Tadeusz Wibig Skąd prąd W Nilu i okolicach żyje elektryczny sum (Malapterurus electricus). Osiąga długość 1,2 m i ciężar do 25 kg i wytwarza napięcie do 400 V. Katedra Modelowania Procesów Nauczania Uniwersytetu Łódzkiego; Narodowe Centrum Badań Jądrowych Skąd prąd czyli bardzo niekonwencjonalne źródła energii

W dobie energetycznego kryzysu i nieustającego wzrostu cen energii (elektrycznej), słyszy się coraz częściej o poszukiwaniu niekonwencjonalnych jej źródeł. Najlepiej jeśli są one odnawialne i ekologiczne, cokolwiek to znaczy, (choć często znaczy coś zupełnie innego niż nam się wydaje). Chcielibyśmy przedstawić kilka takich źródeł, ale w odróżnieniu od większości podobnych prezentacji chcemy być uczciwi i przedstawić wszystkie zasadnicze ich aspekty, od ekonomicznych i ekologicznych po moralne nawet. Wierzymy, że pełna wiedza pozwala każdemu na dokonywanie samodzielnych ocen i podejmowanie słusznych wyborów.  

W Nilu i okolicach żyje elektryczny sum (Malapterurus electricus). Osiąga długość 1,2 m i ciężar do 25 kg i wytwarza napięcie do 400 V. więc może by tak na ryby?

Przewodnictwo środowiska (wody) jest bardzo istotne dla ryb elektrycznych. Ryby słodkowowodne (przewodność 100 pS/cm), jak na przykład węgorz elektryczny z RPA, mają organy elektryczne zbudowane z równolegle połączonych ze sobą 70 kolumn, z których każda składa się z 6000 elektrocytów. Ryba ta więc może wytworzyć napięcie 500 V. W środowisku morskim (5000 μS/cm) ograniczenie na przepływający prąd powoduje, że napięcia nie mogą być tak duże. Na przykład raja ma 500 do 1000 kolumn po 1000 elektrocytów w każdej, co pozwala jej wytworzyć napięcie do 50 V (mierzone w powietrzu), co daje moc elektryczną około 1 kW w impulsie.

a może tak chomika? Ostatnio naukowcy amerykańscy opracowali całkiem nowy sposób zamiany energii mechanicznej na elektryczną. Podłączyli do ciała chomika niewielkie elementy piezoelektryczne i rejestrowali impulsy. Zauważyli, że nawet niebiegający chomik generuje prądy o natężeniach pA i napięciach mierzonych w mV. Tak podłączony chomik produkuje energię z mocą P = 210-15 W

Tradycyjny chomik kręcący kołowrotkiem może zostać podłączony do dynama i osiąga wtedy moc P = 20 mW (jeśli znudziło Ci się już patrzeć na kręcącego się chomika naciśnij ENTER)

coś większego? Jak ma się żywy koń do konia mechanicznego? Oba mają z grubsza taką samą moc. 1 koń  1 kM  740 W

a krowa gorsza? 1 krowa produkuje dziennie  250 litrów metanu (1/5 kg) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O wartość opałowa metanu to 35 000 000 J/kg a zatem jedna krowa daje dziennie 7 000 000 J ma więc moc około 80 W dziesięć razy mniej niż koń. Ale daje mleko!

? Jest tylko jeden drobny problem… jak taką krowę podłączyć do generatora? ?

Można też wytwarzać prąd tak, jak to czynili starożytni Grecy… … przez pocieranie bursztynu

Jeden człowiek może rozkręcić maszyną tak, aby iskry długości paru centymetrów przeskakiwały co ćwierć sekundy. Daje to moc około 1 W Jeden człowiek może kręcić kilkoma maszynami, ale musi odpoczywać, nie jest więc w stanie produkować (przez pocieranie) tyle prądu, ile chciałby zużywać.

