O kryzysie energetycznym mówimy od wielu lat, a ekonomiści, naukowcy i specjaliści z całego świata niejednokrotnie ostrzegali nas przed nadejściem tego zjawiska. Niestety, podobnie jak w przypadku m.in. zanieczyszczenia środowiska czy kryzysu klimatycznego, również i w tym przypadku zbyt mało ludzi słuchało ekspertów.
Tym samym za późno podjęto działania, które już lata temu mogły zabezpieczyć nas przed tymi niebezpiecznymi zjawiskami oraz ich skutkami. Oczywiście trudno tu mówić o całkowitym bezpieczeństwie, ale w świetle obecnej sytuacji każde złagodzenie kryzysu, czy to klimatycznego, czy energetycznego, byłoby na wagę złota. Cóż, nie ma obecnie sensu roztrząsać przeszłości, niemniej warto wyciągnąć wnioski z dotychczasowych zaniedbań i zaniechań, aby nie powtórzyć swoich błędów w przyszłości.
Teraz należy skupić się przede wszystkim na teraźniejszości i perspektywie kolejnych lat, a nawet dziesięcioleci. Sprawa jest bowiem niezwykle poważna i wydaje się, że w ciągu ostatnich miesięcy znacznie więcej ludzi zdało sobie z tego sprawę. Tym bardziej, że kryzys energetyczny nie dotyczy już tylko szeroko pojętego jutra, a mamy z nim faktycznie do czynienia już dziś. Co więcej, już teraz jego skutki odczuwają bezpośrednio zwykli ludzie, w tym także mieszkańcy Polski.
Kryzys energetyczny i jego znaczenie
W największym uproszczeniu kryzys energetyczny to niedobór lub niestabilność dostaw surowców energetycznych do gospodarki [1]. Do takowych obecnie zaliczamy natomiast przede wszystkim gaz i węgiel. Niestety alternatywne źródła energii stanowią wciąż zbyt małą część rynku energetycznego i jest to jeden z przejawów wspomnianych wcześniej zaniedbań, co dotyczy większości państw na świecie. Warto także dodać, że choć naturalne metody pozyskiwania energii są znacznie bardziej przyjazne środowisku, to pod względem wydajności energetycznej wciąż nie dorównują niestety paliwom kopalnianym [2]. W przypadku naszego kraju jednym z problemów jest także brak wcześniejszych inwestycji w energię jądrową, wobec czego nie dysponujemy żadną elektrownią zasilaną w ten sposób, która mogłaby odciążyć sektor energetyczny.
O ile dotychczas nie odczuwaliśmy większych problemów spowodowanych ograniczoną ilością alternatyw energetycznych, o tyle niedawne i obecne wydarzenia uwidoczniły, jak dużym błędem było uzależnienie się od węgla i gazu. W przypadku tego pierwszego surowca głównymi problemami jest jego niedostateczna ilość w krajowych złożach oraz nierentowność procesu wydobywczego. Kolejnym czynnikiem jest także fakt, iż energetyka oparta na węglu ma bardzo negatywny wpływ na środowisko, stanowiąc źródło emisji różnorodnych zanieczyszczeń, z dwutlenkiem węgla na czele. Dlatego też m.in. Unia Europejska podjęła kroki w celu odejścia od tej metody zasilania energetycznego, m.in. wprowadzając dodatkowe normy i ograniczenia w tym zakresie. Jak więc widać, z wielu powodów węgiel nie jest najlepszym wyjściem. Niestety pogarszająca się sytuacja na rynku sprawia, że poniekąd brak obecnie dla tego sposobu alternatyw.
Z kolei w przypadku gazu największym problemem okazało się uzależnienie od tego surowca, a właściwie od konkretnych jego źródeł dostaw. Znaczna część gazu docierającego do naszego kraju pochodziła bowiem z Rosji, a w wyniku inwazji tego państwa na Ukrainę konieczne było podjęcie odpowiednich środków, aby odciąć się pod wieloma względami od agresora. Dotyczy to także umów na dostawy gazu.
Jak możemy pomóc?
