Co jakiś czas media trąbią, że „rzeczywistość dogoniła SF”. Mamy auta, które parkują same, chat‑boty gadające jak bohaterowie seriali, a w laboratoriach bawią się laserami tak mocnymi, że brzmi to jak scena z kosmicznego SF. A jednak jeden motyw z fantastyki wciąż kłuje w oczy: energia.
W produkcjach SF frazy typu „przekierować rezerwę mocy do osłon!” padają z taką lekkością, jakby statki miały przy sobie kieszonkową elektrownię o mocy wielo-reaktorowego molocha. W rzeczywistości codziennie słyszymy o drogich rachunkach, niedoborach w sieci, opóźnieniach przyłączeń i polityce cenowej. To jak to w końcu jest czy w „prawdziwej” przyszłości możemy żyć jak w StarTreku czy Star Wars, w świecie (wydawałoby się) nadprodukcji energii? A może czeka nas coś innego?
Ten felieton lawiruje między rzeczywistością, przyszłością i opowieściami SF. Będzie lekko (czasem z przymrużeniem oka), ale konkretnie i z żelazną kotwicą w badaniach. Bo „nadmiar energii” to nie tylko większy generator; to także: przepustowość sieci, magazyny, materiały, chłodzenie, a na końcu — ponura choć gorąca królowa, termodynamika, czyli ciepło.
Uwaga na słowa: w tekście rozróżniam energię (ile pracy możemy wykonać łącznie) od mocy (jak szybko tę energię dostarczamy). To rozróżnienie będzie wracało jak bumerang. Będą pewne uproszczenia by „normalny” człowiek nie pogubił się w dość złożonym mechanizmie jaki postaram się opisać. Umysły ścisłe proszę o wyrozumiałość, gdyż dla uproszczenia będę lawirował na graniczy błędu a może nawet dla uproszczenie takowy świadomie popełnię.
Połączmy się z przyszłością
Książki i filmy „obdarowały nas” stwierdzeniami, „prześlijcie rezerwy mocy do deflektorów”, tak jakby gdzieś w kącie magazyny leżały jeszcze jakieś beczki z zapasową energią. Osobiście przypuszczam, ze w dawniejszych czasach (gdy pisano teksty i scenariusze) niedobory energetyczne ale też i przerażenie ile potrafi „milion woltów” kazało przypuszczać, że w przyszłości będziemy dysponować taką ilością tego (dzisiaj też) deficytowego towaru, że nie będziemy mieli co z nim zrobić. Coś w tym jest. Tym bardziej, że już teraz mamy energetykę jądrową a tuż za rogiem czai się zimna fuzja i inne ciekawe rozwiązania dające ogromne ilości taniej (haha tego jestem najbardziej ciekaw, czy na pewno taniej) energii.
Teoretycznie mając reaktor zimnej fuzji wielkości spodka ze StarTreka może i mielibyśmy od cholery energii ale to stwarza takie problemy o jakich w książkach i filmach jest dość niewiele napisane.
Po pierwsze magazynowanie, dzisiaj „bawimy” się w magazynowanie chemiczne (baterie litowe i inne wynalazki) cos próbujemy z magazynowaniem mechaniczny (magazyny windowe, rotacyjne i inne). Widzę też desperackie próby magazynowania w formie … energii … podgrzewanie silosów z piaskiem.
Porządkując magazyny energii dzielimy na trzy rodziny, mechaniczne, elektrochemiczne i termiczne. Te pierwsze to ciekawe „zabawki”, wyobraźcie sobie, że za dnia gdy świeci słońce wielki dźwig (podpięty do farmy fotowoltaicznej) wynosi na wierze wielki bloki betonowe. Gdy słońce zajdzie, bloki są spuszczane dźwigami w dół ale tym razem rolki z liną są przymocowane do prądnic a grawitacja ściągając te bloki w dół generuje energie elektryczną. Ciekawe, skomplikowane i epicko majestatyczne, zobaczenie co tworzą potomkowie samurajów:
Bliższe rzeczywistości są elektrownie szczytowo-pompowe tego mamy już od cholery. Jak mamy prąd wpompowujemy wodę do zbiornika a gdy zajdzie potrzeba wytwarzania, zgromadzoną wodę spuszczamy ze zbiornika wtłaczając strumień wody w turbiny elektryczne. To świetne rozwiązanie, ma wysoką sprawność ale katastrofalnie wpływa na środowisko poprzez ingerencje w jej struktury i mimo wszystko jest kosztowne w tworzeniu (budowie).
