Revista >> Noiembrie 2016 [ Nr. 189] >> Cover Story

INCDTIM Cluj-Napoca, în avangarda eficientizării sistemelor de producție energie alternativă

Dr. ing. Adrian Bot, director general INCDTIM Cluj-Napoca

21 Noiembrie 2016

Colectivul de cercetători pe domeniul energiei din INCDTIM Cluj-Napoca și-a orientat activitatea în direcția eficientizării sistemelor de producție energie alternativă, distribuite pe comunități mici, cu funcționare off-grid, având beneficiari prioritari din zonele neelectrificate cu potenţial turistic și fermele rurale care investesc în fabrici de procesare produse agricole.

Această mutare strategică a Institutului ţine cont de realitatea energetică existentă pe plan naţional şi reprezintă o modalitate de a oferi pieţei soluţii inovative, menite să schimbe un model de producţie ineficient. Utilizarea surselor de energie alternative în România a început să se dezvolte cu întârziere față de statele avansate, dar a parcurs un salt uriaș în anul 2013, urmare a subvenției consistente prin certificate verzi. Încă de atunci, o analiză responsabilă a specialiștilor ar fi demonstrat că alterarea majoră a pieței energiei prin aceste certificate verzi va conduce la realizarea de investiții uriașe ineficiente, fapt care va avea rezultate dezastruoase mai târziu. De asemenea, inexistența unei strategii energetice coerente pentru România, care să cuprindă investiții majore în dezvoltarea rețelei de transport, astfel ca aceasta să poată prelua integral cantitățile de energie produse și să o distribuie în toate zonele neelectrificate ale României a condus la criza de supraproducție de azi.

Evaluând succinct situația energetică a țării noastre, constatăm că producem ineficient, avem în acest an capacitate netă de producție de 21 GW și putem consuma maximum 8 GW (din care peste 4 GW produși ineficient și subvenționați), avem peste 100.000 de gospodării rurale (mai ales în zonele montane) fără alimentare cu electricitate și cel mai mic consum de energie electrică pe cap de locuitor din Europa.

Cercetări avansate – TRL1-TRL3

Tematicile termoelectricitate și fotovoltaice multistrat: Cercetătorii din INCDTIM desfășoară cercetări privind obținerea de materiale speciale destinate fabricării de dispozitive electronice pentru domeniul energiei, de la modelarea teoretică la micro și nanofabricație de demonstratoare. Grupul condus de Dr. Daniel Bîlc, testează depunerea unor straturi subțiri de compuși Heusler Fe2TiSi, pe care i-a prezis să aibă factori de putere termoelectrică de 4-5 ori mai mari decât materialele termoelectrice clasice (PbTe, Bi2Te3) (D.I. Bilc et. al., Phys. Rev. Lett. 114, 136601, 2015). Se vor depune aceste filme subțiri de Fe2TiSi și Fe2TiSi1-xSbx pe substarturi monocristaline de MgO(001) și MgAl2O4(001), care vor fi caracterizate structural (XRD) și morfologic (SEM) pentru îmbunătățirea calităților. Se vor sintetiza compușii Fe2TiSi și Fe2TiSi1-xSbx pentru realizarea țintelor de depunere PLD.

Legat de perspectivele viitoare, am depus două proiecte la Agenția Spațială Română. Un proiect are ca obiectiv realizarea unui micro termoelectric generator bazat pe filme de Mg2Si, având ca scop integrarea acestuia într-un MEMS accelerometru. Celălalt proiect are ca obiective găsirea și optimizarea de materiale cu performanță termoelectrică ridicată pe baza ideilor noastre de ghidare din cadrul compușilor bazați pe Si pentru a fi folosite în generatoarele termoelectrice spațiale viitoare. Pentru materialele cu performanță termoelectrică ridicată au fost prevăzute fabricarea de filme subțiri prin PLD, caracterizarea acestor filme, realizarea de termocupluri bazate pe filme și validarea experimentală.

