O efektywnym pozyskiwaniu energii elektrycznej z wyładowań atmosferycznych naukowcy marzą od wielu lat. Taka technologia rozwiązałaby sporo problemów ekologicznych, z którymi się dzisiaj mierzymy (albo przynajmniej w znacznym stopniu spowolniła ich postęp). Niestety marzenia o wykorzystaniu tego ogromnego potencjału są dość utopijne. Tak przynajmniej twierdzi większość specjalistów. Mimo to, niektórzy nadal próbują – z marnym skutkiem i większą ilością pytań niż odpowiedzi. Dlaczego jeszcze nie udało nam się ujarzmić piorunów i wykorzystać ich do produkcji – być może najbardziej efektywnej – energii odnawialnej? Czy energia z piorunów będzie możliwa do wykorzystania w przyszłości?

Jaki potencjał ma energia z piorunów?

Wyładowania atmosferyczne to niewątpliwie potężny żywioł. Średnio, jeden piorun transportuje aż 5 miliardów dżuli energii elektrycznej [1]. Jest to równowartość około 1390 kWh (kilowatogodzin). Z kolei roczne zużycie prądu w europejskim domu to ok. 4000 kWh [2]. Wynika z tego zatem, że jeden piorun mógłby potencjalnie zasilić jedno gospodarstwo domowe w energię elektryczną wystarczającą na mniej więcej 4 miesiące.

W ciągu roku, na świecie dochodzi do ok. 1,4 miliarda wyładowań atmosferycznych. Niestety ¾ z nich to wyładowania wewnątrz chmur lub między chmurami, których – póki co – nie da się “złapać” (chociaż być może byłby to dobry pomysł?). Tych, które potencjalnie moglibyśmy złapać, pozostaje zatem mniej więcej 350 milionów [3]. Zakładając, że przechwycili byśmy je bezstratnie, w jednym miejscu na Ziemi, mogłoby to być całkiem obiecujące wsparcie dla energii odnawialnej.

Realia są jednak nieco mniej zachwycające. Problemy zaczynają się już u samych podstaw – skąd bowiem wiemy, gdzie uderzy piorun?

Energia z piorunów opłacałaby się tylko w kilku miejscach na Ziemi

Wizja wsparcia światowej energetyki energią z wyładowań atmosferycznych to raczej eksperyment myślowy niż realia najbliższej przyszłości. Pioruny są bowiem nieprzewidywalne zarówno w kwestii czasu jak i przestrzeni. W niektórych miejscach na Ziemi zdarzają się one na tyle rzadko i są na tyle rozproszone, że budowanie jakiejkolwiek aparatury/elektrowni zupełnie nie miałoby sensu. To jest pierwsza prawdziwa przeszkoda, która sprawia, że energia z piorunów jest tak trudna do ujarzmienia.

Mimo to, są miejsca, jak na przykład wioskaKifuka w Demokratycznej Republice Konga, gdzie wyładowania atmosferyczne są na porządku dziennym. Tam, w kilometr kwadratowy powierzchni, rocznie uderza niemal 160 piorunów. Gdyby z powierzchni ok. 5 km2 wyłapać wszystkie z nich ze 100% skutecznością w pozyskaniu i przechowywaniu energii, można by zasilić energią elektryczną kilkaset domów rocznie [4]. Dla krajów wysoko rozwiniętych być może to niewiele, ale dla lokalnych, niezamożnych społeczności z pewnością byłoby to ogromne udogodnienie. Tym bardziej w przypadku małych, odosobnionych wiosek, które nie mają dostępu do sieci elektrycznej.

Jak złapać energię z wyładowań atmosferycznych?

Energia z piorunów to jednak skomplikowana i bardzo droga sprawa. Na rozwój niezbędnej technologii i budowę elektrowni, małe społeczności (a prawdopodobnie nawet rządy) krajów rozwijających się nie mogłyby sobie pozwolić. Zakładając nawet pomoc finansową dla takich inwestycji, nadal nie do końca wiemy jak się za to zabrać na skalę szerszą niż wyspecjalizowane laboratorium. Energia z piorunów jest na ten moment poza naszym zasięgiem technologicznym z kilku powodów.