W Polsce działa sześć głównych elektrowni szczytowo-pompowych, a największą z nich jest Elektrownia Żarnowiec (716 MW), druga co do wielkości to Elektrownia Porąbka-Żar (500 MW). Inne elektrownie to m.in. Solina-Myczkowce (ok. 200 MW), Żydowo (167 MW), Czorsztyn-Niedzica-Sromowce Wyżne (94,6 MW) i Dychów (ok. 90 MW)]
Mamy też w portfolio sprężone powietrze (CAES – Compressed Air Energy Storage) i ciekłe powietrze (LAES – Liquid Air Energy Storage), zamiast wody do specjalnego zbiornika wtłaczamy powietrze pod dużym ciśnieniem (np. do kawern solnych) i później rozprężamy przepuszczając przez turbinę i odzyskujemy prąd.
Największy na świecie magazyn energii CAES powstaje w Chinach: https://top-oze.pl/najwiekszy-na-swiecie-magazyn-energii-caes-powstaje-w-chinach/
Powieje średniowieczem (ewentualnie rewolucją przemysłową XVIII w), ale bez wstydu – bo to naprawdę rozsądna i zaskakująco nowoczesna technologia. Chodzi o coś tak prostego (i zarazem genialnego), że aż trudno uwierzyć, że nadal działa: koło zamachowe. A konkretnie: magazynowanie energii w formie obrotu.
Wyobraźcie sobie wielkie, ciężkie koło. Kręci się. I kręci. I… dalej się kręci. W tym czasie – bez kabli, bez akumulatorów, bez chemii – energia jest zachowana w jego ruchu. A kiedy trzeba ją odzyskać, po prostu pozwalamy, żeby to koło napędziło generator. Voilà, mamy prąd. Żadnej magii. Tylko fizyka.
W najnowszych wersjach te koła są bardziej jak sportowe bolidy niż młyny – nie stalowe kloce, tylko kompozyty węglowe, lewitujące w próżni, zawieszone na magnetycznych łożyskach. Niektóre modele kręcą się z prędkością do 50 tysięcy obrotów na minutę. 50 tysięcy! To już nie koło – to bardziej fizyka w trybie espresso.
Takie wirujące cuda potrafią oddać bardzo dużą moc w bardzo krótkim czasie – idealne, gdy nagle trzeba „dopalić” sieć, ustabilizować napięcie, albo chwilowo „złapać” nadmiar prądu, którego akurat nie ma gdzie wcisnąć. Coś jak power bank, tylko bardziej z ADHD.
Działającym przykładem jest obiekt w stanie Massachusetts działa instalacja firmy Beacon Power, która wykorzystuje 200 wirujących jednostek – każda z nich magazynuje około 6 kWh, czyli mniej więcej tyle, ile potrzebuje domowa suszarka bębnowa przez 2-3 godziny. Całość potrafi jednak oddać 5 MW mocy przez 15 minut, czyli wystarczająco dużo, by uratować lokalną sieć przed blackoutem albo kupić operatorowi czas, by „przełączyć wajchę”.
Kolejnym typem magazynów energii, które (tym razem) znamy to magazyny elektrochemiczne (większe rodzeństwo naszych akumulatorów w telefonach – chociaż część tego rodzeństwa na pewno pochodzi od innego ojca 😉 Oczywiście na obecną chwilę królują baterie Li-ion (litowo jonowe) wyśmienite rozwiązanie bo można upakować sporo energii w małej formie. Jednak próby „uszlechenienia” tego rozwiązania by podwyższyć sprawność, zwiększenie gęstości upakowania powoduje spore ryzyko awarii (o telefonach wybuchających w kieszenie już pewnie słyszeliście)
Ciekawie prezentuje się koncept farmy bateryjne w rodzaju Tesli Megapack które mogą oddawać dziesiątki megawatów przez kilka godzin.