Są jeszcze żaby… Żabie udka traktowane drucikiem żelaznym połączonym z miedzianym podrygiwały, co zauważył już dawno Luigi Galvani i co jest podstawą działania wszelkich bateryjek i akumulatorów. Otto von Guericke (1602-1686) who became famous for his Magdeburg vacuum experiments invented a first simple electrostatic generator. It was made of a sulphur ball which rotated in a wooden cradle. The ball itself was rubbed by hand. As the principles of electric conduction had not been discovered yet, von Guericke transported the charged s' ulphur ball to the place where the electric experiment should happen

Zn  Zn++ + 2e- Cu  Cu++ + 2e- Dwa metale (miedź – Cu i cynk – Zn) zanurzone w elektrolicie (żabie Galvaniego) powodują, że jeśli połączyć je drutem, w drucie tym zaczyna płynąć prąd. Każdy atom miedzi może oddać na ten cel dwa elektrony – taka już jest ta chemia! Doświadczenia pokazują, że bardzo dobrym i bardzo ekologicznym elektrolitem jest na przykład kiszony ogórek. Wtykanie blaszek miedzianych, czy jakichkolwiek w ogóle w żaby jest bardzo niehumanitarne! Zn  Zn++ + 2e- Cu  Cu++ + 2e- Otto von Guericke (1602-1686) who became famous for his Magdeburg vacuum experiments invented a first simple electrostatic generator. It was made of a sulphur ball which rotated in a wooden cradle. The ball itself was rubbed by hand. As the principles of electric conduction had not been discovered yet, von Guericke transported the charged s' ulphur ball to the place where the electric experiment should happen Tym bardziej, że napięcie ogniwa nie zależy od rodzaju elektrolitu. Bywa najczęściej równe około 1 V

Jednym z istotnych aspektów produkowania energii, jak już wspominaliśmy jest jej cena. Rachunki elektryczne płacimy za kilowatogodziny. Gdy dziesięć stuwatowych żarówek* pali się przez godzinę (albo jedna przez dziesięć godzin), to właśnie jest 1 kWh warta obecnie w przybliżeniu 30 groszy. Oszacujmy więc, ile może kosztować energia z bardzo niekonwencjonalnych źródeł. * zabronionych już przez UE, ale pamiętamy je jeszcze.

Na początek ryby (elektryczne): Jak już powiedzieliśmy, mogą one wytwarzać prąd z mocą 1 kW, ale działają „impulsowo”. Pojedynczy impuls trwa kilka milisekund Zatem potrzeba 1 000 ryb, aby produkować w sposób ciągły prąd z mocą 1 kW. Jeśli każda ryba może „odpalić” raz na minutę, bo musi odpoczywać przecież, to dla zapewnienia ciągłej dostawy mocy 1 kW potrzeba 60 000 ryb, Gdyby ryba potrzebowała pół godziny odpoczynku, potrzeba by ich było 2 000 000 karp świąteczny kosztuje ~10 PLN za kilogram Inwestycja w ryby musiałaby kosztować zatem 20 000 000 PLN (nie licząc opłaty za wodę, basen i ogólnie – infrastrukturę) Jeśli ryba pożyłaby rok, to 1kWh rybiej energii kosztowałaby 2 000 PLN

Teraz chomiki: Na 1 kW potrzeba 1 000 000 000 000 000 chomików z nanogeneratorami, albo 500 000 biegających na okrągło. jedzenie dla chomika kosztuje miesięcznie 10 PLN 1 kWh prądu z biegającego chomika kosztuje zatem 10 000 PLN o prądzie z nano-chomików nie ma co nawet wspominać. a konie: jeden koń je miesięcznie za jakieś 300 PLN, ponieważ pracować musi z przerwami, na 1 kW potrzeba jakieś 5 koni, co daje 1500 PLN, a zatem 1 kWh prądu z kieratu kosztuje 2 PLN Gdyby ktoś pytał o krowy, to prąd z nich kosztuje jakieś 10 razy więcej.

Baterie (z kiszonych ogórków): 1 kg miedzi zawiera 1025 atomów miedzi. Gdyby je wszystkie obedrzeć z dwóch elektronów, to pozostałby ładunek 3 000 000 C. Gdyby z tej miedzi zrobiona była bateria dająca napięcie 1 V, to możliwa do uzyskania energia byłaby równa 3 000 000 J, czyli około 1 kWh. Kilogram miedzi w skupie kosztuje 25 PLN (cynku, czy ołowiu zaledwie 5 PLN). Elektrolit (jeden ogórek kiszony na każde dwie elektrody o masie ~10 g) to jakieś 10 kg ogórków na kilogram miedzi, czyli w sumie też jakieś 25 PLN. a zatem cena 1 kWh z baterii z ogórka (bez innej infrastruktury) to 50 PLN.

