Μπορούμε να παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια από τις βροχοπτώσεις;

Υπάρχουν πολλοί μοναδικοί τρόποι με τους οποίους μπορούμε να παράγουμε ενέργεια από τις βροχοπτώσεις. Είτε πρόκειται για αποθήκευση βρόχινου νερού σε ύψη για λειτουργία στροβίλων είτε για χρήση απευθείας για πιεζοηλεκτρική ενέργεια, η σύγχρονη τεχνολογία έχει κάνει σχεδόν τα πάντα δυνατά.

Έχετε ποτέ κοιτάξει τη βροχή που πέφτει και αναρωτηθήκατε για τις αναξιοποίητες δυνατότητες σε αυτές τις μικρές σταγόνες νερού; Λοιπόν, αν έχετε, τότε έχετε καλό μυαλό για την επιστήμη και τη φυσική. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο διερευνούν επί του παρόντος τη βιωσιμότητα της χρήσης των βροχοπτώσεων ως πηγή ενέργειας και έχουν ήδη σημειώσει μεγάλη πρόοδο σε αυτόν τον ολοένα και πιο σημαντικό τομέα.

Πόση ενέργεια διαθέτουν οι σταγόνες βροχής;

Το νερό σε ένα σύννεφο έχει δυναμική ενέργεια ως αρετή του ύψους του. Η βαρυτική δυναμική ενέργεια ενός αντικειμένου μπορεί να μετρηθεί πολλαπλασιάζοντας το ύψος του (σε σχέση με την επιφάνεια της Γης) με το βάρος του και τη σταθερά βαρύτητας (9,8 m/s2). Ας το δούμε αυτό με πιο ξεκάθαρο τρόπο.

Ας υποθέσουμε ότι η πόλη σας δέχεται 100 εκατοστά βροχόπτωσης ετησίως (η μέση ετήσια βροχόπτωση στις ΗΠΑ είναι περίπου 77 εκατοστά – έκθεση κλίματος) και το σπίτι σας έχει στέγη περίπου 20 τετραγωνικών ή 2000 τετραγωνικών ποδιών (τυπικό μέγεθος). Κάνοντας κάποια μαθηματικά με βάση αυτούς τους αριθμούς, θα δείτε ότι αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 111 kWh χαμένης δυνητικής ενέργειας. Ο αριθμός φαίνεται μικρός, αλλά όταν ληφθεί υπόψη σε μια περιοχή περίπου 1 km2, η ποσότητα ενέργειας που «πέφτει» θα ήταν αρκετή για να τροφοδοτήσει περίπου 1000 σπίτια.

Ποια είναι η απόλυτη πηγή αυτής της ενέργειας;

Ακριβώς όπως οι περισσότερες άλλες πηγές ενέργειας στον πλανήτη μας, οι βροχοπτώσεις αντλούν την ενέργειά τους από τον Ήλιο. Ο Ήλιος είναι η απόλυτη αντλία που τροφοδοτεί όλες τις μορφές ζωής και πόρων. Στην επιφάνεια της Γης, η ενεργειακή πυκνότητα του Ήλιου είναι περίπου 1.000 W/m2. Για να το θέσουμε αυτό στην προοπτική, αν όλη η ενέργεια του ηλιακού φωτός που ακτινοβολεί την επιφάνεια της Γης στο Τέξας μόνο θα μπορούσε να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια, η παραγόμενη ισχύς θα ισοδυναμούσε με 300 φορές τη συνολική ισχύ που παράγεται από όλους τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στον κόσμο!

Ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που χτυπά τον πλανήτη μας χρησιμοποιείται για την εξάτμιση του νερού από τους ωκεανούς, τις θάλασσες και τα ποτάμια. Η διαφορά θερμοκρασίας που δημιουργείται στην ατμόσφαιρα, και πάλι λόγω του ότι διαφορετικά μέρη της ατμόσφαιρας απορροφούν διαφορετικές ποσότητες ηλιακής θερμότητας, λειτουργεί ως αντλία και τραβάει το εξατμισμένο νερό προς τα πάνω, γεμίζοντάς το με δυναμική ενέργεια στη διαδικασία.

