În 2009, energiile regenerabile intermitente reprezentau 3,3 la sută din întreaga producţie de energie a lumii. Vântul, soarele şi valurile sunt pur şi simplu prea nestatornice pentru a te baza pe ele. Dar acest lucru se va schimba...
Era o zi neaşteptat de rece pe câmpiile vestului Texasului. Seara începe să acopere întinsul parc eolian, temperatura continuă sa scadă şi, împreună cu ea, şi viteza vântului. Acolo sus, palele unei falnice turbine se opresc încetişor. Cu câteva ore în urmă, aceste turbine ofereau destulă electricitate sistemului naţional, încât rivalizau cu două centrale nucleare, de-ajuns să păstreze luminile aprinse pe 5 la sută din suprafaţa Texasului. Responsabilii cu energia electrică ai statului ştiau că o scădere a producţiei era de aşteptat, dar viteza cu care a sosit i-a luat pe toţi prin surprindere.
Momentul nu putea fi ales mai rău. Pe tot cuprinsul statului, oamenii sosesc acasă de la muncă, aprinzând becuri, televizoare şi fierbătoare. Inginerii solicită 30 de megawaţi de energie de urgenţă din Mexic. Aprovizionarea marilor utilizatori industriali este redusă pentru mai mult de o oră. Durează 3 ore înainte ca sistemul să fie, într-un final, stabilizat.
Aceasta nu este o zi bună pentru energia regenerabilă şi arată un motiv pentru care chiar şi ținte modeste sunt nesatisfăcute, în mod constant, în întreaga lume. În 2009, energiile regenerabile intermitente reprezentau un derizoriu 3,3 la sută din întreaga producţie de energie a lumii. Vântul, soarele şi valurile sunt pur şi simplu prea nestatornice pentru a te baza pe ele. Dar acest lucru poate se va schimba – iar salvarea ar putea veni literalmente din aer.
Nu este ca şi cum nu am avea destule surse de energie. Într-adevăr, în fiecare minut, destulă radiaţie solară ajunge la Pământ pentru a satisface nevoia globală de energie pentru un an. Vântul ar putea, de asemenea, prin sine însuşi să gestioneze nevoile întregii lumi, în conformitate cu o lucrare de cercetare publicată anul trecut la Universitatea Stanford din California (PNAS, vol 109, p 15679). Motivul pentru care vântul nu îndeplineşte acest rol se datorează neconcordanţei dintre momentul în care energia este obţinută şi momentul în care noi o putem folosi. Operatorii reţelei energetice trebuie să folosească centrale electrice de rezervă, lucru care duce la creşterea preţului energiilor regenerabile. Acest lucru justifică în parte motivul pentru care anul trecut, sursele de energie regenerabile au reprezentat doar 9,4 la sută din electricitatea produsă în Marea Britanie şi 13 la sută din electricitatea din Statele Unite – cu mult sub ceea ce se dorea anterior.
Ar putea părea evident că răspunsul la aceasta dilemă este stocarea energiei suplimentare atunci când furnizarea de energie este la cote înalte, iar consumul este redus şi aceasta să fie folosită atunci când raportul se inversează. Într-adevăr, industria de energie tradiţională a făcut acest lucru timp de decenii, în particular pentru a salva energia suplimentară produsă de centralele nuclearelectrice, care costă prea mult ca să fie oprite atunci când consumul scade. O metodă este cea numită stocare prin pompare. La centrala electrică Dinorwig din Marea Britanie, de exemplu, apa este pompată într-un rezervor aflat pe vârful muntelui Elidir Fawr, în timpul perioadelor de consum redus. Atunci când consumul de energie ajunge la cote înalte, apa este eliberată de pe munte pentru a porni turbinele care alimentează reţeaua energetică. Este o realizare inginerească de excepţie, găzduită de 16 kilometri de tuneluri construite prin mijlocul muntelui şi capabile să furnizeze 1300 megawaţi în 12 secunde.
Acea putere, viteză şi eficienţă – aproape 80 la sută - este motivul pentru care metoda de stocare prin pompare reprezintă 99 la sută din capacitatea de stocare energetică a lumii. Dacă fiecare parc eolian şi solar ar fi avut propriul rezervor montan, ar fi fost posibil să transformăm energia eoliană într-o resursă disponibilă 24/7.