A teraz porównajmy to z czymś nieco bardziej konwencjonalnym, jakże modnym i „ekologicznym” – z energią produkowaną z wiatru. Wiatr w Polsce wieje z prędkościami około 5 m/s (jeśli już wieje w ogóle).

Elektrownia wiatrowa o średnicy wiatraka 50 metrów (wieża siedemdziesięciometrowa 5 000 ton betonu!) może produkować energię w tempie 100 kW (przy wietrze 5 m/s) przy koszcie 1 sztuki 10 000 000 PLN i założeniu, że pokręci się 20 lat daje to cenę 1 kWh (bez kabli, konserwacji, infrastruktury) 50 groszy

a teraz popatrzmy na to całościowo: Kraj nasz zużywa ~130 TWh energii rocznie, powierzchnia Polski to ~300 000 km2, co daje na produkcję 1 kW z powierzchni każdych 2 hektarów.

1 ryba zajmuje 20 cm x 100 cm = 0.2 m2 2 000 000 ryb to 400 000 m2 czyli 40 hektarów. Czyli całą powierzchnię naszego kraju trzeba by pokryć akwariami dwadzieścia razy. Nie tak wyobrażał sobie Żeromski szklane domy – dwudziestopiętrowe. Jeden chomik zajmuje akwarium o powierzchni 0.2 m2 Pół miliona chomików to 100 000 m2. Czyli, jeśli ktoś nie lubi ryb, na całej powierzchni naszego kraju trzeba by zastawić akwariami z chomikami, ale już w pięciu tylko warstwach.

1 koń zajmuje 10 m x 10 m = 1 ar 10 koni to 1/10 hektara Aby zasilać gospodarkę narodową przez rok, co jakieś pięćdziesiąt metrów musiałby mieszkać koń. Na reszcie powierzchni można by posiać owies i inne pasze. Powinno tego koniom wystarczyć. Ludzie i inne żyjątka powinni niestety chyba wyjechać. Jeśli chodzi o krowy, to potrzeba by ich 10 razy tyle. Co dwadzieścia metrów krowa. Ale ile mielibyśmy mleka!

Aby zaopatrzyć kraj w prąd, wystarczyłoby 150 000 takich dużych wiatraków To znaczy co kilometr wiatrak! Ale co tam!

Kwestia ekologiczna: 500 000 000 000 000 000 kg (martwych) ryb rocznie (chomików odpowiednio mniej, z 1000 razy mniej, ale… co z siankiem?), lub powiedzmy, że koń żyje 30 lat, rocznie zatem będziemy musieli coś zrobić z 300 000 000 kilogramami zwłok martwych koni, lub krowa żyje jakieś 20 lat, rocznie zatem mamy 5 000 000 000 kilogramów martwych krów, lub skąd wziąć co roku 10 000 000 nowych ludzi do kręcenia korbą (i co zrobić potem z taką ilością zwłok!), lub 300 000 000 000 kg produktów korozji galwanicznej miedzi/cynku/ołowiu i 3 000 000 000 000 kg (zepsutych) kiszonych ogórków, lub 50 000 000 ton konstrukcji betonowych. I tak będzie każdego roku!

Raz jeszcze kwestia ekonomiczna: Inwestycja w całość: 5 000 000 000 000 000 PLN (ryby) lub 1 000 000 000 000 000 PLN (chomiki) lub 1 000 000 000 000 PLN (konie) lub 10 000 000 000 000 PLN (krowy) lub 10 000 000 000 000 PLN (miedź i ogórki) lub 1 500 000 000 000 PLN (wiatraki) PKB 1 500 000 000 000 PLN

A jak to się robi w Bełchatowie? 1 kg węgla brunatnego kosztuje 10 groszy i ma wartość opałową 8 000 000 J. Jeśli spala się przez 2 godziny, daje moc 1 kW. Stąd cena 1 kWh to 5 groszy = 0.05 PLN Jak widać przez porównanie z ceną 1 kWh z gniazdka w ścianie, (0.5 PLN) koszta dodatkowe przewyższają dziesięciokrotnie wartość paliwa i to dotyczy wszystkich naszych wcześniejszych rachunków Aby zasilać gospodarkę narodową przez rok, należy spalić około 10 000 000 000 kg węgla za 1 000 000 000 PLN Gdyby nie było żadnych strat (!), węgiel z Bełchatowa (40 mln ton) zupełnie by nam wystarczył.