Stocarea energiei electrice, o prioritate mondiala

În multe ţări se fac eforturi susţinute pentru găsirea unor metode şi tehnologii eficiente de stocare a energiei electrice. Cercetările sunt stimulate de creşterea cererii de energie electrică în cazul supraproducţiei, de generarea rapidă în cazul unei cereri de vârf, dar şi de optimizarea utilizării surselor de energie regenerabilă primare şi de realizarea postulatului privind compensarea energiei disponibile local. În realitate, nu există posibilitatea de a stoca direct energia electrică. Este necesară conversia acesteia în alte forme de energie.

O nouă paradigmă a progreselor tehnico-științifice

Printre soluţiile posibile se află stocarea mecanică (prin pomparea apei la altitudine, cu aer sub presiune, cu volanţi), stocarea electrochimică  (acumulatori cu stocare internă - Pb, Ni-Cd, Li-ion -, acumulatori cu stocare externă - baterii primare cu regenerare externă Zn-aer, stocare în gaz cu electrolizor sau celule de combustie, stocare cu electrozi lichizi) sau stocarea electrică (bobine supraconductoare  sau condensatori).

În ultimul timp, o dezvoltare şi o răspândire uluitoare o au bateriile de acumulatoare. Sunt numai 25 de ani de când compania Sony a lansat versiunea comercială a bateriilor Li-ion reîncărcabile, iar astăzi le găsim în milioanele de telefoane mobile, tablete, laptopuri şi nenumărate alte aparate şi dispozitive fără de care nu mai poate fi concepută civilizaţia actuală. Dar aceste baterii Li-ion părăsesc din ce în ce mai mult dispozitivele „de buzunar" şi îşi găsesc loc în instalaţii de putere, vehicule, locuinţe şi chiar în centralele electrice. Producătorii de automobile din America, China şi Japonia se concurează aprig pentru a-şi asigura cantităţi cât mai mari de litiu pentru a se pregăti pentru un viitor cât mai electric. Concurenţa este atât de acerbă încât acest metal, folosit în cantităţi mici în fiecare celulă de baterie, a devenit o materie primă extrem de solicitată. După cum arată săptămânalul The Economist, preţul carbonatului de litiu importat în China s-a dublat în ultimele două luni ale anului 2015.

Permanenta depășire a limitelor

Până de curând utilizarea bateriilor Li-ion era limitată de capacitatea de stocare şi de timpul mare necesar reîncărcării. Se pare însă că producţia pe scară mare a făcut ca aceste dezavantaje să fie depăşite. Vedeta salonului auto de la Detroit din ianuarie 2016 nu a fost un automobil, ci o baterie, cea a modelului 2017 Chevrolet Bolt produs de General Motors, care combină distanţa mare între două reîncărcări cu preţul accesibil. Tesla, un alt producător de automobile, a anunţat că începe producţia de serie a bateriilor  Li-ion anul acesta la o „gigafabrică" în Nevada. BYD, o firmă rivală din China, este pe urmele sale. Anul trecut, în numai 10 luni a vândut mai multe automobile electrice decât a vândut Tesla din 2008 până acum. Dezvoltarea producției de baterii constituie o parte importantă a planului de dezvoltare a Chinei pe următorii 20 de ani.

Detaliul și ansamblul

Litiul, cel mai ușor metal, are locul trei în Tabloul periodic al elementelor. În natură se găsește în mineralul spodumen, un silicat din familia piroxenilor, ce se găsește în pegmatite și aplite granitice. Producția mondială de litiu din acest mineral este de aproximativ 80 000 tone din exploatări din Australia de Vest, China și Chile. O altă sursă de litiu, care devine din ce în ce mai importantă, o reprezintă clorura de litiu, care se găsește sub crusta de sare ce acoperă deșerturile sărate din America de Sud. Această saramură alcalină, prin uscare la soare în bazine special construite și tratată cu carbonat de sodiu, se transformă în carbonat de litiu (sau în hidroxid de litiu, dacă este tratată cu hidroxid de calciu). Cel mai mare producător mondial prin acest procedeu este compania SQM din Chile, care exploatează prețiosul metal din saramura de sub deșertul Atacama dintr-un zăcământ care se pare că include o cincime din resursele mondiale de litiu. Prețul unei tone de carbonat de litiu cu puritatea de 99% a ajuns la 13 000 de dolari la sfârșitul anului 2015.

