Z nową energią o nowej energii

Na benzynie i ropie pojeździmy sobie jeszcze przez 40 lat. Węgla wystarczy na jakieś 120–140 lat dłużej. A potem będziemy marznąć i chodzić piechotą? Na szczęście nie, bo od czasów kryzysu paliwowego z lat 70. ubiegłego wieku szuka się innych źródeł energii. Obecnie, zgodnie z duchem czasu, nie tylko wydajnych i tanich, ale także przyjaznych dla środowiska. Do niedawna szło to jak po grudzie, ale kreatywność naukowców rozbudziły ostatnio ponure wizje ocieplenia klimatu i realna cena ropy powyżej 60 dolarów za baryłkę.

Dotąd mieliśmy kilka pomysłów na zastąpienie paliw kopalnych i sporo problemów z ich realizacją. Elektrownie jądrowe budzą silne protesty – wszyscy pamiętają o Czarnobylu i amerykańskiej katastrofie w Three Mile Island. Poza tym boimy się, by pod przykrywką budowy elektrowni niektóre kraje nie chciały produkować broni atomowej. Energia wiatru? Wymaga drogich turbin szpecących krajobraz, a przede wszystkim niegwarantujących stałego dopływu prądu. Baterie słoneczne? Również kilka razy za drogie, na dodatek mało wydajne. Paliwo samochodowe z roślin (alkohol lub olej)? Tu szło nieco lepiej, ale nawet gdybyśmy obsiali trzciną cukrową, soją i rzepakiem wszystkie pola świata, to i tak nie zaspokoimy ogromu potrzeb. A gdzie będziemy uprawiać rośliny, które trafią na stół? Energia geotermalna – z terenów o nasilonej aktywności wulkanicznej, w tym z gorących źródeł – ma ze swojej natury ograniczony zasięg. Potężne elektrownie wodne można stawiać tylko tam, gdzie są rzeki. Na dodatek trzeba by jakoś rozwiązać kwestię
katastrofalnego wpływu zapór na środowisko. Próby wykorzystania siły fal morskich lub przypływów i odpływów – w powijakach (to zaledwie 0,01 procenta wszystkich źródeł "ekologicznej energii"). Ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór byłyby świetne, niezwykle ekologiczne (w wyniku ich pracy powstają prąd i czysta woda)
. Tylko skąd brać wodór? Uff, chyba czas przejść do kolejnej części tego artykułu, zanim zaleje nas fala energetycznego pesymizmu.

Kosmiczne ceny ropy w latach 70. dały silny impuls do poszukiwań alternatywnych rozwiązań. Teraz, choć wizja końca zasobów jest całkiem namacalna, nie ma takiego boomu na inwestycje w badania nad nowymi źródłami energii. Ale posuwamy się naprzód – w ostatnim czasie usprawniono wiele starych technologii, sprawiając, że wreszcie mogą nabrać ekonomicznego znaczenia. Udało się też rozkręcić kilka zupełnie wariackich (przepraszam: wizjonerskich) projektów.

Wydaje się, że po latach zastoju ruszyło się coś w energetyce wiatrowej. W szybkim tempie rośnie ilość prądu wytwarzanego przez gigantyczne wiatraki. W Europie palmę pierwszeństwa dzierżą Niemcy, produkując dwa razy więcej wiatrowego prądu niż pozostałe kraje razem wzięte. Dania aż 20% swoich energetycznych potrzeb zaspokaja dzięki elektrowniom tego typu.

Jednak prawdziwy postęp w tej dziedzinie to wcale nie większe lub gęściej ustawione wiatraki. Nie chcąc zajmować terenu na lądzie (turbiny hałasują i nie każdy jest fanem technicznej architektury dominującej nad krajobrazem), buduje się je w morzu. Płytkie wybrzeża północnej Europy idealnie nadają się do tego celu. Ale najważniejszą nowinką jest projekt połączenia wiatraków w wielką sieć. W ten sposób uda się zlikwidować ich największą wadę – gdy nie wieje, nie ma prądu. Bo gdy kabel połączy wystarczająco odległe generatory, któryś zawsze będzie dostarczał energię do sieci. Jako pierwszy uda się chyba zrealizować projekt "10 gigawatów" spinający dwa tysiące elektrowni Niemiec, Holandii i Wielkiej Brytanii na wodach Morza Północnego. Ich łączna produkcja zaspokoi potrzeby ośmiu milionów gospodarstw domowych. Również w świecie ogniw słonecznych pojawiło się kilka ciekawych pomysłów. I to śmiesznie prostych. Jednym z czynników windujących cenę baterii słonecznych jest wysoka cena krzemowych płytek, z których
robi się szkielet ogniwa. Producenci ogniw starają się więc wytwarzać jak najcieńsze płytki. Ale i tak cena każdego wata mocy baterii wynosi ponad cztery dolary. (Żeby zagotować wodę w elektrycznym czajniku potrzeba ogniwa za cztery tysiące dolarów...). Tymczasem dwóch Australijczyków wpadło na genialnie prosty pomysł. Po co gimnastykować się z tworzeniem cienkich płytek? Weźmy grubą i potnijmy ją na mikroplasterki! – proponują Andrew Blakes i Klaus Weber. Prototypy ogniw wytworzonych tą metodą wychodziły im nawet cztery razy taniej (jak twierdzą, pomysł na oszczędności przyszedł im do głowy podczas podróży po szkockich górach).

Inny pomysł odsyła do lamusa znane wszystkim płaskie panele słoneczne. Nie warto zastawiać dziesiątków hektarów słabo wydajnymi ogniwami. Wystarczy płytka o przekątnej... 10 centymetrów! Tyle tylko, że skupiają się na niej promienie z kilku- lub kilkunastometrowego zwierciadła przypominającego ogromny parasol. Sęk w tym, że temperatura tak skupionych promieni natychmiast zniszczyłaby płytkę z krzemu. – Gorąco? To się świetnie składa! – powiedzieli naukowcy z niemieckiego Instytutu Fraunhofera. Ich ogniwo zrobione z arsenku galu najlepiej pracuje właśnie w wysokich temperaturach. Jest wówczas w stanie przetworzyć nawet 40 procent odbieranego promieniowania w elektryczność. To wydajność, o której nie mogą marzyć twórcy obecnych baterii słonecznych.

Sztandarowym przykładem elektrowni przyszłości są ogniwa paliwowe. Zasada ich działania powstała na początku XIX wieku i sprowadza się do odwrócenia reakcji elektrolizy. Pamiętacie? Przez wodę przepuszczamy prąd, a na elektrodach zbierają się tlen i wodór. Trzeba więc w ogniwie paliwowym połączyć tlen z wodorem, by otrzymać wodę i elektryczność. Teoretycznie proste, ekologiczne i wydajne. Problem tylko z wodorem. Wokół jest go pełno, ale związanego w różnych cząsteczkach chemicznych. Otrzymanie czystego wodoru wymaga pewnych nakładów energii, przy czym wydziela się dwutlenek węgla. Na tym froncie też trwają intensywne badania. Być może produkcją wodoru zamiast fabryk zajmą się bakterie. Radzi sobie z tym zaskakująco wiele gatunków. Trzeba tylko wyselekcjonować najbardziej wydajne mikroby, oddzielić je od tych konsumujących wodór i do roboty! Co ciekawe, budowa takiego reaktora może być naprawdę prosta. Podobnie jak jego zasilanie. W jednym z wojskowych laboratoriów bakterie dokarmiano... resztkami z kantyny.

Inną sprawdzoną i zaakceptowaną metodą pozyskiwania energii jest przetwarzanie biomasy, czyli surowców roślinnych. Biomasę najczęściej się spala. Może to i prymitywne, ale z tego źródła pochodzi prawie dziewięć procent całej światowej produkcji energii. Warto więc zatroszczyć się o czyste i wydajne metody spalania. Ale też o surowce. Wycinanie lasów na opał to barbarzyństwo, z powodzeniem można jednak wykorzystać odpady z przemysłu drzewnego lub z rolnictwa (w samej Unii Europejskiej powstaje ich ponad miliard ton rocznie).

Można też zakładać plantacje roślin energetycznych. Muszą rosnąć szybko, mieć małe wymagania i dużą odporność na niesprzyjające warunki. Powszechnie uprawia się wierzby czy topole. Niektóre odmiany modyfikuje się genetycznie, by wytwarzały grubszy pień, mniej energii wkładając w tworzenie korzeni. Szuka się genów zwiększających odporność na suszę czy szkodniki albo zwiększających tolerancję na gęstą uprawę „energetycznego lasu”. Jednak prawdziwym hitem są trawy. Amerykanie dopiero odkrywają badany już od lat w Polsce Miscanthus (czyli miskant lub trzcinnik). W ciągu jednego roku dorasta do czterech metrów, można go uprawiać na byle jakiej ziemi, a zbiór z jednego hektara może dostarczyć nawet tyle energii, ile 25 ton węgla!

A skoro już o węglu mowa, to warto wspomnieć o kilku wzgardzonych rozwiązaniach, które niespodziewanie wróciły do gry na fali poszukiwań ekologicznej energii. Bo kto jeszcze kilka lat temu uwierzyłby, że czystym paliwem może być węgiel? A ta opcja może być niezwykle interesująca dla Polski. Mamy największe złoża tego surowca w Unii Europejskiej. Nic dziwnego, że 92 procent energii elektrycznej w naszym kraju wytwarza się z węgla.

– To nie jest czyste paliwo – powiedział "Przekrojowi" doktor Adam Smoliński z Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach – ale można stosować czyste technologie jego wykorzystania. My jesteśmy nastawieni na wodór: badamy możliwości jego otrzymywania na drodze zgazowania węgla. W GIG działa już laboratoryjna instalacja z reaktorem umożliwiającym prowadzenie eksperymentów z produkcją gazu bogatego w wodór w maksymalnej temperaturze 900 stopni Celsjusza i pod ciśnieniem 5 megapaskali.

– Badamy różne gatunki krajowego węgla, by sprawdzić, który się do tego najlepiej nadaje – tłumaczy Smoliński. – Analizy termodynamiczne, które właśnie przeprowadziłem, sugerują, że może to być opłacalne. Z węgla można otrzymywać nie tylko wodór, ale również inne produkty, takie jak na przykład metan czy paliwa płynne. Udane próby produkowania benzyny z węgla prowadzili Niemcy podczas II wojny światowej. Przy obecnych cenach ropy takie prace znów mają sens ekonomiczny. A syntetyczny gaz można by pompować do gazociągów, na potrzeby Polski lub sprzedawać go za granicę.

– Główny Instytut Górnictwa uczestniczy w wielu ważnych projektach unijnych w zakresie czystej energii z węgla – mówi doktor Smoliński. – Współpracujemy też z partnerami z USA. W lutym na konferencję do Katowic przyjechali na przykład przedstawiciele największych koncernów paliwowych. W czerwcu ruszamy z nowym projektem zgłoszonym do finansowania w ramach Funduszu Badawczego Węgla i Stali. Zamiast przerabiać węgiel wydobyty na powierzchnię, naukowcy z Katowic spróbują zgazowywać go od razu pod ziemią!

Testy odbędą się w należącej do GIG kopalni doświadczalnej Barbara w Mikołowie. – Uszczelnimy fragment złoża na głębokości około 20 metrów – wyjaśnia Adam Smoliński – i doprowadzimy tam rurami czynnik zgazowujący. Jeśli eksperyment się powiedzie, to może powstać metoda pozyskiwania wodoru ze złóż węgla, które są nieopłacalne lub niemożliwe do wykorzystania w klasyczny sposób. Kto wie, może kiedyś na Śląsku powstanie europejskie zagłębie wodorowe? Innym zaskakującym powrotem w badaniach energetycznych jest słynna zimna fuzja, czyli łączenie jąder atomów w niskiej temperaturze. Kontrolowana synteza jądrowa mogłaby dostarczać niewyobrażalne ilości energii. Jest tylko jeden szkopuł – normalnie ten proces zachodzi w gwiazdach w temperaturze milionów stopni. Jednak w 1989 roku dwaj amerykańscy chemicy ogłosili, że udało im się przeprowadzić taką reakcję w temperaturze pokojowej. Martina Fleischmanna i Stanleya Ponsa okrzyknięto bohaterami rewolucji w energetyce. A wkrótce potem hochsztaplerami, gdy okazało się, że
nikt (włącznie z nimi samymi) nie potrafi powtórzyć tego doświadczenia. „Zimna fuzja” stała się synonimem naukowego oszustwa i na lata poszła w zapomnienie. Ale cóż to się dzieje! Na zorganizowanym kilka tygodni temu zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego odbyły się aż dwie sesje, podczas których omawiano najnowsze odkrycia w dziedzinie „niskoenergetycznych reakcji jądrowych” (nazwa „zimna fuzja” straciła na popularności – pewien niesmak jednak pozostał). Wśród kilkunastu przedstawicieli renomowanych instytutów był też Fleischmann! Z nowymi wynikami i ze sprostowaniem błędów pomiarowych sprzed lat. O poważnym traktowaniu problemu niech świadczy to, że autorami najżywiej dyskutowanych rezultatów byli naukowcy pracujący w laboratoriach amerykańskiej armii.