Pentru elaborarea de materiale noi cu aplicații în fabricarea de dispozitive fotovoltaice, grupul condus de Dr. Ovidiu Pană sintetizează ținte și depun prin PLD filme subțiri de Cu2ZnSnS4 pe substart de sticlă acoperită cu Mo necesare pentru realizarea unei celule fotovoltaice multistrat. O altă variantă ar fi fost optimizarea depunerii de straturi buffer de MgO pe substrate de Si(100), în vederea folosirii acestora ca subtraturi pentru depunerile de materiale Heusler bazate pe Fe din cadrul tematicii termoelectricității.

Toate aceste materiale noi vizează obținerea de dispozitive fotovoltaice și termoelectrice cu eficiențe de conversie sporite, pentru aplicații pe care le dezvoltăm deja, utilizând elemente existente la ora actuală.

Cercetare aplicativă, dezvoltare tehnologică și inovare –TRL4-TRL7
Obținerea energiei electrice prin conversia directă a radiației solare cu panouri fotovoltaice a fost considerată tehnologia cea mai promițătoare, alături de turbinele eoliene și a consumat probabil cele mai mari resurse investiționale în fabrici producătoare de asemenea echipamente la nivel mondial. Din păcate, în competiția energie alternativă/surse clasice, a apărut inițiativa fermelor eoliene și fotovoltaice care să fie comparabile ca putere cu centralele termo și hidroelectrice. Dacă în ceea ce privește fermele eoliene, soluția a fost cea mai bună, ideea de a concentra zeci de mii de panouri pe terenuri agricole cu suprafețe de zeci de hectare, care să genereze puteri de ordinul zecilor și sutelor de MW, în zone de câmpie cu insolație maximă, a fost un eșec total, deoarece nu s-au luat în considerație unele caracteristici tehnice ale acestor echipamente:
• Eficiența de conversie scade cu creșterea temperaturii cu 0,4% pentru fiecare grad peste valoarea de 20°C, la care e definită performanța panoului. Asta înseamnă că panoul trebuie să funcționeze la o temperatură cât mai scăzută – amplasarea în zonele joase de câmpie cu radiație solară preponderentă în zona de infraroșu a spectrului este cea mai nepotrivită;
• Acoperirea cu praf a suprafeței frontale sau atmosfera puternic poluată cu smog conduc de asemenea la reducerea eficienței de conversie. Este cazul amplasării în zone cu activități agricole intense sau concentrări urbane. Pentru păstrarea performanțelor, suprafața panoului trebuie periodic spălată, operațiune care este practic imposibilă în cazul a zeci de mii de panouri amplasate la mică distanță pe câmp;
• Cuplarea electrică a unui număr foarte mare de panouri presupune un consum mare de cabluri și conectoare, echipamente de conversie, transformatoare ridicătoare de tensiune, care scumpesc investiția, ridică factorul de risc de defect și complică foarte mult activitatea de asistență tehnică și mentenanță;
• Producția de energie prin conversie fotovoltaică este puternic dependentă de starea vremii, care este previzibilă cu grad mic de probabilitate. În cazul marilor ferme cu panouri fotovoltaice, care funcționează on-grid, variația de ordinul zecilor de MW este greu de gestionat de dispecerul național de energie, prin compensarea cu sursele clasice de energie - nucleară, termo și hidroelectrice care reprezintă baza sistemului național;
• Stocarea energiei produse la nivele foarte mari, este practic imposibilă în baterii. O soluție care se practică în prezent în lume, dar cu șanse mici de aplicare în România următorului deceniu, este stocarea în aer comprimat în rezervoare subterane amenajate în mine dezafectate;
• În sfârșit, dezavantajul esențial al amplasării staționare a panourilor fotovoltaice îl constituie faptul că iluminarea acestora variază datorită poziției diurne a soarelui, care influențează cantitatea de energie generată zilnic.

În ciuda dezavantajelor enumerate mai sus (datorate preponderent folosirii incorecte), panourile fotovoltaice rămân și pe viitor o sursă alternativă de bază, mai ales dată fiind evoluția tehnică spectaculoasă previzibilă în viitorul apropiat – la nivel de cercetare au fost realizate deja dispozitive fotovoltaice multistrat cu eficiență de conversie care se apropie de 40% (față de 16% în prezent).