Trwają oczywiście zintensyfikowane działania mające na celu zapewnienie innych partnerów w tym zakresie, jak również zabezpieczenie dostaw węgla, aby zaspokoić bieżące zapotrzebowanie gospodarcze. Nie jest to jednak tak proste, jak mogłoby się wydawać, czego najlepszym dowodem są puste składy węgla, rosnące ceny energii elektrycznej oraz ostrzeżenia o możliwych przerwach w dostawach prądu. Warto przy tym zaznaczyć, że problem nie dotyczy jedynie Polski, bowiem obecny kryzys energetyczny dotknął wiele innych państw, w tym większość Europy.
W związku z rosnącym i od dawna prognozowanym problemem, od dłuższego czasu podejmowane są działania mające mu przeciwdziałać. W opracowywaniu adekwatnych rozwiązań partycypują naukowcy oraz specjaliści z różnych części świata, starając się znaleźć sposoby na zażegnanie kryzysu energetycznego i zapewnienie światu stabilności w tym zakresie. Jednym z tego przejawów jest doskonalenie alternatywnych metod pozyskiwania energii ze środowiska. Trwają bowiem starania, aby zwiększyć ich intratność poprzez zmniejszenie kosztów oraz optymalizację wydajności.
Oczywiście prowadzone są także prace nad nowymi źródłami energii, które mogłyby zaspokoić współczesny i przyszły popyt, a także zastąpić w dalszej perspektywie bardziej szkodliwe metody, jak choćby wspomniana wcześniej energetyka węglowa. Co najważniejsze, już teraz wysiłki te przynoszą owoce, a jednym z tego przykładów jest choćby nowa dziedzina, zwana elektrochemią. Niezwykłe rozwiązania opracowywane w jej zakresie nie tylko mogą stanowić przyszłość szeroko pojętej energetyki, ale przy okazji działać też na korzyść środowiska. W jaki sposób?
Elektrochemia generalnie i w energetyce
Elektrochemia to dziedzina nauki, która choć paradoksalnie młoda, to stworzona została na podwalinach od dawna znanych naukowcom procesów. To bowiem obszar zajmujący się reakcjami chemicznymi, w wyniku których jako efekt uboczny powstaje energia. Co istotne, tego typu procesy stanowią znaczną część wszystkich znanych i obserwowanych reakcji chemicznych, a co więcej, także w energetyce są stosowane niemal od zawsze.
Najlepszym tego przykładem jest choćby wspominany już i niezwykle popularny surowiec, jakim jest węgiel. Praktycznie cały proces otrzymywania energii z jego udziałem jest oparty na reakcjach chemicznych, w wyniku których uzyskujemy energię elektryczną. Z tego właśnie powodu coraz częściej określane są one mianem procesów elektrochemicznych. Zacznijmy od pierwszego etapu, jakim jest spalanie, czyli egzotermiczna reakcja chemiczna pomiędzy materiałem palnym i utleniaczem, której wynikiem jest ciepło oraz światło [3].
Ciepło uzyskane ze spalania węgla jest następnie używane do podgrzania wody, w wyniku czego, również w ramach reakcji chemicznej, powstaje para (dlatego elektrownie węglowe są też nazywane zamiennie elektrowniami parowymi). Para ta zostaje w dalszej kolejności poddana wysokiemu ciśnieniu i wprawia w ruch turbinę połączoną z generatorem. W ten właśnie sposób– oczywiście w uproszczeniu – powstaje energia. Jak więc widać, bez procesów chemicznych (w tym wypadku aż dwóch) nie uzyskalibyśmy energii elektrycznej z wykorzystaniem węgla.
Niestety, jak już od dawna wiadomo, ta konkretna metoda, choć wydajna energetycznie, jest wyjątkowo negatywna dla środowiska, ponieważ efektem ubocznym spalania są szkodliwe dla środowiska związki, w tym CO2 [4]. Generalnie uczynienie wytwarzania oraz zużycia energii neutralnymi pod względem emisji dwutlenku węgla to obecnie jedne z najważniejszych wyzwań ludzkości. Tymczasem niemal niechcący udało się opracować sposób na jednoczesne ograniczenie emisji CO2 i przy tym wartościowe wykorzystanie tego związku do zasilenia przemysłu.
