Prof. Percival Zhang (vpravo) a Zhiguang Zhu z Virginia Tech s prototypom maltodextrínovej batérie.
Foto | Virginia Tech
Náš blahobyt vo veľkej miere závisí na dostupnosti a cenách energií. Kolaps dodávok fosílnych palív a elektriny by dokonca ohrozil prežitie našej civilizácie, preto vedci usilovne hľadajú alternatívy.
„Zelená“ energia je dnes veľkou témou, no vďaka nepremysleným a chaotickým dotáciám prináša často nemalé problémy. Platí to hlavne o dotovaných zdrojoch energie na báze fotovoltaických a veterných elektrární, ale aj pri takzvaných biopalivách využívajúcich olejnaté zložky, alebo sacharidy poľnohospodárskych plodín. No kým na Slovensku tento typ negatívnych dopadov našťastie ešte nenadobudol kritický rozmer, v inej oblasti do tohto štádia „úspešne“ smerujeme.
POZRITE SI: Solárna energetika šancou pre lepšie mestá
Hľadanie alternatív
Dotácie na výrobu tepla a elektrickej energie pri spaľovaní drevnej štiepky majú za následok negáciu pôvodného ekologického zámeru a postupnú likvidáciu lesov aj rozptýlenej zelene na rôznych typoch území. Dokazuje to známu pravdu, že vždy je dobré pred úradníkmi zapojiť do legislatívneho procesu najskôr nezávislých odborníkov.
Nech sú ale argumenty tradicionalistov v energetickom sektore (nemusíme ich hneď nazvať energetickou lobby) akokoľvek rozumné, z dlhodobého hľadiska sa bez alternatív k fosílnym palivám nezaobídeme. A možno tá doba príde skôr, než by nám bolo milé. Regionálne konflikty totiž môžu dramaticky zamiešať karty pri distribúcii ropy a plynu, ako ukazuje aktuálna situácia v Rusku a na Ukrajine.
A to nemusí ani jedna zo strán zavrieť kohútiky. Stačí, aby sa „trhy vyľakali“ zo spravodajstva, ktoré produkujú mediálni remeselníci a ceny energetických surovín môžu vyletieť do nepríjemných výšok. Na druhej strane vysoké ceny, tak ako fyzický nedostatok ropy, alebo plynu, zlepšujú vyhliadky pre rôzne alternatívy.
Tie sa dajú zahrnúť do niekoľkých skupín – biopalivá, netradičné využívanie obnoviteľných zdrojov, nové fyzikálne a chemické objavy a nápady z vedeckofantastickej literatúry.
Biopalivá – ropa bez histórie
Prekvapivo veľa úsilia venujú vedci výskumu a šľachteniu nových plodín (vrátane genetickej manipulácie), ktoré sú bohaté na tuky či cukry, a môžu sa tak stať vhodnou surovinou pri výrobe bionafty, alebo prchavejších uhľovodíkov, prípadne alkoholu. Cestou náhrady benzínu alkoholom sa už pred rokmi vydala napríklad Brazília, kde sa etanol produkoval najmä z cukrovej trstiny a niektorých druhov ovocia.
Bionaftu z repky olejnej poznáme aj u nás a populárnou energetickou plodinou sa stáva aj kukurica. Negatívne dopady dotácií na pestovanie takýchto plodín na technické účely však poznáme. Okrem devastácie poľnohospodárskej pôdy k nim patrí aj deficit týchto plodín na potravinovom trhu. Pestovatelia jednoducho svoju úrodu predajú tomu, kto lepšie platí. Aby sa eliminovali tieto problémy, hľadajú sa nepotravinárske plodiny s vyšším výnosom uhľovodíkov, schopné rásť aj na málo úrodných pôdach.
POZRITE SI: Podmorské hydroelektrárne v Austrálii vyrábajú elektrinu, aj pitnú vodu
Opatrnosť je však namieste, pretože podnikatelia, ale najmä „podnikavci“ sa za ziskom vždy vydajú cestou najmenšieho odporu. Na výrobu drevnej štiepky pokojne radšej vyklčujú tisíce hektárov plnohodnotného lesa, akoby sa venovali pestovaniu špeciálne vyšľachtenej vŕby, ktorá dokáže trvale udržateľným spôsobom dodávať drevnú hmotu na poliach. Ale buďme optimisti.
Zaujímavým typom energetickej plodiny sa môže stať geneticky modifikovaný tabak, ktorý obsahuje až o 700% vyšší obsah škrobu. Štiepením škrobu na jednoduchšie cukry vzniká surovina vhodná na výrobu biopalív. Riziká geneticky manipulovaných organizmov (GMO) pre životné prostredie, aj pre človeka, však zostávajú veľkou neznámou, preto sa táto „hra na bohov“ môže zmeniť na „hru so zápalkami“.
