All you need is… sun. Poate fi soarele SINGURA sursă de energie de care avem nevoie?

Specialiștii de la cunoscuta universitate americană MIT au realizat recent un raport prin care arată că necesarul de energie al omenirii poate fi satisfăcut fără probleme de actualele tehnologii care utilizează energia solară. Vă propun să trecem în revistă câteva dintre aceste tehnologii și cât de bune sunt ele. Aviz fanilor petrolului: s-ar putea ca acest articol să vă bulverseze prea tare...

”Soarele nostru,… soarele vostru!” a fost prima glumă a profesorului de geografie din școală. Și profesorul de istorie ne-a reținut atenția cu poveștile despre atotputernicul zeu egiptean al soarelui, Ra. Iar la biologie am înțeles că fără soare nu ar exista procesele care susțin viața.

La fizică și la chimie parcă au menționat ceva profesorii despre transformarea energiei solare în enegie electrică, dar nu erau materiile mele preferate… Așa încât, la fel ca mulți alții, doar mai târziu mi-a atras atenția faptul că soarele poate produce energie.

energie solara soare - ecoprofit 3
Electricitatea este deja un lucru banal pentru oameni. Dar și un adevărat drog, de care civilizația modernă este complet dependentă

Civilizația noastră modernă nu poate exista fără electricitate. Fie că vorbim de încărcarea bateriei smartphone-ului sau de funcționarea televizorului ori, dimpotrivă, de producția din uzine și din fabrici, avem nevoie de multă, foarte multă energie electrică.

Cam 20 terrawatt pe an, după ultimele estimări. Deci este ca și cum, anual, am ține aprinse non-stop 200 de miliarde de becuri obișnuite, de 100 watt. Impresionant de mult.

Iar pentru obținerea acestui curent electric se consumă, în fiecare an, în jur de 300 de megatone de combustibili fosili: petrol, gaze naturale, cărbuni și biomasă. Prin arderea cărora, evident, se produce poluarea amenințătoare și efectul de seră cauzat de emisiile de CO2, în principal. La care mai adăugăm centralele atomice, ale căror riscuri nu mai sunt un secret pentru nimeni – Cernobîl sau Fukushima sunt lecții dure.

Din sursele regenerabile, precum cea solară, eoliană, hidro și geotermală, se obține mai puțin de 5% din necesarul actual de energie. Și atunci, apare întrebarea:

Ar putea energia solară singură să suplinească toate celelalte surse?

Ei bine, cei de la MIT susțin că acest lucru este perfect viabil. În studiul lor numit ”The Future of Solar Energy” (peste 300 de pagini pe care le puteți citi online) vin cu o serie de propuneri și soluții bazate exclusiv pe utilizarea energiei solare.

Și pun punctul pe i în ce privește actualele programe de subvenționare a industriei energetice, deoarece oamenii știu prea puțin câți bani înseamnă subvențiile pentru cărbuni, petrol sau gaze naturale. Conform estimărilor Fondului Monetar Internațional, în 2015 subvențiile pentru sectorul combustibililor fosili vor depăși 5 trilioane de dolari! Adică este subvenționată poluarea cu o sumă de 50 de ori mai mare decât cea direcționată spre energiile regenerabile…

energie solara soare - ecoprofit 4
Soarele – din punct de vedere energetic, un imens reactor gratuit de energie inepuizabilă

Conform specialiștilor MIT, dacă doar 10% din subvențiile acordate sectorului petrolului, cărbunilor și gazelor (deci în jur de 500 de miliarde USD) ar fi direcționate către investiții din domeniul energiei solare, acest lucru ne-ar aduce rapid în postura de civilizație solară și am putea renunța definitiv la ”serviciile” hidrocarburilor poluante.

Dar este, într-adevăr, posibil să producem anual peste 20 TW folosind doar energia solară?

