Cum ar putea aerul cald să rezolve cea mai mare provocare a energiei solare

Pe măsură ce lumea trece la energia din surse regenerabile, persistă o provocare majoră: stocarea eficientă a energiei.

O echipă de cercetare finanțată de UE explorează utilizarea aerului comprimat pentru a stoca excesul de energie colectată de la panourile solare.

O centrală-pilot dezvoltată la Plataforma Solar de Almería, un centru de cercetare în domeniul tehnologiei solare din sudul Spaniei, va demonstra un concept numit energie solară termică, menit să ofere o alternativă sustenabilă și eficientă din punctul de vedere al costurilor la stocarea tradițională folosind acumulatori.

Prin captarea și stocarea energiei termice (căldurii), această abordare inovatoare asigură accesul la energia solară chiar și atunci când soarele nu strălucește, contribuind la stabilizarea rețelei energetice și la accelerarea tranziției Europei către un viitor cu energie curată.

Echilibrarea cererii și ofertei

Potrivit profesorului David Sánchez, expert în sisteme energetice la Universitatea din Sevilla, în Spania, problema fundamentală este că creșterea capacității instalate a panourilor fotovoltaice nu va ajuta la furnizarea de energie pe timp de noapte și nici nu va garanta că energia electrică este disponibilă ori de câte ori este nevoie.

Teoretic, soarele oferă energie suficientă. Potrivit Comisiei, energia solară contribuie deja în mod semnificativ la mixul energetic al Europei și, pe baza tendințelor actuale ale pieței, are potențialul de a satisface până la 20% din cererea de energie electrică a UE până în 2040.

Panourile solare generează însă energie electrică atunci când există cea mai mică cerere – în toiul zilei. Apoi, seara, după apusul soarelui, cererea de energie electrică atinge vârful, dar energia solară nu este disponibilă.

„Energia din surse regenerabile este irosită pentru că nu avem suficient spațiu de stocare”, spune Fritz Zaversky, inginer de cercetare la Centrul Național pentru Energie din Surse Regenerabile din Spania.

Stocarea mecanică

Zaversky și Sánchez sunt parte a unei inițiative de cercetare cu durata de patru ani finanțată de UE și denumită ASTERIx-CAESar, care dezvoltă o centrală termică solară inovatoare, de înaltă eficiență, ce integrează două concepte separate: energia solară concentrată și stocarea energiei cu ajutorul aerului comprimat.

„Stocarea cu ajutorul aerului comprimat nu este un concept nou, acesta fiind deja demonstrat la scară comercială”, spune Zaversky.

În prezent, la nivel mondial, funcționează trei centrale de stocare a energiei cu ajutorul aerului comprimat – în Germania, SUA și China. Alte zone sunt în curs de explorare și dezvoltare.

Stocarea cu ajutorul aerului comprimat folosește surplusul de energie electrică cu costuri reduse pentru a comprima aerul la o presiune ridicată. Acest aer comprimat este stocat și apoi utilizat pentru a angrena turbinele și a genera energie electrică atunci când este nevoie.

Spre deosebire de acumulatori, aceste tehnologii nu se bazează pe materii prime critice, pentru care există concurență din partea altor tehnologii bazate pe acumulatori, cum ar fi vehiculele electrice.

Dacă, în plus, se folosește un rezervor de stocare subteran, cum ar fi o cavernă sau o mină veche, acest lucru ar reduce și mai mult costurile, explică Sánchez. Există însă un neajuns.

Neajunsul fosil

Aerul comprimat se răcește în timpul stocării și trebuie încălzit înainte de a putea fi utilizat. De obicei, acest lucru se face folosind combustibili fosili, ceea ce diminuează meritele ecologice ale procesului.

„Conceptul nu este neutru în privința emisiilor de carbon, deoarece se arde gaz natural”, spune Zaversky.