Gdzie by tu jeszcze poszukać energii przyszłości? Prawdziwym hitem mogą okazać się... glony. Są niezwykle starą ewolucyjnie grupą organizmów. Przez miliony lat dorobiły się bardzo wydajnych metod korzystania z zasobów środowiska i przystosowały się do niezwykle różnorodnych warunków. To glony są jednym z ważniejszych producentów tlenu i sprawnym „łapaczem” dwutlenku węgla. Na ich konto trzeba zapisać jedną trzecią zachodzących na Ziemi procesów fotosyntezy. Ponad połowa masy żywych organizmów w oceanach to właśnie glony! No dobrze, dość tych zachwytów nad zielonkawą breją – co glony mają wspólnego z energią? Otóż w zależności od gatunku wytwarzają mnóstwo skrobi i olejów. Biją przy tym na głowę klasyczne rośliny uprawne. To nie przesada: wiecie, ile oleju rocznie można otrzymać z hektara obsianego rzepakiem? 1600 litrów. Z hektara plantacji oleistej palmy uda się wycisnąć jakieś 6 tysięcy litrów. Dla glonów to żarty. Ich wydajność może sięgać nawet 80 tysięcy litrów paliwa zastępującego olej napędowy –
szacują naukowcy. I rzucają się do budowania plantacji glonów, bo to przecież żyła złota!

Znamy ponad 20 tysięcy gatunków glonów, więc z pewnością można wśród nich znaleźć idealny do określonej hodowli, czujący się dobrze w wybranym zakątku świata. Na eksperymentalnych farmach energetyczne glony uprawia się na dwa sposoby – w otwartych, płytkich basenach oraz w zamkniętych, przezroczystych rurach i cylindrach. Pierwsza metoda jest dużo tańsza, ale daje mniejsze plony. Poza tym otwartej hodowli grozi zakażenie, na przykład grzybami lub bakteriami. Z kolei zamknięte hodowle są dużo droższe.

Jednak zysk z samego paliwa to nie wszystko. Glony mogą poprawiać standardy ekologiczne klasycznych elektrowni (i innych fabryk). Jak? Wychwytując produkowany przez nie dwutlenek węgla! Wystarczy, by oczyszczone z toksyn spaliny przepuszczać przez zbiorniki z hodowlą. Ale to wciąż nie wszystko. Glony nie dość, że nie potrzebują czystej wody, to jeszcze mogą oczyszczać ścieki, wychwytując z nich substancje konieczne do rozwoju rośliny. Jeśli glony produkujące paliwo do diesla nie były dla was wystarczająco niezwykłe, to teraz czas na prawdziwy hit. Klucz do energii przyszłości może być ukryty w... jelitach termitów! Brzmiałoby to jak wygłup, gdyby nie miliony dolarów inwestycji dodające powagi temu pomysłowi.

Dlaczego energetyczne eldorado tkwi w tak mało apetycznym miejscu? Cóż, termity to mistrzowie w przerabianiu drewna. A dokładniej: nie same termity, tylko bakterie żyjące w ich przewodzie pokarmowym. My, w odróżnieniu od termitów, energię z drewna umiemy czerpać przez spalanie. Energię cieplną trudno jednak magazynować, nie mówiąc o jej wykorzystaniu na przykład w transporcie. Ech, gdyby tak móc przerobić na etanol wspomniane już miliardy ton roślinnych resztek po produkcji żywności czy od- padów drzewnych! Niestety, na razie umiemy w miarę wydajnie wytwarzać alkohol ze składników bogatych w cukry – na przykład z ziaren kukurydzy czy z trzciny cukrowej. Ale mimo ekscytacji zwolenników „zielonej energii” to ślepa uliczka. Gdyby całe zbiory kukurydzy rosnącej w Stanach przerobić na etanol, udałoby się zaspokoić niecałe 15 procent potrzeb paliwowych tego kraju. Dlatego szuka się innych źródeł cukru. Mogłaby nim być celuloza tworząca ściany roślinnych komórek. Tylko że ma ona formę gęsto posplatanych nici, z
którymi nie radzą sobie drożdże i bakterie prowadzące fermentację alkoholową. Za to mikroby mieszkające w termitach tną długie nici celulozy z drewna, doprowadzając do powstania małych cząsteczek cukrów. A z tych można w prosty sposób uzyskać alkohol. W jelitach temitów (a także bydła) grzebią więc mikrobiolodzy, starając się namierzyć drobnoustroje najsprawniej rozkładające roślinne substancje. Zaś genetycy polują na fragmenty DNA tych bakterii, w których zapisany jest przepis na wysokowydajne enzymy. Można je będzie potem przenosić do innych mikrobów, uzyskując żywe fabryki surowców energetycznych.

Wielkie koncerny naftowe początkowo z niechęcią i obawą przyglądały się poczynaniom wariatów hodujących glony, łapiących słońce lub patroszących termity. Ale zegar tyka, węgla i ropy ubywa. Więc nafciarze sami zabrali się do badań nad biopaliwami. Być może już wkrótce zaproponują nam benzynę z trawy, bakteryjny wodór lub prąd z własnych „słonecznych parasoli”?

Piotr Kossobudzki