Să revenim la ”soarele nostru”. Marea centrală de hidrogen din centrul sistemului solar produce în jur de 400 TW de energie în fiecare secundă. Adică, într-un an, soarele produce de 600 de milioane de ori mai multă energie decât are omenirea nevoie…

Ce credeți, suntem suficient de avansați tehnologic pentru a folosi o foarte mică fracție din această monumentală cantitate de energie pură? Evident că da.

Panourile fotovoltaice

Cea mai populară modalitate de a transforma energia solară în energie electrică este prin utilizarea panourilor fotovoltaice mono sau policristaline. În construcția acestora se folosesc preponderent siliciul și quartzul (care se găsesc din abundență), dar și materiale mai rare, precum galiul, arseniul sau germaniul, care le conferă panourilor un randament mai bun.

Este adevărat, vorbim de randamente foarte reduse, în jurul a 12-15% (noile tehnologii promit o dublare a randamentului în viitor). Dar, uzual, amortizarea investiției se produce în mai puțin de 10 ani, în condițiile în care durata de viață a panourilor fotovoltaice este de circa 30 de ani.

energie solara soare - ecoprofit 2
Principiul de funcționare a unei celule fotovoltaice pe bază de siliciu. Foto: teza doctorat Ionuț Caluianu (clck pe poză pentru vizualizarea schemei)

Cum funcționează celulele fotovoltaice?

Celulele fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare de tip ”sandwich”, realizate dintr-o combinație de silicon și alte materiale, având proprietatea de a genera curent electric odată expuse luminii soarelui. Structura specială a atomului de silicon permite realizarea a două straturi semiconductoare: ”p-type” are mai puțini electroni, fiind încărcat pozitiv, respectiv ”n-type”, cu mai mulți electroni, deci încărcat negativ.

Când fluxul de fotoni al radiației solare lovește structura cristalină, crește energia de vibrație a atomilor și se produc ciocniri între fotoni și electroni. În zona unde cele două suprafețe intră în contact (”joncțiunea P-N”) se produce o deplasare a electronilor între atomii de siliciu, ceea ce duce la apariția unui curent electric de conducție.

Pentru a se putea utiliza curentul astfel obținut, este nevoie și de alte componente, cum ar fi regulatoare de încărcare, invertoare sau acumulatoare pentru stocarea energiei. Principial, un sistem rezidențial care produce 1 MW/an costă circa 3.000 USD.

Deci, dacă s-ar acorda subvenții anuale de 500 de miliarde de dolari sectorului energiei solare, cu acești bani s-ar obține, în teorie, 150 TW/an de energie curată, obținută de la soare. Deci de 7 ori (!) mai mult decât necesarul anual de circa 20 TW. Ceea ce înseamnă că studiul MIT este cât se poate de realist: tehnologia actuală a panourilor fotovoltaice poate înlocui integral celelalte surse de producere a curentului electric, atât bazate pe combustibili fosili, cât și cele regenerabile, altele decât soarele.

Însă lucrurile de-abia acum încep să devină interesante.

Cât de mare este potențialul domeniului energiei solare

energie solara soare - ecoprofit 5
DESERTEC este un adevărat model de business energetic trans-național

Pe mapamond vorbim de investiții uriașe în diverse instalații, de ordinul sutelor de miliarde de dolari deja, mergând de la cele rezidențiale (care presupun montarea panourilor fotovoltaice pe acoperișurile caselor și clădirilor de birouri ori ale halelor comerciale) până la cele industriale – adică ”fermele solare”, areale largi acoperite de panouri fotovoltaice și care sunt capabile să producă sute și chiar mii de megawatt anual.

Cel mai mare proiect pe hârtie până acum se numește Desertec, implică nu mai puțin de 15 națiuni și presupune realizarea unei rețele de centrale fotovoltaice în Sahara, care ar putea asigura necesarul de energie pentru continentul african, european și o mare parte din cel asiatic.