Kolejnym typem magazynów energii, które (tym razem) znamy to magazyny elektrochemiczne (większe rodzeństwo naszych akumulatorów w telefonach – chociaż część tego rodzeństwa na pewno pochodzi od innego ojca. Oczywiście na obecną chwilę królują baterie Li-ion (litowo jonowe) wyśmienite rozwiązanie bo można upakować sporo energii w małej formie. Jednak próby „uszlechenienia” tego rozwiązania by podwyższyć sprawność, zwiększenie gęstości upakowania powoduje spore ryzyko awarii (o telefonach wybuchających w kieszenie już pewnie słyszeliście)
Ciekawie prezentuje się koncept farmy bateryjne w rodzaju Tesli Megapack które mogą oddawać dziesiątki megawatów przez kilka godzin.
Do dyspozycji mamy też coś, co zasługuje na osobny artykuł, czyli baterie przepływowe. To już nie jest „bateria w pudełku”, tylko raczej mała chemiczna instalacja – trochę jakby ktoś postanowił, że akumulator będzie wyglądał jak mikroskopijna rafineria. Zamiast jednego klocka mamy dwa zbiorniki z „energetycznym sokiem” (różne elektrolity), pompy, które to wszystko tłoczą, oraz stos cienkich ogniw przedzielonych membraną, która pilnuje, by płyny się nie wymieszały, ale pozwala jonom przechodzić tam i z powrotem. Gdy ładujemy taki system, prąd wymusza w elektrolitach odpowiednie reakcje chemiczne i „upycha” energię do środka. Gdy rozładowujemy – reakcje biegną w drugą stronę, a my odbieramy prąd z powrotem, jak dobrze wytrenowany bumerang.
Najfajniejsze jest to, że w bateriach przepływowych pojemność zależy głównie od tego, jak duże mamy zbiorniki z cieczą, a moc od tego, jak duży jest sam stos ogniw. Chcesz więcej energii na dłużej? Dołóż większe zbiorniki. Chcesz większy „kop” mocy w danym momencie? Rozbuduj część z ogniwami. Dlatego takie układy świetnie nadają się do długotrwałego przechowywania – godziny, a nawet całe doby – i do łagodzenia dziennych wahań: dzień–noc, szczyt–dół.
Pod maską można mieć różne „smaki” elektrolitu: najbardziej znane są układy wanadowo–redoksowe, gdzie obie strony reakcji opierają się na różnych stanach utlenienia wanadu, co daje sporą trwałość i stabilność. Są też tańsze, ale bardziej kapryśne chemicznie warianty cynkowo–bromowe czy żelazowo–chromowe – mniej efektowne na papierze, ale interesujące tam, gdzie liczy się cena i duża skala. To już jednak nie jest elektronika użytkowa, tylko poważne, kontenerowe magazyny energii, które stoją obok farm wiatrowych czy słonecznych i cicho wykonują swoją robotę: ładują się, gdy wieje i świeci, oddają, gdy robi się ciemno i zimno. Świetne do balansowania doby, ale przy przechowywaniu energii na miesiące zaczynają już przegrywać z innymi pomysłami.
Teraz coś co hmm nieco zaburzy Wasze myślenie, przechowajmy prąd jako ciepło. Najogólniej to po prostu podgrzewamy jakąś substancje (musi mieć odpowiednie i przydatne parametry, no roztopione sole, beton, piasek czy skały) i potem odzyskujemy energie przekształcając ciepło ponownie w prąd. Tutaj jednak częściej zobaczycie takie cudo jako magazyn energii cieplnej którą odzyskamy w momencie gdy … zrobi nam się zimno … hehehe Chitem staje się bateria piaskowa – gigantyczny silos (lub silosy) z piaskiem grzane do kilkuset stopni przez nadmiar energii odnawialnej. W Finlandii zainstalowano taki system, surowiec podgrzewa się do ok. 600°C i zasila w ciepło małe miasteczko. To nie przechowuje prądu „jako prąd”, tylko jako ciepło – idealne np. do sieci ciepłowniczych. Tanie (w przeliczeniu na kWh) ale mniej sprawne jeżeli chcemy mieć z tego prąd ale ciepło to już inna bajka.