În Irlanda, un think tank numit Spirit of Ireland lucrează tocmai la un astfel de proiect, o întreprindere în valoare de 3,6 miliarde de euro care va folosi metoda de stocare prin pompare pentru a folosi la maximum rezerva de vânturi intermitente a ţării. Energia “necorespunzătoare” de la marile parcuri eoliene va fi folosită la transportul apei marine la un rezervor aflat la înălţime.
Proiecte ambiţioase
Dar nu fiecare ţară se poate baza pe metoda de stocare prin pompare, care depinde covârşitor de caracteristicile geografice existente – sau de dorinţa de finanţare a costului construirii unui munte. Aşadar, succesul energiei regenerabile va depinde de metode de stocare mai facile.
Dezvoltarea unor astfel de metode, totuşi, nu a fost chiar atât de simplă. Bateriile ar putea părea a fi alegerea evidentă, dar scalarea lor pentru stocarea reţelei energetice s-a dovedit a fi un lucru complicat. Parcul eolian aflat pe muntele Laurel din West Virginia foloseşte baterii cu litiu adăpostite de structuri de mărimea containerelor maritime pentru a stoca electricitatea suplimentară în timpul perioadelor de consum redus şi pentru a trimite 32 de megawaţi, înapoi în reţea, atunci când consumul creşte. Acestea prezintă o eficienţă crescută şi au un impact redus asupra mediului. Dar au şi dezavantaje. Nu numai că ele folosesc materiale exotice cum ar fi metalele rare, dar metoda de stocare prin baterii de litiu este de cel puţin 10 ori mai scumpă decât metoda de stocare prin pompare, pe durata întregii perioade de funcţionare a unei centrale, în conformitate cu o analiză din 2010 a Institutului de Cercetare în Energie Electrică din Palo Alto, California.
Unele centrale folosesc aerul, cum ar fi centrala pe gaze naturale operată de E.ON Kraftwerke din Huntorf, Germania. În loc să folosească energia electrică în exces pentru transportul apei sus pe un deal, ei o folosesc pentru a comprima şi stoca aerul în saline aflate la 500 de metri sub pământ. Problema cu această metodă este eficienţa sa, care depăşeşte rar pragul de 50 la sută. Presurizarea aerului face ca acesta să se încălzească, lucru care consumă mult din energia originală. Apoi, pentru a dilata aerul comprimat, trebuie să fie încălzit a doua oară, folosind astfel şi mai multă energie.
Problema cu încălzirea este abordată în Germania, unde o centrală experimentală de 90 de megawaţi este planificată să devină funcţională până în 2019. Dar aceasta nu va rezolva o altă problemă, faptul că stocarea aerului comprimat se bazează pe prezenţa unor peşteri calcaroase, straturi acvifere sau saline.
Totuşi, aerul ar putea încă deţine cheia stocării energiei – în formă lichidă. În ultimii doi ani, pe o suprafaţă de pământ nu cu mult mai mare decât cea a unui teren de baschet din Slough, Marea Britanie, o centrală de stocare pilot bazată pe stocarea aerului lichid a produs în linişte energie, folosind energia în exces produsă de o centrală pe biomasă din vecinătate. Această încâlceală de ţevi albe strălucitoare şi rezervoare prezintă destule avantaje asupra tehnologiilor rivale încât să fie apreciată ca fiind o parte critică a viitorului nostru energetic. “Această metodă ar putea duce la economisirea de miliarde de către Marea Britanie”, spune Tim Fox, responsabil pentru energie şi mediu la Institutul de Inginerie Mecanica din Londra.
Aparent aer
Centrala combină tehnologii deja existente într-un mod inovativ. Energia în exces a centralei electrice este folosită pentru funcţionarea unui imens frigider care produce şi stochează aer lichid. Energia necorespunzătoare absoarbe aerul ambiental din atmosferă şi îl răceşte la – 196 grade Celsius, o temperatură la care atât oxigenul, cât și nitrogenul sunt lichide. Odată ce este lichefiat, 700 de litri de aer pot fi comprimaţi într-un litru care este apoi stocat într-un rezervor. Atunci când reţeaua energetică locală are nevoie de mai multă energie, o parte din lichid este expus temperaturii ambientale, iar expansiunea rezultată are destulă putere pentru rularea unei turbine. În plus, deoarece nitrogenul fierbe la – 195,8 grade Celsius, procesul de întoarcere la temperatura ambientală necesită foarte puţină energie.