Κύκλος νερού (Εικόνα:Flickr)

Ενέργεια από την αποθήκευση βροχοπτώσεων

Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί παράγουν περίπου το 6,5% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτός ο αριθμός αυξάνεται στο 13,5% για την Ινδία. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι η πιο καθαρή μορφή ενέργειας και η παραγωγή της είναι αρκετά απλή. Το νερό που πέφτει από κατάλληλο ύψος πάνω σε έναν στρόβιλο τον οδηγεί σε κίνηση. Ο στρόβιλος συνδέεται με ένα δυναμό, το οποίο μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική.

Στροβίλοι στο φράγμα Hoover (Φωτογραφία:CrackerClips Stock Media/Shutterstock)

Χρησιμοποιώντας μια μέθοδο παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι μια μεγάλη δεξαμενή τοποθετημένη ψηλά πάνω από το έδαφος συλλέγοντας βροχή θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει αυτό το νερό που πέφτει για να τροφοδοτήσει τουρμπίνες. Αυτή η μέθοδος θα ήταν εξαιρετικά αποτελεσματική σε περιόδους βροχών, όταν υπάρχει σχετικά συνεχής παροχή νερού.

Αξιοποίηση της κινητικής ενέργειας των βροχοπτώσεων

Κάθε αντικείμενο που ταξιδεύει με κάποια ταχύτητα έχει κινητική ενέργεια. Το ίδιο ισχύει και για τις σταγόνες βροχής. Μια μεγάλη σταγόνα βροχής, πλάτους περίπου ενός τέταρτου της ίντσας, έχει τερματική ταχύτητα πτώσης περίπου 20 μίλια την ώρα ή περίπου 10 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Πρόσφατη έρευνα έχει προτείνει ότι η κινητική ενέργεια των σταγόνων βροχής μπορεί να αξιοποιηθεί χρησιμοποιώντας ορισμένα υλικά, όπως το PVDF (φθοριούχο πολυβινυλιδένιο), που διαθέτουν πιεζοηλεκτρικά ιδιότητες.

Τι είναι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά;

Piezo είναι στα ελληνικά για το «συμπίεση ή πίεση ". Ως εκ τούτου, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι εκείνα που παράγουν ηλεκτρική τάση (ή ηλεκτρική ενέργεια) ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Τα υλικά που επιδεικνύουν ένα πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο επιδεικνύουν επίσης το αντίθετο αποτέλεσμα, που ονομάζεται αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Αυτό σημαίνει ότι με την εφαρμογή ηλεκτρικού φορτίου παραμορφώνονται. Αυτά τα υλικά μπορεί να είναι κρυσταλλικά, κεραμικά ή ακόμα και βιολογικά υλικά, όπως οστά και πρωτεΐνες.

Εικονογραφική αναπαράσταση της παραγωγής πιεζοηλεκτρικής ενέργειας (Φωτογραφία:Tizeff/Wikimedia Commons)

Τα πιεζοηλεκτρικά είναι τυπικά κρυσταλλικά υλικά με ασύμμετρες δομές. Ωστόσο, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, καθώς τα θετικά φορτία που υπάρχουν είναι ίσα με τα αρνητικά φορτία και εξισορροπούν το ένα το άλλο. Ωστόσο, όταν τέτοια υλικά συμπιέζονται, η δομή τους παραμορφώνεται, ωθώντας μερικά άτομα πιο κοντά και άλλα μακριά. Αυτό διαταράσσει την ισορροπία θετικού και αρνητικού φορτίου, δημιουργώντας έτσι ένα ηλεκτρικό δυναμικό. Ο χαλαζίας είναι ένα από τα πιο κοινά πιεζοηλεκτρικά υλικά και μικροί κρύσταλλοι χαλαζία χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση του χρόνου σε ρολόγια και ηλεκτρονικές συσκευές, όπως φορητούς υπολογιστές.

