Vigyázz, megráz a hulladékhő!

A hulladékhő óriási mennyiségben vész kárba az autókban, háztartásokban és a gyárakban, de eddig nem volt olyan anyag, amellyel árammá lehetett volna alakítani. A megoldás az űrtechnológia újszerű alkalmazása.

Egy átlagos európai háztartás akár ezer eurót spórolhat évente, ha gyakorlattá válnak az Európai Unió szeptember 11-én elfogadott energiahatékonysági irányelvének előírásai. Az EU éves megtakarítása 80 milliárd euró lehet, amit főleg az energiafüggőség csökkentésével érhet el - így reklámozta az intézkedéssorozatot az Európai Néppárt két, környezetvédelemmel foglalkozó képviselője. Az irányelvnek mindenkit érint az a szakasza, amely arra kötelezi az összes gáz- és áramszolgáltatót, hogy 2020-ig évente másfél százalékkal csökkentse ügyfelei fogyasztását.

Megfogni a hulladékhőt

A takarékoskodásra és a rezsiköltségek csökkentésére jó lehetőség az úgynevezett hulladékhő hasznosítása. Aki például gázzal, olajjal, fával vagy pellettel fűt, az előállított hő harmadát meleg füst formájában a szabadba engedi. A befektetett és elhasznált energia szinte kétharmada hulladékhőként megy veszteségbe üzemekben, a járművek belső égésű erőforrásaiban és az épületekben. Ehhez képest a magyar háztartások kétharmadában a hűtő leolvasztása a legelterjedtebb energiatakarékossági lépés egy felmérés szerint.

A hagyományos energiatermeléssel elvész a kiinduló energia kétharmada (a fotón az észak-budai fűtőmű)

A hulladékhő megfogására jelenleg különféle hőcserélőket, hőszivattyúkat használnak. Egy gyöngyösi pékségben például a kemencék füstjének hulladékhőjével működtetik az egész épület központi fűtését, és látják el háztartási meleg vízzel az üzemet. Hőszivattyúval lehet hasznosítani a termálfürdők kifolyó meleg vizét, ha még nem hűlt 20 fok alá. A kinyert hőenergiával melegen lehet tartani a medencéket, fűteni a fürdőépületet, meleg vizet biztosítani a mosdókban.

Egy biogázzal működtetett generátor hulladékhőjét abszorpciós hűtő működtetésére is lehet használni, amely a párolgást felhasználva állít elő 3-7 fokra hűtött vizet. A generátorral tehát egyszerre lehet meleg és hideg vizet termelni fűtésre-légkondicionálásra, továbbá áramot a világításhoz (ez a trigeneráció). Erre a viszonylag alacsony hőmérsékletű, maximum 120 fokos hulladékhő alkalmas. Áramtermelésre a közepes és magas hőmérsékletű, vagyis a 120-650 fokos vagy annál magasabb hőmérsékletű hulladékhő használható, ehhez azonban már már űrtechnológiára van szükség.

Túlélte Neil Armstrongot

Hatékony, egyszerű és strapabíró energiaforrásra volt szükség az első emberes holdra szállás megtervezéséhez az 1950-es években. A megoldást a hulladékhő hasznosításában találták meg a mérnökök. Az első termoelektromos generátor a tellúr ritkaföldfém vegyületéből készült. A sugárzó anyagok bomlásának melegéből áramot termelő egység mind a mai napig üzemel a Holdon, a Nyugalom tengerén, negyvenhárom évvel Armstrong és Aldrin történelmi űrsétája után.

A generátorban ólom-telluridot használtak. Ugyanennek az anyagnak a felhasználásával elképesztő hatékonysággal tudtak elektromos áramot előállítani a chicagói Northwestern University (NU) anyagtudományokkal foglalkozó kutatói; az erről szóló tanulmányt a Nature csütörtökön megjelent száma közli. Mercouri G. Kanatzidis vegyészprofesszor és munkatársai megduplázták az anyag hatékonyságát az Apollo 11 küldetés során használt változathoz képest. Az amerikai kutatók számításai szerint az általuk fejlesztett anyaggal a hulladékhő 15-20 százalékát lehetne elektromos áram formájában hasznosítani.

