Viitoarea mobilitate, pe uscat, pe apă și în aer, cu panouri solare?
0Automobilele viitorului vor avea, după părerea multor oameni mai mult sau mai puțin inițiați, de pretutindeni, neapărat propulsie electrică, dar căreia i-ar trebui totuși curent „curat”, așadar in nici un caz „murdărit” la origine, așa cum este cel provenit din centrale termoelectrice pe baza de cărbune.
Toate speranțele se îndreaptă, mai nou, spre cele două coloane vertebrale ale electromobiltății:
Energia fotovoltaică și energia eoliană!
Un scenariu ideal este exemplificat în figura de mai jos, reprezentând stația solară a Universității noastre Tehnice din Zwickau, Germania: o floare a soarelui cu 20 de module fotovoltaice,, însumând aproximativ 13, cu interstițiile tehnic necesare 15 metri pătrați, „actualizate” mereu la ultimul nivel al tehnicii. Nici colegii mei, profesori la Electrotehnică, nici eu, în drum spre cursul de termotehnică, nu am văzut vreodată în ultimii 22 de ani, chiar când soarele strălucea sus pe cer, iarna, la minus 20 de grade, sau vara la plus 35 de grade, o putere momentană, afișată, mai mare de 1000 – 1200 de wați. – adică, mereu, sub 100 wați/metru pătrat. Foarte recent, în Europa se face publicitate la module fotovoltaice ultramoderne, cu 200 de wați pe metrul pătrat, ca valoare obținută numai în laborator, în condiții bine fixate.
Configurația stație fotovoltaică individuală-baterie-automobil electric pare a fi avantajoasă, atunci când automobilul electric este folosit pe distanțe în general scurte. Un consum moderat la suta de kilometri (valorile menționate în băncile de date din literatura de specialitate, dar și probate de autor pentru o multitudine de mașini electrice actuale, de mai multe mărci, sunt de 15-20 kWh) duce la încărcarea bateriei cu 2 până la 3 kWh în cele aproximativ două ore în care soarele strălucește puternic, ceea ce este suficient pentru a parcurge distanțe de câțiva kilometri, ca în cazul Golfului nostru electric din Zwickau, între localurile universității. Pentru mașinile în trafic urban soluția apare ca eficientă.
Mulțumiți sunt cei care au loc în curte pentru mașină, și pe acoperiș pentru 15 metri pătrați de panouri solare numai pentru încărcarea acesteia, de obicei noaptea, deci ne trebuie si baterie.
O altă aplicație avantajoasă este folosirea panourilor fotovoltaice în ambarcațiuni – fie pe lacul Herăstrău, între Muzeul Satului și Restaurantul Pescăruș, pe lacul Constanța, între Bregenz și Lindau sau pe Lago Maggiore, între Ascona și Verbania. O echipa de cercetători și studenți de la Universitatea noastră Tehnică din Zwickau, Germania, împreună cu colegii lor de la Universitatea din Pisa, Italia, au efectuat, cu barca solară construită de ei, măsurători, timp de trei luni, cu clienți la bord, pe lacul Garda din Italia, un loc deosebit de însorit. Rezultatele au fost excelente: când bate soarele, panourile solare fac o umbră binevenită, iar barca se mișcă încet, împinsă de cei câțiva kilowați ai motorului electric de propulsie, fără zgomot și fără poluare.
Când nu bate soarele, nu avem ce să căutăm pe lac!
Stația solară a Universității Tehnice din Zwickau, Germania, alimentând un automobil VW Golf electric, deservind centrele de calcul dispersate în localurile universității
Barcă acoperită cu panouri solare dezvoltate pentru o putere (planificată) de 400 de wați, prevăzută cu o baterie de acumulare a energiei electrice (6-10 kWh) și cu un motor electric de propulsie (10 kW) – un exemplu reprezentativ dintr-o largă gama de variante și combinații.
Dar să vedem cum stau lucrurile, privite de la bazele fizice:
Densitatea medie a fluxului de energie al radiației solare (cunoscută și sub numele de "intensitate", care nu este în întregime corectă din punct de vedere termodinamic) este de 1367 wați pe metru pătrat la limita atmosferei Pământului (sursă: IEA - Union Astronomique Internationale, certificată în CODATA - Committee on Data for Science and Technology). O parte din această radiație solară pătrunde în atmosferă, în timp ce alte părți sunt difuzate sau reflectate. Partea radiației solare intrată în atmosferă încălzește aerul, suprafața pământului și a oceanului. Fluxul de energie provenit din radiația solară este convertit atât direct, în procese naturale (fotosinteză în plante) cât și în procese tehnice (energie fotovoltaică și energie fototermică).
