Generator termoelektryczny TEG do konwersji energii cieplnej

Zużycie energii zwiększa się nieustannie, podczas gdy zasoby podstawowych surowców energetycznych (np. ropy, węgla czy gazu) maleją. Część energii wykorzystywana jest nieefektywnie. Możliwe jest jednak wychwycenie cieplnej energii odpadowej i zamiana na energię elektryczną.

Zużycie energii zwiększa się nieustannie, podczas gdy zasoby podstawowych surowców energetycznych (np. ropy, węgla czy gazu) maleją. Rosnące zapotrzebowanie na energię oraz wizja wyczerpania zasobów naturalnych stanowią niewątpliwie jeden z najistotniejszych problemów cywilizacji.

Koncern BP prognozuje, że wzrost ten będzie kontynuowany i do roku 2040 światowe zapotrzebowanie na energię zwiększy się nawet o 42% BP [Statistical Review of World Energy economics 2017]. W wyniku nieprzerwanego wzrostu zużycia surowców energetycznych rośnie również emisja gazów cieplarnianych a także koszty produkcji energii. Zrównoważony rozwój Polski i innych krajów europejskich, a także troska o środowisko naturalne wymagają zatem ograniczenia wykorzystywania zasobów paliw kopalnych przy jednoczesnych inwestycjach w zrównoważoną gospodarkę energią, wysoką efektywność energetyczną i rozwój technologii opartych o źródła energii odnawialnej.

Zauważyć można, że znaczna część wytwarzanej współcześnie energii nie jest wykorzystywana efektywnie. Lawrence Livermore National Laboratory co roku opracowuje schemat dotyczący szacowanej wartości energii zużytej w Stanach Zjednoczonych (z podziałem na źródła pochodzenia oraz sposób jej wykorzystania). W 2017 roku bilans energetyczny USA wynosił 97,7 quada (1 quad = 1,055·106 TJ) [J. Lucchese et.al. “Energy and Environment,” Energy and Environment, 2017]. Dla porównania w tym samym roku w Polsce, zużycie energii pierwotnej ogółem wynosiło 4,2 quada [D. Bochenek i inni “Ochrona środowiska” GUS 2017].

Przytoczony bilans energetyczny USA pokazuje, że tylko 31,7% (37,2 quada) energii zawartej w źródłach pierwotnych (np. ropie naftowej, gazie ziemnym i węglu) było w praktyczny sposób wykorzystane w zastosowaniach mieszkalnych, komercyjnych, przemysłowych lub do celów transportowych. Jednak aż 68,3% (66,7 quada) tej energii zostało utracone, głównie w postaci rozpraszanego w atmosferze ciepła. Należy podkreślić, że straty w poszczególnych sektorach konsumpcji energii są zróżnicowane.

Raport Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Annual Energy Review 2017 podaje, że w sektorze transportowym, tylko 20% – 30% zużywanej energii było bezpośrednio zamienione na pracę mechaniczną, podczas gdy pozostałe 70% – 80% zostało utracone głównie w postaci energii zawartej gorących gazach wylotowych oraz odprowadzonej przez chłodnice w pojazdach samochodowych. Dlatego też odzyskanie przynajmniej części tego ciepła odpadowego poprzez przekształcenie go w użyteczną dla społeczeństwa energię elektryczną, jest działaniem korzystnym z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia. Jedną z możliwości wykorzystania odpadowej energii cieplnej jest jej zamiana na energię elektryczną przy zastosowaniu generatorów termoelektrycznych TEG.

Działanie generatorów termoelektrycznych TEG polega na odebraniu energii cieplnej ze źródła (poprzez odpowiednio skonstruowany wymiennik) i przeprowadzeniu strumienia ciepła przez strukturę elementów półprzewodnikowych, które zamieniają jej część bezpośrednio na energię elektryczną. Generatory termoelektryczne wykazują się wieloma pożądanymi, z punktu widzenia współczesnych technologii – cechami: niską masą, prostotą konstrukcji, bezgłośną pracą, wyjątkową trwałością i niezawodnością, a także stosunkowo niskimi kosztami produkcji. Tego typu urządzenia stosowane są dziś do zasilania np. sond kosmicznych, stacji meteorologicznych czy też w specjalistycznego sprzętu wojskowego.