De la particular la general

Baterii Li-ion de capacitate mare nu sunt cerute numai în industria autovehiculelor electrice. Ele joacă un rol din ce în ce mai important în furnizarea energiei curate în sau în afara rețelelor electrice de distribuție. Anul acesta, în Africa de Sud, Australia, Germania și America, Tesla va începe să vândă la 3000 de dolari bucata așa numitele baterii Powerwall pentru gospodării individuale care au instalate baterii solare pe acoperiș. O astfel de baterie are o capacitate de stocare de 7 kWh, suficientă pentru necesitățile unei gospodării obișnuite în timpul nopții utilizând energia generată de panourile solare în timpul zilei. Pentru necesități mai mari se pot instala mai multe baterii.

Unele companii de furnizare a energiei electrice au mers și mai departe. Ele instalează milioane de celule de baterii Li-ion în centralele electrice pentru a regulariza furnizarea la orele de cerere maximă sau când aceasta fluctuează din cauza energiei solare sau eoliene intermitente. California a dispus companiilor de electricitate să ofere 1,3 GW de capacitate de stocare ne-hidroelectrică pentru următorii 5 ani. Pare puțin în comparație cu cei 1000 GW produși în America, dar este mai mult decât dublul capacității tuturor bateriilor conectate la rețea astăzi (0,5 GW) în lumea întreagă. În 2016, în Hawaii va fi dată în funcțiune o centrală solară echipată cu baterii care va furniza electricitate mai ieftină decât cea din centralele pe motorină.

Abordări și perspective românești

După știința noastră, contribuțiile românești concrete în domeniul stocării electricității sunt relativ limitate până în prezent. Au existat mai multe proiecte de construcție a unor hidrocentrale de mare putere cu acumulare prin pompaj, dar niciunul nu a fost încă dus la bun sfârșit. Cel mai avansat dintre acestea este cel de la Tarnița - Lăpuștești, un obiectiv de interes național. Conform proiectului, centrala va fi situată la 30 km depărtare de orașul Cluj-Napoca, pe valea râului Someșul Cald, pe versantul stâng al acumulării Tarnița și este prevăzută a se realiza cu patru grupuri reversibile, turbina-pompă, cu o putere instalată de 4 x 250 MW, construcția fiind preconizată a se realiza în două etape pe parcursul a 5 - 7 ani. Fiind o centrală cu acumulare prin pompaj, va asigura o creștere a siguranței în funcționare a sistemului electroenergetic național. Capacitatea lacului superior (tipul Polder) va fi de 10 milioane metri cubi apă. Costul total a fost evaluat la circa 1 miliard de dolari, a fost înființată compania de proiect, dar încă nu a fost găsită sursa de finanțare.

La o cu totul altă scară, o posibilitate de stocare a energiei electrice investigată la noi este cea prin supercapacitori. Aceștia au o densitate de putere mare, un  răspuns rapid, timp de încărcare mai rapid în comparație cu bateriile, simplitate constructivă și probleme mai reduse de mediu. De studiul lor se ocupă cercetătorii de la ICPE-CA din București în cadrul unui proiect de tip M-ERA.NET într-un consorțiu internațional demarat în 2012. S-a urmărit dezvoltarea de supercapacitori pe bază de materiale electroactive polimer - carbon pentru care s-au obținut capacități totale între 500 și 1000 pF, dar care nu sunt încă în stadiul de comercializare pe piață.

Dată fiind importanța mondială a problemei stocării energiei pe termen scurt, mediu și lung, credem că aceasta ar trebui inclusă și în noua strategie energetică a țării, în curs de elaborare. Există suficient potențial ingineresc și de cercetare - proiectare autohton pentru a permite și țării noastre să contribuie la  evoluțiile mondiale moderne din domeniul energeticii.