Elképesztő innovációt villantottak a kutatók: így kezelhető a brutális mértékű energiaválság?

A jövő egyik legnagyobb kérdése, hogy miként tudja az emberiség fenntartható módon előállítani és elosztani az energiát, ha a jelenlegi fosszilis készletek kimerülnek. Az energiaéhség nem csupán technológiai vagy gazdasági probléma, hanem társadalmi kihívás is: a világ egyes részein az emberek még mindig korlátozottan jutnak hozzá az áramhoz, míg máshol a pazarlás jellemző. Hogyan találhatunk olyan megoldásokat, amelyek nemcsak környezetbarátok, hanem elérhetők is mindenki számára? Ebben a cikkben ezt a témát járjuk körül.

Hogyan tudunk majd a jövőben könnyedén zöld energiához jutni?

Az energiaellátásunk fosszilis tüzelőanyagoktól való függőségének csökkentése érdekében az egyik lehetséges stratégia az, hogy hasznosítjuk a már meglévő hulladékhőt. A termoelektromos generátorok képesek a hulladékhőt tiszta elektromos energiává alakítani, és egy új tervezési áttörés révén ezek az eszközök hatékonyabbá válhatnak, mint eddig lehetségesnek hitték – állítják a Penn State Egyetem és a Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium kutatói.

Ez persze még a jövő zenéje. A generátorok azonban már manapság is sok háztartásban merülnek fel az energiaellátás biztosításaként, mint alternatíva. A helyes döntéssel ugyanis sok pénzt is lehet spórolni. Erről ebben a cikkben írtunk részletesebben.

A Penn State kutatói folyamatosan dolgoznak a termoelektromos generátorok teljesítményének javításán. Ezek az eszközök a hőmérsékletkülönbségeket képesek elektromos energiává alakítani. Ha például egy hőforrás – mondjuk egy erőmű gőzcsöve – közelében helyezik el őket, a töltéshordozók, például az elektronok, a forró oldalról a hideg oldal felé áramolva elektromos áramot generálnak. A termoelektromos eszközök nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, nem hoznak létre kémiai reakciókat és nem bocsátanak ki káros anyagokat, így ígéretes tisztaenergia-forrásnak számítanak – hangsúlyozták a tudósok.

Egy egyedülálló anyagtervezési módszert fejlesztettünk ki, amely akár 15%-ra is növelheti a termoelektromos eszközök átalakítási hatékonyságát. Ez a legmagasabb hatékonyság, amelyet eddig ezzel a termoelektromos technológiával elértek.

- mondta Wenjie Li, a Penn State Anyagtudományi és Mérnöki Tanszékének kutatóprofesszora.

A kutatócsoport egy új módszert fejlesztett ki a funkcionálisan gradált anyagok előállítására a termoelektromos eszközökben, amely lehetővé tette számukra, hogy egyetlen lábban (single-leg device) 15,2%-os hatékonyságot érjenek el, 670 Kelvin-fokos (kb. 1206 Fahrenheit-fokos) hőmérsékletkülönbséggel. A jelenleg kereskedelmi forgalomban kapható eszközök hatékonysága mindössze 5-6% között mozog.

EZ IS ÉRDEKELHET

Megtalálták a világméretű klímatragédia ellenszerét? Kemény munka lesz, de ez lehet a kulcs

Kevesebb mint öt év múlva a világ eléri az első jelentős mérföldkövet a klíma-akciók terén: 2030-ra teljesíteni kell egy sor zöld célt.

A kutatási eredményeket nemrég az Advanced Materials tudományos folyóiratban publikálták, és a tudósok szerint az új megközelítés forradalmi hatással lehet a következő generációs termoelektromos eszközök tervezésére és fejlesztésére.

A globális üvegházhatású gázkibocsátás és az ehhez kapcsolódó környezeti problémák miatt egyre inkább a zöld technológiák felé kell elmozdulnunk

– mondta Bed Poudel, a Penn State Anyagtudományi és Mérnöki Tanszékének kutatóprofesszora. „Ez a munka, amely a termoelektromos eszközöket hatékonyabbá teszi, segíthet ebben a célkitűzésben.” - tette hozzá.

