Prawie wszystkie sposoby produkcji prądu

Czy zastanawialiście się kiedyś, jakie zjawisko fizyczne jest najczęściej wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej? To indukcja elektromagnetyczna – w której ruch elektronów wywołujemy poruszając względem siebie magnes (albo inne źródło pola magnetycznego) i materiał przewodzący prąd, zawierający swobodne elektrony w dużej ilości. I tak np. prostym dynamie rowerowym zwój miedzianego przewodnika obraca się między trwałymi magnesami. Na podobnej zasadzie jest generowane ponad 97% energii elektrycznej na świecie. Indukcję wykorzystują elektrownie węglowe, wodne, jądrowe, wiatrowe, na biomasę, a nawet niektóre słoneczne. Choć wynalazek prądnicy wykorzystującej indukcję elektromagnetyczną ma już niemal 190 lat, jego rola w produkcji energii elektrycznej wydaje się być niezagrożona.

Jakie są więc pozostałe źródła energii elektrycznej? Takich powszechnie stosowanych nie ma wiele.

Najlepiej znanymi są różnego rodzaju ogniwa chemiczne, zwane powszechnie bateriami – możemy je kupić w każdym kiosku. Dzięki zachodzącym w ogniwach reakcjom chemicznym, na dwóch elektrodach gromadzą się przeciwne ładunki, to znaczy na jednej nadmiar elektronów, a na drugiej ich niedomiar. Przykładem takich ogniw są baterie cynkowo-węglowe czy alkaliczne.

Ostatnim ważnym źródłem energii (odpowiadającym za większość z pozostałych 3% generowanej energii elektrycznej) są ogniwa słoneczne (fotowoltaiczne). W tych urządzeniach fotony światła słonecznego wybijają elektrony ze struktury półprzewodnikowej, tworząc pary elektron-dziura. Dzięki temu w ogniwie pojawia się napięcie, a po podłączeniu odbiornika możemy korzystać z prądu elektrycznego.

Ciekawymi i obdarzonymi sporym potencjałem źródłami energii są ogniwa paliwowe – zamieniają one energię chemiczną paliwa i utleniacza bezpośrednio w energię elektryczną. Odbywa się to bez spalania, dzięki czemu nie produkujemy lotnych zanieczyszczeń.

Spośród ogniw paliwowych najbardziej znane jest chyba ogniwo wodorowe. Charakteryzuje się ono dużą skutecznością, ale aby z niego korzystać niezbędny jest wodór, do którego produkcji potrzebna jest energia elektryczna wyprodukowana w inny sposób. Jego zaletą jest to, że wodór można wyprodukować np. za pomocą paneli fotowoltaicznych, które z natury działają tylko za dnia, a następnie przechować do nocy jego zapas i wtedy przetworzyć na energię elektryczną. Mamy wtedy naprawdę czystą energię – „spalinami” z ogniwa wodorowego jest czysta woda. Problemem jest jednak brak efektywnych sposobów przechowywania tego gazu.

Prąd można wytwarzać też z alkoholu. Dzięki dedykowanym do etanolu ogniwom paliwowym, możemy przekształcać ten produkt fermentacji alkoholowej na energię elektryczną.  „Spalinami” są tu woda i dwutlenek węgla, a czasem również ocet.

Jak jeszcze możemy wytworzyć prąd? Na przykład spacerując po plaży. Zupełnie niechcący i - będąc szczerym – w niemal niemierzalnych ilościach. Wykorzystujemy przy tym zjawisko piezoelektryczne. Przykładem materiału, w którym ono zachodzi, jest kwarc, z którego zbudowany jest zazwyczaj piasek. Gdy kryształ będący piezoelektrykiem poddamy naprężeniu (ściśniemy albo rozciągniemy), na jego przeciwnych powierzchniach pojawi się ładunek elektryczny wywołany przesunięciem „środka ciężkości” ładunku poszczególnych cząsteczek budujących kryształ. Generowane wtedy prądy są bardzo niewielkie, jednak napięcia na tyle duże, że materiały piezoelektryczne są powszechnie stosowane jako miniaturowe mikrofony np. w telefonach komórkowych. Potrafią być one jednak całkiem spore, jeśli wykorzystujemy je np. w zwykłych zapalniczkach gazowych. Ściskając ją kciukiem i zapalając iskrą gaz, generujemy tysiące woltów.

A jak wyprodukować prąd z ciepła i zimna? Tutaj zastosujemy efekt Seebecka. Występuje on w momencie, gdy jedno z dwóch odpowiednio dobranych złącz półprzewodnikowych podgrzejemy, a drugie ochłodzimy. Powstanie wtedy różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne. W praktyce elementami, w których efekt Seebecka jest największy, są moduły Peltiera (stosowane często do chłodzenia mikroprocesorów w komputerach) i nic dziwnego – efekt Seebecka to wszak efekt odwrotny do efektu Peltiera. Efekt Seebecka jest wykorzystywany do bezpośredniego przetwarzania energii cieplnej na energię elektryczną, np. w radio-izotopowym generatorze termoelektrycznym, stosowanym do zasilania sond kosmicznych i łazików marsjańskich.

Narzędzie produkcji prądu

I to w zasadzie koniec, jeśli chodzi o metody produkcji prądu. Możemy go wytworzyć dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, ogniwom chemicznym, ogniwom paliwowym, efektowi piezoelektrycznemu i efektowi Seebecka. Poza tymi zjawiskami mamy jeszcze w zasadzie tylko efekty alfa- i betawoltaiczne, w których to cząstki promieniowania jonizującego (alfa i beta), trafiając na ogniwo półprzewodnikowe, powodują w nim powstanie napięcia (zasada działania jest niemal identyczna jak ogniw fotowoltaicznych). Jedynym zastosowaniem ogniw alfawoltaicznych i betawoltaicznych jest tworzenie tzw. „wiecznych baterii”, czyli urządzeń produkujących prąd o bardzo niewielkim natężeniu, ale niemal w nieskończoność. Są one czasem wykorzystywane do zasilania sond kosmicznych, a ich produkcja ogranicza się do kilku specjalistycznych laboratoriów.

Sprawdźcie na naszych warsztatach wakacyjnych „Prawie wszystkie sposoby produkcji prądu” jak wygląda generowanie prądu przy użyciu przedmiotów codziennego użytku. Pokazy odbywają się we wtorki i piątki w Centrum Nauki i Techniki EC1 tylko do końca wakacji!

Bogdan Janus