Materiały stałe w budowaniu zielonej gospodarki

• Strona główna
• Artykuły
• Materiały stałe w budowaniu zielonej gospodarki

2025-07-09  / Autor: Karolina Majewska

Kluczowe innowacje w energetyce i transporcie
W obliczu postępujących zmian klimatycznych, budowa zielonej gospodarki stała się jednym z kluczowych wyzwań nadchodzących lat. Dążenie do osiągnięcia niezależności energetycznej kieruje nas ku poszukiwaniu innowacyjnych, zrównoważonych technologii, które pozwolą zredukować negatywny wpływ na środowisko, jednocześnie stymulując rozwój gospodarczy.

Rozwiązania oparte na materiałach stałych odgrywają kluczową rolę w realizacji wyznaczonych celów, szczególnie w obszarach magazynowania energii, jej produkcji oraz transportu. Dzięki zdolności do poprawy efektywności, bezpieczeństwa i trwałości systemów energetycznych, materiały te oferują obiecujące perspektywy dla zrównoważonej przyszłości. Materiały te zyskują szczególną popularność zwłaszcza w nowoczesnych akumulatorach z elektrolitem stałym, stałotlenkowych ogniwach paliwowych (ang. Solid Oxide Fuel Cells – SOFC) oraz innych urządzeniach elektrochemicznych. Innowacje te mają kluczowe znaczenie w rewolucjonizowaniu sposobów magazynowania energii oraz w tworzeniu czystych systemów transportowych, które mają fundamentalne znaczenie w budowaniu niskoemisyjnej przyszłości.

Materiały w stanie stałym, jako kluczowe komponenty zielonej technologii

Charakterystyczną cechą tych materiałów, jak sugeruje sama nazwa, jest ich stały stan skupienia w temperaturze pokojowej. Wykorzystywane są w szerokim zakresie technologii konwersji, magazynowania i przesyłania energii, a ich kluczowe właściwości to wysoka stabilność, trwałość oraz
odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Do tej grupy należą przede wszystkim: materiały ceramiczne, polimery, kompozyty
oraz metale, które stanowią fundament nowoczesnych urządzeń, takich jak akumulatory z elektrolitem stałym, ogniwa paliwowe czy półprzewodniki.

Atrakcyjność materiałów stałych w kontekście budowania zielonej gospodarki wynika przede wszystkim z:

• wysokiej efektywności – materiały te charakteryzują się często wysokim przewodnictwem, co znacząco podnosi sprawność urządzeń wykorzystywanych pod zastosowanie w energetyce,
• bezpieczeństwo – materiały te charakteryzują się wyższą odpornością na zapłon niż ich płynne odpowiedniki oraz nie wyciekają do środowiska,
• ekologia – materiały stałe mają potencjał do wspierania rozwoju magazynów energii oraz urządzeń generujących energię, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia surowców i redukcji odpadów.

Warto dodać, że materiały ceramiczne są izolatorami, a więc charakteryzują się słabym przewodnictwem, jednak mogą wykazywać wysoką przewodność jako kompozyty z innymi materiałami oraz w wysokich temperaturach. Są one wówczas stosowane m.in. w ogniwach paliwowych. 

Kluczowe zastosowanie w energetyce i transporcie

Materiały w stanie stałym są wykorzystywane w różnych technologiach, w szczególności w akumulatorach i stałotlenkowych ogniwach paliwowych. Inne urządzenia, takie jak generatory termoelektryczne czy systemy piezoelektryczne, również opierają się na tych materiałach i mogą być
stosowane w magazynowaniu energii, integracji odnawialnych źródeł energii oraz w transporcie.

Materiały stałe odgrywają równie kluczową rolę w systemach PCM (ang. Phase Change Materials), stanowiąc fundament efektywnego magazynowania i zarządzania ciepłem, łącząc wysoką efektywność energetyczną z trwałością oraz stabilnością termiczną. Przykładem są kompozyty ceramiczne, które dzięki zdolności do przechowywania i uwalniania dużych ilości energii w procesie przemiany fazowej,
stanowią innowacyjne rozwiązanie w energetyce, magazynowaniu energii oraz sektorze budowlanym – zwłaszcza w systemach grzewczych. Materiały te wyróżniają się nie tylko wysoką gęstością energetyczną, ale także poprawiają wydajność technologii PCM, łącząc ceramikę z materiałami organicznymi czy metalami, co zwiększa ich odporność na cykliczne zmiany temperatur.

