Energia z rury wydechowej

8b

8 energia z ruryProf. Krzysztof Wojciechowski z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH wraz z zespołem pracuje nad generatorem termoelektrycznym, który ma przekształcać ciepło spalin silników samochodowych w energię elektryczną. Technologia ta pozwoli także zmniejszyć negatywne oddziaływanie spalin na środowisko.

Kiedy w 1952 r. w Londynie podczas 4-dniowej mgły toksycznej (tzw. smog londyński) zmarło z powodu zatrucia 4 tys. osób, a wiele tysięcy poważnie zachorowało to był sygnał, iż zanieczyszczenia pochodzące z motoryzacji są bardzo niebezpieczne.

Choć od tego czasu technologie motoryzacyjne przeszły rewolucyjne zmiany, problem spalin samochodowych wciąż jest bardzo poważny.

Według dr. Tadeusza Kopty z Politechniki Krakowskiej, w krajach OECD (Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju, skupiająca wysoko rozwinięte kraje) pojazdy samochodowe są największym źródłem skażenia środowiska, obciążając go ponad 15 tysiącami związków chemicznych. Środki transportu drogowego są odpowiedzialne za następujący procent ogólnej emisji szkodliwych substancji: 63% tlenków azotu, 50% substancji chemicznych pochodzenia organicznego, 80% tlenku węgla, 10-25% pyłów zawieszonych w powietrzu, 6,5% dwutlenku siarki.

Degradacji ulega nie tylko środowisko, ale i cierpią na tym i ludzie, ich zdrowie. Spaliny silnikowe zawierają bowiem wiele substancji określanych jako kancerogenne, czyli powodujących przy długotrwałym narażeniu rozwój komórek rakowych. Najgroźniejsze z nich to benzen, pyły i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. W mieście łączne stężenie kancerogenów w powietrzu jest przeciętnie pięć razy wyższe niż poza miastem.

Spaliny samochodowe odpowiadają za ok. 60-70% łącznego ryzyka raka z powodu rakotwórczych zanieczyszczeń powietrza. Największy udział mają pyły (58% łącznego ryzyka), benzen (7,5%), i WWA (1,9-8,6%).

Według badań branży ubezpieczeniowej przeprowadzonych w Hamburgu, u mieszkańców ulic o ruchu powyżej 30 tys. pojazdów dziennie choroby nowotworowe występują o 34% częściej niż przeciętnie. Dla niektórych schorzeń, takich jak rak jelita cienkiego, czy jelita grubego, ryzyko jest aż o 68% wyższe.

8aA to nie koniec problemów. Szacuje się, że wraz ze spalinami samochodowymi wydzielana jest w Ameryce Północnej trzecia część całkowitej emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Nieco niższe, ale równie niebezpiecznie wyglądają podobne statystki w Unii Europejskiej, co dla Komisji Europejskiej, która stara się grać pierwsze skrzypce w walce z globalnym ociepleniem było sygnałem, że należy przykręcić śrubę producentom samochodów.

Mimo licznych oporów ze strony koncernów samochodowych, dla których wyższe normy środowiskowe oznaczają wyższe wydatki, Komisja wprowadziła przepisy, nakazujące, by od 2012 r. wszystkie sprzedawane w Unii Europejskiej samochody mogły emitować co najwyżej 120 g dwutlenku węgla na każdy przejechany kilometr. Dotychczas, jeden z najbardziej przyjaznych dla środowiska samochodów (nie licząc pojazdów elektrycznych i hybrydowych), czyli maleńki Smart, w wersji benzynowej emitował średnio 114 g/km dwutlenku węgla. Skala obostrzeń jest więc niebanalna, zważywszy też na to, iż dotąd sprzedawane w Europie auta emitowały średnio około 160 g CO2 na kilometr. W Polsce średnia wynosiła 155 g/km. Nowy limit emisji ma być jednak tylko uśrednioną wartością dla całej floty samochodów.