Densitatea fluxului de energie al radiației solare din atmosfera Pământului fluctuează însă între zero și 1000 de wați pe metru pătrat, în funcție de regiunea Pământului și de fluctuațiile zilnice sau sezoniere. Unii oameni de știință calculează, în scenarii simplificate și idealizate, câtă energie solară ar putea fi furnizată anual, prin radiație, pământului, plecând de la radiația maximă, ideală. Mai apoi împart această energie la consumul global de energie dintr-un anumit an. Ceea ce rezultă pare inițial fascinant:
Soarele ne oferă, altruist și nonșalant, de zeci de mii de ori mai multă energie, electrică și nu numai, decât cea de care am avea noi nevoie în total!
De ce nu folosim efectul fotovoltaic în instalații moderne, inteligente? Stă în natura oamenilor să acceseze doar surse fosile de energie, cum ar fi petrolul, gazele naturale și cărbunele?
Motivele sunt multiple:
Flora acestui pământ are nevoie de imens de multă radiație solară, și anume din proporția cu cea mai mare „intensitate” (wați pe metru cub), în domeniul lungimilor de undă (micrometri) corespunzător luminii vizibile (Integrarea intensității, care este o funcție de lungime de undă, pe respectiva lungime de undă, duce la un flux termic specific, adică la o energie specifică, transformată, pe suprafață frunzelor, în flux de energie) (sursă: Stan, C.: Termodinamică, Matrix Rom București, 2017).
Stan, C: Termodinamica automobilului, Matrix Rom, 2017 , Energy versus Carbon Dioxide, Springer, 2021
Copacii și plantele folosesc această energie pentru fotosinteză, care este motorul preparării hranei lor: cu astfel de raze de lumină, se activează clorofila, adică hemoglobina verde din sângele plantei, care apoi, în două faze, contribuie la conversia dioxidului de carbon din atmosferă și a apei de la rădăcinile plantelor în foarte hrănitoarea glucoză (sursă: Stan, C.: Energy versus Carbon Dioxide, Springer, 2021).
Densitatea fluxului de energie (wați / metru pătrat) al radiației solare,
care depinde de fiecare lungime de undă (metri), este legată de zonele geografice, dar și de perioada zilei (zi, noapte) și de condițiile meteorologice (cer senin, nori, ceață). Pe de altă parte, pentru a obține un flux de energie (wați) satisfăcător, densitatea fluxului de energie (care variază, local și temporal între zero și 1000) trebuie să fie multiplicată cu o suprafață corespunzătoare. Un exemplu de actualitate este grăitor: de pe o foarte generoasă suprafață de 2700 de hectare, în China, sunt „recoltați” 850 de megawați! Pentru aceasta, respectiva suprafață este semănată cu panouri solare (spre comparație: întreaga regiune viticola Jidvei se întinde pe 2500 de hectare!).
E adevărat, o asemenea comparație intre delicii bahice și electricitate fotovoltaică este complet neavenită:
Cât Jidvei aveți, nu-l dați, nici pe mii de megawați!
Culmea este însă, că aceeași producție de energie electrică, respectiv același flux de energie (wați) care ne-ar ocupă cam toată podgoria de la Jidvei, poate fi pusă la dispoziție de centrala electrică pe bază de petrol din Ingolstadt, lângă uzina Audi, pe 37 de hectare - adică pe 1,37% din suprafața menționată mai sus.
Dar se poate și mai rău:
Soarele strălucește pe suprafața pământului doar câteva ore pe zi, în funcție de latitudine – mai mult în Ecuador, mai puțin în Germania, (dacă mai strălucește și acolo!). „Intensitatea” radiației solare este, de asemenea, foarte diferită vara față de iarnă. De exemplu, un sistem de case prevăzute cu panouri fotovoltaice din nordul Germaniei, calculate pentru puteri maxime de 5 kilowați (densitatea maximă, în condiții ideale, a fluxului de energie înmulțită cu suprafața panourilor solare) oferă, până la urmă, o energie totală (flux de energie înmulțit cu perioada de timp) de 2880 kilowați-oră în lunile de vară (aprilie-septembrie), dar numai 1220 kilowați-oră iarnă (noiembrie-martie). Diferența dintre lunile individuale arată și mai clar această dependență de sezon: în august 625 kWh, în ianuarie 135 kWh, dar în noiembrie doar 90 kWh! Pe parcursul întregului an, energia obținută efectiv este de 4000 kWh. Cu puterea maximă (fluxul de energie) calculată de 5 kW, în cele 8760 de ore ale unui an, speram să ajungem la o energie de 43.200 kWh!
