Co robic z energią? – glossa do dyskusji u Cyborga

Zieloni i nawiedzeni nie bójcie się wiatraków. Od nich się nie pochorujecie. Niech sobie pracują. Ale co zrobić z tym co wytworzą?

Gdy Cyborg59 zamieścił słuszną uwagę krytyczną do PiSowskiego projektu odsunięcia wiatraków na 3 kilometry od siedzib ludzkich, rozpętała się kolejna dyskusja. Dyskusje o energii i sposobach jej pozyskiwania, są dosyć powszechne na nE. Oczywiście, zwolennicy niczym nieskażonej przyrody, wyznawcy utopii, czyli raju na ziemi, po raz kolejny wydali głośny okrzyk – ELEKTROWNIOM WIATROWYM MÓWIMY STANOWCZE NIE!. Pies z nimi, tak długo, jak nie są w stanie przedstawić realnej i efektywnej alternatywy. Nie mrzonek, które może się zrealizują za kilkadziesiąt, a może nawet za kilkaset lat, jak zimna fuzja. Choć nigdy nie wiadomo. Postęp jest nieco przewrotny i fenomenalne odkrycie może być dokonane choćby jutro. Tylko żeby jakiś Exxon, czy Gazprom nie położył na tym łapy i ukrył w lochach swoich skarbców, do czasu, jak na Ziemi nie będzie już ani kropli ropy i butelki gazu.

Zostawię tu źródła energii w spokoju. Wg mnie jest tu dużo możliwości i to zarówno w dziedzinie paliw, jak też źródeł energii odnawialnej.

Bardzo istotnym zagadnieniem jest magazynowanie energii. Z tym ciągle jest duży kłopot.

Bo wytwarzać energię i ją natychmiast zużywać, to nie ma problemu. Taka, na przykład Belgia, kraik nieduży, wybudowała dużo elektrowni jądrowych i teraz stawia latarnie nawet przy czwartorzędnych drogach, bo musi wytworzoną energię natychmiast zużyć. Tak się składa, że sąsiedzi mają pod dostatkiem swojej, więc nie ma komu nadmiaru sprzedać. Inna by była sytuacja, gdyby to dało się jakoś zmagazynować.

Z paliwami nie ma problemu. Można je składować pod ziemią, jak robi się to u nas czy w Norwegii, albo budować potężne farmy zbiorników. Popatrzcie sobie na największe na świecie składowisko ropy naftowej w Cushing Oklahoma, gdzie trzyma się obecnie 46,3 milionów baryłek ropy naftowej ! (dane na koniec 2009) http://www.energyindustryphotos.com/largest_oil_storage_facility_in.htm

Największym właścicielem ropy w magazynach jest podobno Veba Oil Netherlands. Oczywiście również olbrzymie ilości ropy i gazu znajdują się w zbiornikach tysięcy tankowców i gazowców.

Teraz pomyślmy – jak przechowywać energię, a nie tylko to, co się spala i drażni fanatyków CO2.Na brak samej energii nie cierpimy specjalnie. Niestety, problemem jest to, żeby jej mieć tu i teraz, tyle ile potrzeba. Więc trzeba by ją zmagazynować, jak kartofle na zimę.

Dobrze opanowaną metodą są naturalne i sztuczne zbiorniki wodne. To fantastyczny bufor przechowujący energię płynącej wody i generalnie nie ma się do czego przyczepić. Za pewnymi wyjątkami. Decyzja o budowie tamy musi być dobrze przemyślana. Gdy trzeba przesiedlić tysiące, zasiedziałych od wieków ludzi, niszczy się dziedzictwa kultury i szpeci się krajobraz, to warto się zastanowić, czy jest sens budowy. Porąbka była dobrze przemyślaną inwestycją; Czorsztyn, jest niestety kontrowersyjny.

Bardzo skutecznym i efektywnym magazynem energii są też elektrownie szczytowo – pompowe. W dobrze zbalansowanej sieci energetycznej, dobowe wahania zapotrzebowania na moc są dosyć duże. W godzinach słabego zapotrzebowania (nocnych zazwyczaj) można śmiało pompować wodę „pod górkę”, do wyżej położonego zbiornika retencyjnego. W godzinach szczytu zapotrzebowania otwiera się zawory, uruchamia turbiny i prąd płynie do sieci.

Jak by tu jeszcze magazynować energię? Można też mechanicznie. Każdy kiedyś nakręcał kluczykiem zegar. Choć młodsi czytelnicy to już raczej nie. W ten sposób, nakręcając zmagazynowaliśmy pewną energię w sprężynie, a ona potem, przez całą dobę powoli ją oddawała. Czyli można zmagazynować energię w wydajnych, potężnych sprężynach i jak trzeba, to one szybko, albo wolno tą energię mogą oddać. Podobnie daje się magazynować energię w kołach zamachowych. Wprowadzone w szybki ruch wirowy są w stanie przechować dużo energii przez dosyć długo. Zresztą te metody były i są wykorzystywane w komunikacji miejskiej. Gdybyście tak zechcieli pogłówkować, to można by jeszcze podać parę innych przykładów mechanicznego magazynowania energii.

Inaczej można zmagazynować w sposób chemiczny, czy to poprzez syntezę, czy poprzez odwracalny rozkład. Ważne jest tylko żeby w trakcie reakcji powrotnej dawało się energię efektywnie odzyskać w sposób kontrolowany, a nie jak w przypadku nitrogliceryny w sposób wybuchowy.

Energię można też przechować na długo poprzez sprężanie gazów i przechowywanie ich w butlach ciśnieniowych.