Rozwiązaniem wspomnianych problemów, choćby częściowym, zajmuje się nauka. Być może duży udział w tym przypadnie naukowcom AGH. Prof. Krzysztof Wojciechowski prezentuje nam kilkucentymetrowy element ze stopu metali, który wywołał sporo zainteresowania w motoryzacyjnym świecie. Naukowcy z AGH otrzymali nawet wsparcie jednego z liczących się w świecie producentów samochodowych. Jakiego? Tego prof. Wojciechowski nie może tego ujawnić.

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.

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. Przeciętny samochód o mocy mechanicznej 100 kW wytwarza 150 kW ciepła, które nie jest w żaden sposób wykorzystywane. Ciepło najzwyczajniej ucieka razem ze spalinami.  Pomyśleć, że wielkość ta odpowiada potrzebom cieplnym aż sześciu domów.

Urządzenie to docelowo mogłoby wspomagać lub nawet zastąpić alternator samochodowy.

To jednak nie sam generator stanowi przedmiot zainteresowania świata motoryzacyjnego (jego konstrukcja jest stosunkowo prosta), tylko wspomniane moduły termoelektryczne. 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.

– 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. Nie dość tego 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 – tłumaczy prof. Krzysztof Wojciechowski.

Wyniki prac są bardzo obiecujące, gdyż zespół prof. Wojciewskiego może pochwalić się opracowaniem materiałów znacznie lepszych od tych które posiadają materiały komercyjnie dostępne. Nowe elementy termoelektryczne złożone są z kilku odpowiednio dobranych składników (w ich skład wchodzą m.in. rzadkie pierwiastki, takie jak kobalt, antymon, tellur). 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.

– Pracujemy także nad zastosowaniem tańszych materiałów, które będą równie efektywnymi termoelektrykami , a jednocześnie będą dużo tańsze, tak by można było je zastosować w samochodach na skalę masową. Generator termoelektryczny nie może być bowiem droższy niż alternator samochodowy.

Problemem nie jest wyłącznie zastosowanie określonych pierwiastków, materiałów, ale także wyważenie pomiędzy nimi odpowiednich proporcji przy ich łączeniu. Cenna jest zwłaszcza wiedza na temat tego w jaki sposób połączyć materiały w całość, czyli jednym słowem – przepis.

Prototyp generatora opracowany na AGH (już trzeci z kolei) jest dla krakowskich naukowców cennym źródłem informacji, służącym analizą zagadnienia odzysku ciepła odpadowego z układów wydechowych silników spalinowych. Powstał on we współpracy z polską firmą (dane jej także nie są ujawniane), która skonstruowała urządzenie przy zastosowaniu dostępnych komercyjnie materiałów.

Badania z jego użyciem zostały przeprowadzone  w Instytucie Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej. Prowadzone były 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.

– Nasz prototypowy generator podczas tych badań uzyskał maksymalną moc ok. 200W. Jest to wystarczająco dużo by zasilić np. oświetlenie pojazdu i niektóre urządzenia elektroniczne – przekonuje 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.

Wyeliminowanie z samochodu alternatora pozwoli także zaoszczędzić 5-10 proc. paliwa, wiadomo bowiem, że alternator nie wytwarza prądu z powietrza, potrzebuje do tego paliwa, im bardziej jest obciążony (światła, klimatyzacja, sprzęt audio, gps itd.) tym większe następuje zużycie paliwa.

Gra więc toczy się nie tylko o czystsze powietrze, ale także o oszczędności w portfelach kierowców. Zastosowaniem tego typu rozwiązań w motoryzacji jest dziś kwestią czasu. Jednak potencjalny obszar działania może być znacznie szerszy, choćby w energetyce, skoro bowiem spaliny samochodowe mogą być wykorzystane do produkcji energii elektrycznej dlaczego tego samego nie zrobić ze spalinami, jakie uwalniają się z kominów w domach czy nawet przemysłowych.  Jednocześnie rozwiązanie to może być użyte do konwersji energii słonecznej, czy geotermalnej. Obecnie naukowcy z Krakowa finalizują rozmowy w sprawie utworzenia 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.

Jakub Michalski

W artykule wykorzystano fragmenty publikacji „Zanieczyszczenia powietrza emitowane przez transport drogowy” Bartosz Suchecki, Koalicja Lanckorońska na rzecz Zrównoważonego Transportu oraz publikacje AGH.

admin

Komentarz

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