Z podobného súdka sú aj nádeje spojené s juhoamerickou rastlinou dávivec čierny (Jatropha curcas). Dávivec patrí k sukulentných (na vodu nenáročným) rastlinám veľmi rýchlym rastom. U nás sa pestuje len ako izbová rastlina. Jeho semená sú však bohaté na tuky, z ktorých je možné úspešne vyrábať bionaftu. Výhodou je, že sa mu darí v suchých, piesočnatých pôdach, ktoré nie sú vhodné na produkciu potravín.
Namiesto repky olejnej, exotické plodiny. Dávivec čierny rastie aj na suchých, piesočných pôdach.
Foto | Jathropa World
Ak vám je stále ľúto záberov pôdy, možno vás poteší, že vedci pracujú v procese produkcie biopalív aj na využití morských rias. V hre sú aj modrozelené riasy – sinice, ale vedci skúmajú aj niektoré druhy zelených rias a, ako inak, opäť hľadajú cestu v podobe génových manipulácií na zvýšenie produktivity potrebných látok.
Všetky cesty hľadajúce východisko z krízy pestovaním energetických plodín sú do istej miery problematické – málo efektívne, náročné na nasadenie zdrojov pri pestovaní a zbere úrody. Pri použití genetických manipulácií navyše predstavujú neznáme riziko pre celé ekosystémy. Nevyhnutne dôjde ku kontaminácii prirodzených kultúr GMO organizmami. Navyše plodiny je po zbere nutné spracovať, aby sa z nich extrahovali potrebné uhľovodíky, ktoré stále slúžia len ako polotovar.
Umelá fotosyntéza, cukrové batérie
Inú cestu predstavuje inšpirácia fotosyntézou, ktorú chcú vedci zrealizovať v umelých podmienkach a takýmto spôsobom meniť slnečnú energiu za prítomnosti vody, oxidu uhličitého, prípadne ďalších látok na uhľovodíky vhodné ako palivo.
Tým by sa na rozdiel od bežných fotovoltaických panelov vyriešil aj problém akumulácie energie na nočné hodiny, zimné obdobie, alebo čas nárazovej spotreby. Následne by sa takéto plynné, alebo tekuté palivo dalo využiť aj pri výrobe elektrickej energie v palivových článkoch a podobne. Biochémia funguje v pozadí aj pri ďalších technológiách, hoci tie sa už zaobídu bez priamej účasti živých organizmov.
POZRITE SI: Biobatérie vyrobia elektrinu z ľudského moču
Batérie, presnejšie povedané palivové články, využívajúce na výrobu elektrickej energie cukor už existujú, aj keď zatiaľ stále neprekročili prah laboratórií. Výskumom týchto riešení sa zaoberá niekoľko vedeckých tímov, medzi inými aj vedci z Virginia Tech, ktorí vyvinuli batérie na báze sacharidu maltodextrínu.
Ich výhodou je okrem iného, že sú biologicky odbúrateľné. Palivový článok s maltodextrínom navyše dosahuje až dvojnásobnú energetickú hustotu (298 Wh/kg ) oproti lítium-iónovým batériám a uplatniť by sa mohol údajne aj v elektromobiloch. Hm, tankovali by sme sirup? Úspora objemu batérií je však rozhodne zaujímavým bonusom, ktorý by ocenili nielen konštruktéri elektromobilov, ale aj elektronických zariadení.
Energia z odpadu
Zaujímavý potenciál v sebe skrýva aj energetické využitie odpadov. Ide o širokú paletu technológií, ktoré môžu byť navyše prínosom pri recyklácii surovín a ochrane životného prostredia. Už dlhšie sa na energetické účely využíva takzvaný skládkový plyn s vysokým obsahom metánu, ktorý je produktom bakteriálneho rozkladu bioodpadu.
Nejde však o zdroj významného rozsahu. Takým by sa naopak mohlo stať spracovanie kalov z čističiek odpadových hmôt na bionaftu. Juhokórejskí vedci vyvinuli technológiu, pri ktorej sa kal zahrieva v reaktore spolu s metanolom a oxidom uhličitým, pričom sa 98% lipidov v tomto substráte premení na bionaftu. Tento postup by mohol priniesť lacnejšiu bionaftu vďaka obrovskému množstvu kalov spracovávaných čističkami odpadových vôd. Vyžaduje to však výrazný technický upgrade existujúcich zariadení.
POZRITE SI: HYDRA – motor na vodu inak a lepšie
Biotechnológie zrejme zohrajú v budúcnosti energetiky veľký potenciál, či už pôjde o extrakciu uhľovodíkov zo špeciálnych poľnohospodárskych plodín, rias, alebo o transformáciu odpadov. Pri spracovaní drevných odpadov možno prídu k slovu aj geneticky upravené kvasinky, ktoré sa dokážu živiť polysacharidmi obsiahnutými v dreve a produkovať palivo konzumáciou xylózy. Mohlo by ísť o efektívnejší spôsob zužitkovania dreva ako jednoduché spaľovanie drevnej štiepky, ktoré je dnes vďaka dotáciám v móde.