Potrivit Highview, compania cu sediul în Londra care operează centrala pilot, această tehnologie va fi capabilă să producă zeci sau chiar sute de megawaţi. Un singur rezervor de 50 de tone – o piesă standard a instrumentelor folosite în industria chimică – ar putea stoca destul aer lichid pentru alimentarea a 15,000 de gospodării timp de o oră, spune Toby Peters de la Highview. Mecanismul este echivalent din punct de vedere funcţional unei baterii care rulează pe aer. Adaugă mai multe rezervoare, iar centralele pe aer lichid pot deservi mai multe locuinţe pentru perioade mai lungi de timp, poate chiar să înlocuiască producţia unei centrale electrice de mărime medie pentru mai multe ore la rând.
Bateriile cu aer lichid ar putea fi folosite oriunde pentru că ele nu au nevoie nici de un rezervor, nici de gravitaţie. În timp ce costurile sunt încă în curs de determinare, ele au multe şanse să fie mai mici decât în cazul metodei bazate pe stocarea prin pompare, având în vedere că niciun munte nu este nevoie să fie excavat, precum şi decât bateriile pe litiu, având în vedere că echipamentul necesar este deja folosit pe scară largă. “Toate componentele sunt disponibile pe raft”, spune Yulong Ding, inginer la Universitatea Leeds, Marea Britanie, care a studiat aerul lichid.
Singurul dezavantaj din acest moment este eficienţă. Niciun proces nu poate stoca şi apoi elibera energie fără a consuma un pic de energie – chiar şi bateriile pierd 10 la sută din energie datorită încălzirii. Dar procesul de lichefiere al aerului este mai puţin eficient chiar şi decât procesul de comprimare al lui: energia pe care o obţii reprezintă un procent tragic de 25 la sută.
Centrala pilot de la Slough se comporta încă şi mai slab. Proiectul demonstrativ nu a fost construit având eficienţa în minte, iar acest lucru se simte – eficienţa este de doar 12 la sută. Acestea fiind spuse, simpla scalare a centralei la o mărime comercială şi optimizarea ei pentru eficienţă ar putea duce acel număr la 50 la sută, prezice Highview, pentru că turbinele mai mari sunt mai eficiente decât cele mici. Dar inginerii de la Highview au şi alte trucuri în mânecă pentru îmbunătăţirea suplimentară a eficienţei.
Primul truc constă în reciclarea aerului lichid care a fost returnat la temperatura ambientală, prin folosirea acestuia la încălzirea aerului lichid care tocmai intră în turbine. Această manevră simplă, spun inginerii, va creşte eficienta la 55 sau 60 la sută.
Un truc un pic mai avansat foloseşte termodinamica. Cu cât diferenţa de temperatură dintre aerul lichid şi gaz este mai mare atunci când ajunge la turbine, cu atât este mai explozivă expansiunea şi, prin urmare, cu atât mai multă energie intră în reţeaua energetică. Inginerii Highview pompează, pe moment, gazele evacuate de la centrala pe biomasă vecină în turbine, pentru a se întâlni cu aerul lichefiat. Într-o centrală de nivel comercial, acest proces va duce la creşterea eficienţei procesului la 70 la sută, prezice Peters. Aceste gaze evacuate sunt considerate a fi energie termică de nivel redus pentru că, la temperaturi de aproape 100 de grade, nu sunt destul de fierbinţi pentru a fi folositoare în alte părţi.
Energia termică reziduală este uşor de obţinut. Energia termică totală, risipită de industrie, centre de date şi centrale electrice în Marea Britanie, este echivalentă celei necesare încălzirii fiecărei clădiri din ţară, spune Fox. Simpla plasare a centralelor pe aer lichid lângă aceste instalaţii s-ar “traduce într-o energie electrică suplimentară”, spune el.
Un viitor regenerabil
Dar energia termică reziduală poate juca un rol şi mai important, unul care, la prima vedere, ar părea a fi neverosimil: creşterea eficienţei bateriilor pe aer la peste 100 la sută. Folosind energie termică foarte fierbinte – să spunem, 150 sau 200 de grade Celsius – se va transfera o energie suplimentară în cadrul procesului de gazeificare, spune Ding, iar salvarea unei părţi a căldurii din gazele reziduale, care este pierdută în mod normal în atmosferă, s-ar putea transforma într-o cantitate şi mai mare de energie electrică.