Pentru a rezolva această problemă, echipa ASTERIx-CAESar, alcătuită din experți în energie și cadre universitare din opt țări ale UE, Elveția și Regatul Unit, caută să combine stocarea energiei cu ajutorul aerului comprimat cu o altă formă de energie din surse regenerabile cunoscută sub numele de energie solară concentrată.

„Energia solară concentrată folosește multe oglinzi pentru a focaliza lumina soarelui într-un singur punct, care, de obicei, se află în vârful unui turn”, spune Zaversky.

În centralele convenționale bazate pe energia solară concentrată, energia termică generată este utilizată pentru a încălzi un lichid, de obicei, săruri topite, care acționează apoi ca mijloc de stocare a energiei termice. Atunci când este nevoie de energie, supracăldura din lichid este folosită pentru a crea aburi și pentru a angrena o turbină și a genera energie electrică.

Totuși, potrivit lui Zaversky, centralele convenționale bazate pe energia solară concentrată sunt prea scumpe pentru a fi competitive în raport cu alte surse regenerabile. Prin urmare, cercetătorii propun combinarea tehnologiei energiei solare concentrate cu stocarea energiei cu ajutorul aerului comprimat, încălzind aerul comprimat cu căldură solară înainte de dilatarea în turbină.

„Abordarea noastră înseamnă folosirea căldurii solare în locul gazului natural, pentru a face ca stocarea energiei cu ajutorul aerului comprimat să fie neutră din perspectiva emisiilor de carbon”, spune Zaversky.

În sistemul pe care îl dezvoltă, energia electrică din surse regenerabile cu costuri reduse este utilizată pentru a comprima aerul pentru stocare în timpul zilei, în timp ce energia solară concentrată alimentează un sistem de stocare a energiei termice.

Atunci când cererea de energie este ridicată, se utilizează energia termică pentru a încălzi aerul comprimat, pe măsură ce acesta este eliberat din mediul de depozitare pentru a angrena turbinele.

Temperaturi ridicate

Sánchez spune că principala provocare va fi dezvoltarea unei tehnologii capabile să transforme energia solară concentrată în energie termică la circa 800 °C și să o stocheze la temperaturi atât de ridicate.

Acest lucru este important, spune Sánchez, deoarece corespunde temperaturilor folosite atunci când se arde gaz natural. De asemenea, temperaturile mai ridicate cresc energia generată și eficiența procesului.

Centrala-pilot din Spania va pune aceste idei în practică. Aici, se va moderniza un turn de energie solară concentrată deja existent prin adăugarea unui mediu de stocare a energiei cu ajutorul aerului comprimat, folosind rezervoare de stocare de înaltă presiune pentru a crea sistemul hibrid.

Echipa își propune să demonstreze că conceptul său hibrid funcționează la scară mică. După aceea, Zaversky consideră că va fi necesar să se dezvolte o centrală demonstrativă la scară intermediară. Dacă se dovedește a fi un succes, tehnologia ar putea începe să fie utilizată.

Eficiența energiei solare

Scopul cercetătorilor este de a construi o centrală termică solară extrem de eficientă, care să poată asigura disponibilitatea permanentă a energiei din surse regenerabile. Cu o capacitate de stocare suficientă, va putea asigura stabilitatea atât de necesară a rețelei electrice și va contribui la sprijinirea adoptării energiei din surse regenerabile.

Se estimează că eficiența conversiei energiei solare în energie electrică a acestui sistem va fi de aproximativ 40%, adică dublu față de panourile solare disponibile astăzi pe piață, care ating o eficiență de 15% până la 24 %.

Potrivit lui Zaversky, există mai multe locuri în Europa în care acest concept ar putea avea succes, în special în țările din sudul Europei, cum ar fi Franța, Grecia, Italia sau Spania.

„Insulele grecești sunt deosebit de propice, deoarece au o cantitate mare de energie solară disponibilă și locuri în care aerul comprimat ar putea fi stocat în subteran.”

Articol scris de Michael Allen

Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin programul Orizont al UE. Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.

Mai multe informații

Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.