Stocarea eficienta a energiei

Stocarea eficienta a energiei devine unul dintre cele mai spectaculoase si sensibile domenii de activitate si initiativa, dezvoltarea procedeelor, echipamentelor si tehnologiilor de conversie si stocare fiind o conditie exclusiva pentru utilizarea competitiva a tuturor surselor reinnoibile de energie (solara, eoliana, maree etc.).

Necesitatea conceperii si realizarii unor noi sisteme performante pentru "stocarea energiei" este impusa de discrepanta evidenta dintre momentul si locul producerii energiei si momentul si locul consumarii acesteia.

Fluctuatiile de consum pot fi:

- diurne

- saptamanale

- sezoniere

Dupa cum se stie, fluctuatiile diurne prezinta amplitudini mari, cererea din orele mici ale diminetii situandu-se la cca. 1/3 din cea care corespunde perioadei de varf.

In tarile in care incalzirea electrica este larg raspandita,solicitarea centralelor electrice in timpul iernii este de doua ori mai mare decat vara, iar in tari cu clima torida, unde climatizarea este utilizata frecvent, varful de consum inregistrat vara este maxim in cursul unui an.

Este evident ca functionarea centralelor electrice la capacitate mare si constanta depinde de cuplarea acestora la sisteme de stocare.

Dezvoltarea energeticii solare este puternic influentata de perfectionarea sistemelor de stocare, folosirea eficienta a energiei captate depinzand de evolutia

sistemelor de stocare diurna.

De altfel, in general, atragerea in circuitul economic competitiv a surselor alternative de energie este in functie de costul si fiabilitatea tehnologiilor de stocare.

Tehnologiile si echipamentele de stocare a energiei,folosind partial sau integral procese electrochimice, pot fi impartite in:

- tehnologii si echipamente pentru stocare de scurta

durata si cu capacitati mici (sub 0,5 kWh);

- tehnologii si echipamente pentru stocare medie

12-60 ore) si cu capacitati pana la cateva sute de MWh;

- tehnologii si echipamente pentru stocare de lunga

durata (10-300 zile) si cu capacitati mai mari decat

1000 MWh.

Solutiile tehnico-stiintifice elaborate de cercetatorii romani, atat pentru stocarea energiei pe durata medie cat si pentru stocarea de lunga durata, sunt centrate pe utilizarea unor tipuri noi de echipamente electrochimice si a unor noi materiale si componente pentru reactoarele

5.1 Stocarea cu durata medie

Se cunoaste faptul ca pilele secundare sunt sisteme electrochimice de stocare (acumulare) a energiei electrice sub forma de energie chimica, ale caror procese se bazeaza pe reactii electromotric active (REMA) reversibile, de tip redox, intre doua specii chimice electroactive.

In spatiile anodice si catodice se gasesc specii electroactive (elemente chimice sau combinatii !) capabile sa participe la procese de transfer de sarcina la electrozii pilei galvanice, in urma unor reactii potential active (RPA).

Fiecare REMA este caracterizata printr-o valoarea entalpiei libere si a diferentei de potential electric(FEM).Suma reactiilor potential active de la cei doi electrozi constituie reactia electromotric activa - REMA.

RPAanodic + RPAcatodic = REMA

Functionarea acumulatorului redox se bazeaza pe o REMA de tipul :

Ared (aq) + Box (aq) = Aox (aq) + Bred (aq)

in care A si B sunt reactantii, respectiv produsii, in stari de oxidare diferite.

In majoritatea sistemelor studiate, reactantii si produsii de reactie sunt complet solubili in mediul de reactie. Alegerea cuplurilor redox adecvate pentru realizarea acestor sisteme depinde de potentialul reversibil al reactiilor potential active si de cinetica de electrod.

Foarte importanta este valoarea densitatii curentului de

schimb. Desfasurarea spontana a reactiei electrochimice corespunde transformarii energiei chimice in energie electrica (descarcarea acumulatorului) cu generare de curent electric. In cursul procesului de incarcare, in urma trecerii curentului electric se reformeaza speciile electroactive initiale. REMA se desfasoara in sens invers.

Din punct de vedere constructiv, acumulatorul presupune o celula de reactie echipata cu doi electrozi colectori (inerti, de cele mai multe ori!).Anolitul si catolitul sunt separati prin membrane schimbatoare de ioni, semipermeabile. Solutiile epuizate de anolit si catolit sunt stocate in rezervoare separate si sunt recirculate in sens invers la incarcare.

