Droga pod napięciem

Dzień w dzień miliony osób i samochodów przemierzają dziesiątki, setki, tysiące... kilometrów. Tylko, że to już nie miliony, gdyż na Ziemi mamy obecnie ponad 7 miliardów ludzi, a w 2015 roku liczba samochodów przekroczyła 1 miliard!!! W związku z tym osobo-samochodo-kilometrów będzie, odpowiednio więcej... Oj, dużo więcej. Czy zdajecie sobie Państwo sprawę, ile kilometrów dziennie pokonujecie pieszo? Ponoć dla zdrowia najlepsze są spacery, takie po 10 km. Czy w ciągu dnia, wykonując naszą pracę zbliżamy się do tej wielkości, przekraczamy ją, czy nie mamy co nawet o niej marzyć? Przyznam szczerze, że nie zdawałem sobie sprawy, ile kilometrów - wykonując w głównej mierze prace przy tzw. biurku - mogę pokonać w ciągu ośmiu godzin. Od czego są jednak różnego rodzaju gadżety. Krokomierz, opaska fitness, telefon komórkowy i odpowiednia aplikacja, i wszystko jasne. Z punktu widzenia mojego zdrowia widać wyraźnie, że (ponieważ zza biurka nie wycisnę 10 km - tu osiągam kilometr do dwóch) o zdrowie muszę zadbać po pracy. Oczywiście specyfika pracy u każdego jest inna, stąd i ilość ruchu odmienna, dlatego niektórzy (zwłaszcza ci biegający po budowie) mogą sobie pomyśleć, o czym ja tu piszę. Nie jest moim zamiarem krzewienie kultury fizycznej, lecz przełożenie ilości "robionych" kilometrów przez ludzi i samochody na możliwość spożytkowania ich/ naszego ruchu na uzyskanie energii elektrycznej. Czyli tytułowa "Droga pod napięciem"? Dlaczego by nie?

W ubiegłorocznym artykule p. W. Żnińskiego "Koszt drogi fotowoltaicznej" (BzG 3/2016) mieliśmy do czynienia z panelami słonecznymi wbudowanymi w nawierzchnię chodników i dróg. W takim przypadku przekształcana była energia promieni słonecznych w energię elektryczną. Czas by przekształcić naszą i samochodów energię kinetyczną w elektryczną. Przypomina mi się przy okazji widok sprzed kilku lat modnych "adidasów", których podeszwy świeciły pod wpływem wykonywanych kroków. Coś podobnego chcemy osiągnąć, ale z naszych chodników i dróg. O ile buty świeciły zapewne pod wpływem zamknięcia się obwodu elektrycznego, w którym były bateria i diody (po jakimś czasie przestawały działać), my do wytworzenia energii elektrycznej użyjemy bardziej wysublimowanych elementów. Od razu należy zaznaczyć, że sens stosowania tego rodzaju przetworników ma tylko w miejscach o dużym natężeniu ruchu, w myśl zasady „nie naciskasz, nie generujesz”. Na dzień dzisiejszy energię elektryczną "z podłoża" możemy uzyskać przede wszystkim z dwóch typów "przekształtników". Pierwszy typ to generatory wykorzystujące indukcję elektromagnetyczną, drugi to elementy wykorzystujące zjawisko piezoelektryczne. Te pierwsze znalazły zastosowanie przy budowie chodników - ruch pieszy, te drugie przy budowie dróg - ruch samochodowy.