Ba chiar există o ipoteză interesantă: o ”super-fermă solară”, întinsă pe o suprafață din deșert mai mică decât cea a României, ar fi în măsură să alimenteze tot mapamondul cu energie electrică provenită de la soare! În practică, intervin probleme majore ținând de distribuție și stocare – dar este un punct de plecare care ar trebui luat mult mai serios în seamă.

energie solara soare - ecoprofit 6
Următorul pas în tehnologia panourilor fotovoltaice este, evident, downsizingul

Actualele panouri fotovoltaice sunt destul de evoluate din punct de vedere tehnic, dar tehnologia poate fi mult îmbunătățită. Ce ați spune dacă, în locul plăcilor rigide, cu dimensiuni destul de mari și care necesită cadre rezistente, dar și grele, energia solară ar fi captată de… folii solare

Grație nanotehnologiei, panourile devin extrem de subțiri și flexibile, așa încât pot fi utilizate în mai multe aplicații, fără restricțiile panourilor actuale. Mai trebuie surmontate doar chestiuni legate de eficiența prea redusă, după care vom asista la o schimbare drastică a ”peisajului” urban – de la plasarea acestor folii fotovoltaice pe pereții și acoperișurile clădirilor, fără a le denatura arhitectura, până la înglobarea în caroseriile mașinilor sau chiar în hainele noastre.

Cum ar fi, însă, dacă am utiliza pe post de panouri fotovoltaice orice suprafață vitrată? Începând cu ferestrele caselor și ale zgârie-norilor și mergând până la geamurile mașinilor sau displayurile gadgeturilor. Această tehnologie este testată în mai multe colțuri ale lumii și este doar o chestiune de timp (cel mult 5 ani) până când va fi viabilă și din punct de vedere comercial.

Ca exemplu, se estimează că în SUA sunt montate anual circa 40 de milioane de metri pătrați de geamuri, care ar putea genera o putere totală de 1 GW anual, dacă ar fi dotate cu panouri fotovoltaice transparente. La nivel global, vorbim deja de un potențial de câteva sute de gigawatt, utilizând doar suprafețele vitrate.

energie solara soare - ecoprofit 7
Geamurile pot căpăta și rol de generare a electricității

Panourile fotovoltaice transparente

O echipă de cercetători de la Universitatea de Stat din Michigan a realizat un ”concentrator solar transparent luminiscent”. Adică o folie subțire și aproape 100% transparent, pe care sunt plasate fire subțiri fotovoltaice formate din molecule organice, acestea absorbând lungimile de undă invizibile ochiului uman. Se estimează că, într-o iminentă producție de serie, aceste panouri fotovoltaice transparente ar putea oferi o eficiență de 5% – foarte redusă, comparativ cu panourile fotovoltaice obișnuite, dar foarte bună dacă ne gândim că ar permite utilizarea geamurilor, fără a fi obturată vizibilitatea. Aceiași cercetători au realizat un model matematic computerizat pentru un zgârie nori din Texas, în cazul căruia a reieșit că ferestrele sale, dacă ar fi dotate cu astfel de panouri fotovoltaice transparente, ar putea produce până la 5 MWh zilnic, suficient pentru alimentarea sistemului de iluminare al clădirii!

Până acum, am vorbit de panouri montate pe pământ. Însă ce spuneți de utilizarea apei? Deocamdată nu aducem în discuție oceanele și mările, ci ne rezumăm la lacuri, care sunt mult mai puțin imprevizibile din punct de vedere al vremii. Și care permit dezvoltarea unui nou concept: cel al insulelor solare.

energie solara soare - ecoprofit 8
Plasarea panourilor fotovoltaice pe apă a fost inaugurată în Japonia

Ideea provine, cum altfel, din Japonia, unde prețurile mari ale terenurilor i-au făcut pe antreprenori să găsească o alternativă. Așa încât două companii, Kyocera (Japonia) și Ciel&Terre (Franța), au realizat cel mai mare proiect de acest gen.

Acesta este conceput ca o structură plutitoare formată din module realizate din polietilenă de mare densitate și cu un design elaborat, menit a face structura să reziste chiar și în cazul taifunurilor. Plasarea pe apă a mai adus un avantaj neașteptat: temperatura panourilor este mai scăzută, eficiența acestora fiind mai bună decât la temperaturi înalte, deci pot produce mai mult curent decât pe o suprafață similară, dar pe uscat.