Új anyagokkal hatékonyabbá válhatnak a termoelektromos generátorok

A hagyományos termoelektromos generátorok szegmentált kialakítást alkalmaznak, hogy optimalizálják a teljesítményt az eszköz magasabb és alacsonyabb hőmérsékletű oldalán. Ehhez gyakran különböző anyagokat használnak, amelyeket külön kell előállítani, majd keményforrasztással vagy hegesztéssel kell összekapcsolni. Ez azonban heterogén határfelületet hoz létre, amely csökkentheti az eszköz hatékonyságát – mutattak rá a kutatók.

Az új megközelítés kiküszöböli ennek a határfelületnek a szükségességét, mivel az alacsonyabb és magasabb hőmérsékletű oldalak anyagai egyetlen lépésben készülnek el.

A kutatók egy speciális eljárást, az elektromos és mechanikai térrel támogatott szinterezést alkalmazták az anyagok előállítására. Ez a technika, amelyet szikraplazmás szinterezésként (spark-plasma sintering) is ismernek, elektromos áram és nyomás segítségével tömöríti a finom porokat szilárd anyagtömeggé.

A módszer lehetővé teszi a funkcionálisan gradált anyagok létrehozását úgy, hogy a porokat rétegenként helyezik egymásra, majd adalékanyagokat (dopantokat) adnak hozzá, amelyek módosíthatják az anyag tulajdonságait. Így a kutatók optimalizálni tudták a magasabb és alacsonyabb hőmérsékletű oldalak kémiai összetételét, miközben ugyanabból az anyagcsaládból származó anyagokat használtak, amelyeket azonos hőmérsékleten lehet szinterezni egyetlen lépésben.

EZ IS ÉRDEKELHET

Ilyen lakásokban senyvednek magyarok milliói: ez már tényleg a lakáskatasztrófa kezdete?

Az energiaszegénység több millió embert érint itthon: rengeteg lakó nem tudja megfelelően fűteni otthonát, vagy túlfizeti az energiát az elavult rendszerek miatt

Mivel az anyagok azonos családba tartoznak, hőtágulási és egyéb mechanikai tulajdonságaik közel azonosak, ami azt jelenti, hogy az új kialakítású eszközök hosszabb élettartammal rendelkezhetnek a hagyományos, szegmentált eszközökhöz képest.

Az egyik kulcsfeltétel a maximális átalakítási hatékonyság eléréséhez az, hogy az eszköz teljes hosszában azonos optimális áram haladjon keresztül a magas és az alacsony hőmérsékletű oldalon

A termoelektromos eszközök felépítése egy asztalra hasonlít, amelynek két lába van: az egyik p-típusú, a másik pedig n-típusú félvezető anyagból készül. Az új kutatás egyelőre csak a p-típusú anyagra vonatkozik, de a tudósok szerint, ha ezt az n-típusú anyagra is alkalmazni tudják, az további hatékonyságnövekedést eredményezhet.

A jövőbeli kutatások arra is kiterjednek, hogy további rétegeket hozzanak létre az eszközben, amelyek mindegyike egy adott hőmérséklettartományra optimalizált. Ezt a rétegzett kialakítást szintén az egyetlen lépésben végrehajtott szinterezési eljárással valósítanák meg, ami tovább növelhetné a hatékonyságot.

Azzal, hogy sikerült 15%-os átalakítási hatékonyságot elérnünk, bebizonyítottuk, hogy ez a technológia már versenyképes a legkisebb méretű energiatermelési megoldásokkal, például a kis dízelgenerátorokkal vagy akár a napelemes rendszerekkel.

Megmutattuk, hogy a hőenergia ugyanolyan versenyképes módon alakítható elektromossággá, mint ezek az alternatívák.

