Deszcz, hałas i taniec. 7 naprawdę alternatywnych źródeł energii

Pamiętam, gdy kilka lat temu trafiłem na rozważania o energii spływającej wraz z setkami litrów wody, odprowadzanych codziennie z naszych pryszniców, zlewów, toalet, zmywarek i pralek. Oczywiście łazienkowa rura odpływowa to nie Jangcy, ale jeżeli uświadomimy sobie ile wody zużywamy w ciągu życia i przemnożymy to wszystko przez liczbę gospodarstw domowych w kraju, w Europie, czy na świecie – może okazać się, że – jako cywilizacja – całkiem dosłownie spuszczamy w muszli klozetowej grube miliardy dolarów.

A to tylko pierwszy przykład z brzegu. Wszystko dookoła wiruje, spływa, trze, promieniuje, wibruje, spada… Gdzie nie spojrzeć bezpowrotnie uciekają nam całe megadżule drogocennej energii. Czy kiedykolwiek zdołamy się do nich dobrać?

Oto kilka przykładów dowodzących, że przy odpowiedniej dozie kreatywności, jest to możliwe, a w niektórych przypadkach nawet opłacalne.

1. Kaloryfery podpięte pod metro

Zacznijmy od Londynu, a dokładniej od zamkniętej stacji metra City Road, przekształconej w element sieci ciepłowniczej. Temperatura w leżących głęboko pod ziemią tunelach utrzymuje przez cały rok zbliżoną wartość, co oznacza, że jest tam cieplej niż na powierzchni zimą i chłodniej latem. Korzystając z tego faktu, w szybie odchodzącym od byłej stacji zainstalowano wentylatory o dwumetrowej średnicy, wciągające powietrze z północnej linii metra i ogrzewające (lub studzące) obieg wody. Temperatura zmienia się tylko o kilka stopni, więc do gry i tak ostatecznie wkraczają klasyczne pompy ciepła, ale nawet ta drobna pomoc przynosi odczuwalną oszczędność energii.

Opuszczona stacja londyńskiego metra
Opuszczona stacja metra przejęta przez sieć Bunhill Heat and Power.

Stojąca za przedsięwzięciem sieć grzewcza Bunhill Heat and Power chwali się, że ich pomysł pozwala obniżyć rachunki o 10% oraz zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 500 ton rocznie. System jest rozbudowywany i obsługuje 1350 budynków. Wdrożenie podobnego rozwiązania rozważają Hiszpanie, pragnący sięgnąć po ciepło odpadowe z tuneli drążonych pod Madrytem.

2. Potęga hałasu

Strzelam, że każdy z nas spotkał kiedyś irytującego typa, który wyciągnął telefon w autobusie i zapomniał, że nie jest sam. Tego, co trajkotał na tyle głośno, żeby wszyscy współpasażerowie musieli usłyszeć o jego rozkładzie dnia, dylematach osobistych, problemach w pracy i adopcji psa. Sang-Woo Kim z koreańskiego Uniwersytetu Sungkyunkwan zauważył, że takie gderanie nie musi być bezproduktywne. Dlaczego rozmawiając nie moglibyśmy jednocześnie ładować telefonu?

Energia dźwięku

Dźwięk to zupełnie przeoczany, niewidzialny rezerwuar energii. A przecież mówimy o rozchodzącej się w powietrzu, fizycznej fali akustycznej. Węsząc potencjał w 2011 roku Sang-Woo Kim przedstawił prototyp urządzenia złożonego z płytek tlenku cynku przedzielonego elektrodami, mającego w zamyśle pochłaniać dźwięk i konwertować wywołane wibracje w prąd elektryczny. Wynalazek działał, ale jak pokazała praktyka, Koreańczyk mocno przecenił efektywność swojego pomysłu. Nawet najdonioślejszy głos okazał się zbyt słaby choćby do zapalenia diody, nie mówiąc o naładowaniu smartfonu. Jak widać, wzniosłe aforyzmy o wielkiej mocy wypowiadanych słów nie przekładają się na fizykę.

Z drugiej strony, nie powinniśmy zbyt łatwo dawać za wygraną. Gdybyśmy zmienili założenia i wyłożyli podobnym (ale lepszym) materiałem ekrany akustyczne na całej długości hałaśliwych dróg i autostrad, to być może motoryzacyjny zgiełk zdołałby kiedyś zasilić część lamp lub sygnalizacji świetlnych.