S-ar putea obţine o mulţime de bani din comercializarea bateriilor pe aer. Dar toate aceste lucruri depind de o cale directă către energia regenerabilă, iar acest proces necesită mult mai mult decât doar inginerie inventivă. Un viitor incert pentru energia regenerabilă poate deturna chiar şi proiecte promiţătoare. De exemplu, Air Products, o mare companie de inginerie din Allentown, Pennsylvania, a oprit recent lucrul la sistemul său de stocare a energiei din aer lichid, invocând preţul redus al gazelor naturale. În lipsa unor cantităţi imense de energie regenerabilă care să trebuiască să fie stocate, modelul lor de afaceri era discutabil.
Totuşi, lucrurile încep să se schimbe. Guvernele încep să înţeleagă faptul că viitorul energiei regenerabile se bazează pe modalităţi robuste şi versatile de stocare a energiei. Obţineţi combinaţia perfectă şi energia regenerabilă ar putea aproviziona cu un randament foarte bun 99,9 la sută din reţeaua de energie a Statelor Unite cel mai devreme în 2030, în conformitate cu un raport recent provenit de la Universitatea Delaware din Newark.
Factorii de decizie încep să fie atenţi. California, care îşi produce mai mult de 20 la sută din energia electrică din surse regenerabile desfăşoară proiecte ambiţioase de stocare a energiei la nivelul reţelei pentru a-şi îndeplini obiectivele de 33 la sută până în 2020. “Nu există niciun dubiu că stocarea energiei va juca un rol din ce în ce mai important în reţeaua energetică a statului, odată ce vom adăuga o cantitate din ce în ce mai mare de energie curată în sistem”, spune Laura Wisland de la Uniunea Oamenilor de Ştiinţă Îngrijoraţi din Cambridge, Massachusetts. Iar în Texas, deficitele energiei eoliene ar putea deveni un lucru aparţinând trecutului, mulţumită unei legi adoptate recent, care elimină pragurile de reglementare în cazul deficitelor de reţea.
Noi politici de modelul acestora ar trebui să producă o explozie în domeniul stocării energiei. Mai bine de 100 de miliarde de dolari sunt aşteptate să fie investite în stocarea de energie, în cursul următorului deceniu, iar cursa pentru acapararea acelei pieţe a început. Câştigătorii vor ajuta la soluţionarea celei mai mari probleme de mediu a timpurilor noastre.
Maşini funcţionând cu... nimic
Te-ai săturat să pui petrol în rezervorul tău? În viitor, motorul tău ar putea funcţiona doar cu aer.
Ar putea părea futuristic, dar ideea maşinii care rulează pe aer datează din 1903, atunci când o iniţiativă britanică numită Liquid Air Car Company a adus în discuţie această idee. Vehiculele care funcţionează pe petrol sunt alimentate de mici explozii care au loc de fiecare dată când o bujie aprinde o cantitate de petrol. Dar rapida gazeificare care are rol atunci când nitrogenul lichid este expus unei surse de căldură, poate, de asemenea, produce destulă forţă pentru a mişca un piston. Această teorie era una atrăgătoare, dar motorul în mai multe trepte necesitat de designul original era prea ineficient şi costisitor pentru a concura cu maşina pe petrol.
Cu mai mult de un secol mai târziu, totuşi, ideea este iar în centrul atenţiei şi, de această data, ar putea funcţiona. Inventatorul britanic Peter Dearman a produs modelul de laborator al unui motor care funcţionează cu nitrogen lichid, iar mecanismul său rezolvă problema care a frânat dezvoltarea Maşinii cu aer lichid, prin găsirea unei modalităţi de a încălzi aerul lichid în interiorul motorului.
Un motor care funcţionează cu nimic ar putea fi un deschizător de drumuri. Este ieftin, sigur şi durează doar câteva minute să reîncarci maşina, rivalizând astfel cu atuul principal de vânzări al petrolului. Firma de inginerie de nivel global Ricardo a finanţat un motor demonstrativ pe care echipa speră să-l aibă în stare de funcţionare mai târziu în acest an.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului storage-salvation-for-green-energy, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Hutupanu