A jövőben akár az emberi test hője is felhasználható lesz ilyen módon

A Pénzcentrumon időről-időre szívesen foglalkozunk olyan innovációkkal, amelyek a jövő világába engednek betekintést. Egy cikkünkben például a jövő metropoliszai közül mutattunk be néhányan, amelyeket különböző elgondolások mentén húznak fel dúsgazdag befektetők. De bemutattuk azt is, hogy a jövőben milyen dolgokra használhatjuk majd a dróntechnológiát.

Fontos kérdés az is, hogy mit kezdünk majd, ha egyszer elfogynak a Földön a nem megújuló energiaforrások. Erről egyébként hamarosan egy nagyinterjút is közlünk majd, szakértők bevonásával. Addig is azonban érdemes lehet eljátszani a gondolattal: az emberi kreativitás hogyan tudja majd megoldani az évtizedeken belül elkerülhetetlenül bekövetkező energia- és erőforrás válságot?

Ennek egy módja, bármennyire futurisztikusan is hangzik, de az emberi test által kibocsátott, más esetben kárba vesző hőjének a hasznosítása.

Ha valaha látta valaki magát hőkamerán keresztül, az tudja, hogy a teste rengeteg hőt bocsát ki. Ez valójában az anyagcsere egyik mellékterméke. A test minden négyzetlábnyi felülete óránként körülbelül 19 gyufa égésének megfelelő hőt sugároz ki.

Sajnos ennek a hőnek a nagy része egyszerűen elillan a légkörbe. De mi lenne, ha ezt felhasználhatnánk energiatermelésre? Nemrég egy kutatás azt mutatta ki, hogy ez valóban lehetséges. Elképzelhető olyan eljárás kidolgozása, amelynek segítségével a testhőt felfoghatjuk és tárolhatjuk energianyerés céljából – mindezt környezetbarát anyagok alkalmazásával.

A cél egy olyan eszköz létrehozása, amely nemcsak energiát termel, hanem tárolni is képes azt, mintegy beépített „power bankként” működve a hordható technológiák számára. Ez lehetővé tehetné, hogy az okosórák, fitneszkövetők vagy GPS-eszközök sokkal hosszabb ideig, vagy akár folyamatosan működjenek a testhőből nyert energia révén.

Mennyire a jövő zenéje mindez?

Nemcsak az emberi test termel hulladékhőt. Technológiailag fejlett világunkban nap mint nap hatalmas mennyiségű felesleges hő keletkezik – az autómotoroktól kezdve a gyártósorokon működő gépekig.

Ez a hő általában szintén a légkörbe kerül, pedig jelentős energiavisszanyerési lehetőséget jelentene. Az „elveszett hő visszanyerése” nevű új koncepció ezt a problémát igyekszik orvosolni. Az egyébként elpazarolt energia hasznosításával az ipari folyamatok hatékonyabbá válhatnak, miközben fenntarthatóbb környezetet teremthetünk.

A folyamatot az alábbi videó is szemlélteti:

A termoelektromos hatás és a fa ereje

A termoelektromos hatás egy olyan jelenség, amely segíthet a hőt villamos energiává alakítani. Működési elve azon alapul, hogy a hőmérséklet-különbség elektromos potenciált hoz létre: az elektronok a melegebb oldalról a hidegebb felé áramlanak, így használható elektromos energiát termelnek.

A hagyományos termoelektromos anyagok azonban gyakran kadmiumból, ólomból vagy higanyból készülnek. Ezek az anyagok környezeti és egészségügyi kockázatokat hordoznak, ami korlátozza gyakorlati alkalmazásukat. Nemrég felfedezték azonban, hogy a termoelektromos anyagok fából is előállíthatók – ez pedig biztonságosabb és fenntarthatóbb alternatívát kínál.

