Ludzkość od prastarych czasów wykorzystuje cztery żywioły, by poprawić jakość swojego życia, a także okiełznać drzemiące w nich pokłady energii. Ziemia i woda od zawsze dostarczały energię w postaci żywności człowiekowi oraz zwierzętom hodowlanym i pociągowym, potrzebnym do usprawnienia transportu lądowego.

Kolejnym żywiołem jest ogień, który służył najpierw do obróbki termicznej żywności i produkcji energii cieplnej, a w ostatnich stuleciach służy także energii mechanicznej i elektrycznej. Ostatni żywioł to powietrze, które również jest wykorzystywane od wielu stuleci, ale dopiero w ostatnich dziesięcioleciach znalazło zastosowanie na niespotykaną wcześniej skalę w produkcji energii elektrycznej. Na tym jednak nie kończą się możliwości tego, co klasycznie nazywamy powietrzem, a co wchodzi w skład atmosfery i podlega rządzącym w niej prawom fizyki.

Powrót wiatraków

Wykorzystywanie energii z powietrza, a w zasadzie z wiatru, który jest wywołany różnicą ciśnień oraz różnicami w ukształtowaniu powierzchni ziemi, znane jest od dawna. Odkrycia archeologiczne w Egipcie wskazują na to, że energię pozyskaną dzięki ruchowi powietrza wykorzystywano w Egipcie już 1000 lat przed Chr. Kinga Turoń z Akademii Górniczo-Hutniczej szacuje, że do połowy XIX wieku w Europie było ok. 200 tys. wiatraków, które wykorzystywano do napędu różnych urządzeń mechanicznych, takich jak popularne młyny zbożowe czy pompy wodne.

Z biegiem czasu wiatraki zaczęły być wypierane przez maszyny parowe, spalinowe i wreszcie elektryczne, które były napędzane paliwami kopalnymi. Turbiny zamieniające energię elektryczną na mechaniczną wykorzystują te same prawa fizyki co elektrownie wiatrowe, które zamieniają energię kinetyczną wiatru na prąd. – Pod koniec XX wieku nastąpił powrót wiatraków jako elektrowni wiatrowych. Dziś wiatraki znów są używane, by wspomagać system elektroenergetyczny, a przecież kiedyś to właśnie powszechna elektryczność spowodowała ich wyparcie – podkreśla Kinga Turoń.

Energetyka wiatrowa rozwija się bardzo szybko za sprawą powszechności nowoczesnych i efektywnych rozwiązań, nakładanych ograniczeń w stosowaniu paliw kopalnych oraz polityki klimatycznej UE. Obok wysokich kosztów budowy takich elektrowni kolejną bolączką jest niestabilność produkcji energii, która jest uzależniona od wiatru.

Mapa energii wiatru

Filozofia nowoczesnej prosumenckiej energetyki odnawialnej jest oparta na wielu źródłach produkcji prądu, które będą rozproszone po całym kraju. Z myślą o nich Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej we współpracy z Wydziałem Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej opracował atlas małej energetyki wiatrowej. Ma on pomóc w uzyskaniu informacji, czy w sąsiedztwie naszego domu lub firmy warto postawić turbiny wiatrowe, bo dotychczas zdobycie tego typu analiz było bardzo kosztowne i decydowały się na nie jedynie koncerny planujące budowę dużych farm wiatrowych. – Przy pracy nad atlasem przyjęliśmy założenie, że będzie on związany z instalacjami energetyki wiatrowej, w które mogą zainwestować typowe gospodarstwa domowe i mniejsi przedsiębiorcy. O ile zasoby energii słonecznej na terenie Polski właściwie się nie zmieniają, to zasoby wiatru są bardzo zmienne i zależą od wielu czynników, takich jak choćby ukształtowanie terenu czy istniejące zabudowania – podkreśla dr inż. Jakub Jurasz z Politechniki Wrocławskiej.

Wiatraki zniknęły z europejskiego krajobrazu w XIX i XX wieku podobnie jak statki żaglowe z mórz i oceanów, bo wyparły je nowocześniejsze maszyny parowe, spalinowe i elektryczne. Choć wiatr nic nie kosztuje, to jednak nowocześniejsze rozwiązania, obok wyższej wydajności, miały jeszcze jeden walor – zapewniały nieustanny dopływ energii, podczas gdy w bezwietrzną pogodę młyn napędzany wiatrem nie mógł mleć zboża, a statek płynąć. Identycznie jest z produkcją prądu, która jest zależna od pogody. Czasem mamy nadprodukcję prądu z farm wiatrowych, a czasem tego prądu brakuje w systemie energoenergetycznym. Dotychczas braki były uzupełniane elektrowniami napędzanymi paliwami kopalnymi, ale najlepszym rozwiązaniem mogłyby być magazyny energii, gdzie gromadzona byłaby nadwyżka prądu. Niestety, problem ten nie został jeszcze rozwiązany na skalę przemysłową.