Printre avantajele sistemelor redox se pot enumera :

- functionarea la temperatura ambianta;

- absenta unor limitari la descarcare si in viata ciclica;

- flexibilitate deosebita a capacitatii si a puterii.

Marirea capacitatii, de exemplu, se poate realiza prin cresterea numarului sau a capacitatii rezervoarelor de stocare a solutiilor de electrolit, in timp ce cresterea puterii este asigurata de viteze mai mari de circulare a electrolitului. Partea esentiala a sistemelor redox de tipul descris este membrana schimbatoare de ioni, care determina performantele sistemului de stocare.

In anii '80 si '90 s-a constatat o crestere semnificativa a eforturilor destinate realizarii de acumulatoare redox de tipul descris. Avantajul esential al acestor acumulatoare consta in posibilitatea amplasarii reactantilor in rezervoare mari, exterioare, la presiunea atmosferica.

Unul din cele mai cunoscute cupluri redox este perechea clorurilor de Fe si Cr

FeCl3 + CrCl2 = FeCl2 + CrCl3

Pentru evitarea amestecarii solutiilor, spatiile anodice si cele catodice sunt separate de membrane schimbatoare de ioni permselective.

Ambele solutii rezultate in urma "incarcarii" acumulatorului se pompeaza in rezervoare separate, unde sunt pastrate sub protectia unui gaz inert, pentru a evita reactiile parazite de oxidare a speciilor electroactive de catre oxigenul din aer. La "descarcarea" acumulatorului, solutiile proaspete de anolit si catolit sunt readuse din rezervoarele exterioare si sunt recirculate in spatiile electrodice, unde speciile electroactive participa la reactiile de electrod, in urma carora se genereaza curentul electric continuu.

Este de remarcat faptul ca pilele redox de tipul descris au fost studiate in anii '40, in Germania. Astazi, cele mai multe elemente redox sunt realizate in SUA, de catre NASA.

Cu cativa ani in urma a fost anuntata punerea in functiune, in Anglia, la Little Barford, a primei centrale industriale de mare capacitate, pentru stocarea energiei pentru durate medii. O linie de stocare are capacitatea de 100 MWh. Tehnologia de la Barford este comercializata sub denumirea de "The Regenesys TM System".

Solutii tehnico-stiintifice romanesti pentru tehnologii si echipamente destinate stocarii energiei pentru durate medii

Cercetari interdisciplinare desfasurate pe parcursul mai multor ani au permis unui colectiv de cercetatori de la fostul Centru de Cercetari Savinesti realizarea unei tehnologii de stocare a energiei pe durata medie, folosind un sistem redox original care permite coborarea semnificativa a costurilor de stocare, atat in etapa de investitie cat si in etapa de exploatare. Reactantii folositi sunt ieftini si accesibili.

Conceperea si realizarea noului procedeu romanesc pentru stocarea energiei pe durata medie si a echipamentelor specifice aferente a fost posibila in urma valorificarii know-how-ului obtinut in urma cercetarilor de dezvoltare intreprinse pentru elaborarea unor tehnologii de electoro-sinteza industriala si a rezultatelor obtinute prin investigarea proprietatilor acido-bazice ale unor combinatii complexe, precum si datorita realizarii unor noi tipuri de structuri electrodice si de separatori pentru celulele electrochimice - membrane schimbatoare de ioni permselective de tip special. Toate acestea s-au bazat pe realizari si progrese in domeniul tehnologiilor de sinteza si al prelucrarii unor produsi polimerici specifici.

Ca urmare, au fost elaborate tehnologii pentru noi tipuri de produse industriale, cum sunt: firele tehnice cu lumen, membranele schimbatoare de ioni, materialele compozite speciale, adezivii speciali etc. Aceste produse au permis gasirea unor noi solutii pentru arhitectura pilelor electrochimice de tip redox, de mare putere.

Procedeul care sta la baza tehnologiei de stocare a energiei electrice elaborate de cercetatorii romani consta in realizarea unui ciclu de transformari electrochimice in circuit inchis, in care solutiile unor electroliti care contin speciile electroactive specifice participa la generarea de curent continuu intr-o baterie de pile redox reversibile - ca urmare a desfasurarii unor reactii electromotric active (operatia de "descarcare") -, care, dupa epuizare, sunt reformate si readuse, din nou, la compozitia si starea initiala de parcurgere a ciclului mentionat mai sus, prin inversarea sensului de trecere a curentului continuu prin echipamentul electrochimic(operatia de"incarcare").

