Revista >> Decembrie 2020 [Nr. 230] >> Cover Story

5 ani de Curaj-Experiment-Tenacitate-Alternativă-Tehnologie-Evoluție și Actualitate (CETATEA) – Centrul Energiilor Alternative din INCDTIM Cluj-Napoca

Dr. ing. Emanoil Surducan – Director CETATEA, Dr. ing. Adrian Bot – Director proiect

15 Decembrie 2020

La 11 noiembrie 2015 a avut loc în cadrul Institutului Național de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice și Moleculare – INCDTIM Cluj-Napoca festivitatea de inaugurare a Centrului de Cercetare și Tehnologii Avansate pentru Energii Alternative – CETATEA. Investiția realizată cu finanțare din Fonduri Structurale POS-CCE, contract nr. 623/11.03.2014, în valoare totală de 42.498.261 lei, a fost cea mai mare din INCDTIM până la acea dată. Proiectul a fost finalizat după numai 19 luni de la începerea contractului, fiind declarat în consecință, de către Ministerul Fondurilor Europene, un „proiect de succes”. Astfel, CETATEA a devenit obiectiv de interes și a fost vizitat de personalități importante din Guvernul României, de înalți demnitari de la Parlamentul și Consiliul Europei, respectiv Comisiile Europene pentru Dezvoltare Regională și pentru Cercetare. În cei 5 ani care au urmat, activitatea noastră s-a desfășurat sub monitorizarea Autorității de Management, pentru verificarea îndeplinirii indicatorilor de performanță propuși în proiect. La finalul acestei perioade putem declara că toți acești indicatori au fost îndepliniți, cu depășiri considerabile. Considerăm că cea mai mare realizare a noastră o constituie închegarea unui colectiv de cercetare-dezvoltare performant, prin angajarea și mentorarea multor tineri care s-au integrat perfect, contribuind substanțial la dezvoltarea unor teme noi de cercetare în domeniul energiilor alternative.

Energie solară naturală și concentrată
Nevoia de energie și necesitatea de a reduce poluarea au condus la interesul de a dezvolta dispozitive și metode de conversie a energiilor alternative eficiente. La nivelul grupului (dr. ing. Adrian Bot, dr. Vasile Rednic, dr. ing. Stefan Gergely, dr. ing. Emil Bruj, dr. Robert Gutt, ing. Sergiu Pogăcian, dr. ing. Radu Pop, ing. Gabriel Roșca, dr. Radu Gavrea, dr. Nicolae Aldea, tehn. Dan Zotoiu, tehn. Alexandru Mișan, ing. Ioan Mișan) există preocupări pentru găsirea de soluții noi de captare și conversie a energiei solare. Cercetările sunt axate pe două direcții principale: i) studiul factorilor care influențează eficiența panourilor fotovoltaice (poziționare, temperatură, umbrire, praf, etc); ii) captarea și conversia energiei solare concentrate cu ajutorul dispozitivelor termo-energetice (elemente termoelectrice și motoare Stirling). Pentru captarea și conversia energiei solare concentrate au fost proiectate, realizate și testate mai multe modele de receptoare termice. În procesul de proiectare asul din mânecă l-au constituit modelările termodinamice care au dus la reducerea costurilor și numărului de prototipuri realizate.Dispozitivele termoenergetice au nevoie de răcire, adică energie termică pierdută. Apare astfel ideea cogenerării de energie electrică și termică (CHP): pe lângă obținerea energiei electrice, să fie captată și energia termică pierdută și convertită în energie termică folositoare. Energia termică este cel mai des întâlnită sub formă de apă sau aer cald. Într-unul din proiectele grupului, aerul fierbinte este introdus în arzătoarele de tip Venturi care alimentează camera de ardere a unui motor Stirling reducând consumul de combustibil utilizat. Plecând de la ideea cogenerării de energie și de la faptul că în orice proces de combustie aproximativ 55% din energie se pierde în atmosferă sub formă de gaze arse, a luat naștere o altă preocupare a grupului care vizează recuperatoarele termice. Am dezvoltat cu succes un model versatil de recuperator termic în două stagii, capabil să extragă energia termică din gazele arse și să o convertească în energie electrică și energie termică utilă. În primul stagiu, energia termică este recuperată sub forma de debit de aer fierbinte (până la 700°C), iar în cel de-al doilea stagiu o parte din energia recuperată este convertită direct în energie electrică cu ajutorul elementelor termoelectrice, în timp ce restul energiei recuperate este înmagazinată în apă. Versatilitatea recuperatorului constă în faptul că proporția de energie rezultată în cele 3 forme poate fi ajustată în funcție de necesitatea utilizatorului. Eficiența lui depinde foarte mult de design, iar valorile pot depăși 50%.