Metoda równie skomplikowana, co „elektryzująca”
Jednym z udziałowców i twórców obecnego rozwoju elektrochemii w dziedzinie energetyki jest Lynden A. Archer, specjalista w dziedzinie inżynierii chemicznej i molekularnej. Co ciekawe, stało się tak poniekąd przez przypadek, bowiem celem badacza nie było wytworzenie energii elektrycznej. Zamierzał on stworzyć metodę, która umożliwiłaby wykorzystanie w przemyśle dwutlenku węgla emitowanego do środowiska. Wyjściem do tego celu okazała się właśnie omawiana wcześniej konkluzja, iż praktycznie cała chemia jest elektrochemią. Naukowiec założył więc, że trudne przemiany chemiczne, tradycyjnie zależne od wysokiej temperatury lub przemiany katalitycznej, mogą być również uzyskiwane poprzez indukcję elektrochemiczną.
W wyniku prowadzonych prac grupie przewodzonej przez Archera udało się stworzyć ogniwo elektrochemiczne pozwalające na wykorzystanie CO2 jako surowca. Konkretnie, wywoływana jest reakcja chemiczna pomiędzy aluminium i tlenem, w wyniku której powstaje związek ponadtlenkowy. Ten z kolei następnie reaguje właśnie z dwutlenkiem węgla, czego efektem ubocznym jest szczawian glinu, popularnie wykorzystywany m.in. w przemyśle farmaceutycznym i włókienniczym. Cel naukowca został więc osiągnięty, czyli możliwe stało się oczyszczanie powietrza z jednoczesnym zastosowaniem komercyjno-przemysłowym. Pojawiło się jednak także coś niespodziewanego.
Okazało się bowiem, że w trakcie procesu, a dokładnie na etapie reakcji aluminium z tlenem, poza związkiem ponadtlenowym wytwarzana jest elektryczność. Sam fakt może nie był tu czymś niezwykłym, jednak zaskoczeniem była stosunkowo dużą ilość uzyskiwanej w ten sposób energii. Odkryto tym samym nową, alternatywną i nie tylko skuteczną, ale i pozytywną dla środowiska oraz przemysłu metodę wytwarzania energii. Odkrycia tego dokonano w 2017 roku i zostało uznane przez prestiżowy magazyn naukowy Scientific American za „jeden z dziesięciu najważniejszych pomysłów, które zmienią świat” [5]. Od tamtego czasu odkrycie jest rozwijane i być może już wkrótce wspomoże swym działaniem energetykę (i nie tylko).
Stawiamy na rozwój
Żyjemy na szczęście w czasach, w których doświadczamy niemal nieustannego rozwoju technologii i nauki. Przemiany te możemy obserwować praktycznie na co dzień, czego przykładem są zaawansowane badania medyczne czy nowocześniejsze metody transmisji danych, jak 5G. Już sama nowa generacja bezprzewodowego przesyłu informacji może stanowić podwaliny pod kolejne wielkie odkrycia, umożliwiając tym samym dalszy postęp technologiczny na wielu różnych poziomach.
Niemniej nie oznacza to, że nie borykamy się z różnego rodzaju przeciwnościami i zagrożeniami. Wręcz przeciwnie, problemów tych jest wiele, ale to właśnie rozwiązania technologiczne pozwalają nam je zwalczać zarówno teraz, jak i w perspektywie przyszłości. Sama elektrochemia jest tego najlepszym dowodem. Dziedzina teoretycznie znana od dawna, a w praktyce dopiero od niedawna rozwijana, która może być sposobem na doświadczany przez nas obecnie kryzys energetyczny.
Co więcej, poszczególne metody opracowane w jej zakresie przy okazji mogą przynosić także nieco poboczne, ale nie mniej istotne korzyści, jak choćby wsparcie przemysłu i ochronę środowiska. Dobrze więc, że naukowcy zintensyfikowali wysiłki w tej dziedzinie, udoskonalając obiecujące i opracowując zupełnie nowe rozwiązania, których efektami będą cieszyć się wszyscy ludzie.
Źródła:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_crisis
[2] https://research.cornell.edu/news-features/lab-invaluable-energy-innovations
[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Spalanie
[4] https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_w%C4%99glowa
[5] https://research.cornell.edu/news-features/lab-invaluable-energy-inno