Πώς τα πιεζοηλεκτρικά μετατρέπουν τη βροχόπτωση σε ηλεκτρική ενέργεια;

Οι δονήσεις που προκαλούνται από σταγονίδια νερού που πέφτουν πάνω σε πιεζοηλεκτρικά υλικά θα δημιουργήσουν πίεση. Αυτή η πίεση θα έχει ως αποτέλεσμα έναν ανελαστικό λόξυγγα (διαφορά στο δυναμικό) πάνω από την επιφάνεια του πιεζοηλεκτρικού υλικού, όπως ο τιτανικός ζιρκονικός μόλυβδος (PZT), μετατρέποντας έτσι τη μηχανική ενέργεια από τις σταγόνες βροχής σε ηλεκτρική ενέργεια.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι ειδικά χρήσιμα για τη συλλογή και αποθήκευση μικρών ηλεκτρικών φορτίων, όπως αυτά που παράγονται από ηλεκτρικά όργανα ή, στην περίπτωσή μας, πέφτουν σταγόνες νερού. Σε αυτό το σημείο, μπορεί να αναρωτιέστε…. Εάν η αξιοποίηση της ενέργειας από τις βροχοπτώσεις είναι τόσο εύκολη, γιατί δεν χρησιμοποιείται πιο συχνά; Λοιπόν, να γιατί.

Προβλήματα με την ενέργεια της βροχής

Το πρώτο ζήτημα είναι το ποσοστό μετατροπής. Οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές μπορούν να εξάγουν μόνο περίπου 12 milliwatts ισχύος από μια σταγόνα βροχής. Αυτό είναι λιγότερο από 0,001 kWh ανά τετραγωνικό μέτρο – βασικά αρκετό για να τροφοδοτήσει έναν τηλεχειριστήριο. Επιπλέον, αυτές οι συσκευές είναι πολύ ακριβές και απαιτούν τακτική συντήρηση.

Τα ηλιακά πάνελ είναι πολύ πιο αποδοτικά από όλες τις μεθόδους που αναφέρθηκαν παραπάνω. Για να ταιριάξουμε την απόδοση των ηλιακών κυψελών, θα χρειαστεί να κατασκευάσουμε δεξαμενές σε ύψος 1 km ή περισσότερο! Η κατασκευή ενός κοντέινερ ψηλά από το έδαφος δεν είναι οικονομικά βιώσιμη, ειδικά σε σύγκριση με το κόστος κάλυψης της ίδιας περιοχής σε φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Τα ηλιακά πάνελ περιέχουν φωτοβολταϊκά στοιχεία. (Πίστωση εικόνας:Pixabay)

Μια τελευταία λέξη

Υλικά που αναπτύχθηκαν πρόσφατα, όπως τα ηλιακά κύτταρα γραφενίου, τα οποία είναι ικανά να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα μέσω της διάσπασης των αλάτων στη βροχή, υποδηλώνουν ότι υπάρχουν περισσότεροι από ένας τρόποι χρήσης του δυναμικού του νερού της βροχής. Και με τη νέα τεχνολογία που αναπτύσσεται καθημερινά, η εμπορική χρήση της ενέργειας της βροχής δεν φαίνεται πολύ μακρινή.

Όσον αφορά την παραγόμενη ενέργεια, οι σταγόνες της βροχής πιθανότατα δεν θα μπορέσουν ποτέ να ανταγωνιστούν ένα υδροηλεκτρικό εργοστάσιο ή τις ηλιακές κυψέλες. Ωστόσο, έχουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα - είναι δωρεάν. Και ποιος ξέρει, με την συνεχώς εξελισσόμενη τεχνολογία μας, η παραγωγή καθαρής ενέργειας θα μπορούσε σύντομα να είναι τόσο απλή όσο μια βόλτα στην ανοιξιάτικη βροχή!