Další troška energie

Jak ve světě roste spotřeba elektřiny, roste i zájem o možnosti její výroby, včetně těch dříve podceňovaných.

Je obecně známo, že tření generuje elektřinu, což vede k elektrickému náboji, kterýžto jev je zodpovědný za většinu statické elektřiny, s níž se setkáváme v každodenním životě. Polarita a síla vzniklého náboje přitom závisí na použitém materiálu, jeho vlastnostech a rovněž na podmínkách prostředí, v němž ke tření dochází. Přičemž vznik elektrického náboje je podstatou triboeletrického jevu, dosud málo při výrobě elektřiny využívaného. Ale jak se ukazuje, tohoto jevu lze využít k výrobě elektrické energie v triboelektrickém nanogenerátoru (v angličtině triboloelectric nanogenerator, zkratkou TENG), který produkuje elektřinu při stlačení a jeho opětovném uvolnění vhodného materiálu. Je pravda, že ta troška elektřiny obávanou energetickou krizi, vyvolanou odstavením uhelných (a mnohde i atomových) elektráren nevyřeší. Ale i tahle elektřina, časem ve větší míře produkovaná novou technologií pro mechanické získávání energie, se nám může hodit.

Každá elektrárna má nějaké provozní náklady, kdy musí zaplatit palivo, její obsluhu a údržbu. U uhelných elektráren údajně tyto výdaje vycházejí zhruba na 75 haléřů za kilowatthodinu, u jaderných na 57 haléřů. Solární a větrné zdroje sice mají palivo zadarmo a rozpočítané náklady na zaměstnance a údržbu jsou minimální, ovšem musí jim k tomu svítit slunce a foukat vítr. Navíc vedle provozních nákladů jsou tu i náklady investiční, kdy třeba hodně dlouhá výstavba nových jaderných bloků nás vyjde na stovky miliard korun. A do částky, kterou nakonec zaplatí zákazník, se musí promítnout i další položky, když elektřina prochází přenosovou a distribuční soustavou, přičemž ve všech zemích EU cena podpůrných služeb elektřiny narůstá s tím, jak roste podíl obnovitelných zdrojů.To všechno pak triboelektrické nanogenerátory, jejichž účinnost může dosahovat až 70 %, pro získávání dosud nevyužívané energie na daném místě (např. pro osvětlení v nákupních centrech či některých ulic ve městech) staví do úplně jiné pozice.

První plně funkční triboelektrické nanogenerátory se objevily roku 2017 v Číně, kde výzkumníci smíchali elastomer s iontovým hydrogelem, který funguje jako elektroda. Vzniklý materiál je ohebný a má schopnost se roztáhnout a opět se vrátit do původního tvaru. Nanogenerátory tehdy fungovaly do teploty 30 °C a vzdušné vlhkosti 30 procent, kdy testy ukázaly, že plošná hustota výkonu dosahovala 313 W/m². Velkou výhodou pro budoucí aplikace představoval fakt, že veškeré materiály a postupy použité k výrobě jejich triboelektrického nanogenerátoru (TENG) jsou levné a snadno dostupné. Dnes čínské společnosti vidí v triboelektrických nanogenerátorech velkou komerční příležitost a hodlají je vyrábět v jednodušším provedení, jako levná zařízení s vysokým výkonem. Takto o historii a perspektivách triboelektrických nanogenerátorů hovoří profesor Zhong Lin Wang, nositel Světové ceny Alberta Einsteina za vědu v oblasti nanotechnolige, udělené mu v Japonsku za významný dopad jeho objevů, které již inspirovaly celosvětové úsilí v akademické sféře i průmyslu směrem k široké škále technologických aplikací:

https://www.youtube.com/watch?v=gv3wiyS2hhY

V roce 2022 tým badatelů z americké University of Alabama v Huntsville vyvinul TENG s jednoduchým designem, který přitom dodává využitelné množství elektřiny. Jeho základem byla běžná komerční oboustranná lepicí páska, kterou badatelé uspořádali do vrstvy společně s tenkým plastovým filmem a tyto dva materiály následně obklopili tenkými plátky hliníku. Pokud se takto vzniklý „sendvič“ stlačí a následně se tlak uvolní, při oddálení lepicí pásky a plastu vzniká elektřina. A jak se ukázalo, čím větší je tlak, tím více elektřiny vzniká. Při vhodném uspořádání má tento nanogenerátor produkovat 196,6 wattu na metr čtvereční. Ale kdo se o technologii triboelektrických nanogenerátorů (TENG), založené na kontaktní elektrifikaci a elektrostatické indukci, jako nové technologii pro mechanické získávání energie zajímá, dozví se více na ScienceDirect. Zde odkaz pro vložení do vyhledávače:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285514002353

Tým vědců z Laboratoře pro vědu o dřevěných materiálech na Univerzitě ETH Zürich a ze Švýcarské federální laboratoře pro materiálové vědy a technologie v Dübendorfu pro interiéry dokonce vyvinul dřevěný nanogenerátor, určený k výrobě elektřiny v podlaze, využívající energii lidské chůze. Badatelé experimentující s tímto novým podlahovým systémem použili jeden kus dřeva potažený silikonem, který při kontaktu snadno získává elektrony. Druhý kus dřeva byl obalen kovovými ionty a organickými molekulami, které elektrony ztrácejí. Jejich prototyp s povrchem menším než arch kancelářského papíru pak rozsvítil žárovku, když se po něm prošel člověk.