Dzięki tym właściwościom, kompozyty ceramiczne zapewniają wysoką trwałość materiału, a systemy PCM zyskują na efektywności, umożliwiając optymalne zarządzanie energią w szerokim zakresie temperatur – zarówno w budownictwie, jak i w nowoczesnych technologiach.

Akumulatory z elektrolitem stałym – rewolucja w technologii magazynowania energii
Odnawialne źródła energii stanowią fundament w dążeniu do uniezależnienia się od węgla i przejścia na gospodarkę niskoemisyjną. Jednak ze względu na ich niestabilną pracę zależną od warunków pogodowych, wciąż stanowi wyzwanie. W związku z tym, efektywne systemy magazynowania energii odgrywają kluczową rolę, umożliwiając nieprzerwaną i niezawodną dostawę energii.

Tradycyjne akumulatory litowo-jonowe, chociaż powszechnie stosowane, wykazują ograniczenia w zakresie gęstości energii, bezpieczeństwa, trwałości oraz uzależnienia od pierwiastków ziem rzadkich. W związku z tym, badane ostatnimi czasy akumulatory z elektrolitem stałym (ang. SolidState Batteries – SSB) stanowią niezwykle ważną alternatywę dla tradycyjnych urządzeń. Charakteryzują się one przede wszystkim:

• wyższą gęstością energetyczną – mogą przechowywać więcej energii w mniejszej i lżejszej obudowie, dzięki czemu stanowią atrakcyjne rozwiązanie zarówno dla stacjonarnych systemów magazynowania energii, jak i pojazdów elektrycznych,

• wyższym bezpieczeństwem – zastosowanie stałego elektrolitu eliminuje ryzyko zapłonu i wycieków do środowiska, tak charakterystycznych dla elektrolitów ciekłych,

• dłuższą trwałością – elektrolity stałe charakteryzują się mniejszym stopniem zużycia, co prowadzi do dłuższej żywotności samych akumulatorów,

• szybkim ładowaniem – SSB mogą ładować się szybciej niż tradycyjne akumulatory, co jest szczególnie istotne pod kątem wykorzystania w pojazdach elektrycznych.

Stałotlenkowe ogniwa paliwowe, jako niezbędny element rewolucji energetycznej

W stałotlenkowych ogniwach paliwowych elektrolit ma postać stałą i jest zbudowany z tlenku cyrkonu domieszkowanego tlenkiem itru. W temperaturze 600-800 °C wykazuje on doskonałe właściwości przewodzące, poprzez mechanizm transportu wolnych anionów tlenkowych. Ogniwa te charakteryzują się wysoką sprawnością energetyczną, dużą stabilnością oraz możliwością zastosowania różnych paliw, takich jak np. wodór, metan, tlenek węgla, czy biogaz, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem w wielu sektorach gospodarki.

Dzięki zastosowaniu stałego elektrolitu, SOFC są odporne na uszkodzenia mechaniczne i wykazują wysoką niezawodność, co sprawia, że mogą być stosowane zarówno w aplikacjach przemysłowych, jak i w małych systemach zasilania. Kluczową zaletą ogniw SOFC jest ich zdolność do pracy w szerokim zakresie temperatur (często powyżej 700 °C), co umożliwia im wykorzystanie ciepła odpadowego w procesach kogeneracyjnych, zwiększając tym samym efektywność systemów energetycznych. Pomimo stosunkowo wysokich kosztów związanych z produkcją i wymogiem pracy w wysokiej temperaturze, stałotlenkowe ogniwa paliwowe stanowią obiecującą technologię przyszłej gospodarki. 

CAŁA TREŚĆ DOSTĘPNA W "Chemia i Biznes" nr 1/2025

"Chemia i Biznes” to dwumiesięcznik biznesowo-gospodarczy, stworzony z myślą o firmach poszukujących rzetelnej, aktualnej i profesjonalnie przygotowanej informacji na temat rynku chemicznego i sektorów powiązanych.

energetykabadania i rozwój