Kozmofantasti verzus fyzici
Pri hľadaní východísk z krízy je dobré stáť pevne na zemi a v každom prípade neopúšťať planétu Zem. Mám dojem, že v súčasnej fáze evolúcie ľudstva – nielen z hľadiska technologickej, ale aj morálnej vyspelosti – je dobré obmedziť využívanie energie z vesmíru na solárne elektrárne. A tie by nemali opustiť zemský povrch.
Nájde sa však nemálo fantastov a nadšencov, ktorí sa zaoberajú myšlienkou premiestniť solárne farmy na obežnú dráhu Zeme, alebo dokonca na Mesiac a odtiaľ energiu dopravovať na Zem. Poslúžiť na to majú najčastejšie zväzky vysoko energetických laserových lúčov. Výhodou takejto koncepcie má byť vyššia účinnosť adsorpcie slnečného svetla v priestore bez atmosféry a dĺžka slnečného svitu.
To je síce pravda, ale podobné myšlienky sú takmer rovnako nereálne, ako kozmický výťah, alebo kozmický „vlak“. Ich autorom treba pripomenúť, že na Mesiaci sme zatiaľ nedokázali postaviť ani domček z karát a keď technicky podrastieme natoľko, aby sme vedeli podobnú elektráreň na našej družici vybudovať, náklady na ňu by prekonali akékoľvek ekonomické medze.
Foto | io9.com
V primeranej miere to platí aj pre orbitálnu elektráreň. Obe riešenia majú navyše spoločné úskalie – dopravu energie na Zem. Ak oželieme straty pri dvojitej konverzii energie (pri generovaní a pri premene laserového lúča), ktoré spoľahlivo zmažú výhodu nerušeného príjmu slnečného svitu a nebudeme prihliadať na straty počas prenosu atmosférou, stále nemáme k dispozícii dostatočne výkonné lasery.
Bojové lasery, ktoré aktuálne testujú na lodiach USA (a možno aj Rusko), sú stále príliš slabé a priveľké. Bezpečnostné hľadisko tiež nie je zanedbateľné. Vtáci, ktorí by sa dostali do cesty takémuto laserovému zväzku by mali rovnakú smolu ako zablúdené lietadlo.
Po sumarizácii argumentov „za“ a „proti“ sa ponúka otázka: Hoci by sme teoreticky dokázali za obrovské peniaze vybudovať na geosynchrónnej dráhe solárnu elektráreň a jej pozemský protipól, načo by to bolo dobré? Na riešenie energetickej krízy sotva.
Tokamak ITER s výkonom 500 MW by mal priniesť prvú riadenú jadrovú fúziu a vyprodukovať 10-násobok vstupnej energie. Spustenie je plánované na rok 2016.
Foto | University of California
Obľúbenou témou milovníkov konšpiračných teórií a „internetových alternatívcov“ sú aj nové, revolučné fyzikálne princípy sľubujúce lacný a neobmedzený zdroj energie, ktoré sa vraj energetická lobby snaží všemožne zatajiť.
Najčastejšie ide, žiaľ, o kontroverzné záležitosti ako „studená fúzia“, pri ktorých chýba jednoznačné vedecké potvrdenie ich existencie, alebo o zázračné stroje čerpajúce energiu „odinakiaľ“, spĺňajúce definíciu perpetuum mobile.
Napriek tomu, že z hľadiska známych fyzikálnych zákonov takéto zariadenia nemôžu fungovať, na internete sa už roky šíria informácie o spustení ich sériovej výroby a nechýbajú dokonca návody na ich domácu konštrukciu.
POZRITE SI: S unikátnym akumulátorom tepla máte vykurovaciu sezónu zadarmo
Aby sme ale neboli príliš konzervatívni dodajme, že ak čosi odporuje známym fyzikálnym zákonom, možno je to v súlade so zákonitosťami, ktoré zatiaľ nepoznáme. Nie je preto vylúčené, že nové objavy nám nakoniec otvoria netušené dvere k energetickej slobode a k splneniu dnes nedosiahnuteľných cieľov. Kým k nim ale dôjde, je cestou k energetickej alternatíve skôr tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) a ovládnutie termonukleárnej reakcie, než „studená fúzia“, alebo „Teslov kvantový generátor“, ktorý má čerpať energiu v „bode nula kvantového poľa“. Netreba zabudnúť ani na zlaté pravidlo, že najlacnejšia energia je tá ušetrená a zamyslieť sa nad naším životným štýlom, v ktorom si mylne stotožňujeme blahobyt s plytvaním.