Grafen w służbie energetyki

W Polsce, jak we wszystkich krajach dynamicznie rozwijających się, zapotrzebowanie na energię elektryczną systematycznie rośnie. W latach 60. XX wieku na jednego mieszkańca Polski zużycie wynosiło niecałe 1000 kWh; w 2010 r. wzrosło do ponad 3700 kWh. Poszukiwaniu nowych źródeł energii i sposobów jej oszczędzania towarzyszą próby minimalizowania strat powstających na drodze od producenta do odbiorcy. A są to ilości niebagatelne -  szacuje się, że na liniach przesyłowych straty energii sięgają od 8 do 10 procent. W Polsce "wyparowuje" w ten sposób ponad 2 miliardy zł rocznie. Z problemem tym postanowili zmierzyć się uczeni z Akademii Górniczo-Hutniczej, którzy przystąpili do konkursu ogłoszonego przez Narodowe Centrum Nauki i Rozwoju.

 

Prof. dr hab. inż. Tadeusz Knych wraz z zespołem naukowców z Wydziału Metali Nieżelaznych pracują nad wynalazkiem, który może znacząco zmniejszyć ubytki energii w liniach elektroenergetycznych. Do ich budowy postanowili zastosować nowy supermateriał, który ma być połączeniem grafenu z tradycyjnymi komponentami przewodów elektrycznych. – Grafen jest bowiem nie tylko aż dwieście razy bardziej wytrzymały niż stal, ale także okazuje się doskonałym przewodnikiem, w którym ładunki elektryczne poruszają się dwieście tysięcy razy szybciej niż w krzemie. Te niezwykłe możliwości grafenu, który można uznać za jedną z najbardziej szlachetnych postaci alotropowych węgla, przywiodły nas do koncepcji dodania go do miedzi lub aluminium, co powinno dać nam materiał o wyższej przewodności elektrycznej  – mówi prof. Knych.

 

Pomysł ten naukowcy przedyskutowali z przedstawicielami przemysłu, na skutek czego powołano konsorcjum naukowo-przemysłowe METGRAF do badań nad nowym materiałem. Konsorcjum to składa się z czterech jednostek: Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, gdzie opatentowano jedną z technologii produkcji grafenu (ITME ma dostarczyć grafen), AGH (zadaniem uczelni jest synteza grafenu z miedzią i aluminium w taki sposób, aby uzyskać materiał o nowych własnościach elektrycznych), Tele-Foniki (podejmie się wytwarzania i testowania nowych przewodów elektrycznych) oraz Polskich Sieci Elektroenergetycznych (określą, jakie cechy mają mieć przewody, aby trafiły do masowej produkcji).

 

W wyniku połączenia miedzi lub aluminium z grafenem ma powstać materiał, który – w opinii zespołu naukowego Wydziału Metali Nieżelaznych współpracującego z prof. Knychem - będzie miał ogromne znaczenie dla gospodarki kraju. I nie ma przesady w tym stwierdzeniu, ponieważ grafen ma ponadprzeciętne właściwości elektryczne, co przełoży się na szereg korzyści związanych z przesyłem energii elektrycznej. Po pierwsze: spowoduje to znaczące ograniczenie strat energii elektrycznej, do których dochodzi podczas dostarczania prądu z elektrowni do odbiorców. Po drugie: zmniejszy się emisja CO2 do atmosfery. W Polsce ponad 80 proc. energii elektrycznej produkuje się z węgla. Jeśli więc straty podczas przesyłu będą mniejsze, to będzie można również ograniczyć spalanie węgla. Po trzecie: znacząco zwiększą się możliwości przesyłu prądu, co jest bardzo istotne, ponieważ dziś w Polsce przede wszystkim modernizuje się linie elektroenergetyczne. Po czwarte: zmniejszy się degradacja napowietrznych linii przesyłowych i wydłuży ich żywotność.