Inginerie HI-TECH în cadrul participării INCDTIM la experimentul ATLAS-LHC
Din anul 2016, din CETATEA face parte și grupul de inginerie Hi-Tech (ing. Gabriel Popeneciu, dr. ing. Bogdan Belean, ing. Ioan Mișan, ing. Sergiu Pogăcian, drd. ing. Iuliu Nadăș, tehn. Dan Zotoiu, ing. Gabriel Roșca, tehn. Alexandru Mișan), implicat în Colaborarea internațională a experimentului ATLAS de la LHC-CERN (Geneva).INCDTIM Cluj-Napoca, ca parte a clusterului ATLAS-Romania, este angajat în proiectele de cercetare-dezvoltare din cadrul programului de „upgradare” a calorimetrului hadronic (Tile Calorimeter), așa cum este stipulat în documentul „Memorandum of Understanding for ATLAS Construction”. Tile Calorimeter (TileCal) este unul dintre detectorii calorimetrici ai experimentului ATLAS, având rolul de a cuantifica energia fluxului de particule obținut în urma interacțiunilor proton-proton din cadrul Large Hadrons Collider (LHC). Scopul acestui program de upgrade este de a răspunde provocărilor noului proiect High Luminosity - Large Hadron Collider (HL-LHC): creșterea de cinci ori a luminozității instantanee (1034cm-2s-1) și extinderea cu un ordin de mărime a eșantionului de date în comparație cu programul LHC existent. Obiectivele care sunt în responsabilitatea grupului INCDTIM Cluj-Napoca sub aspectele de management, cercetare şi dezvoltare, integrare şi producție sunt:
• mecanica super-drawerelor ce echipează cele 4 partiţii ale detectorului, respectiv dezvoltarea şi implementarea unor noi soluţii folosind noul concept „mini-drawer“;
• dezvoltarea echipamentelor de încercare pentru certificarea producţiei mini-drawerelor şi a serviciilor furnizate de acestea şi linia de asamblare, testare şi certificare a super-drawerelor;
• proiectarea, execuţia şi testarea de componente electronice pentru electronica on-detector;
• instrumente pentru instalare şi punere în funcţiune.
Începând din anul 2019, în Atelierul de Prototipuri al INCDTIM a început fabricarea primelor componente mecanice pentru aceste obiective.

Creșterea producției de energie electrică la Microhidrocentrale
Motivația abordării acestei teme în cadrul departamentului CETATEA este aceea de creștere a producției de energie electrică la microhidrocentralele deja existente sau în stadiu de proiectare, respectând cerințele de mediu care sunt într-o continuă și exigentă condiționare a exploatării microhidrocentralelor. Până în prezent, colectivul de cercetare din CETATEA (dr. ing. Radu Pop, dr. Vasile Rednic, dr. Oana Raita, dr. Robert Gutt) împreună cu Departamentul de Inginerie Mecanică din cadrul UTCN a reușit să dezvolte un algoritm de calcul pentru simulare numerică, astfel încât metodele elaborate de către noi să fie validate pentru mai multe tipuri de prize de captare ale microhidrocentralelor. Totodată, am dezvoltat și un sistem de testare on-site a metodei noastre de creștere a capacității de producție a energiei electrice.În urma studiilor și cercetărilor efectuate la o microhidrocentrală din Jud. Cluj, având o capacitate instalată de 1.5MW, am reușit să demonstrăm, atât prin simulări numerice, cât și prin sistemul de testare on-site dezvoltat de noi, că soluția noastră tehnică poate crește capacitatea de producție a energiei electrice cu aproximativ 5-7%, în funcție de debitul râului. Obiectivul nostru este de a obține un grad cât mai mare de digitalizare a sistemului dezvoltat de noi, astfel încât acesta să poată fi implementat ușor la cât mai multe microhidrocentrale, cu costuri cât mai mici, pentru creșterea producției de energie electrică. De menționat este faptul că acest sistem nu doar crește producția de energie electrică a microhidrocentralelor, acesta obligă agentul economic să respecte cerințele de mediu privind debitul de servitute.