Pomimo wielu zalet, powszechne zastosowanie generatorów termoelektrycznych wymaga dalszych badań skoncentrowanych na zwiększeniu sprawności zarówno wymienników jak i materiałów półprzewodnikowych (termoelektrycznych). Stosowane obecnie materiały do komercyjnego wytwarzania modułów termoelektrycznych są oparte na domieszkowanym tellurku bizmutu (Bi2Te3) oraz tellurku antymonu (Sb2Te3) i pozwalają na uzyskanie niewielkiej sprawność – rzędu 5 %, głównie z powodu ograniczeń związanych z niską temperaturą trwałości tych materiałów (do 200°C). Podniesienie sprawności bądź opłacalności ekonomicznej generatorów TEG jest jednak możliwe – aby to osiągnąć należy zastosować nowe rozwiązania konstrukcyjne przy jednoczesnym wykorzystaniu tańszych materiałów termoelektrycznych o wyższym zakresie temperatur pracy.

Udaną próbę połączenia nowej technologii (generatora TEG) z istniejącymi nowoczesnymi instalacjami energetycznymi przeprowadzono w trakcie realizacji projektu badawczego Innowacyjne moduły termoelektryczne do konwersji energii (2015-2018). Zaprojektowany i wykonany w projekcie TERMOMOD (finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu PBS3 i firmę NOVAGO Sp. z o.o.) generator termoelektryczny TEG, wykorzystujący ciepło ze spalanego biogazu, bezpośrednio konwertuje energię cieplną na energię elektryczną w wyniku zjawisk fizycznych występujących w elementach aktywnych generatora, zwanych modułami termoelektrycznymi. Generator ma charakter prototypu (stanowiska testowego), w którym zainstalowane zostały komercyjne oraz wytworzone w projekcie innowacyjne moduły termoelektryczne. Generator TEG stał się niezbędnym ogniwem projektu, gdyż umożliwił przetestowanie modułów termoelektrycznych nie tylko w warunkach laboratoryjnych, ale także w rzeczywistych warunkach przemysłowych.

W zakładach NOVAGO wykorzystywane są unikatowe w skali Polski technologie produkcji energii z odpadów komunalnych. Jedna technologia dotyczy wytwarzania paliwa alternatywnego RDF, natomiast druga, w której uczestniczył zespół projektowy, związana jest z otrzymywaniem biogazu, z odpadów organicznych. NOVAGO jest liderem przetwarzania odpadów komunalnych i największym producentem paliwa alternatywnego w Polsce jednocześnie specjalizując się w nowoczesnym gospodarowaniu odpadami komunalnymi i wdrażaniu nowych technologii energetycznych.

Innowacyjne podejście do tematu odzysku energii odpadowej z wykorzystaniem efektów termoelektrycznych pozwoliło nam na wykonanie milowego kroku na drodze od badań podstawowych i prac rozwojowych prowadzonych w jednostkach badawczych (w tym przypadku w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych i Uczelnianym Centrum Badań „Materiały Funkcjonalne” Politechniki Warszawskiej) do badań przemysłowych prowadzonych w warunkach rzeczywistych. Współpraca wiodących jednostek naukowych z liderem w zakresie przetwarzania odpadów, wiedza, profesjonalizm oraz zaangażowanie pracowników NOVAGO pozwalają nam realnie myśleć o wdrożeniu technologii odzysku energii z wykorzystaniem generatorów termoelektrycznych TEG.

Należy dodać, że wykorzystanie technologii TEG nie dotyczy tylko biogazu czy też ogromnych obiektów takich jak np. elektrociepłownie – stosując technologię wykorzystującą efekty termoelektryczne możemy usprawnić istniejące procesy technologiczne wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z niezagospodarowanym ciepłem odpadowym (czyli ok. 60% energii na świecie).

Reasumując nawet jeżeli zastosujemy technologię pozwalającą na odzysk nawet niewielkiej ilości energii (jak w przypadku w TEG od kilku do kilkunastu procent) i podniesiemy sprawność istniejących bądź wdrażanych systemów energetycznych to mówimy tu o gigantycznych zyskach energetycznych i finansowych zarówno w skali Polski czy też świata.

Prototypowy generator termoelektryczny TEG opracowany w ramach projektu TERMOMOD.

Zakład energetyczny firmy NOVAGO znajdujący się w Kosinach. Na zdjęciu widoczny fragment bioreaktora z elektrociepłownią kogeneracyjną (CHP). W zakładzie tym został zainstalowany prototypowy generator termoelektryczny TEG, w którym prowadzone były badania naukowe.

Schemat ideowy układu instalacji w zakładzie energetycznym w Kosinach (k. Mławy), w którym zainstalowany został prototypowy generator termoelektryczny TEG.

Tekst: Dr inż. Rafał Zybała

Więcej na temat partnerów konsorcjum i stosowanych technologii, znaleźć można na stronach: www.itme.pl; www.ucb.pw.edu.pl; www.noago.pl.