Kwestie pozyskiwania energii z odnawialnych źródeł energii były wielokrotnie poruszane na łamach Buduj z Głową. Stali czytelnicy doskonale wiedzą (a innych zapraszam do archiwum BzG), ile różnego rodzaju problemów przysparza przekształcenie energii słońca, wiatru i wody w energię elektryczną. Czy wykorzystując można by rzec "przy okazji" naszą i samochodów energię też napotkamy na duże problemy? Czy możemy nazwać ww. energię odnawialną? Tak, gdyż otrzymujemy prawie darmową energię z przemieszczania się, które i tak wykonujemy, więc można powiedzieć, że dużo energii marnujemy (nie mówimy tu o szczególnych przypadkach romantycznych spacerów nad brzegiem morza przy zachodzącym słońcu - tu na szczęście nie ma jeszcze chodników i asfaltu, chociaż w takich Stanach... Ci Amerykanie, wszędzie by chcieli wjechać po asfalcie). Wróćmy jednak do sedna sprawy.
Na początek chodniki. Otóż założona w 2009 roku, firma Pavegen Systems opracowała płytki podłogowe przekształcające energię kinetyczną z ludzkich kroków w energię elektryczną, która może być bezpośrednio wykorzystana do oświetlenia chodników, reklam, znaków informacyjnych lub zmagazynowana w akumulatorach. Pierwotnie płytki wykonane były w kształcie kwadratów, jednak ze względu na zbyt małą otrzymywaną moc obecny produkt ma kształt trójkąta. Jest on wykonany z materiałów pochodzących z recyklingu - stal, aluminium, kompozyty (OK!!!). Płytki dostępne są w szerokiej gamie kolorów i faktur. Każdy bok płytki ma po 500 mm, a minimalny obszar użytkowy, na którym powinno się je mocować, to powierzchnia 2 na 4 metry. Płytki ze względu na swoją modułowość łatwo można ze sobą łączyć w ciągi, otrzymując w ten sposób większe moce. Jakie to moce? Przy ciągłym ruchu pieszym uzyskujemy z jednej płytki 5 Watów mocy (200 razy więcej niż pierwotnie), przy napięciu w zakresie 12 - 48 V. Pod wpływem masy człowieka następuje obniżenie zainstalowanej płytki, co powoduje obracanie się generatorów umieszczonych w każdym rogu płyty, poprzez indukcję elektromagnetyczną następuje wytworzenie energii elektrycznej. Taką instalację możemy obejrzeć m.in. na londyńskim lotnisku Heathrow Terminal 3, na którym 51 zainstalowanych płytek zasila światła LED wzdłuż korytarza. Kolejne instalacje: w centrum handlowym Westfield w Stratford, East London, Oxford Street w Londynie, w Dupont Circle w Waszyngtonie. Jak widzimy, są to miejsca, gdzie mamy duże natężenie ruchu pieszego. Poza generowaniem energii elektrycznej płytki mogą dostarczyć za pośrednictwem sieci bezprzewodowej bieżące informacje o natężeniu ruchu pieszych w danym miejscu. Projekt nie jest tani; pierwsze płytki kosztowały ponad 7 tysięcy dolarów za sztukę (!!!); obecnie około 400 dolarów, co stanowi największą bolączkę produktu, który nie jest jeszcze sprzedawany... Proponuję sobie policzyć ile kosztuje metr kwadratowy takiego chodniczka. Spółce jednak udało się zgromadzić fundusze na dalszy rozwój technologii dzięki zainteresowaniu i wsparciu od drobnych inwestorów (crowdfunding). Kto wie może za jakiś czas w mieszkaniach zamiast tradycyjnych płytek będziemy mieli generatory prądu reagujące na nasz ruch? Kolejny krok w kierunku czystej energii? Tak, ale taki mikro... i ta cena!!! W zamian prąd "na żądanie" i świadomość, że jesteśmy tak bardzo pożyteczni. Póki co, to niestety jedyny "chodnikowy" projekt pozwalający przekształcić energię kinetyczną w elektryczną... nie ma lekko.

To może z drogami samochodowymi pójdzie łatwiej? Jak wspomniałem powyżej, będziemy mieli do czynienia z elementami piezoelektrycznymi. Cóż to takiego? Samo zjawisko piezoelektryczności zostało odkryte już w 1880 roku przez Pierre'a i Jacques'a Curie. Francuscy fizycy prowadząc badania nad kwarcem zauważyli, że zmienia on swoje wymiary pod wpływem działania pola elektrycznego i na odwrót, generuje ładunek elektryczny na skutek deformacji mechanicznej. Pierwsze piezoelektryczne materiały opracowano w latach czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku (tytanian baru i cyrkonian-tytanian ołowiu - PZT). Odkształcenia sprężyste piezoelektryka wywołuje w nim powstanie wewnętrznego pola elektrycznego (tzw. efekt piezoelektryczny prosty). Efekt piezoelektryczny może być obserwowany też w niektórych gatunkach drewna, jedwabiu i ścięgnach zwierzęcych – jest on jednak bardzo słaby. O wiele większy efekt piezoelektryczny otrzymamy w niektórych tworzywach sztucznych, a zwłaszcza syntetycznych polimerach. Dodatkowo efekt też możemy zwiększyć poprzez domieszkowanie tworzywa sztucznego ceramiką piezoelektryczną. Ceramiki piezoelektryczne są obecnie jednym z najszerzej stosowanych w technice materiałów piezoelektrycznych. Najbardziej znanym piezoelektrykiem jest kryształ kwarcu, jednakże niektóre związki, jak np. BaTiO₃ lub PbZrTiO₆, wykazują ten efekt w znacznie większym stopniu (50 - 100 razy).
Gdzie spotkamy piezoelektryki? Ich wykorzystanie jest bardzo szerokie: w elementach elektronicznych (filtry, rezonatory), w transformatorach piezoelektrycznych - w zapalarkach do gazu, w zapalniczkach gdzie uderzenie ciężarka rozpędzonego przez napiętą sprężynę, a następnie zwolnioną przez zapadkę powoduje powstanie potencjału od kilku do kilkunastu kV i przeskok iskry elektrycznej. Mają też zastosowanie w precyzyjnych wagach analitycznych, wagach domowych, w sondach USG, które umożliwiają wytworzenie fali akustycznej i rejestrację ech, pochodzących od granic struktur o różnych wartościach impedancji akustycznych wzdłuż jednego kierunku.
My sprawdzimy, jak sprawują się w "warunkach" drogowych. Wydajność urządzeń piezoelektrycznych zależy od rodzaju stosowanych kryształów. Łatwość wytwarzania dowolnie skomplikowanego kształtu, wysoka wytrzymałość materiału (tym samym długa żywotność), a także odporność na wilgoć i temperaturę powyżej 100°C sprawiają, że najczęściej wykorzystywanym materiałem piezoelektrycznym jest cyrkonian-tytanian ołowiu - PZT. Z przeprowadzonych badań wynika również, że więcej energii można wytworzyć z cieńszego materiału, który ma do tego stożkowy kształt, a podwójną wydajność energetyczną uzyskamy ze struktur bimorficznych. Aby uzyskać energię elektryczną, elementy piezoelektryczne umieszczane są pod warstwą asfaltu. Poruszające się po nim pojazdy powodują jego odkształcenie wraz z piezoelektrykami, które z kolei generują energię elektryczną. Otrzymana w ten sposób energia jest magazynowana w akumulatorach. Teoretycznie wszystko się zgadza, czas na praktykę.