Delikatnie tylko musnąłem problemu przechowywania energii (obecnie) To wszystko ciekawie wygląda na papierze czy prezentacjach w powerpoincie załóżmy jednak, że chcemy zmagazynować np. energii elektrycznej dla całego miasta na pół roku?
Zanim w ogóle sięgniemy po kalkulator, trzeba sobie odpowiedzieć na jedno zaskakująco trudne pytanie: co to znaczy „zużycie prądu miasta”?
Bo tu zaczyna się statystyczny kabaret.
Kiedy czytamy, że „przeciętny mieszkaniec zużywa 800 kWh rocznie”, chodzi zwykle tylko o gniazdko w domu czyli lodówki, komputery, Netflix i żarówki. Metro, tramwaje, szpitale, serwerownie, latarnie, pompy wody, urzędy, centra handlowe – to już inna szufladka.
Potem otwieramy gazetę i widzimy nagłówek w stylu: „Kraków zużywa ponad 44 GWh prądu”. Brzmi tak, jakby całe duże miasto zużywało tylko odrobinę więcej niż… samo metro w Warszawie, które potrafi połknąć około 50 GWh rocznie. No coś tu ewidentnie skrzypi. I faktycznie: te 44 GWh dotyczą tylko budynków urzędu i paru miejskich jednostek, a nie całego miasta z mieszkańcami, przemysłem i infrastrukturą.
Dlatego jeśli chcemy myśleć o magazynie energii dla miasta, musimy patrzeć na problem niejako z góry bardziej, że chcemy zobaczyć „ogólnie” jak to się prezentuje (tj, magazynuje). Nas nie interesuje, czy dana aglomeracja ma 4,7 czy 5,2 TWh zużycia rocznie, tylko rząd wielkości. Czy jesteśmy w świecie gigawatogodzin, czy już w terawatogodzinach – bo to zmienia skalę tego, co próbujemy „upchnąć do słoika”.
Zróbmy więc mały eksperyment myślowy. Weźmy przykładowe miasto, powiedzmy że mieszka w nim 500 tysięcy mieszkańców i załóżmy bardzo grubo, że cały jego „styl życia na prądzie” (mieszkania, sklepy, tramwaje, serwerownie, urzędy, cała ta cywilizacyjna orkiestra) oznacza około 3 TWh energii elektrycznej rocznie. Pół roku życia takiego miasta „z własnej spiżarni” to byłoby więc jakieś 1,5 TWh zmagazynowanej energii. Brzmi abstrakcyjnie? To rozbijmy to na coś bardziej „bateryjnego”. 1,5 TWh to po prostu 1 500 000 MWh.
I teraz dopiero wciągamy do gry nasze ukochane bateryjne potworki. Wyobraźmy sobie dużą farmę bateryjną – taką, jak te realnie budowane dziś przy farmach wiatrowych czy słonecznych. Rząd wielkości: 50 MW mocy przez 8 godzin, czyli bank energii o pojemności około 400 MWh. Dla zwykłego śmiertelnika brzmi to jak kosmos: „czterysta megawatogodzin, panie, co pan!”.
No to porównujemy: mamy 1 500 000 MWh, a jedna taka farma ma około 400 MWh pojemności. Jak to podzielimy (spokojnie, bez wzorów na tablicy), wychodzi nam nieco poniżej czterech tysięcy. Czyli żeby przechować pół roku prądu dla jednego sensownego miasta, potrzebowalibyśmy około 3,7–3,8 tysiąca takich farm bateryjnych.
I nagle okazuje się, że to wcale nie jest historia o „kilku eleganckich magazynach energii gdzieś za obwodnicą”, tylko o całym stadzie kilku tysięcy takich instalacji. Każda z nich to teren, kontenery, elektronika, transformatory, systemy przeciwpożarowe, chłodzenie, obsługa, serwis. To nie jest „postawmy jedną większą baterię przy stacji transformatorowej”, tylko raczej: „dołóżmy do miasta drugie ale z akumulatorami a nie ludźmi, to cały równoległy przemysł: tylko po to, żeby przechowywać prąd”
.
