynoszącą 20-30 stopni. Cały system opiera się o termoelektryczne zjawisko Peltiera. W wyniku pochłaniania energii na jednym złączu i wydzielania jej na drugim, między złączami powstaje różnica temperatur. Efekt ten zachodzi na styku dwóch przewodników (lub też półprzewodników) typu n i p (negative i positive) pomiędzy tak zwanymi złączami Peltiera. Przepływający prąd ogrzewa jedną o chłodzi drugą stronę układu. Zagłębiając się w temat, ochłodzeniu ulega to złącze którego elektrony przechodzą z przewodnika o niższym, do przewodnika o wyższym poziomie Fermiego. Jest to więc efekt samoczynny po dostarczeniu energii do układu zbudowanego z materiału o właściwościach termoelektrycznych. Wentylator czy też inne urządzenie jest zbędne. Naturalnie po zamianie kierunku prądu na przeciwny zjawisko ulega odwróceniu. Z zastosowań domowych, efekt Peltiera stosuje się w małych lodówkach, klimatyzacji, termostatach w terrariach i akwariach, czy też popularne ostatnio pompy ciepła. Plus dla Pana za dociekliwość. Polecam artykuł o latarce działającej na podobnej zasadzie. Pozdrawiam.

  2. Anka Odpowiedz

    O takich przełomach aż miło poczytać. Świetny artykuł. Ekologiczna energia to super sprawa i fajnie, że coraz więcej firm to widzi.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *