Všechny takzvané „obnovitelné zdroje energie“ (OZE) jsou vlastně založeny na využití slunce, větru či zemské gravitace. Solární a větrná energie jsou „in“, využívají se ve stále větším měřítku, ale pořád jsou drahé a z principu ne zcela spolehlivé. S gravitací, která je ve skutečnosti tím, co pohání vodní elektrárny, je to v těchto ohledech lepší. Funguje neustále.
Má ovšem jinou nevýhodu: protože ji využíváme prostřednictvím vodních elektráren, nedokážeme ji využívat v dostatečném množství. Vhodných míst pro stavbu nádrží není zase tolik, a tak je jejich potenciál ve vyspělých státech z velké části vyčerpaný. Dobře to dokládá fakt, že masivní podpora obnovitelných zdrojů třeba v Evropě nevedla k významnému nárůstu podílu „vody“ na výrobě elektřiny, přestože jde o obnovitelný zdroj relativně levný a snadno zapojitelný do současné infrastruktury.
Ale nabízí se tu ještě jeden způsob využití gravitace: vlny na hladinách pozemských oceánů. Je to potenciálně ohromný zdroj, protože oceány pokrývají 70 procent zemského povrchu. Je také relativně snadno využitelný, protože v sobě neskrývá žádná velká bezpečnostní rizika a případná stavba elektráren na moři nekonkuruje lidem, jejich obydlím či zemědělství. Hladiny moří se přitom pohupují prakticky neustále, dnem i nocí, takže jde i o zdroj dost stálý a spolehlivý. Možná ne tolik jako fosilní či jaderné elektrárny, ale více než třeba fotovoltaika.
Hlavní důvod, proč se elektřina z vln nevyrábí, je technologický. Nemáme žádný vhodný postup. A byť se na několika místech světa dnes možné postupy zkoušejí, tyto experimenty neslibují žádný zásadní průlom. Žádný z těchto projektů není plně komerční, a jde o různé kombinace tradičních velkých elektromagnetických generátorů s různými variantami plováků či bójí. Vyžadují buď umístění konstrukcí na mořském dně, nebo alespoň pevné ukotvení na dně. Což samozřejmě zase znamená, že jsou využitelné v blízkosti pobřeží a jsou dost náročné na stavbu i kapitál.
Šéf Pekingského ústavu pro nanoenergii a nanosystémy Čung Lin Wang (angl. transkripcí Zhong Lin Wang) ovšem tvrdí, že existuje mnohem lepší způsob, jak světové oceány změnit ve zdroj energie. Vědec, který mimochodem dlouhé roky působil na špičkových amerických univerzitách, říká, že klíčem jsou technologie vyvinuté v miniaturním měřítku: postupy používané pro výrobu energie z lidského pohybu.
Jako tření liščího ocasu
Taková zařízení vyvíjí celá řada výzkumných skupin, včetně té Wangovy. Ta pracuje na minigerátorech pro zdravotnická zařízení, které získávají energii z tepu pacientova srdce. Nebo na „matracích“, které mohou sloužit k výrobě elektřiny třeba pro jednoduché osvětlení. Wang a spol. se ve výzkumu soustředí především na technologie, které využívají k výrobě energie tření.
Jde o všem z praxe dobře známý vznik statického náboje při tření dvou materiálů, které špatně vedou elektřinu, třeba papíru, plastu, skla či některých textilií. Takzvaný triboelektrický jev není jediným mechanismem vzniku statických nábojů kolem nás, ale je tím nejčastějším. Popsaný byl už v antice a vlastně díky němu říkáme elektřině elektřina: výraz pochází z řeckého slova pro jantar (elektron), ve kterém náboj vzniká třením s ovčí kůží, jak si všiml Thalés z Milétu.
Wang na základě svých zkušeností tvrdí, že tento postup je levnější a praktičtější než jiné mikrozdroje, například využití tzv. piezoelektrických materiálů, které vyrábějí elektřinu pod tlakem. Už v roce 2011 proto jeho tým vytvořil první pokusné „triboelektrické nanogenerátory“ v rozměrech od čtverečních milimetrů po čtvereční metry. Za vhodných podmínek (pohyb nesmí být rychlý, atd.) dokážou na elektřinu přeměnit zhruba polovinu na něj působící mechanické energie.
Pomeranče na vlnách
Podobné malé generátory mají nepochybně hypoteticky celou řadu využití, třeba jako jednoduché senzory, které si automaticky začnou vyrábět elektřinu, když se začnou hýbat. Ve světě „internetu věcí“ plném miniaturních senzorů a všudypřítomné elektroniky se pro ně může snadno najít místo.
Otázkou je, jak to bude ve „velké energetice“, kde jde o gigawatty a ne o miliwatty. Wang pro tuto aplikaci nedávno v časopise Nature navrhoval tribogenerátor tak trochu na principu matrjošky. Jde o vzduchem vyplněnou dutou kouli z dielektrického materiálu s menší koulí z jiného materiálu uvnitř zhruba o velikosti pomeranče. Jak se celá sestava houpe na vlnách, vzniká náboj. Malé generátory mají být vyrobeny z velké části z běžných materiálů (guma, křemík, teflon, měď, ocel atp.) a díky tomu i své konstrukci by měly být levné a snadno vyrobitelné i ve větším měřítku. Zatím jde ovšem jen o odhad, byť na pohled těžko zpochybnitelný (mimochodem, podle jeho staršího článku byla ve hře i celá řada dalších možných podob generátoru, ne jen „pomeranč“).
Množství vyrobené energie závisí na rychlosti, jakou se „nanogenerátor“ pohybuje na vlnách, přičemž na směru pohybu prakticky nezáleží. V podmínkách odpovídajících mírnému kolébání vln prý vyrábí řádově jednotky miliwattů. Což není samozřejmě mnoho, ovšem síla celého nápadu má být v množství. Wangův tým zatím vyzkoušel propojení zhruba 400 nanogenerátorů na ploše čtyř čtverečních metrů, a hypoteticky je samozřejmě možné propojit i mnohem větší plochy.
Wang na větších systémech údajně pracuje, což je samozřejmě další nezbytný krok vývoje. Aby „triboelektrické nanogenerátory“ skutečně alespoň nějak smysluplně přispěly do současné výroby, musí jich být opravdu hodně. Na pokrytí spotřeby jedné žárovky (tj. řádově nízké desítky wattů) je zapotřebí zhruba tisíc či více „pomerančů“. Čtvereční kilometr sítě s deseticentimetrovými rozestupy už by měl snad poskytovat poměrně spolehlivě výkon kolem megawattu.
Dodejme ovšem, že výkon nebude úplně rovnoměrný a bude zapotřebí nějakým způsobem ho „vyhladit“. Wang a spol. u menších „tribogenerátorů“ používají baterie, které jsou ovšem pro potřeby velké energetiky stále příliš drahé. Jejich použití by činilo zdroj podstatně méně konkurenceschopným.
Není také nutné se omezovat jen na plochu. Zařízení by mělo být možné propojit i do trojrozměrné sítě, kde by větší část z nich byla pod hladinou: Wang ve svém článku pro časopis Nature uvádí, že zhruba 150 tisíc čtverečních kilometrů (tj. zhruba prvorepublikového Československa) moře pokrytého trojrozměrnou sítí nanogenerátorů sahající deset metrů pod hladinu by mělo zhruba stačit na uspokojení současné energetické spotřeby celého lidstva.
Taková mamutí konstrukce bude v praxi špatný nápad, Wang tím evidentně chce pouze ilustrovat, jak veliký potenciál jeho „modrá energie“, jak říká, vlastně má. Samozřejmě údaje je nutné brát s jistou rezervou, jde jen o výpočet na papíře. Skutečně zajímavé a směrodatné odhady bude možné dělat až po praktických zkouškách ve větším měřítku. Uvidíme, zda Wang přesvědčí čínské technokraty, aby mu na ně poskytli peníze.
Co všechno se nemusí dařit
Čímž se dostáváme k otázce, kde je „zakopaný pes“. Podle Wanga, který je samozřejmě zaujatý, ale na druhou stranu je jedním z mála lidí na světě, kdo alespoň první prototypy měl v ruce, by většina rýsujících se potíží měla být poměrně snadno řešitelná.
Hlavním omezujícím faktorem se mu zdá být trvanlivost nanogenerátorů v mořském prostředí. K jejich výrobě se používají organické materiály, které jsou sice levné, ale slaná voda a sluneční světlo je ničí. Čínský vědec se domnívá, že použité materiály by mohly v uzavřené kouli strávit v moři bez úhony zhruba jedno desetiletí, ale zatím to není ověřeno a dále není jasné, jestli to stačí, aby se investice dostatečně vyplatila.
Potíže jsou samozřejmě i další: kabely propojující celou síť musí být také samozřejmě dostatečně robustní, aby se síť nepotrhala a nevyžadovala častou údržbu, což by mohlo celý nápad z ekonomického hlediska dokonale pohřbít. Dalším problémem je, že zařízení přestává fungovat, když se do něj dostane voda, a tak musí být „pomeranče“ opravdu extrémně vodotěsné. Podle Wanga by však mohla stačit povrchová úprava z nejnovějších generací přilnavých izolačních materiálů, které byly vyvinuty například u podvodních kabelů. To už ovšem tak levně zase nezní.
V případě praktického nasazení, hlavně v nějakém větším měřítku, pak bude samozřejmě nutné věnovat pozornost i otázce vlivu systému na okolí. Musel by se najít kompromis, který by vyhovoval energetikům, rybářům, lodní dopravě, ochranářům, a možná i turistům či rekreantům. Samozřejmě, nabízí se možnost postavit sítě do těch nejopuštěnějších míst oceánu, daleko od břehů, ale to s sebou nese enormně zvýšené náklady na dopravu energie ke spotřebitelům a komplikuje to i další otázky (například kontrolu a údržbu).
Problém s sebou tedy nese celou řadu otazníků, to je jasné. Jeho rozběh bude s největší pravděpodobností vyžadovat zafinancování hodně nejistého vývoje a prvních zkoušek v praktických podmínkách, což znamená peníze od státu. Ale na druhou stranu by se Wangově týmu možná mohlo podařit najít v jednání s Pekingem i spojence.
Třeba proto, že jak nasvědčují zkušenosti mořských biologů, umělé konstrukce ve vodě mořský život vítá a mohly by sloužit i jako líheň a bezpečné útočiště pro hospodářsky či ekologicky zajímavé druhy. Samozřejmě, jde o zkušenosti získané v malém měřítku (na vracích atp.), ale i ty znamenají, že část námitek padá. Konkrétně pro Čínu je hospodářský rybolov opravdu palčivá otázka: její obří rybářská flotila se za podpory štědrých dotací dnes vydává za rybami pravidelně třeba ke břehům západoafrických států. U čínských břehů už bývají úlovky mizerné. Mořské elektrárny by tak třeba mohly posloužit jako svého druhu rybí „školky“, které pomohou rybí populace postavit na nohy.
Vedle této mořské elektrárny Čína provozuje na moři i největší solární elektrárnu:
6. června 2017 |
Text byl převzat z časopisu Svět plný energie a byl redakčně upraven. Originál naleznete zde.