I cała ta niewinna wizja „magazynu energii na pół roku” przestaje wyglądać jak zielona ikonka bateryjki w prezentacji, a zaczyna jak drugi system komar inżyniera miasta (ewentualnie mokry sen jeżeli ktoś to lubi). Tak to wygląda (może i nawet to trochę upraszczam, ale teraz już wiecie, że nikt nie będzie miał „wiadra z prądem” na dłuższy okres – to będzie raczej rezerwa na chwilę: dzień, może kilka, na wszelki wypadek).
Czy zatem w przyszłości dalej będziemy składować prąd w wiadrze?
W przyszłości na pewno dalej będziemy składować prąd „w pojemnikach” – baterie nigdzie nie znikną, raczej rozpełzną się po krajobrazie: przy farmach PV, przy wiatrakach, przy ładowarkach, w domach i w samej sieci. Ale energetyka nie skręci w stronę jednej wielkiej „Megabaterii pod miastem”. Coraz wyraźniej widać, że zamiast budować jeden ogromny magazyn, uczymy się zmieniać sposób, w jaki całe miasto oddycha prądem: część zużycia przesuwamy na godziny, gdy energia i tak jest (auta, pompy ciepła, fabryki), część przerabiamy na inne formy – ciepło w sieciach ciepłowniczych, wodór i paliwa syntetyczne, ciężary podwieszone w górze czy sprężone powietrze pod ziemią. Prąd znika z nazwy, ale dalej żyje jako temperatura, ciśnienie albo molekuły.
Równolegle będziemy coraz gęściej podłączeni do reszty świata. Zamiast jednego symbolicznego kabla „z elektrowni” pojawia się cała pajęczyna: linie z elektrowni atomowej, z elektrowni wodnych, z morskich wiatraków, plus tysiące mniejszych przyłączy z dachów, magazynów i lokalnych źródeł. Do tego dochodzą „energetyczne autostrady” wysokiego napięcia i interkonektory między krajami, które pozwalają przerzucać nadwyżki z jednego regionu do drugiego niczym transport energii między kontynentami. Będziemy produkować, w różny sposób, ale produkować a nie (lub w małym stopniu) magazynować.
Więc finał nie wygląda ani jak piwnica pełna beczek z energią, ani jak samotny kabel z jakiejś mitycznej Super-Elektrowni. Bardziej jak żywy organizm: trochę energii w bateriach, trochę w cieple, trochę w paliwach, trochę w samej elastyczności tego, kiedy coś włączamy. A wszystko spięte sprytną siecią przewodów i algorytmów. „Dajcie mi wiadro prądu” pewnie zostanie już tylko jako żart, a kiedy kapitan przyszłego statku kosmicznego wrzaśnie „cała moc do deflektorów!”, gdzieś na zapleczu zamiast jednego reaktora zagra cała orkiestra: sieć, magazyny, chemia, ciepło – i paru bardzo niewyspanych inżynierów.
Powiedzmy, że mamy już mniej więcej ogarnięte, jak ziemska energetyka może wyglądać za kilkadziesiąt lat – z tym całym organizmem złożonym z sieci, magazynów, ciepła, wodoru i baterii – to możemy spokojnie wrócić do naszego pierwowzoru: SF. Tam magazyny energii prawie się nie pojawiają. Zamiast farm bateryjnych i magazynów grawitacyjnych mamy zwykle jedno magiczne serce statku: „reaktor materii–antymaterii”, „rdzeń warp”, „kryształy dilitu”, „rdzeń fuzyjny”. Czytelnik nie musi wiedzieć, co to znaczy – ważne, że jest jeden potwornie mocny kocioł, z którego da się „przekierować moc do deflektorów”.
