W latach 20. XIX w. niemiecki badacz Thomas Johann Seebeck złączył ze sobą dwa druciki wykonane z różnych metali. Jedno ze złączy ogrzewał, a drugie ochładzał. Nieoczekiwanie igła położonej obok busoli wychyliła się, a Seebeck doszedł do wniosku, że stworzył nowy rodzaj magnesu. Później okazało się jednak, że w obwodzie popłynął prąd elektryczny. Tak odkryte zostało zjawisko termoelektryczności. Dziś termoelektryczność jest odkrywana ponownie. Z banalnego powodu: wokół nas marnuje się mnóstwo ciepła ─ z silników samochodowych, elektrowni, czy laptopów.
Jako pierwsze po termiczne generatory prądu sięgnęły agencje kosmiczne. Nie po to, aby oszczędzać energię, lecz by ją w ogóle wytworzyć. Termoelektryczne zasilanie miały Voyagery, sondy Galileo i Cassini, marsjańskie próbniki Viking, czy wysłany parę lat temu na Czerwoną Planetę pojazd Curiosity. Na pojazdach kosmicznych ciepło pochodziło z rozpadu radioizotopów. Jednak termicznemu generatorowi jest obojętne, co je podgrzewa. Równie dobrze źródłem ciepła może być… piec opalany drewnem, ludzkie ciało albo pracujący procesor komputera.
Dlaczego zatem tak rzadko korzystamy z efektu termoelektrycznego? Po pierwsze potrzebna jest różnica temperatur. Zwykle więc generator termoelektryczny może służyć co najwyżej do odzyskiwania energii ─ np. z pracującego silnika samochodowego czy laptopa. W dodatku nawet przy różnicy temperatur rzędu czterystu stopni Celsjusza sprawność generatorów termoelektrycznych jest niewielka ─ sięga kilku-kilkunastu procent w zależności m.in. od materiałów, z jakich zostanie stworzony generator. I to właśnie dzięki postępowi w tym ostatnim obszarze może nas czekać rozkwit termoelektryczności.
Czytaj także: Ciepłownia na kawę – to już się dzieje
Warunek jest jeden: stworzenie odpowiednich materiałów przewodzących z których można by zbudować generator termoelektryczny. A to już zadanie dla chemików – takich jak Ashutosh Tiwari z Uniwersytetu Utah w Salt Lake City (USA), który na łamach szanowanego czasopisma „Scientific Reports” przedstawił stworzony przez jego zespół materiał termoelektryczny składający się wyłącznie z nietoksycznych składników, a zatem nadający się do masowego wykorzystania w urządzeniach konsumenckich, takich choćby jak tablety i smartfony.
Większość dotychczas opracowanych materiałów termoelektrycznych powstało na bazie pierwiastków raczej mało zdrowych dla ludzi, na przykład kadmu, telluru i rtęci. Próbuje się je wykorzystywać w przemyśle, ale zakazane są wszędzie tam, gdzie w grę wchodzi kontakt z człowiekiem. Materiał, który uzyskał Tiwari, stanowi kombinację związków wapnia, kobaltu i terbu. Poza tym, że nie wykazuje toksyczności, jest też lekki, wytrzymały, efektywny i – jak zapewnia autor badań – względnie tani. „Można go będzie wykorzystać na setki sposobów” – napisał Tiwari w konkluzji swojego artykułu.
Jeden z najprostszych pomysłów, jaki podsuwa naukowiec, to garnki i patelnie, które po ogrzaniu się na kuchence, zyskają nową właściwość: staną się termicznymi generatorami prądu o mocy wystarczającej do naładowania smartfonu. Inna sugestia to wykorzystanie nowego termomateriału do zasilania małych, wszczepianych pod skórę instrumentów medycznych mierzących na przykład temperaturę albo poziom cukru lub cholesterolu. Takie drobiazgi nie potrzebują dużo prądu i zupełnie wystarczy im bransoleta generująca energię z różnicy temperatur między ciałem człowieka a chłodnym powietrzem. “Można też sobie wyobrazić samochody pozyskujące część prądu z różnicy temperatur pomiędzy ich wnętrzem a otoczeniem” – śmiało deklaruje Tiwari. On sam zrobił już zresztą krok ku erze samochodów wyposażonych w generatory termoelektryczności, patentując miesiąc temu odpowiednie rozwiązanie.
Czytaj także: Precyzyjne i efektywne. Drony kuszą energetykę
Tiwari nie jest oczywiście jedynym naukowcem, który w ostatnich latach intensywnie pracował nad produkcją energii elektrycznej z ciepła generowanego przez silniki samochodowe. W końcu z każdych 10 litrów benzyny aż siedem jest bezpowrotnie marnowana w postaci ciepła odpadowego, a jedynie 3 litry służą nam efektywnie do przemieszczania się. Nad wykorzystaniem efektu termoelektrycznego od lat pracują także naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej i z krakowskiego centrum badawczo-rozwojowego koncernu ABB.
Ten ostatni już zresztą wykorzystuje generatory termoelektryczne w swoich produktach ─ służą przede wszystkim do zasilania czujników ciepła zlokalizowanych na rurach. Dzięki nowemu rozwiązaniu czujniki nie wymagają ingerencji w same rury, kładzenia kabli telekomunikacyjnych, ani absolutnie żadnych kabli elektrycznych. Nic więc dziwnego, że niedawno zainstalował je producent wódki… Absolut. To właśnie fabryki ─ gdzie mamy wiele rur z wysokimi i niskimi temperaturami, które wymagają ogromnej ilości czujników, są w tej chwili głównymi producentami energii elektrycznej bezpośrednio z różnicy temperatur. Kolejne rozwiązania są już jednak gotowe do wdrożenia w inteligentnych domach ─ elektryczne termostaty korzystające z różnicy temperatur między rurami i pomieszczeniem. Ogromny potencjał ma także wykorzystanie ciepła ścieków. Tego typu rozwiązanie w jednej z niemieckich oczyszczalni testuje już francuska Veolia.
Jednak największe termiczne żniwa czekają na tych śmiałków, którzy znajdą sposób na zagospodarowanie ciepła, które lekką rękę oddają elektrownie konwencjonalne. Dziś z każdych dziesięciu ton węgla trafiającego do polskich elektrowni ponad sześć wylatuje przez komin lub trafia do rzek jako ciepło odpadowe, a tylko cztery służą do produkcji elektryczności, z której zwykle kolejne dwie są marnowane jako ciepło odpadowe np. w laptopach, telewizorach i żarówkach. Ostatecznie z każdych dziesięciu ton węgla do rzeczywistej pracy służą nam najwyżej dwie lub trzy. Reszta to ciepło odpadowe.
Czytaj także: Geotermia zasili Łódź?
Wyobraźmy sobie, że to ciepło zaprzęgamy do ponownej użytecznej pracy w generatorach termoelektrycznych. Dzięki temu spalając znacznie mniej paliw kopalnych i emitując przy tym znacznie mniej zanieczyszczeń uzyskiwalibyśmy ten sam efekt końcowy.
─ W ekologii znane jest pojęcie reducenta, czyli organizmu rozkładającego martwą materię organiczną i zamieniającego ją w związki nieorganiczne. W ten sposób materia, a wraz z nią energia, nie marnuje się, lecz krąży w przyrodzie. Materiały termoelektryczne mogłyby pełnić funkcję reducentów w systemie elektroenergetycznym – mówi Tiwari.