Po pierwsze – jak “łapać” pioruny? Potrzebny jest nam przewodnik, który mógłby doprowadzić energię elektryczną z pioruna do kondensatora/akumulatora. Musi być jednocześnie bardzo szybki (średnie uderzenie pioruna to 30 milisekund) i wyjątkowo odporny na zniszczenie. Obwody elektryczne także musiałby być ekstremalnie wytrzymałe – nie mogłyby np. topić się przy przewodzeniu tak dużej mocy w tak krótkim czasie. Jest to ogromne wyzwanie technologiczne.

Dysponujemy natomiast potencjalnym – chociaż mało przebadanym – rozwiązaniem. Niektórzy uważają bowiem, że energia z piorunów mogłaby być bezpiecznie przewodzona za pośrednictwem wyspecjalizowanych laserów [5]. Cały czas jest to jednak otwarte pole do badań. W literaturze bowiem taka technologia rozpatrywana jest jako element ochrony budynków przed piorunami, a nie ich pozyskiwania.

Zbyt szybkie wyładowanie, zbyt powolne kondensatory

Załóżmy jednak, że energia z piorunów może być szybko, bezpiecznie i efektywnie przetransportowana do elektrowni. Co dalej? Jak, w ciągu kilkudziesięciu milisekund, zmagazynować tak dużą ilość energii elektrycznej? W laboratorium – tak, ale na skalę użytkową – niestety nie. Znana nam dzisiaj technologia nie jest w stanie tego zapewnić nawet za pośrednictwem bardzo wyspecjalizowanych akumulatorów czy superkondensatorów.

Dlatego właśnie niektórzy kombinują w sposób alternatywny. Próbują, na przykład, za pośrednictwem piorunów doprowadzić do wrzenia wodę, a dopiero z niej pozyskać energię elektryczną. Taki proces byłby lepszy o tyle, że zdecydowana większość energii z piorunów rozprasza się właśnie w postaci ciepła. Wymaga to natomiast przeprowadzenia dodatkowych procesów co podważa i tak już wątpliwą opłacalność takiego przedsięwzięcia.

Vortex Generator – więcej designu niż technologii

Mimo wszystkich przeszkód – niektórzy nadal próbują. Tak na przykład, amerykańscy architekci z Brooks + Scarpa zaprojektowali ciekawy obiekt, który łączy niewielką elektrownię fotowoltaiczną i łapacz piorunów, z ciekawą wizualnie konstrukcją publiczną. Vortex Generator, bo tak się owy obiekt nazywa, ma stanąć na Florydzie.

Sam zamysł jest świetny. Podczas burzy z piorunami, które na Florydzie są zjawiskiem częstym, pomiędzy platformami dla pieszych wznosi się konstrukcja przypominająca “wir”. Ta niemal skulpturalna forma ma przyciągać pioruny i konwertować ich energię w energię możliwą do wykorzystania, jednocześnie umożliwiając widzom bezpieczną obserwację żywiołu z bliska. Brzmi utopijnie – i na ten moment, wizją utopijną niestety również jest. Twórcy sami przyznają, że energia z piorunów nie jest jeszcze możliwa do pozyskania w sposób opłacalny i efektywny [6]. Niemniej jednak, liczą na to, że ich wyjątkowa konstrukcja skłoni naukowców do dalszych poszukiwań. Miejmy nadzieję, że rzeczywiście tak będzie – i kiedyś im się uda.

Źródła

[1] Davies A.: Can we harvest the energy of lightning? How Stuff Works Science [dostęp 16.12.2019].
[2] ODYSSEE-MUREE, Electricity consumption per dwelling: [dostęp 16.12.2019].
[3] Adlparvar P., 2015: Why can’t we extract electricity from lightning? Independent [dostęp 18.12.2019].
[4] Forbes, 2015: Can We Harvest Lightning For The Power Grid? [dostęp 18.12.2019].
[5] Helman, D. S., 2011: Catching lightning for alternative energy. Renewable Energy, 36: 1311–1314.
[6] Hobson B., 2018: Brooks + Scarpa’s inflatable pavilion concept captures energy from lightning storms. Deezen [dostęp 18.12.2019].