W tym nie ma aż tak wiele zdrady fizyki, jak mogłoby się wydawać. Przeskok z naszych elektrowni węglowych do jądrowych to już skok o miliony razy w gęstości energii paliwa: z kilku–kilkunastu kWh ciepła z kilograma węgla do dziesiątek milionów kWh z kilograma U-235. A w teorii fuzja dorzuca do tego jeszcze kilka razy więcej energii na kilogram paliwa i prawie cztery miliony razy więcej niż reakcje chemiczne, które napędzają węgiel czy ropę. Na tym tle pomysł, że gdzieś w przyszłości będziemy mieli „jeden duży reaktor”, który robi za energetyczne serce miasta czy statku, nie brzmi aż tak odjechanie – różnica polega na tym, że u nas ten reaktor będzie raczej stał spokojnie w betonowym kubku gdzieś pod miastem, a nie w brzuchu krążownika klasy Galaxy.
To, co opisane jest w Star Treku i jego „półoficjalnej” technomowie, wcale nie brzmi tak szaleńczo, jak mogłoby się wydawać. Reaktor fuzyjny (albo kilka) ogarnia „tło” – napęd impulsowy, systemy statku, podtrzymanie życia, rezerwy energetyczne. Dopiero reaktor materii–antymaterii z matrycą dilitu dostarcza tę kompletnie absurdalną moc potrzebną do zaginania czasoprzestrzeni w trybie warp. Na upartego – to wcale nie jest aż tak oderwane od fizyki, jak brzmi na pierwszy rzut oka.
Antymateria to zresztą naprawdę „paliwo bogów”: gram takiego paliwa, zgodnie z E = mc², uwalnia energię porównywalną z ładunkiem jądrowym. Problem w tym, że na Ziemi liczymy jego koszt w dziesiątkach bilionów dolarów za gram i wytwarzamy je w ilościach rzędu miliardowych części grama. Czyli – da się, fizyka nie protestuje, ale na razie jest to raczej elegancki wpis w tabelce z E=mc² niż coś, co można by wpiąć do bloku energetycznego pod Bełchatowem.
Jeżeli więc chcemy to połączyć z „hipotetycznym, przyszłościowym” rozwiązaniem dla Ziemi, to obraz jest taki: nasz realny „rdzeń warp” będzie prawdopodobnie mieszanką dużych reaktorów i fuzyjnych, jeśli się uda to nawet połączonych razem oraz spiętych z globalną siecią, magazynami i sprytnym sterowaniem popytem. Nie będziemy mieć jednego cudownego pudełka, które rozwiąże energetykę świata, ale stopniowo przesuwamy się dokładnie w tę stronę, którą SF pokazuje od lat: coraz większa gęstość energii w paliwie i coraz większa rola „dystrybucji mocy”. U nich opowieściach SF kapitan wrzeszczy „cała moc do deflektorów!”, u nas operator sieci wpisuje w system: „proszę odciążyć ten transformator, doładować magazyny i przyciąć ładowanie aut na pięć minut”. Fizyka ta sama – tylko scenografia trochę mniej efektowna.
Z dużą mocą wiąże się też duża odpowiedzialność! Dobra, wiem, to było o pająku, nie o statku kosmicznym ani elektrowni, ale do energetyki pasuje aż za dobrze. Bo nawet jeśli już mamy gdzieś ten nasz POTĘŻNY zapas energii – w reaktorze, farmie OZE czy banku baterii – to zostaje bardzo przyziemny problem: jak to w ogóle przesłać. Większość z nas intuicyjnie czuje, że coś tu jest na rzeczy: lampki choinkowe mają druciki cienkie jak włos, przewód do 500-watowego miksera to już jakieś 1,5 mm², a płytę indukcyjną lepiej podpiąć kablem 2,5 mm², a nawet 4 mm², jeśli nie chcemy testować domowej instalacji w roli grilla.
STAR TREK and related marks © CBS Studios Inc. Wszystkie prawa zastrzeżone.
Postać „Spider-Man” © Marvel Characters, Inc. / Marvel. Wszystkie prawa zastrzeżone.
