Revista >> Aprilie 2016 [Nr. 183] >> Cover Story

Energiile alternative, de la vise frumoase la realitatea viitorului

Emanoil Surducan, Cristian Morari, Diana Lazar, Vasile Surducan, Gabriela Blanita si Adrian Bot

21 Aprilie 2016

• Realizări în cadrul Centrului de cercetare și tehnologii avansate pentru energii alternative – CETATEA din INCDTIM Cluj-Napoca

Energiile alternative au pătruns pe piață în urmă cu mai bine de 4 decenii, ca o consecinţă a crizei petrolului și s-au dezvoltat în urma progreselor tehnologice, mai ales în domeniile dispozitivelor fotovoltaice și turbinelor eoliene. Conștientizarea de către responsabilii politici ai planetei a efectelor profund negative a emisiilor de bioxid de carbon, rezultate în urma arderii combustibililor fosili, asupra schimbărilor climatice pe termen lung, a condus la o nouă viziune, benefică energiilor alternative curate. În acest sens, Convenția cadru a ONU, adoptată la New York la 9 mai 1992, urmată de semnarea de 160 de țări a Protocolului de la Kyoto la 11 decembrie 1997, care a stabilit și penalități naționale pentru cantitățile de bioxid de carbon emise, a constituit un moment determinant în creșterea accentuată a utilizării energiilor solară și eoliană. Investițiile în industria producătoare de astfel de echipamente precum și în marile ferme de producție au fost uriașe. Deși paradigma conform căreia energiile alternative nu vor fi niciodată eficiente a fost susținută cu tărie de magnații petrolului, piața dovedește contrariul. Prăbușirea începând cu 2014, neprevizionată de specialiști, a prețului țițeiului la jumătate din cota calculată pentru 2020, se datorează și utilizării energiilor alternative. Este de așteptat ca acest trend să se accentueze, în urma evoluției explozive din prezent a producției și utilizării de automobile electrice, care va rezolva și criza de supraproducție de energie electrică ce se manifestă în Europa.
În acest context economic, România, care paradoxal manifestă simptome de supraproducție, deși avem cel mai scăzut consum casnic de energie electrică și cel mai mare procent de case fără electricitate din Europa, va fi pusă în fața unor provocări majore în următorii ani. Devine evidentă necesitatea de a investi în progresul tehnologic al industriei autohtone, care trebuie să producă și să monteze în România echipamente energetice cu eficiență ridicată și mai ales adaptate condițiilor geografice și climatice zonale. Iar motorul activităților inovative în acest domeniu trebuie să devină instituțiile de cercetare, idee foarte clar definită în Strategia europeană și în cea națională de cercetare-dezvoltare-inovare pentru perioada 2014-2020, în care pilonul energie și protecția mediului este prioritar.
Având ca țintă obiectivul definit mai sus, INCDTIM Cluj-Napoca a construit în perioada 2014-2015, cu finanțare din fonduri structurale europene, Centrul de cercetare și tehnologii avansate pentru energii alternative – CETATEA, în cadrul căruia desfășurăm cercetări aplicative pe 6 direcții ce vizează energiile alternative, dintre care vom prezenta acum realizări mai importante în cadrul a trei grupuri de cercetare.

Baterii plumb-acid performante pentru industria auto

Acumulatorul cu plumb a fost descoperit în 1859 de fizicianul francez Raymond Gaston Plante și odată cu apariția automobilului a devenit bateria cea mai folosită până în prezent. De-a lungul timpului a suferit îmbunătățiri minore, notabilă fiind doar introducerea electrolitului de tip gel de cercetătorii germani în deceniul 6 al secolului trecut. Greutatea și volumul ridicate sunt principalele sale inconveniente, care au condus de altfel la apariția altor tipuri de baterii reîncărcabile. Puternic promovate, dar încă insuficient testate pe termen lung, aceste baterii noi nu reușesc sa depăşească încă robustețea, curenții mari de descărcare și mai ales raportul energie/preț caracteristice bateriei cu plumb. Este important de notat și aspectul referitor la reciclarea materialelor din bateriile uzate, care în acest caz oferă recuperare maximă de materiale.

Grupul de cercetători din INCDTIM are ca preocupare îmbunătățirea substanțială a acestor baterii cu plumb, prin reproiectarea elementelor principale care asigură conversia electrochimică – electrozii de tip grile din plumb umplute cu plumb poros cel negativ, respectiv cu oxid de plumb cel pozitiv. Dacă electrodul negativ prezintă caracteristici specifice conducţiei de tip metalic, dioxidul de plumb prezent în structura electrodului pozitiv prezintă un mecanism de conducţie mult mai complex, bazat pe existenţa defectelor în reţeaua sa cristalină. Rezultatul este o conductibilitate redusă în raport cu cea a plumbului, aspect ce capătă o importanţă majoră pentru funcţionarea bateriei, având în vedere că slaba conducţie a dioxidului de plumb face ca toată sarcina să fie dirijată în interiorul colectorului prin structura suport a grilei metalice. Acest aspect conduce la formarea de supratensiuni locale în electrodul pozitiv, care pot influenţa dramatic modul de colectare a curentului sau reacţiile electrochimice caracteristice şi, prin aceasta, durata de viaţă a bateriei.

În prima etapă au fost dezvoltate principiile teoretice ale metodei, care revin la rezolvarea ecuaţiilor electrodinamice caracteristice sistemului. Obţinerea unei soluţii este dublată de o analiză geometrică a tolopogiei câmpului electric, care pune în evidenţă traiectoriile optime de urmat de către sarcinile electrice, în interiorul grilei. A urmat realizarea de modele reale ale acestor grile, care au fost testate prin analiza termografică a imaginilor IR obţinute prin filmarea electrozilor în timpul descărcării şi care constituie o noutate pe plan mondial, fiind o metodă dezvoltată în cadrul INCDTIM. Prin aplicarea acestei metode am oferit o analiză calitativă detaliată pentru electrozii produşi de cel mai mare producător de baterii plumb acid din Romania, S.C. ROMBAT S.A.

Etapa de testare finală are în vedere utilizarea tehnicilor de spectroscopie de impedanţă pentru evidenţierea duratei de viaţă, precum şi a mecanismelor care conduc la posibile defecte în funcţionarea bateriei. Prin fabricarea şi asamblarea de baterii produse în întregime conform rezultatelor obţinute în procesul de optimizare complexă a grilei, compararea directă a performanţelor bateriilor produse de noi cu cele accesibile în comerţ, va putea fi făcută în fiecare etapă a programului de cercetare. Prin dezvoltarea unui mecanism de feed-back, pentru evaluarea calităţii electrozilor noştri, ne propunem fabricarea şi patentarea unor versiuni de baterii în întregime originale ca şi structură constructivă, cu proprietăţi superioare versiunilor comerciale, atât în ceea ce priveşte capacitatea de stocare a sarcinii electrice, cât şi a fiabilităţii.