A fa évszázadok óta alapvető szerepet játszik az emberi civilizációkban, mint építőanyag és tüzelőanyag. Kutatásaink feltárják a faalapú anyagok azon képességét, hogy az ipari folyamatok során elvésző hőt értékes villamos energiává alakítsák. Ez a megközelítés nemcsak az energiahatékonyságot növeli, hanem azt is újragondolja, hogy a hétköznapi anyagokat miként tekinthetjük a fenntartható energiaellátás kulcsfontosságú elemeinek.

A Limericki Egyetem csapata – a Valenciai Egyetemmel együttműködve – fenntartható módszert fejlesztett ki az ír faipari termékekből történő energiatermelésre, különösen a papíripar melléktermékeként keletkező lignin felhasználásával.

A kutatás kimutatta, hogy a sóoldatba áztatott ligninalapú membránok hatékonyan képesek alacsony hőmérsékletű hulladékhőt (200°C alatti tartományban) villamos energiává alakítani. A lignin membránon átívelő hőmérséklet-különbség ionmozgást idéz elő a sóoldatban: a pozitív ionok a hidegebb oldal felé vándorolnak, míg a negatívak a melegebb oldal felé. Ez a töltéselválás elektromos potenciált hoz létre a membrán két oldalán, amelyet energiaforrásként lehet hasznosítani.

Mivel az ipari hulladékhő körülbelül 66%-a ebbe a hőmérsékleti tartományba esik, ez az innováció jelentős lehetőséget kínál a környezetbarát energiamegoldások számára.

Ez az új technológia számos területen forradalmi változást hozhat. Az olyan iparágak, mint a gyártás, amelyek nagy mennyiségű hulladékhőt termelnek, jelentős előnyökhöz juthatnak, ha ezt az energiát villamos árammá alakítják. Ez nemcsak az energiafelhasználás csökkentését segítené, hanem a környezeti terhelést is mérsékelné.

A technológia számos alkalmazási lehetőséggel bír: használható például távoli területek energiaellátására, érzékelők és mindennapi eszközök működtetésére. Környezetbarát jellege miatt pedig ígéretes megoldás lehet az épületek és infrastruktúrák fenntartható energiaellátásában.

A tárolás kihívásai

A hulladékhőből nyert energia hasznosítása csupán az első lépés; annak hatékony tárolása ugyanolyan kritikus jelentőségű. A szuperkondenzátorok olyan energiatároló eszközök, amelyek rendkívül gyorsan képesek töltést felvenni és leadni. Ez különösen fontos azokban az alkalmazásokban, ahol gyors energiaellátásra van szükség.

Azonban a szuperkondenzátorok jelenlegi gyártása főként fosszilis alapú szénanyagokra támaszkodik, ami fenntarthatósági aggályokat vet fel. Ezért kulcsfontosságú, hogy megújuló alternatívákat találjunk az előállításukhoz. Kutatócsoportunk felfedezte, hogy a ligninalapú porózus szén kiválóan alkalmazható a szuperkondenzátorok elektródájaként, lehetővé téve a ligninmembránnal előállított energia tárolását.

Ez a folyamat lehetővé teszi, hogy a ligninmembrán ne csak felfogja és villamos energiává alakítsa a hulladékhőt, hanem a porózus szén szerkezete révén hatékonyan tárolja is azt. Ezzel egy környezetbarát alternatívát kínálunk, amely nem tartalmaz káros vegyi anyagokat, és nem függ a fosszilis tüzelőanyagoktól. Ez az energiatárolási innováció számos területen forradalmi változást hozhat, az elektronikai eszközöktől és a viselhető technológiáktól kezdve egészen az elektromos járművekig.

Az energiaszegénység kérdése rávilágít arra, hogy az energia nem csupán egy árucikk, hanem alapvető szükséglet. A jövő kihívása nem csupán az, hogy mennyi energiát tudunk termelni, hanem az is, hogy azt igazságosan és hatékonyan osszuk el. Az energiatakarékosság, a megújuló források és az intelligens hálózatok mind hozzájárulhatnak egy fenntarthatóbb jövőhöz – a kérdés csak az, hogy hajlandóak vagyunk-e időben lépni.