3. Gorączka ładowania

Podobno dorosły człowiek o masie 70 kilogramów, uwalnia w ciągu godziny prawie 300 kJ ciepła, co możemy przeliczyć na 80 watów. Nieźle. Jednym ze sposobów na uszczknięcie tej energii może okazać się “tkanina” Power Felt, zaprezentowana przez Coreya Hewitta z Uniwersytetu Wake Forest. Elastyczne tworzywo oparte o nanorurki węglowe, czerpie ze zjawiska termoelektrycznego – tj. generuje napięcie elektryczne na podstawie różnicy temperatur między dwoma punktami. W tym przypadku prąd powstawałby dzięki różnicy cieplnej między ludzkim ciałem a otoczeniem.

Zjawisko termoelektryczne
Prosty schemat urządzenia korzystającego ze zjawiska termoelektrycznego.

Jak słusznie przeczuwacie, Power Felt raczej nie pozwoli na ugotowanie obiadu czy uruchomienie komputera. Pierwsze prototypy generowały śmieszne 140 nanowatów (miliardowych części wata). Mimo to, Hewitt marzy o tym, aby jego materiał stał się elementem poszewek marynarek, pokrowców foteli czy etui na telefon. Nawet jeżeli koncept nie stanie się nigdy poważnym źródłem prądu, mógłby poratować awaryjnym podładowaniem smartfonu lub latarki.

Corey Hewitt i jego Power Felt
Tworzywo Power Felt wraz ze swoim wynalazcą.

Na marginesie dodam, że trwają również zaawansowane prace nad wykorzystaniem efektu termoelektrycznego w większej skali. Fizycy z Uniwersytetu Stanforda i Instytutu Maxa Plancka chcieliby, aby mechanizm konwersji cieplnej stał się uzupełnieniem dla paneli słonecznych nowej generacji, umożliwiając produkcję prądu również po zachodzie Słońca.

4. Ciepło z krematorium

Teraz coś bardziej makabrycznego. W niewielkiej miejscowości Dukinfield koło Manchesteru znajduje się niezwykły zakład kremacyjny. Niezwykły, albowiem nadwyżka ciepła produkowanego przez piece jest odprowadzana i wykorzystywana do ogrzewania kaplicy, biur i innych pobliskich budynków. Ciała są palone w temperaturach sięgających 1100 °C, więc mowa o istotnej oszczędności.

Projekt ma prawo imponować prostotą i pragmatyzmem. Niestety znalazł on znacznie więcej przeciwników niż naśladowców. Krytycy powołują się na… względy etyczne. Ich zdaniem, pobieranie ciepła wypromieniowywanego przez piece miałoby naruszać przepisy kodeksu Międzynarodowej Federacji Kremacyjnej (tak, jest coś takiego), zgodnie z którym “produkty lub pozostałości kremacji nie mogą być wykorzystywane do jakichkolwiek celów handlowych”. Wiele z tych debat wieńczyła konkluzja, że chociaż ciepło odpadowe nie stanowi materialnej “pozostałości kremacji”, to jednak nie wypada wiązać śmierci z bezduszną technologią na żadnej płaszczyźnie.

5. Energetyczne tańce, hulańce, swawole

Na parkiecie można wylać sporo potu, a skoro tak, to dlaczego przy okazji nie wytworzyć odrobiny prądu? Taki tok myślenia przyjął holenderski projektant i artysta Daan Roosegaarde. W 2008 roku skonstruował on podłogę konwertującą ciśnienie wywierane przez kroki tancerzy w energię elektryczną.

Energia z tańca

Pierwsza (i chyba jedyna) taka instalacja trafiła do klubu nocnego WATT (adekwatna nazwa) w Rotterdamie. Parkiet składał się z kwadratowych modułów o powierzchni 65 centymetrów kwadratowych, z których każdy generował 25 watów. Wystarczająco dużo aby zasilić LED-owe oświetlenie oraz stanowisko didżeja.

Idea elektrycznego parkietu w praktyce.

Klub od dawna nie istnieje, ale Roosegaarde wciąż aktywnie działa na rzecz środowiska i popularyzacji odnawialnych źródeł energii. Jak twierdzi: “Nie sądzę, aby na tym świecie brakowało pieniędzy i technologii – brakuje wyobraźni”.