Lucrurile nu se opresc aici, deoarece soarele nu e utilizat doar de panourile fotovoltaice. Ați auzit de ”raza de căldură a lui Arhimede”?

Concentratoarele solare

Legenda spune că marele învățat al lumii antice a folosit acum 2.000 de ani o serie de oglinzi pentru a concentra căldura soarelui într-un punct, astfel incendiind corăbiile care atacau Siracuza. Tot din antichitate provine și prima mașinărie cu aburi, inventată de Heron din Alexandria, idee transformată în motorul cu aburi prin secolul XVI.

energie solara soare - ecoprofit 10
”Raza ucigașă” a lui Arhimede este folosită, după mii de ani, în scopuri pozitive

De-abia spre sfârșitul secolului XX au fost combinate aceste două concepte, rezultând generatorul solar de aburi.

În termocentralele tradiționale se ard cărbunii pentru încălzirea apei, care prin fierbere dă naștere aburilor, iar aceștia pun în funcțiune o turbină care generează curent electric. Generatorul solar de aburi elimină inconvenientul poluării rezultate prin arderea cărbunilor, deoarece utilizează o serie de oglinzi parabolice (colectoare), care acumulează și concentrează căldura soarelui pe o conductă, în care apa fierbe mai repede și se transformă mai eficient în aburi.

Astfel poate fi pusă în mișcare o turbină mai mare, care să producă mai mult curent electric. Practic, aceste generatoare solare de aburi pot înlocui fără probleme termocentralele actuale, deoarece au o eficiență mai bună chiar și în zone unde soarele este mai puțin prezent. În plus, același principiu poate asigura și desalinizarea apei, cum este cazul unui proiect ambițios al țărilor din zona Mării Moarte.

energie solara soare - ecoprofit 9
Sunt mai multe soluții pentru concentrarea luminii soarelui

Generatorul solar de aburi

Oglinzile colectoare au o formă parabolică special concepută pentru a acumul și concentra căldura în anumite puncte, încălzind mult mai eficient apa pentru transformarea în aburi decât o face arderea cărbunilor. Aburul rezultat pune în funcțiune o turbină care generează cantități mari de curent electric, după care este condensat și apa astfel rezultată este readusă în zona de încălzire. Unele sisteme utilizează sarea în locul apei, deoarece sarea păstrează o perioadă mai lungă căldura, deci se poate produce energie electrică și după ce apune soarele.

Dar în zonele unde apa nu se prea găsește, mai are sens ideea generatoarelor solare de aburi? Nu prea.

Însă industria spațială le-a oferit cercetătorilor din domeniul energiei solare o nouă perspectivă asupra folosirii oglinzilor colectoare, astfel apărând prototipul unui sistem fotovoltaic inteligent, ”Sun Tracker”.

energie solara soare - ecoprofit 11
Tehnologia telescoapelor poate fi utilizată cu succes și în captarea energiei solare

Principiul de funcționare al acestuia amintește de telescoape: oglinzi cu o formă studiată concentrează radiația solară pe o lentilă specială, care reflectă spre panourile fotovoltaice de două ori mai multă energie decât ajunge în mod direct de la soare pe panouri.

În plus, ”Sun Tracker” urmărește automat traiectoria soarelui, pentru ca oglinzile să primească permanent cantitatea maximă de energie solară, iar celulele panourilor fotovoltaice sunt similare cu cele folosite la navele spațiale, transformând în energie electrică o parte mai mare din spectrul luminos. Practic, un astfel de dispozitiv poate produce de două-trei ori mai multă energie decât un sistem de panouri fotovoltaice care ar ocupa același spațiu.

Mai mult, din calculele unor firme reiese că un areal de circa 11 km pătrați dotat cu astfel de dispozitive ”Sun Tracker” ar putea produce până la 10 GW de energie, la fel ca o centrală atomică. Deci iată cum soarele poate fi folosit în mod eficient ca alternativă nepoluantă și neriscantă la energia nucleară.