Na początek izraelska firma Innowattech. Pierwsze próby z piezoelektrykami wykonała na 10 m odcinku drogi w Hefer. Zainstalowane 5 cm pod asfaltem elementy wygenerowały energię elektryczną równą 2 kWh, co pozwoliło na zasilanie lamp oświetleniowych wzdłuż drogi. Wyniki wstępnego projektu zostały potwierdzone następnie na odcinku 1 km, z jednym i czterema pasami ruchu – uzyskano odpowiednio 200 kWh i 1 MWh. O tym, że projekt jest rozwojowy, świadczy też wybór firmy Innowattech do budowy generatorów na włoskiej autostradzie Wenecja - Triest. Podpisany przez włoskiego dostawcę energii Impregilo SpA z ww. firmą kontrakt na budowę generatorów elektrycznych, pozwalających na zasilenie drogowych znaków informacyjnych, wyniósł 225 mln euro. Z kolei amerykańskie firmy POWERleap Inc. z San Francisco oraz Treevolt z Columbii wykonały testy na odcinku drogi o długości 1 km, uzyskując energię elektryczną na poziomie prawie 720 kWh, przy przejeżdżających 600 pojazdach na godzinę i 6000 elementach piezoelektrycznych. Dodatkowo droga została wyposażona w bezprzewodowe urządzenia do monitoringu pozwalające na przesyłanie informacji o poruszających się pojazdach.

Prowadzone w latach 2008-2009 przez Departament Transportu w Oregonie badania nad wykorzystaniem efektu piezoelektrycznego do produkcji energii elektrycznej pochodzących z wibracji dróg nie doczekały się praktycznego wdrożenia - po prostu inni dostawcy energii byli tańsi (koszt gotowych eksperymentalnych dróg wyniósł do tej pory od 650.000 do 1.000.000 dolarów za kilometr).

Cieszyć może fakt, że na 2 milionową ($) dotację na badania nad wprowadzeniem kryształów piezoelektrycznych w drogach, jako sposobu na generowanie czystej energii, zdecydowała się w ubiegłym roku Kalifornijska Komisja ds. Energii. Wiadomo, że bez prób niczego nie osiągniemy. Mimo że piezoelektryki dobrze nam służą w życiu codziennym, to jednak ich wykorzystanie i wiedza, jak to zrobić, wciąż są za małe, by "usiać" nimi wszystkie drogi (lub chociaż część).

A z ciekawostek to w Londyńskim klubie Surya i Rotterdamskim Wattcie zainstalowano piezoelektryczną podłogę, która zapewnia do 60% potrzebnej energii elektrycznej. Każda "skacząco-bawiąca się" osoba może wyprodukować pomiędzy 5 a 20 W energii elektrycznej.

Jak niska jest wciąż świadomość, nawet wśród inżynierów, że piezoelektryki możemy zaliczyć do odnawialnych źródeł energii, świadczy fakt, że tylko 10% z nich taką wiedzę posiada. W odróżnieniu do energii solarnej czy wiatrowej, gdzie ta świadomość osiąga niemal 100%.

... A dróg coraz więcej.

Na zakończenie, a propos ww. świecących "adidasów", US Marines w 2014 r. zaprezentowała kinetyczne buty, z których każdy generuje 1,5 W. Szczegółów brak, ale na budowie by się przydały.

Oczywiście na pewno znajdują się (i będą zawsze znajdować się) sceptycy przekształcania energii w taki sposób. Niejedne mądre głowy stwierdzą, że to przecież marnowanie czasu, środków etc., etc. Pamiętamy jednak z historii, iż rozwój techniki cały czas pokazuje, że to, co wydaje się czystym absurdem i niedorzecznością w chwili przedstawienia projektu, nagle po latach staje się genialnym rozwiązaniem. Okazuje się potem, że nie potrafimy sobie przypomnieć, jak to można było żyć bez danego wynalazku. Czy i tu się tak stanie? Powolutku, powolutku...