Tento inovativní nabíjecí systém se skládá ze dvou tenkých vrstev ošetřeného dřeva. Problém byl v tom, že dřevo samo o sobě je triboneutrální, tedy nemá tendenci přijímat ani ztrácet elektrony, což omezuje jeho schopnost generovat elektřinu. A tak pokryli jeden kus dřeva polydimethylsiloxanem (PDMS), který při kontaktu získává elektrony, zatímco druhý kus dřeva funkcionalizovali nanokrystaly zvanými zeolitový imidazolátový framework-8 (ZIF-8), který má vyšší tendenci elektrony ztrácet. Testovali také různé druhy dřeva, aby prověřili, zda určité druhy nebo směr řezu dřeva mohou ovlivnit jeho triboelektrické vlastnosti tím, že budou sloužit jako lepší podklad pro povlak. Kdy nakonec nejvhodnější vlastnosti vykazovalo docela obyčejné smrkové dřevo, vhodné na podlahy v kancelářských i obytných prostorách. Více o tom zde:

https://oldetymefloor.com/sustainable-hardwood-innovation/

Jinou cestou se vydala britská společnost Pavegen, která vyvinula odolné dlaždice, rovněž zachytávající kinetickou energii z lidských kroků. A protože se na elektřinu převádí tímto způsobem hmotnost, pak čím jste těžší, tím více energie můžete chůzí po dlaždicích vyrobit. Vývoj zařízení začal už v roce 2009, od kdy prošlo více než 750 prototypy, až nakonec vznikly dnešní podlahové dlaždice, které naše kroky přeměňují na použitelnou elektrickou energii. Kdy jeden lidský krok vygeneruje zhruba 5 wattů, což postačí na rozsvícení jedné žárovky po dobu 20ti sekund. Nejde tu ovšem o klasickou vláknovou žárovku s příkonem 75W, nýbrž o LED žárovku s příkonem 5 W (ke stejné intenzitě světla stačí méně energie). To mění způsob, jakým lze využívat energii lidské chůze, neboť tento systém je ideální pro rušná místa, jakými jsou vlaková nádraží, letištní haly, nákupní centra, ale i hlavní ulice, kde je velký pohyb lidí. A je třeba zdůraznit, že takováto výroba elektrické energie není závislá na počasí, přičemž funguje nejen ve dne, ale i v noci.

Při chůzi po dlaždicích dochází k jejich pohybu v rozsahu zhruba pěti milimetrů, kdy se tato energie použije k pohonu pod nimi uložených setrvačníků. Vzniklou elektrickou energii lze akumulovat, nebo ji využít okamžitě. Pokud jde pak o venkovní využití, navrhla firma Pavegen svůj produkt tak, aby přežil i to nejnáročnější prostředí a meteorologické výkyvy. Celý systém tak přečká i ponoření do vody hluboké jeden metr, poněvadž za přívalového deště může leckde dojít k zaplavení chodníků. A je navržen i tak, aby odolal mrazům, ale vydrží i vysoké teploty rozpálených chodníků v tropech. Celý systém je tedy značně odolný a má vydržet miliony a miliony lidských kroků či nejrůznějšího poskakování, kdy životnost celého systému údajně činí 20 let.

Pokud jde o stávající cenu zařízení bez zatím jen plánované výrobní linky v továrních halách, zpravidla se porovnává čtvereční metr podlahy sestavené z těchto dlaždic se čtverečním metrem klasické podlahy. A podlaha od Pavegenu je pak o 20% levnější než běžná betonová podlaha. Jenže pod deskami, po kterých lidé šlapou, jsou setrvačníky a k chodníku je třeba připojit i některá doplňková zařízení. Ovšem o tom Laurence Kemball-Cook, generální ředitel společnosti Pavegen, u předváděného systému nemluví:

https://www.youtube.com/watch?v=vnAwsEUOUxw

Jinak řečeno, v případě nových zařízení pro získávání elektrické energie s využitím zařízení TENG či triboeletrického jevu se podle posledních údajů dnes výzkumem zabývá zhruba 16 000 vědců v 83 zemích a regionech, před nimiž stojí úkol přejít od vědeckých objevů a technologických inovací ke komercializaci. Tedy přijít, jak se u nás říká, s další troškou do mlýna.

ODKAZY NA PŮVODNÍ ZDROJE

Čínský tým vyvinul triboelektrický nanogenerátor podobný kůži:

https://www.technickytydenik.cz/rubriky/archiv/cinsky-tym-vyvinul-triboelektricky-nanogenerator-podobny-kuzi_42389.html

Konstrukce a princip fungování triboelektrických nanogenerátorů:

https://www.aldebaran.cz/bulletin/2019_31_tri.php

I z oboustranné lepicí pásky je možné vyrobit levný generátor elektřiny:

https://www.osel.cz/12600-z-oboustranne-lepici-pasky-je-mozne-vyrobit-levny-generator-elektriny.html#google_vignette

Elektřina v Evropě už levnější nebude:

https://www.novinky.cz/clanek/ekonomika-elektrina-v-evrope-uz-levnejsi-nebude-rika-zmocnenec-pro-energetiku-bartuska-40520498