Până acum am găsit ”ac de cojocul” termocentralelor (care utilizează cărbuni și gaze, în principal) și al centralelor nucleare. Cum rămâne, însă, cu petrolul consumat în transporturi, în principal sub formă de benzină și motorină? Putem înlocui dependența de petrol cu energia solară?

Infrastructura rutieră… solară

Pentru început, avem mașinile electrice, bateriile acestora putând fi încărcate cu energie electrică provenită din panouri fotovoltaice. Însă, momentan, din cele aproape 2 miliarde de vehicule care circulă pe globul pământesc, doar o jumătate de milion au propulsie electrică (adică doar 0,025% din total!). Iar dintre acestea foarte puține sunt alimentate cu energie provenită din sursă solară. În plus, eficiența foarte redusă a panourilor fotovoltaice le face neviabile pentru propulsia ”mașinilor solare”, cel puțin pentru moment.

Există, însă, un viitor inedit în concepția câtorva temerari inventatori: infrastructura rutieră… solară. Care presupune, nici mai mult, nici mai puțin, decât înlocuirea asfaltului cu panouri fotovoltaice, evident adaptate condițiilor de trafic, deci să suporte masa vehiculelor, forțele de fricțiune cu roțile și să fie viabile economic.

energie solara soare - ecoprofit 12
Doi oameni au început să pună în practică ideea transformării suprafețelor asfaltate în generatoare de curent din sursă solară

”Solar Roadway”

Demarat de soții Julie și Scott Brusaw, proiectul ”Solar Roadways” a trecut rapid de la stadiul de idee excentrică la un adevărat curent, susținut de donații ale entuziaștilor din peste 150 de țări. Nici nu e de mirare, deoarece potențialul ”Solar Roadways” este senzațional. Principial, proiectul presupune înlocuirea asfaltului infrastructurii rutiere, a trotuarelor și parcărilor cu panouri fotovoltaice, care pot produce o cantitate impresionantă de curent electric, deci reprezintă o investiție foarte avantajoasă.

Mai mult, prin integrarea de LED-uri se pot înlocui actualele marcaje vopsite cu unele luminoase foarte eficiente, care, practic, ar forma un sistem de monitorizare și avertizare mult superior. În plus, curentul electric poate încălzi iarna ”carosabilul”, deci nu mai e nevoie de deszăpezire. Sunt doar câteva dintre avantajele care ar contribui la schimbarea radicală a domeniului transportului terestru.

Rețeaua rutieră pe plan mondial este de peste 25 de milioane de kilometri de străzi, șosele și autostrăzi (de peste 60 de ori mai mult decât distanța dintre Pământ și Lună). Ceea ce reprezintă în jur de 250.000 de kilometri pătrați care, cel puțin în teorie, ar putea produce energie electrică dacă asfaltul ar fi înlocuit de panouri fotovoltaice.

Cam cât curent electric, vă întrebați? În condiții pesimiste, cam 1 kW/m2 zilnic – deci într-un an am vorbi de circa 250 terrawatt. Adică de peste 10 ori mai mult decât necesarul anual de energie electrică de pe mapamond! Și asta, repet, în condițiile cele mai pesimiste, cu o eficiență foarte slabă a panourilor fotovoltaice și o radiație foarte slabă a soarelui.

energie solara soare - ecoprofit 13
Dovada că șoselele pot fi construite cu panouri fotovoltaice…

Cu alte cuvinte, transformarea infrastructurii rutiere actuale ar fi suficientă pentru a ne satisface din plin ”foamea” de energie, fără a mai apela la soluțiile prezentate mai devreme, într-un mod total nepoluant. Iar cel mai bun exemplu îl reprezintă inaugurarea în Olanda a primei piste solare experimentale pentru biciclete.