Zanim przejdę do baterii i akumulatorów elektrycznych (wprowadzam tu rozróżnienie: baterie – ogniwa jednorazowego użytku, akumulatory – ogniwa, które można wielokrotnie ładować), jak również nowoczesnych, wielko-pojemnościowych kondensatorów, warto się zastanowić, jaki powinien być ten „magazyn energii”.

Praktycznie najważniejszym parametrem jest gęstość energii, którą możemy uzyskać. Np. z jednego kilograma, albo jednego decymetra sześciennego. Taką jednostką, którą się tutaj używa jest specific energyopisywana w wato-godzinach na kilogram (Wh/kg lub kWh/kg) lub też w megadżulach na kilogram (MJ/kg) Otrzymać, to znaczy również zmagazynować. Oczywiście, nie ma tu żadnego porównania z energią atomową, ale tym zajmiemy się później. Niezmiernie ważne jest, jak ta bateria tą energię może oddawać. Czy błyskawicznie silnym i szerokim strumieniem, czy cicho i powolutku. Najdoskonalej by było, żeby tak i tak, w zależności do potrzeby. Również ważne jest, by bateria spokojnie czekająca sobie na użycie, sama z siebie energii nie traciła. Warto tu wspomnieć, że zwykła bateryjka R6, czyli paluszek, czekając na użycie, może tracić nawet do 30% pojemności przez miesiąc. Istotnym jest też, żeby bateria była bezpieczna, co nie zawsze jest takie oczywiste. Miałem kiedyś zmienić baterię w podwodnym transponderze, oczywiście po wyciągnięciu na pokład (bateria typu lithium-cobalt-oxide, 90Ah). Pierwsze zdanie wytłuszczonym drukiem rozkazywało, aby ewakuować wszystkich ludzi z otoczenia. Nie czułem się zbyt pewnie…

Jest jeszcze sporo ważnych parametrów, m.in. ilość cykli ładowania, długość czasu ładowania, odporność na temperaturę zewnętrzną, napięcie ogniwa, itd.

Powoli świat zmierza w kierunku wyłączności baterii, a już akumulatorów kompletnie, litowo – jonowych (Li-Ion, albo LIB). Ciągle się je doskonali. Obecnie ich przeciętne gęstości oscylują w granicach kilkudziesięciu watogodzin z kilograma, w użyciu już są moce 1 kW z 1 kg. Ale tu odnalazłem http://arstechnica.com/science/2011/08/new-solid-state-compound-beats-old-school-lithium-ion-batteries/

informację, że już są w opracowaniu nowe baterie litowe, które w stosunku do tych z 2011 (wtedy to opublikowano) będą lżejsze i 3 krotnie bardziej wydajne.

Obecnie najnowsze baterie zainstalowano w samochodzie Tesla, a na naszym rynku są one w iPadzie iw Kindlu. Gdybyśmy nadal tkwili w komunizmie (zamiast jak teraz w czymś jeszcze gorszym) to byśmy tych cudeniek nie oglądali, bo by było na nie embargo. M.in. przez te baterie. Obecnie przebojem są rapid-charging lithium-titanate battery.

O pewnym przełomie w magazynowaniu, w tym wypadku energii elektrycznej będzie można mówić, gdy się przekroczy granicę 10 kW z jednego kilograma. Jadąc samochodem na takie baterie, nie trzeba się będzie zatrzymywać co 100 kilometrów, wyjąć rowerek na nóżkach z bagażnika, podłączyć dynamo i kręcić pedałami przez godzinę.

Pracuje się też, tym razem celem magazynowania energii, nad tak zwanymi super-kondensatorami. Postęp jest duży, ceny spadają. 3 kilo-faradowy kondensator (3 kF) w roku 2000 kosztował 5000 $, a już w zeszłym roku tylko 50 $. Te kondensatory nie są jeszcze tak dobre w gęstości energii, jak najnowsze litowe, ale jest w nich duży potencjał. Najważniejsza jest niesamowita szybkość ładowania. Miłośnicy Formuły 1 dobrze pamiętają jaką sensację wzbudziło zastosowanie układu KERS i jakiego kopa można było dołożyć na prostej. To tam właśnie energię hamowania magazynowano w super-kondensatorach. A duża przyszłość czeka je przy współpracy z ogniwami fotowoltaicznymi, jak to mądrzy koledzy nazywają, a popularnie ogniwami słonecznymi (solar cells), gdyż natychmiast mogą odbierać i przechować energię słońca. (http://en.wikipedia.org/wiki/Super_capacitor ).

A co takiego w dziedzinie zimnej fuzji? Ano nic. Już trzydzieści lat naukowcy się męczą (http://en.wikipedia.org/wiki/Tokomak_Fusion_Test_Reactor ) , aby uzyskać z kontrolowanej reakcji jądrowej więcej na wyjściu, niż włożyli na wejściu. Jest pewien postęp, ale przełomu nie ma. Paru kolegów podnieca się doniesieniami z prasy popularnej. Na szczęście są na tyle uczciwi, że piszą to w dziale Niekonwencjonalne, a nie w dziale Nauka i Technika. Przełom zapewne w końcu nastąpi. Może dożyję…

Tak więc sobie powytwarzaliśmy trochę energii ( ja pisząc straciłem i acha… nie poruszaliśmy tu wcale energii żywych organizmów i wspaniałej skłonności grubasów do magazynowania ogromnych zasobów energii, niestety, gorzej z jej oddawaniem, no może u zawodników sumo) i problemem jest, żeby coś z tą energią zrobić.

Potrzymać na koncie, nawet bez procentów, a nie natychmiast wszystko wydać, bo to prosta droga do biedy i bankructwa.

__________________________________