 

W jakim stopniu grafen polepszy właściwości miedzi i aluminium - jeszcze nie wiadomo; na to pytanie mają dopiero odpowiedzieć badania. Sam grafen w idealnej postaci, czyli zbudowany z jednej płaszczyzny atomów węgla, ma bardzo wysoką przewodność elektryczną. Ale jaki grafen uda się uzyskać w masowej produkcji, nie jest łatwo przewidzieć. Czy jego przewodność będzie dziesięć, czy sto razy większa niż miedzi, trudno określić. Problemem nie jest jednak to, czy z połączenia materiałów wyjdzie lepszy produkt, bo co do tego nie ma wątpliwości, ale to, jak grafen połączyć z innymi materiałami.

 

- Chcemy to zrobić na drodze metalurgicznej. Np. do ciekłego metalu wprowadzić grafen, opracować taką technologię krzepnięcia, żeby grafen ułożył się w pozycjach, które są najwłaściwsze z punktu widzenia nowego komponentu pod kątem funkcji przewodzenia prądu elektrycznego. Nie jest to proste z kilku powodów, m.in. nie jest poznana natura wszystkich zjawisk zachodzących podczas tej syntezy. Poza tym występują duże różnice w gęstościach łączonych materiałów; aluminium jest blisko trzy razy cięższe od grafenu. Miedź ma osiem razy większą masę właściwą niż grafen. Problem wymieszania ich można porównać do chęci wymieszania styropianowych kulek z wodą, ale w taki sposób, aby styropian został na dnie naczynia. To oczywiście nie jest możliwe. Zawsze będzie wypływał na wierzch. Z grafenem jest dokładnie tak samo. Grafen jest tym bardzo lekkim materiałem, a tą przykładową wodą jest miedź, czy aluminium. Jak go wprowadzić, aby był w całej objętości równomiernie rozmieszczony i tak spolaryzowany, żeby był właściwy z punktu widzenia przepływu prądu? Na tym m.in. będzie polegała nasza praca – mówi prof. Tadeusz Knych. Z punktu widzenia elektrycznego grafen jest materiałem anizotropowym, tzn. w płaszczyźnie grafenu przepływ prądu jest znakomity, ale w kierunku prostopadłym do płaszczyzny grafen jest izolatorem. Czyli trzeba tak ustawić płytki grafenu w metalu, aby były zgodne z kierunkiem przepływu prądu.

 

Wydział Metali Nieżelaznych posiada znakomicie wyposażone specjalistyczne laboratoria metalurgiczne, przetwórstwa metali, inżynierii i badań materiałowych. Niemniej do celów projektu zostały zaprojektowane stanowiska badawcze i wkrótce powstanie laboratoryjna stacja badawcza do wytwarzania kompozytów, który ma nazywać się CuGRAF (połączenie grafenu z miedzią) i ALGRAF (połączenie z aluminium). Gdy materiał powstanie, będzie poddawany klasycznym badaniom przetwórstwa oraz testom własności elektrycznych, mechanicznych i technologicznych - aż do nadania temu wyrobowi cech pożądanych przy masowej produkcji.

 

Obecnie w Polsce zużywamy około 160 terawatogodzin energii elektrycznej, za 20-30 lat będzie to dwa razy więcej. Taką ilość nie tylko trzeba wyprodukować – obojętne czy w elektrowni węglowej, jądrowej, czy ze źródeł odnawialnych – lecz także dostarczyć do odbiorcy przy możliwie najmniejszych stratach. Celem naukowców z AGH jest opracowanie takiego materiału, który będzie gwarantował jak najbardziej efektywny przesył. Obecnie grafen jest materiałem drogim, ale – jak podkreśla prof. Knych – nie możemy czekać, aż jego produkcja stanieje. Jeśli nie chcemy zostać daleko w tyle za resztą wysoko rozwiniętego świata, musimy rozpocząć badania już teraz. Kiedy za jakiś czas dojdzie do tego, że cena grafenu będzie odpowiednio niska, wówczas Polska ma szansę mieć gotowe rozwiązanie, które zostanie szybko wdrożone. W tym wyścigu chodzi także o to, aby należeć do tych, którzy kreują nowe rozwiązania, a nie tylko konsumują to, co wymyślą inni. To ogromne wyzwanie technologiczne, ale również – może przede wszystkim – cywilizacyjne.

 

Tekst: Ilona Trębacz, zdjęcia: ze zbiorów prof. Tadeusza Knycha