6. Produktywne okna

Fotowoltaika rozprzestrzenia się niczym pożar po australijskim buszu, choć tak naprawdę wciąż dopiero raczkujemy w tej materii, a dostępna technologia ma jeszcze ogromne pole do rozwoju. Jednym z wielu problemów pozostaje konieczność wygospodarowania jak największej przestrzeni dla paneli, co nie jest łatwo zważywszy na ograniczoną powierzchnię większości dachów. Ta wada skłoniła konstruktorów do podjęcia prac nad ogniwami przezroczystymi (TSC). Takie rozwiązanie dałoby możliwość przekształcenia dowolnej tafli szkła de facto w panel solarny, co otworzyłoby drogę do krainy nieograniczonych zastosowań. Produktywne szkło mogłoby zostać zaimplementowane w ekranach smartfonów, soczewkach okularów, szybach samochodowych, czy wreszcie w architekturze. Gdyby każde z “okien” oszklonego biurowca było zdolne do produkcji energii elektryczności, budynek miałby szansę stać się energetycznie samowystarczalny.

Ogniwo produkcji Saule Technologies
Półprzezroczysty materiał generujący energię słoneczną.

Ale skoro to takie genialne, to dlaczego nie podążamy w tym kierunku? Odpowiedź brzmi: podążamy, ale badania idą dość opornie. Sprawność pierwszych bezbarwnych paneli wahała się od 1 do najwyżej 5%. Półprzezroczyste panele perowskitowe wypadają nieco lepiej, ale wydajność nadal nie dociąga nawet do 15%. To wciąż zbyt mało, aby podbić rynek, jednak wyścig trwa i bierze w nim udział przynajmniej dziesięć podmiotów z całego świata (w tym polska firma Saule Technologies). W grę wchodzi ewentualny przewrót w błyskawicznie pęczniejącej branży, toteż stawka jest więcej niż wysoka.

7. Deszcze niespokojne

Inny kłopot z panelami słonecznymi, dotyczy ich użyteczności w niesprzyjających warunkach pogodowych. Uczeni z dalekiego wschodu od dawna główkują nad tym, jak przekuć problem w zaletę i pozyskiwać energię z kropel deszczu. Ścierają się tutaj dwie główne koncepcje. Pracownicy Uniwersytetu Soochow w chińskim Suzhou przedstawili wynalazek złożony z płyt przezroczystego polimeru, przechwytującego delikatne ładunki tworzone przy spływaniu kropelek wody. Ich koledzy z City University w Hong Kongu odpowiedzieli urządzeniem opartym o folię politetrafluoroetylenową na podłożu z tlenku indowo-cynowego (pozdrawiam chemików), gromadzącą ładunek powstały na skutek mechanicznego uderzania kropel.

Pokaz technologii pozyskiwania energii z deszczu, opracowywanej na Uniwersytecie Hong Kongu.

Drugie rozwiązanie wydaje się na tę chwilę znacznie efektywniejsze i kryje spory potencjał komercyjny. Twórcy teoretyzują, że energia kropel (DEG) mogłaby znaleźć zastosowanie w kadłubach statków, a nawet w parasolach. Jednak w pierwszej kolejności, technologia powinna uzyskać zainteresowanie branży fotowoltaicznej i przejąć rolę naturalnego uzupełnienia dla klasycznych paneli słonecznych.

Literatura uzupełniająca:
Heat from London Underground tunnels to warm homes and schools, [online: www.ianvisits.co.uk/blog/2020/03/06/heat-from-london-underground-tunnels-to-warm-homes-and-schools];
N. Buddoo, Harnessing heat from the Tube, [online: www.newcivilengineer.com/innovative-thinking/harnessing-heat-from-the-tube-11-05-2020];
D. Hardawar, Cellphones could be charged by voice chatter – still annoy everyone else, [online: www.reuters.com/article/idUS78641671620110509];
L. Fan, W. Li, W. Jin, Maximal nighttime electrical power generation via optimal radiative cooling, [online: www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-28-17-25460&id=434399];
K. Neal, Power Felt gives a charge, [online: www.news.wfu.edu/2012/02/22/power-felt-gives-a-charge];
A. Mourant, Should the excess heat from cremation be recycled?, [online: www.theguardian.com/education/2011/apr/25/cremation-excess-heat-research];
Sustainable Dance Floor, [www.studioroosegaarde.net/project/sustainable-dance-floor];
Transparent Solar Panels: Reforming Future Energy Supply, [online: www.solarmagazine.com/solar-panels/transparent-solar-panels];
W. Xu, H. Zheng, Y. Liu, A droplet-based electricity generator with high instantaneous power density, “Nature”, nr 578, 5 luty 2020;
M. Nichols, Hybrid solar panels to capture energy from rain, [online: www.euroscientist.com/scientists-design-new-solar-cells-to-capture-energy-from-rain/].
Test na ratunek Ziemi Fale, cząstki i zabawy z dwoma szczelinami Kim jest kwantowy obserwator?