Pe o distanță de 70 de metri au fost instalate module speciale, conținând celule fotovoltaice acoperite de un strat gros de sticlă, suficient de rezistent, transparent și care oferă un grad de aderență similar cu asfaltul. Ei bine, după 6 luni de utilizare, porțiunea respectivă a generat circa 3.000 kWh de curent electric – în medie, circa 200 W/m2 zilnic, peste așteptările specialiștilor.

Dacă acest experiment ar fi transpus întregii infrastructuri rutiere din Olanda, de circa 450 de kilometri pătrați, ar rezulta că, în fiecare an, șoselele și autostrăzile solare olandeze ar genera 50 terrawatt de energie electrică – dublu față de consumul anual al întregii omeniri!

Deci arhisuficient pentru a alimenta bateriile mașinilor electrice chiar în mers, dacă ar fi implementat sistemul de încărcare prin inducție.

energie solara soare - ecoprofit 14
Încă puțin până când încărcarea wireless va fi utilizată fără probleme pentru mașinile electrice

Încărcarea wireless a mașinilor

Principiul este foarte simplu: trecerea curentului electric printr-o bobină produce un câmp magnetic. Dacă acest câmp magnetic intră în contact cu o altă bobină, va produce curent electric în aceasta. Astfel este posibilă încărcarea bateriilor mașinilor fără ajutorul cablurilor, ceea ce, în teorie, poate permite încărcarea chiar și dacă mașina este în mișcare.

Este adevărat, nu vorbim de o soluție tehnică viabilă în viitorul imediat, deoarece mai sunt de rezolvat multe probleme incipiente. Însă evoluția galopantă a tehnologiei indică un univers de timp de maximum 10 ani până când șoselele solare și tehnologiile nonpoluante ale mașinilor vor face inutilă propulsia bazată pe carburanții fosili.

”Imagine all the people”…

Idei pentru utilizarea și în alte moduri a energiei solare mai sunt încă foarte multe. Dar, până în acest moment, probabil am reușit să vă conving că nu degeaba am parafrazat în titlul acestui material o celebră melodie a formației ”The Beatles”: soarele este singura sursă de care avem nevoie pentru a ne satisface nevoile din ce în ce mai mari de consum de energie.

energie solara soare - ecoprofit 15
Soarele ne poate asigura existența gratuit și nepoluant

Iar tehnologiile actuale și din viitorul imediat pot fi implementate foarte repede și eficient (dacă nu ne lovim de diversele bariere politice, economice, de mentalitate sau de altă natură). Și mai important este că soarele ne poate realmente ajuta să renunțăm fără eforturi incomensurabile la sursele poluante de producere a energiei: cărbuni, petrol, gaze naturale.

Pe lângă care devin, practic, inutile investițiile în alte surse alternative, care, chiar dacă par nepoluante la prima vedere, au alte efecte negative: centralele nucleare sunt prea periculoase, hidrocentralele afectează drastic mediul, biomasa este la limită în ce privește caracterul ecologic, biocombustibilii pot produce foamete mondială, iar centralele eoliene sunt blamate pentru imixtiunea în viața păsărilor, de exemplu.

Soarele este, practic, o sursă gratuită și inepuizabilă de energie, iar tehnologiile care transformă energia solară în curent electric devin din ce în ce mai accesibile ca investiții și costuri, ceea ce va duce la energie ieftină din abundență și, într-un final, gratuită. Iar acest lucru va însemna o societate cu totul nouă, cu adevărat solară.

SUNTEȚI PREGĂTIȚI PENTRU ACEASTĂ EVOLUȚIE?

  • http://delucru.blogspot.fi/

    pentru utilizatori mici,pot produce energi depozitatå in acumulatori cu retea de distributie,prin construirea in ansamblul arhitectural si geografic,Tunel aerodinamic?vezi urlåtoarele Bucegi-dar reverberatiile sau vibratiile ultrasonice?fårå så omoare tesuturile plasmodice?kum fu?Fu tare.

    • reverberatii ultrasonice? tesuturi plasmodice? lucruri curioase – pls dezvolta ideea