Tu wracamy do różnicy między energią a mocą. Wyobraźmy sobie, że nasze miasto w godzinie szczytu potrzebuje rzędu 1 gigawata mocy – to całkiem zdrowy, realistyczny rząd wielkości. Moc, którą trzeba dostarczyć, to iloczyn napięcia i prądu: P = U·I. Jeśli uparlibyśmy się, że chcemy zasilać całe miasto tak jak czajnik, czyli przy 230 V, robi się ciekawie:
P = 1 000 000 000 W, U = 230 V, więc I ≈ 4 350 000 A. Cztery i pół miliona amperów. Taki prąd nie płynąłby w kablu – on byłby kablem. To nie byłby przewód o przekroju 0,5 m, tylko raczej solidny blok z miedzi, który i tak grzałby się jak piec hutniczy.
Dlatego właśnie linie przesyłowe nie bawią się w 230 V, tylko pracują na napięciach rzędu 110, 220, 400 kV (tysięcy wolt) i wyżej. Policzmy to samo dla 400 kV:
P = 1 000 000 000 W, U = 400 000 V, więc I = 2500 A. Wciąż sporo, ale nagle prąd spada o trzy rzędy wielkości. A wraz z nim spadają straty na grzanie przewodów (to słynne I²R), można mieć cieńsze kable, lżejsze słupy, mniej bezużytecznego ciepła rozgrzewającego powietrze. Cała „magia wysokiego napięcia” sprowadza się do dwóch zdań: im wyższe napięcie, tym mniejszy prąd dla tej samej mocy; im mniejszy prąd, tym mniej energii marnujemy w kablu. Dlatego daleki przesył robi się na wysokim i nad-wysokim napięciu, coraz częściej nawet prądem stałym (HVDC) na tysiące kilometrów, a dopiero blisko odbiorcy napięcie jest stopniowo „schodzone w dół” przez transformatory do naszych swojskich 230 V.
W efekcie zamiast budować epicką linię przesyłową z kablem o średnicy wiadra (a może nawet autobusu), uczymy się podkręcać napięcie i mądrze projektować sieć. I tu właśnie spotykają się trzy światy z poprzednich rozdziałów: reaktory i elektrownie, miejskie banki energii i ta niepozorna infrastruktura z drutów i słupów, która decyduje o tym, czy ta cała moc faktycznie do kogoś dotrze, czy tylko rozgrzeje nam horyzont.
Kanały plazmowe rodem z SF – fajne w serialu, kłopotliwe w rzeczywistości
W produkcjach SF co jakiś czas pojawia się motyw „kanału plazmy” – jakby ktoś wpadł na pomysł: „skoro piorun przewodzi tak pięknie, to zróbmy sobie kontrolowany piorun w rurce i puśćmy nim energię”. Na papierze brzmi to całkiem zgrabnie: wystarczająco gruby „tunel” z plazmy mógłby przecież przenieść ogromne moce. Jednak zamiast powiedzieć „potrzymaj mi piwo” i rozpocząć budowę, fizyka bezpruderyjnie łapie Cie i wgniata w podłogę rzeczywistości „chwila, nie Ty tu rządzisz”.
Plazma to po prostu zjonizowany gaz – elektrony oderwane od jąder, bardzo dobry przewodnik. Problem numer jeden: żeby gaz był plazmą, trzeba go albo rozgrzać do piekielnych temperatur, albo cały czas „pompować” energią z pól elektrycznych czy magnetycznych. To nie jest darmowe. To trochę tak, jakby chcieć przesyłać energię za pomocą ognia: zanim cokolwiek wyślesz, musisz najpierw podtrzymać sam płomień. Drugi kłopot: plazma to fabryka ciepła odpadowego. Taki kanał świeci, emituje UV, podczerwień, nagrzewa powietrze i ścianki wszystkiego dookoła. Owszem, przewodzi prąd, ale jednocześnie zamienia sporą część tej szlachetnej energii w zwykłe „grzanie okolicy”. Dodatkowo niszczy wszystko czego dotknie. Twórcy „tokamaków” mogą Wam opowiedzieć wiele ciekawych historii gdy nagle padły cewki magnetyczne i plazma wyrwała dziurę w urządzeniu.