Bateria de pile electrochimice redox este constituita din celule electrochimice elementare, montate conform unei arhitecturi interne particulare care determina curgerea specifica a fluidelor de lucru si care asigura un contact potrivit al acestora cu structurile electrodice.

Intregul ansamblu functioneaza reversibil, ca pila si ca reactor electrochimic, avand roluri diferite in cele doua ipostaze de lucru, in functie de sensul de trecere a curentului electric si de compozitia solutiilor de electrolit.

Electrozii celulelor electrochimice sunt constituiti dintr-un material grafitic special, sub forma de folii. Spatiile anodice si cele catodice sunt separate cu ajutorul unor membrane schimbatoare de ioni permselective,cu proprietati speciale. Circulatia solutiilor de anolit si catolit in pila se realizeaza cu ajutorul unor pompe de recirculare exterioare,prin intermediul unor sisteme de "irigare" si "drenare" de constructie speciala.

Constructia bateriei de pile electrochimice redox reversibile, prezentata aici, se bazeaza pe realizari relativ recente din tehnica fabricarii si prelucrarii unor polimeri sintetici, in speta fiind vorba de crearea firelor cu lumen", a fibrelor de carbon, a membranelor schimbatoare de ioni permselective, a foliilor din materiale compozite, a unor adezivi etc.Folosirea acumulatoarelor conventionale cunoscute

pentru stocarea energiei pe durate medii si la capacitati mari este restrictionata de rezervele mondiale de plumb si de nichel, care sunt cu totul insuficiente pentru dezvoltarea aplicatiei mentionate mai sus, chiar la

necesarul actual de energie. Solutia romaneasca introduce in tehnica stocarii medii si de lunga durata materiale ieftine si larg accesibile.

Stocarea de lunga durata a energiei

Unele dintre cele mai promitatoare solutii tehnico-stiintifice

pentru stocarea de lunga durata a energiei,transpuse industrial catre sfarsitul secolului al XX-lea,

sunt cele care utilizeaza hidrogenul ca vector energetic. Crizele de energie din secolul trecut, determinate de cresterea consumului energetic si de constientizarea, la scara intregii societati, a pericolului epuizarii previzibile a resurselor de combustibili fosili, precum si a impactului negativ asupra mediului al folosirii acestora,au impus accelerarea perfectionarii tehnologiilor de utilizare a hidrogenului ca purtator de energie si ca intermediar in procesele de stocare a acesteia.

Sursa de hidrogen - apa -, practic inepuizabila pe planeta, presupune dezvoltarea tehnicilor de electroliza si de "depozitare". Ciclurile termochimice propuse pana in prezent pentru obtinerea mai ieftina a hidrogenului se dovedesc inaplicabile. Hidrogenul poate fi stocat prin lichefiere si poate fi tinut in rezervoare criogenice, folosite deja in tehnica spatiala.

Cel mai mare rezervor de hidrogen lichefiat este cel de la Cap Kennedy si are o capacitate de 4000 m,echivalentul unei energii de 6000 MWh, destocabila prin pile de combustie. Cheltuielile de stocare a hidrogenului prin lichefiere criogenica si de mentinere a acestuia in stare lichida,sub conditiile critice, sunt atat de mari incat fac ca aceasta cale sa nu fie transpusa industrial pe scara larga si sa nu devina comerciala in viitorul previzibil.

O a doua cale - singura industrializabila comercial pana in prezent - este cea care utilizeaza un procedeu chimic de"fixare" a hidrogenului pe un compus chimic,cum ar fi produsii aromatici (benzen, toluen, xileni etc.), si "extractia" acestuia prin dehidrogenare catalitica. In acest mod, "moleculele-suport" ale produsului revin, in stare nealterata, la structura aromatica initiala,produsul fiind utilizabil intr-un nou ciclu de "depozitare",iar hidrogenul obtinut este trimis la consum. Aceasta varianta de "depozitare" prin intermediul unor compusi hidro-aromatici este mult mai putin costisitoare decat "depozitarea" prin lichefiere si are sanse mari sa se dezvolte industrial pe scara mare.