Recuperarea energiei din electrosmog
Dispozitivele fără fir (wireless) utilizate în comunicații emit cel puțin de o mie de ori mai multă putere în mediul ambiant decât este necesar pentru recepție. Din acest motiv, există o densitate a puterii undelor electromagnetice reziduale în mediu la un nivel mare, care depinde de numărul de utilizatori și începe de la aproximativ 50μW/m2 într-un oraș de 500.000 de oameni, până la mai mult de 0.5W/m2 în cele mai populate orașe din lume. Analizele internaționale de piață prognozează o dublare de la un an la altul a aplicațiilor wireless, iar dezvoltarea noului 5G va adăuga o contribuție semnificativă. Această tendință va afecta întreaga piață mondială în următorii ani, cu efectul secundar al creșterii poluării electromagnetice (electrosmog). Colectivul nostru (dr. ing. Emanoil Surducan, dr. ing. Vasile Surducan, dr. Camelia Neamțu și dr. Robert Gutt) s-a dedicat, în acești ani, cercetării, proiectării și realizării unui dispozitiv de conversie a electrosmogului în energie electrică. Dispozitivul este alcătuit dintr-o arie de antene redresoare de bandă largă (800MHz-13GHz), cu o suprafață totală de 0.6m2, care poate capta densități de energie electromagnetică începând de la 50μW/m2, le transformă în energie electrică continuă (3V-6V/100μA) și le stochează în acumulatori printr-un concept nou/inovativ de acumulare de energie. Eficiența ansamblului de conversie este cel puțin dublă față de raportări similare din literatură, iar cercetările noastre în curs de desfășurare ne-au permis să dublăm câștigul de captare a electrosmogului prin utilizarea unor metamateriale. Studiile efectelor electrosmogului asupra mediul, rezultatele de captare și conversie de electrosmog, cât și cele de stocare de energie au fost brevetate (RO131697 (A0), RO133531 (A0)), medaliate cu aur la saloane de inventică și publicate în reviste de prestigiu (Energy, 211, (2020), 118645), (Bioelectromagnetics 41(3), (2020), DOI:10.1002/bem.22253).

Rezultatele obținute ne-au determinat să abordăm o aplicație neconvențională a conversiei electrosmogului în electricitate: „Înlăturarea mantiei de invizibilitate pentru microundele din mediu - făcând invizibilul, vizibil”, care este și titlul unui proiect PED finanțat din programul național de cercetare PN III. Ne propunem realizarea unui detector vizual ca indicator pentru microundele din mediul ambiant, pentru a face vizibil acest câmp pentru utilizatorii unui dispozitiv wireless și a-i face conștienți de existența electrosmogului.

Energie recuperată din vibrații pneumatice
Recuperarea de energie din surse alternative este o preocupare a secolului nostru în condițiile în care sursele convenționale de energie sunt epuizabile și nu asigură necesarul consumatorilor existenți. De aceea, se impun noi direcții de cercetare aplicativă în domeniu. Captarea și conversia vibrațiilor și zgomotului în energie reprezintă un domeniu nou la nivel național dar mai ales internațional. Zgomotul produs de evenimente precum trecerea trenurilor, a metrourilor sau a unor concerte în aer liber deranjează percepția auditivă, iar acesta nu este un fapt de neglijat. În cercetările noastre preliminare (dr. ing. Bot Adrian, dr. ing.Bruj Emil, dr. Rednic Vasile, ing. Pogăcian Sergiu, tehn. Zotoiu Dan) am conceput un dispozitiv care generează energie electrică prin recuperarea unui „deșeu“ produs de autovehiculele în mișcare pe autostrăzi – turbulențele pneumatice care înconjoară vehiculul. Sistemul realizat este alcătuit din elementul care captează variațiile de presiune create în zona laterală de autovehiculul în mișcare – cavitatea deschisă de tip rezonator Helmholtz – și le transformă în energie mecanică prin oscilația în plan vertical în jurul axului, iar generatoarele liniare cu plunjer magnetic inerțial fixate rigid pe rezonator produc tensiune alternativă pulsatorie, care este prelucrată pentru utilizarea pe autostradă sau stocarea în baterii. Acesta idee este acum un brevet național RO132726 (B1) denumit „Recuperator de energie din unda de siaj pneumatic a autovehiculelor în mișcare pe autostrăzi“.