Dla porównania, zwykły przewód z miedzi czy aluminium też się grzeje, ale ma ogromną gęstość elektronów przewodzących, jest zoptymalizowany materiałowo, chłodzi się na powierzchni, ma izolację, osłony – jest nudny, ale przewidywalny. Kanał plazmowy to w pewnym sensie najgorsze z dwóch światów: bardzo „gorący kabel”, który trzeba jeszcze dodatkowo trzymać w ryzach polami magnetycznymi, w osłonach, często w próżni. A teraz dorzućmy sterowanie i bezpieczeństwo: wyobraźcie sobie tunel plazmy o średnicy pół metra, przez który płyną setki kiloamperów. Awaria to nie jest „kabel spalił izolację”, tylko raczej otwarcie portalu do piekarnika w najmniej odpowiednim miejscu.
W podobnych rejonach SF–>prawie–real krąży też pomysł przesyłania energii mikrofalami. Idea jest stara jak złote lata kosmicznego optymizmu: zbudujmy gigantyczną elektrownię słoneczną na orbicie, gdzie Słońce świeci niemal non stop, a potem zrzucajmy tę energię na Ziemię w postaci wąskiej wiązki mikrofal na ogromną antenę–odbiornik. Z punktu widzenia fizyki to nie jest herezja – potrafimy zamieniać prąd w mikrofale i z powrotem całkiem sprawnie.
Problem, jak zwykle, zaczyna się tam, gdzie kończy się slajd z ładną grafiką czy nawet niezły film SF. Taka wiązka musi być cholernie precyzyjna i absolutnie przewidywalna bo moc, która ma sens energetyczny, to jednocześnie moc, która nie powinna przypadkiem upiec przelatującego ptaka, drona albo – w gorszej wersji – czyjegoś dachu. Do tego dochodzą straty w atmosferze, gigantyczne konstrukcje anten na Ziemi i pytania w stylu: „a co, jeśli ktoś przejmie sterowanie wiązką?”. Efekt jest taki, że mikrofale jako „kosmiczny kabel bez kabla” świetnie nadają się do książek i studiów koncepcyjnych, ale na razie przegrywają z prozaicznymi drutami, transformatorami i całą tą nudną, ziemską infrastrukturą, którą widzimy za oknem (no dobra nie jest to nudne i może nawet ciekawe, ale nie tak epickie jak pomysły kilka zdań wstecz).
Był film „Post Impact” (2004) w którym pojawia się eksperymentalny satelita z mikrofale-ową elektrownią. Bohaterowie odkrywają, że ktoś z ruin Berlina przejął kontrolę nad prototypem i chce użyć go do „podgrzewania” atmosfery nad Europą – niby po to, żeby ruszyć klimat, ale oczywiście kończy się to w klimacie „idealna broń, można tym smażyć kawałek kontynentu”.
Chyba jeszcze któryś „Bond” też pokazywał taki „promień śmierci”. Oczywiście też mamy SimCity 2000. Dobra ale teraz do takiej czy innej rzeczywistości.
W realnym świecie takie wynalazki przegrywają więc z klasycznymi liniami wysokiego napięcia albo z kablami nadprzewodzącymi (tam przynajmniej chłodzimy coś, co nie próbuje świecić jak mini-słońce). Kanały plazmowe pojawiają się co najwyżej w laboratoriach: w eksperymentach z laserowo inicjowanymi piorunami czy kontrolą wyładowań – na krótkich dystansach i pod czujnym okiem fizyków, a nie między jednym a drugim miastem. W serialu wyglądają świetnie, ale na razie zostawmy je scenografom.
My musimy skupić się na tym co mamy i co będziemy mieć w niedalekiej przyszłości. Powiem to też z największym bólem. Zmarnujemy jeszcze sporo elektronów zanim usłyszymy „rezerwy mocy na główny deflektor” jednak, może się zdarzyć, że ktoś w polskiej rozdzielni powie „Przesłać rezerwę mocy do niemieckiej sieci na północ kraju, mają tam flautę i przestały działać farmy wiatrowe”. Eeee a może już coś takiego było?
Do następnego artykułu
Aleksander Marcin Sanetra