Așadar, 4000 împărțiți la 43.200 înseamnă doar 9,2%!
Rezultatul pare neașteptat, dar este certificat de multe alte măsurători în diverse țări din lume, folosind instalații fotovoltaice de diferite feluri.
Producția de energie electrică în Germania, oră cu oră, la 16 septembrie 2019 – în funcție de sursa de energie. Proporția fotovoltaicelor este marcată cu galben (sursa: Wind Europe, 2019).
Figura de mai sus arată – prin înmulțirea puterii de pe ordinată (GW) cu suma orelor (h) de pe abscisă - energia electrică totală (GWh) generată de toate instalațiile fotovoltaice pe întreg teritoriul Germaniei.
Dacă soarele ar străluci, poate, zi și noapte, la intensitate maximă, contribuția fotovoltaicii ar fi, într-adevăr, comparabilă cu cea a cărbunelui, așa cum se poate deduce din sectorul galben din figură.
Fotosinteza în plante și fotovoltaice în instalații tehnice sunt însă două efecte diferite:
În cazul fotosintezei din plante, soarele activează mai întâi clorofila.
Efectul fotovoltaic din panourile solare este similar, doar că în loc de clorofilă soarele activează, în multe aplicații, siliciul!
Siliciu există peste tot în lume. Siliciul cu doi atomi de oxigen formează miliarde și miliarde de grăunte de nisip în deșerturi și pe plajele pământului. În această combinație cu oxigenul, siliciul este utilizat însă și ca sticlă: sticlă pentru vin (să nu uităm, de Jidvei, cu scuze concurenței!), geamuri pentru ferestre, ochiuri de geam pentru seră. Și în ceea ce privește sera, la fel și pentru modulele de apă caldă (colectoare termice).
Acest principiu a dat, printre altele, și numele „efectului de seră”: o suprafață de sticlă permite razelor soarelui să o traverseze în gama de lungimi de undă a luminii vizibile. Atunci când razele soarelui au transmis o parte din energia lor, sub formă de căldură în camera sau plantele din spatele suprafeței sticlei, intensitatea lor se diminuează, dar, mult mai important, și frecvențele undelor electromagnetice scad. Siliciul cu cei doi atomi de oxigen din suprafața sticlei este prea rigid pentru astfel de frecvențe și uneori nu le lasă să se transmită de la partea interioară la cea exterioară. Și astfel, căldură din interior crește (aceasta fiind integrala intensităților pe respectivele frecvente, calculată de-a lungul perioadei de iradiere).
Să trecem acum la celulele fotovoltaice: într-o asemenea celulă siliciul nu are atomi de oxigen, ca în cazul sticlei (ca baza a efectului de seră), ci alți parteneri.
În anul 1839, fizicianul francez Becquerel declara că "lumina poate provoca o eliberare de purtători de sarcină (electrică)". Ca rezultat, un electron se poate desprinde de un atom atunci când a primit fotoni energetici din raza soarelui.
Diferența față de efectul de seră este considerabilă! Următorul exemplu, al unei variante frecvent folosite, poate fi edificator:
Stratul superior de siliciu al unei celule fotovoltaice este presărat cu donatori de electroni, de obicei atomi de fosfor. Aceasta are ca rezultat o abundență de electroni în structura stratului superior. Stratul inferior de siliciu, la rândul său, este presărat cu atomi de bor și, că rezultat, manifestă o lipsă de electroni, adică un deficit în structura stratului inferior.
Ceea ce este interesant, totuși, este stratul intermediar, ca zonă de graniță între abundența electronilor și deficitul de electroni: există, desigur, și electroni în „găuri”, dar ei stau gata de zbor, de îndată ce există un singur impuls, venit, în acest caz, de la fotonii din razele solare.
