Rozmawiamy z dr inż. Rafałem Zybałą.
Jak można zdefiniować materiały termoelektryczne?
Materiały termoelektryczne można wykorzystać do bezpośredniej konwersji energii cieplnej na energię elektryczną. Zjawisko termoelektryczne polega na wytwarzaniu różnicy potencjałów na styku dwóch materiałów o różnych temperaturach (tzw. zjawisko Seebecka). Jest to zjawisko powszechnie pożądane, ponieważ generowanie energii elektrycznej z wykorzystaniem nowoczesnych materiałów funkcjonalnych – materiałów termoelektrycznych wpisuje się w politykę zrównoważonego rozwoju.
Do czego służą moduły termoelektryczne?
Moduły termoelektryczne [TE] znajdują zastosowanie w energetyce, elektronice i elektrotechnice jako kluczowe podzespoły konstrukcji generatorów termoelektrycznych [TEG]. Podobnie jak panele fotowoltaiczne, które wykorzystują promieniowanie słoneczne (tzw. zjawisko fotoelektryczne), generatory TEG zamieniają ciepło na energię elektryczną. Moduły TE znajdują też zastosowanie w mikroukładach chłodzących elementów elektronicznych, sensorów czy przetworników.
Gdzie można zastosować właśnie tę technologię?
Technologia ta jest stosowana w przemyśle kosmicznym, militarnym i wielu innych dziedzinach przemysłu. W przyszłości poprzez zastosowanie specjalnych generatorów TEG możemy liczyć na wzrost sprawności i efektywności działających urządzeń cieplnych np. silników spalinowych w samochodach. Jednak jednym z najpowszechniejszych urządzeń, w których zastosowano moduły TE to lodówki turystyczne.
Czego dokładnie dotyczy obecnie realizowany projekt i czy można nazwać go w kwestii komercjalizacji egzotyką?
Projekt dotyczy wielowariantowego systemu konwersji ciepła odpadowego na energię elektryczną. Głównym elementem systemu są moduły termoelektryczne, które zostaną opracowane i wykonane z wykorzystywaniem technologii produkcji przyrządów półprzewodnikowych. Pozostałe elementy systemu, ze względu na różne formy występowania ciepła odpadowego, będą opracowane jako rozwiązania wariantowe. Wykorzystując analizę zagadnień przenoszenia ciepła zostanie również opracowane oprogramowanie do wspomagania projektowania docelowych instalacji odzysku ciepła. Jako demonstrator opracowanego systemu wykonana będzie prototypowa instalacja z symulowanym źródłem ciepła odpadowego. Projekt przewiduje wykonanie badań aplikacyjnych i prac rozwojowych na prototypie systemu odzysku ciepła odpadowego, funkcjonującego w warunkach zbliżonych do rzeczywistych.
Badania aplikacyjne i prace rozwojowe dotyczą m.in. łączenia, kształtowania i wykorzystywania aktualnej wiedzy i umiejętności z zakresu inżynierii systemów, modelowania symulacyjnego, zagadnień przenoszenia ciepła, technologii produkcji przyrządów półprzewodnikowych. Projekt wspiera rozwój gospodarki zrównoważonej poprzez uzyskiwanie energii elektrycznej z odpadów, co skutkuje zmniejszeniem zużycia surowców, zamykaniem obiegu energii w liniach technologicznych (zgodnie z trendem zero waste) i podniesieniem opłacalności produkcji.
Przedsięwzięcie to realizowane jest w ramach dotacji celowej Sieci Badawczej Łukasiewicz w konsorcjum, którego liderem jest Łukasiewicz – Instytut Technologii Eksploatacji. Kluczowe technologie projektu, dotyczące modułów termoelektrycznych, wykonywane są w Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki, którego jestem pracownikiem.
Na co mogą przełożyć/przełożą się wyniki badań?
Nawiązując do poprzedniego pytania – prowadzone prace projektowe mają na celu komercjalizację wyników badań. Zaangażowanie partnerów biznesowych w realizację projektu oraz duże zainteresowanie firm zewnętrznych naszą technologią to realna szansa na wdrożenie na rynku rozwiązań sprzyjających zrównoważonej gospodarce m.in. poprzez zwiększenie sprawności systemów energetycznych i ochronie środowiska m.in. poprzez. – redukcję szkodliwego ciepła odpadowego.
Czy wiele urządzeń wykorzystuje materiały termoelektryczne?
Ilość potencjalnych zastosowań materiałów termoelektrycznych ogranicza chyba jedynie ludzka wyobraźnia. Istnieje szereg komercyjnych urządzeń, które wykorzystują materiały termoelektryczne np. lodówki samochodowe, systemy stabilizacji temperatury do sensorów podczerwieni. Ciekawostką jest, że materiały TE mogą być zastosowane także w zegarkach termoelektrycznych zasilanych ciepłem ludzkiego ciała.
Jakie projekty realizuje Pan obecnie w obszarze materiałów termoelektrycznych?
W obecnej chwili realizujemy wspomniany projekt B+R „Typoszereg termogeneratorów do odzysku niskotemperaturowego ciepła odpadowego z przemysłowych instalacji technologicznych” (projekt nr 2/Ł- ITEE/CŁ/2021) oraz dwa projekty naukowe finansowane przez Narodowe Centrum Nauki „Wpływ nanostrukturyzacji i domieszkowania na właściwości termoelektryczne nowych materiałów z grupy LAST i TAGS” (projekt nr 2016/23/D/ST8/02686) i „Wpływ domieszkowania atomami pierwiastków o wysokiej masie atomowej na właściwości fizyko-chemiczne materiałów półprzewodnikowych” (projekt nr 2017/27/N/ST8/01797). Oprócz realizacji projektów badawczych sprawuję opiekę naukową nad doktoratem wdrożeniowym, również w tej tematyce.