Politechnika Śląska prowadzi zaawansowane i innowacyjne badania na temat sposobów magazynowania energii i energetyki wodorowej. „W przypadku ciągłego wzrostu udziału odnawialnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym pojawia się trudność polegająca głównie na nieprzewidywalnej w czasie dostępności energii elektrycznej wytwarzanej w oparciu o energię wiatru lub słońca. Szczególny nacisk w zakresie prowadzonych badań kładziony jest na akumulację energii poprzez wytwarzanie wodoru oraz potencjalnie konwersji tego wodoru do metanu lub metanolu, co stanowi istotę tzw. szeroko klasyfikowanej technologii power-to-X. W Politechnice Śląskiej prowadzone są projekty naukowe o charakterze badań podstawowych, dotyczące syntezy wodoru oraz dwutlenku węgla do syntetycznego gazu ziemnego oraz metanolu” – informują naukowcy z zespołu badawczego, który jest koordynowany przez prof. Marcina Lutyńskiego i prof. Łukasza Bartela.

Energia z atmosfery

Energia z wiatru nie jest żadną nowością, ale dopiero rozwój nauki i dostępnych technologii spowodował, że potrafimy z niej produkować prąd na masową skalę. Naukowcy od dziesięcioleci wiedzą także, że energia drzemie w różnicy potencjałów atmosfery. Moc tego żywiołu wszyscy możemy obserwować podczas burzy i wyładowań atmosferycznych. Teoretycznie jest to prąd w czystej postaci, którym obdarza nas natura. Ale czy można go wykorzystać? – Być może prędzej udałoby się część tej energii zgromadzić w jakimś specjalnym kondensatorze. Próba pozyskania takiej energii jest jednak dosyć niepraktyczna: chmura burzowa jest skomplikowanym zespołem procesów dynamicznych, termodynamicznych oraz elektrycznych. Przewidzenie, gdzie i kiedy wystąpi największa różnica potencjałów elektrycznych, nie jest na razie możliwe – zaznacza prof. Szymon Malinowski, fizyk z Uniwersytetu Warszawskiego.

Problemem jest nie tylko ustalenie jej lokalizacji, ale również to, że energia wyzwalana podczas burzy jest jeszcze bardziej niestabilna i kapryśna niż ta z wiatru i słońca, a więc dużym wyzwaniem byłoby jej magazynowanie. Jak na razie burze są zmorą energetyków, wywołują spustoszenie w systemie energetycznym i powodują częste przerwy w dostawie prądu.

Mimo tych problemów z okiełznaniem żywiołu zjawisko burzy i procesy w niej zachodzące są bardzo ciekawym wyzwaniem dla naukowców. Powietrze, chmury i krople wody łączą się z jeszcze jednym zagadnieniem – zjawiskiem higroelektryczności, czyli elektryczności statycznej, która tworzy się na kropelkach wody i może być z nich przenoszona na małe cząsteczki kurzu. Ładunek higroelektryczny w pewnych warunkach, takich jak burze, erupcje wulkanów i niektóre burze piaskowe, powoduje powstawanie właśnie wyładowań atmosferycznych. Zjawisko to jest powszechne w atmosferze ziemskiej, ale zaobserwowano je również w parze wydobywającej się z kotłów parowych. To było podstawą propozycji Nikoli Tesli, by pobierać energię elektryczną z powietrza.

Energia z pary wodnej

Badania nad zjawiskiem higroelektryczności otrzymały dofinansowanie z UE w zakresie odnawialnych źródeł energii, które generują prąd z powietrza, czyli na opracowania konwerterów które przekształcałyby zawartą w powietrzu parę wodną w prąd. Uczestnicy projektu HUNTER pracują nad rewolucyjnym urządzeniem, które zmienia parę wodną z powietrza w ładunek elektryczny, czyli formę elektryczności. – Pozwoli to dodać do znanych odnawialnych źródeł energii, takich jak słońce, wiatr czy fale, także atmosferyczną parę wodną – mówi koordynator projektu prof. Andriy Lyubchyk z Uniwersytetu w Lozannie.

Opierając się na najnowszych osiągnięciach w dziedzinie nanotechnologii i materiałoznawstwa, naukowcy już pozyskiwali prąd z powietrza. Początki są skromne, ale podobnie wyglądały pierwsze kroki z „bateriami słonecznymi”, które dopiero z biegiem czasu stały się źródłem energii elektrycznej na masową skalę. – Nasze urządzenie będzie pozyskiwać elektryczność z pary wodnej i zapewniać zasilanie w podobny sposób jak ogniwa słoneczne, które zbierają promienie słońca i generują z nich prąd – wyjaśnia prof. Lyubchyk.

Publikacja dofinansowana ze środków budżetu państwa w ramach programu Ministra Edukacji i Nauki pod nazwą Społeczna odpowiedzialność nauki – Popularyzacja nauki i promocja sportu, nr projektu: SONP/SN/550964/2022, kwota dofinansowania: 500 000,00 zł, całkowita wartość projektu: 556 000,00 zł.

MEN