Így néz ki az ólom-tellurid

Áramtermelő dobozok

A termoelektromos generátor egymás mellé helyezett "dobozokból" áll. Mindegyikben többféle félvezető anyagból - ilyen az ólom-tellurid is - kialakított blokkot zár közre két elektróda, akár a szendvicsben a szalámit a zsömle. Mindegyik doboz elektromos feszültséget hoz létre, amennyiben állandóan melegebb az egyik oldala, mint a másik. Ehhez kétfajta félvezető szükséges. Az úgynevezett N típusút egy másik anyaggal "doppingolják", hogy pluszban termeljen elektronokat, míg a P típusú vezeti az elektromos töltést.

Ha egy ilyen termoelektromos doboz egyik oldalát hő éri, megindul az elektronok áramlása a hidegebbik oldalára (Seebeck-hatás), vagyis az elektródákat összekötve áramot lehet termelni. Az eszköz fordítva is működik: ha áramot vezetünk bele, hőkülönbség alakul ki a két oldal között, vagyis hűtésre lehet használni. Csak azok az anyagok alkalmasak termoelekromos felhasználásra, amelyek vezetik az áramot, ugyanakkor elég jól szigetelik a hőt (vagyis elég alacsony a hővezető képességük), hogy a két oldal közt minél hosszabb ideig tartson a hőkülönbség. A félvezetők csak akkor válnak be, ha sikerül jó hőszigetelővé alakítani őket.

Üzemekben lenne hatékony a termoelektromos áramtermelés

A termoelektromos anyagok hatékonyságát úgy mérik, hogy elosztják az elektromos vezetőképességet (amely legyen minél magasabb) a hővezető-képességgel (ideális esetben nagyon csekély). A kapott eredmény a ZT-nek nevezett hatékonysági mutató. A Curiosity Mars-járó termoelektromos áramforrása 1-es hatékonyságú. Ehhez képest a Northwestern Universityn előállított speciális ólom-telluridé 2,2 volt, ami a Nature szerint "falrengető" eredmény.

Mercouri Kanatzidis és közvetlen munkatársa, Vinayak Dravid az utóbbi években egyre kedvezőbb ZT-jű anyagokkal állt elő. 2011 januárjában írtak a Nature kémiai szakfolyóiratában olyan termoelektromos anyagról, amelynek a hatékonysága 1,7 volt 530 Celsius-fok körüli hőmérsékleten. Ezt úgy érték el, hogy nanoméretű stroncium-tellurid szemcséket építettek be az ólom-telluridba. Ezáltal kevésbé szóródtak szét az anyagban az elektronok.

Csak a maga területén forradalmi

Kanatzidis és munkatársai minden ma ismert technológiát bevetettek a termoelektromos anyag képességeinek fokozására. A nyers ólom-telluridot szikraplazmás porfestéssel (SPS) állították elő. Megállapították, hogy a legjobb "doppingszer" a stroncium-tellurid, amelyből nanoméretű szennyeződéseket kell az anyagba építeni a megfelelő mennyiségben.

Így néz ki egy MAN gyártmányú hajómotor

Termoelektromos generátorokat elvileg bárhol lehet alkalmazni, ahol sok hő megy veszendőbe. Tipikusan ilyenek az autók, ahol az üzemanyag energiájának jelentős része hőként vész el a kipufogócsőben (ezért kísérletez például a BMW a termoelektromos energia hasznosításával). Jelentős hulladékhő-termelők az üveg- és téglagyárak, az olajfinomítók, de a szén- és gázerőművek hatékonysága is bőven javítható még. Termoelektromos generátorokkal lehetne kiegészíteni minden sok lóerős, folyamatosan üzemelő erőforrást, például a hajómotorokat.

Az ólom-tellurid nagy hátránya, hogy mérgező, így a termoelektromos áramtermelés elterjedésére valószínűleg várni kell egy hasonlóan hatékony, de kevésbé kockázatos és olcsón tömeggyártható anyag kifejlesztéséig. A megoldás további hátránya, hogy ami áttörés a félvezetők területén, az még mindig elmarad a napsugárzásból áramot vagy a földhőből meleg vizet előállító napelemek, hőcserélők hatékonyságától. A kritikára Vinayak Dravid azzal válaszolt, hogy nem egyetlen technológia biztosítja az emberiség energiagondjainak megoldását, de szerinte a termoelektromos áramforrások is "fontos részei lesznek az egyenletnek".