Eficiența stocării energiei electrice

I. Necesitatea stocarii energiei electrice

Stocarea eficientă a energiei devine unul dintre cele mai spectaculoase şi sensibile domenii de activitate şi iniţiativă, dezvoltarea procedeelor, echipamentelor şi tehnologiilor de conversie şi stocare fiind o condiţie exclusivă pentru utilizarea competitivă a tuturor surselor reînnoibile de energie (solară, eoliană, maree etc.).

Necesitatea conceperii şi realizării unor noi sisteme performante pentru „stocarea energiei” este impusă de discrepanţa evidentă dintre momentul şi locul producerii energiei şi momentul şi locul consumării acesteia.

Fluctuaţiile de consum pot fi:

– diurne

– săptămânale

– sezoniere

După cum se ştie, fluctuaţiile diurne prezintă amplitudini mari, cererea din orele mici ale dimineţii situându-se la cca. 1/3 din cea care corespunde perioadei de vârf.

În ţările în care încălzirea electrică este larg răspândită,solicitarea centralelor electrice în timpul iernii este de două ori mai mare decât vara, iar în ţări cu clima toridă, unde climatizarea este utilizată frecvent, vârful de consum înregistrat vara este maxim în cursul unui an.

Este evident că funcţionarea centralelor electrice la capacitate mare şi constantă depinde de cuplarea acestora la sisteme de stocare.

Dezvoltarea energeticii solare este puternic influenţată de perfecţionarea sistemelor de stocare, folosirea eficientă a energiei captate depinzând de evoluţia

sistemelor de stocare diurnă.

De altfel, în general, atragerea în circuitul economic competitiv a surselor alternative de energie este în funcţie de costul şi fiabilitatea tehnologiilor de stocare.

Tehnologiile şi echipamentele de stocare a energiei,folosind parţial sau integral procese electrochimice, pot fi împărţite în:

– tehnologii şi echipamente pentru stocare de scurtă durată şi cu capacităţi mici (sub 0,5 kWh);

– tehnologii şi echipamente pentru stocare medie (12-60 ore) şi cu capacităţi până la câteva sute de MWh;

– tehnologii şi echipamente pentru stocare de lungă durată (10-300 zile) şi cu capacităţi mai mari decât 1000 MWh.

Soluţiile tehnico-ştiinţifice elaborate de cercetătorii români, atât pentru stocarea energiei pe durată medie cât şi pentru stocarea de lungă durată, sunt centrate pe utilizarea unor tipuri noi de echipamente electrochimice şi a unor noi materiale şi componente pentru reactoarele de sinteză electrochimică şi pentru pilele generatoare decurent continuu.

I.1 Stocarea cu durata medie

Se cunoaşte faptul că pilele secundare sunt sisteme electrochimice de stocare (acumulare) a energiei electrice sub formă de energie chimică, ale căror procese se bazează pe reacţii electromotric active (REMA) reversibile, de tip redox, între două specii chimice electroactive.

În spaţiile anodice şi catodice se găsesc specii electroactive (elemente chimice sau combinaţii ) capabile să participe la procese de transfer de sarcină la electrozii pilei galvanice, în urma unor reacţii potenţial active (RPA).

Foarte importantă este valoarea densităţii curentului de schimb. Desfăşurarea spontană a reacţiei electrochimice corespunde transformării energiei chimice în energie electrică (descărcarea acumulatorului) cu generare de curent electric. În cursul procesului de încărcare, în urma trecerii curentului electric se reformează speciile electroactive iniţiale. REMA se desfăşoară în sens invers.

Din punct de vedere constructiv, acumulatorul presupune o celulă de reacţie echipată cu doi electrozi colectori (inerţi, de cele mai multe ori).Anolitul şi catolitul sunt separaţi prin membrane schimbătoare de ioni, semipermeabile. Soluţiile epuizate de anolit şi catolit sunt stocate în rezervoare separate şi sunt recirculate în sens invers la încărcare.

Printre avantajele sistemelor redox se pot enumera :

– funcţionarea la temperatura ambiantă;

– absenţa unor limitări la descărcare şi în viaţa ciclică;

– flexibilitate deosebită a capacităţii şi a puterii.

Mărirea capacităţii, de exemplu, se poate realiza prin creşterea numărului sau a capacităţii rezervoarelor de stocare a soluţiilor de electrolit, în timp ce creşterea puterii este asigurată de viteze mai mari de circulare a electrolitului. Partea esenţială a sistemelor redox de tipul descris este membrana schimbătoare de ioni, care determină performanţele sistemului de stocare.

În anii ’80 şi ’90 s-a constatat o creştere semnificativă a eforturilor destinate realizării de acumulatoare redox de tipul descris. Avantajul esenţial al acestor acumulatoare constă în posibilitatea amplasării reactanţilor în rezervoare mari, exterioare, la presiunea atmosferică.

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

FeCl3 + CrCl2 = FeCl2 + CrCl3

Pentru evitarea amestecării soluţiilor, spaţiile anodice şi cele catodice sunt separate de membrane schimbătoare de ioni permselective.

Ambele soluţii rezultate în urma „încărcării” acumulatorului se pompează în rezervoare separate, unde sunt păstrate sub protecţia unui gaz inert, pentru a evita reacţiile parazite de oxidare a speciilor electroactive de către oxigenul din aer. La „descărcarea” acumulatorului, soluţiile proaspete de anolit şi catolit sunt readuse din rezervoarele exterioare şi sunt recirculate în spaţiile electrodice, unde speciile electroactive participă la reacţiile de electrod, în urma cărora se generează curentul electric continuu.

Este de remarcat faptul că pilele redox de tipul descris au fost studiate în anii ’40, în Germania. Astăzi, cele mai multe elemente redox sunt realizate în SUA, de către NASA.

Cu câţiva ani în urmă a fost anunţată punerea în funcţiune, în 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”.

I.2 Soluţii tehnico-ştiinţifice româneşti pentru tehnologii şi echipamente destinate stocării energiei pentru durate medii

Cercetări interdisciplinare desfăşurate pe parcursul mai multor ani au permis unui colectiv de cercetători de la fostul Centru de Cercetări Săvineşti realizarea unei tehnologii de stocare a energiei pe durată medie, folosind un sistem redox original care permite coborârea semnificativă a costurilor de stocare, atât în etapa de investiţie cât şi în etapa de exploatare. Reactanţii folosiţi sunt ieftini şi accesibili.