Inca in anii '90, o companie canadiana exporta energie in Franta prin intermediul hidrogenului, folosind procedeul descris mai inainte. In Quebec functioneaza capacitati industriale mari de electroliza a apei si de hidrogenare catalitica a unor produsi aromatici. Produsul "hidrogenat" este incarcat in vase petroliere de mare capacitate si este transportat in Europa,unde este descarcat in portul francez Le Havre. Acolo functioneaza mari instalatii de dehidrogenare catalitica a compusilor hidro-aromatici, in care se reobtine hidrogenul,iar produsul aromatic rezultat este reincarcat in aceleasi vase petroliere care au adus produsul hidrogenat. Vasele petroliere reiau cursa catre Quebec, unde produsul aromatic este hidrogenat din nou. Un petrolier de 100 000 tone "transporta" energie echivalenta cu 82 000 MWh energie electrica.

In Germania, pe valea Ruhr-ului, functiona inca inainte de 2000 o magistrala de distributie a hidrogenului,care alimenta consumatori din Germania, Elvetia si Franta.

Comparatie intre posibilitatile de stocare a energiei prin lichefierea hidrogenului si prin "fixare" pe suport aromatic.

In tabelul urmator este prezentata  capacitatea de stocare pentru aceste doua procedee.

Este evident ca micsorarea cheltuielilor de stocare de lunga durata a energiei este determinata de realizarea unor procedee de electroliza a apei cat mai performante si a unor pile de combustie hidrogen-oxigen cu randament cat mai ridicat. Fara indoiala ca, de la bateriile cu pile de combustie H2-O2 de 1 kW si in greutate de 30 kg, utilizate in 1965 de americani la capsula Gemini, si pana la bateriile industriale de pile de combustie catalitica a hidrogenului, dezvoltate astazi, comercial, la scara mare, s-a parcurs un drum evolutiv impresionant. Concepute si realizate, la inceput, in cadrul NASA,pilele de combustie e H2-O2 au trecut in aplicatii militare si, apoi, civile, si chiar in aplicatii domestice.Impulsul dat de cercetarile spatiale a fost hotarator pentru aceasta industrie.

In ceea ce priveste fabricarea electrolitica a hidrogenului,trebuie aratat ca, in acest domeniu, nivelul tehnologiilor este inca sub posibilitatile pe care le sugereaza termodinamica procesului de descompunere a apei.

Solutii tehnico-stiintifice romanesti pentru tehnologii si echipamente

destinate stocarii de lunga durata

Cercetatorii romani au elaborat o tehnologie atat pentru fabricarea performanta a hidrogenului prin electroliza apei, cat si pentru"fixarea" acestuia pe compusi aromatici. In anii '80 s-au studiat, la scara pilot, mai multi catalizatori pentru hidrogenarea compusilor aromatici. S-au studiat atat catalizatori fabricati in Romania, cat si catalizatori din import. In acei ani, pe baza unei colaborari fructuoase cu

IFA - filiala din Cluj, s-au studiat mai multe variante de catalizatori pe baza de Ni si Cr, sintetizati in institutul amintit. S-au obtinut rezultate bune, reproductibile, care demonstrau ca se poate realiza industrial un proces de hidrogenare a produsilor aromatici, la presiune de cca. 18-25 atm si temperaturi de cca. 220 grade Celsius. Rezultate de exceptie s-au obtinut cu catalizatorul german Leuna Kontakt 6524, lucrandu-se la presiuni moderate (in anumite conditii, chiar la presiunea atmosferica) si temperaturi cuprinse intre 160 si 190 de grade Celsius.

S-a elaborat un proces tehnologic complet si s-a trecut la scara industriala cu o capacitate de cca. 12 000 an produs aromatic hidrogenat . Aceasta inseamna ca se putea realiza o centrala de depozitare de lunga durata cu o capacitate de "introducere si extractie" a puterii de cca. 2 MW. Aceleasi tipuri de catalizatori actioneaza reversibil,prin ridicarea temperaturii, permitand dehidrogenarea produsului hidro-aromat.

Rezultate importante s-au obtinut si in tehnologia de descompunere electrochimica a apei, realizandu-se un proces performant de fabricare a hidrogenului prin descompunerea apei, cu consumuri de energie electrica mult reduse.In urma studierii procesului de electroliza a unor topituri alcaline s-au gasit conditiile in care se poate realiza descompunerea electrolitica a apei la tensiuni sub 1,4 V.

S-a conceput si realizat un electrolizor cu electrozi

monopolari si o geometrie specifica a electrozilor, pentru ca gazele catodice si anodice sa fie colectate

separat, in conditii de siguranta. Temperatura de lucru a aparatului este cuprinsa intre 220 si 550 grade Celsius.