Razele soarelui ajung așadar în stratul superior al celulei fotovoltaice, fotonii lor, încărcați cu energie, dau electronilor impulsul binevenit. Electronii pornesc în sus, spre suprafața superioară a celulei. Această mișcare se dezvoltă ca o adevărată reacție în lanț, în stratul mijlociu se creează o aspirație de electroni, în stratul inferior deficitul de electroni crește.
Astfel se creează o tensiune electrică între straturile superioare și cele inferioare, care poate fi folosită utilizând contactele corespunzătoare (stratul de sus, respectiv stratul de jos). Contactele sunt cuplate la un consumator (bec, motor electric) prin fire. Electronii din stratul superior ”traversează” respectivul consumator, către stratul inferior și astfel circuitul se închide din nou. Razele de lumină vin, mai apoi, cu alți fotoni încărcați energetic prin stratul superior până la stratul limită și procesul reîncepe.
La un moment dat însă, acest proces intră în saturație: în straturile superioare și inferioare abundența electronilor și deficitul de electroni din structură ajung la o limită fizică. Ținând cont de această saturație în grosimea stratului din celula fotoelectrică, este indicat să trecem de la procesul intensiv, la cel extensiv, adică să mărim suprafață celulei.
A fost menționat deja faptul că densitatea fluxului de energie a radiației solare din atmosfera Pământului fluctuează între zero și 1000 de wați pe metru pătrat. De la celulele fotovoltaice se așteaptă, în cazul teoretic, ideal, 1000 de wați, adică 1 kW de putere, pe un panou cu o suprafață de 1 metru pătrat. Din păcate, numeroase lucrări științifice demonstrează că acest proces nu funcționează. Chiar și cu siliciu monocristalin pur, conform datelor cunoscute, randamentul procesului descris nu este mai mare de 24%. Deci, calculat în alți termeni, va fi nevoie de 4,17 metri pătrați de panouri pentru a obține 1 kilowatt de putere la radiația solară maximă. În practică, ajungem însă la 5 până la 10 metri pătrați! Cauza este ușor de înțeles: cristalele de siliciu nu sunt, în foarte multe cazuri, absolut pure, adesea se folosesc policristale mai ieftine.
În comparație cu puterea calorică a unui combustibil, cum ar fi benzina, motorina sau etanolul, energia obținută din celulele fotovoltaice este, din păcate, mai degrabă, infimă. O comparație care poate deziluziona mulți amatori de tehnică fotovoltaică, dar poate da aripi șoferilor de automobile cu motoare termice, dar și consumatorilor de tării este următoarea:
Zece metri pătrați de panouri fotovoltaice pot furniza la fel de multă energie (8 kWh) ca 1 litru de benzină sau ca 1,7 litri de etanol din mere putrede sau din reziduuri de plante într-o zi de vară cu 8 ore de radiație solară completă, adică patru litri de palincă de patruzeci de grade!
Pe globul pamântesc sunt instalate atât sisteme fotovoltaice foarte mari, cât și foarte mici. Pentru a le favoriza pe cât se poate, comercianții și eco-militanții folosesc pe cât pot, pentru exprimarea puterii unități de măsură bombastice pe care aproape niciun laic nu le prea înțelege:
Pentru fluxul de energie (puterea) kilowați, megawați, gigawați iar pentru energia care rezultă dintr-o asemenea putere pe an: kilowatt- oră, gigawatt-oră, terawatt-oră, dar și exajoules și petajoules și chiar megatone de echivalent petrol (1 MTEP este același lucru cu 11,63 terawați-oră). Nimeni nu a început încă cu cvadrilioane de kilocalorii, dar niciodată nu este prea târziu.
Este nevoie de ceva timp și efort pentru a centraliza, standardiza și evalua astfel de date, obținute din nenumărate prezentări, studii, statistici mai mult sau mai puțin publicitare, difuzate de organizații guvernamentale, non- guvernamentale, mai serioase sau mai puțin serioase, în funcție de criterii într-adevăr obiective.
Un prim criteriu, foarte pragmatic, este raportul dintre energia colectată efectiv într-un an, pe vânt, ploaie și cer senin, vara și iarnă, ziua și noaptea, și puterea proiectată (calculată) a sistemului. Puterea este o mărime care apare la un moment dat, câteodată favorabil acesteia, alteori nu. Pe de altă parte, cel mai bun integrator de energie este timpul: În 2018, au existat în lume sisteme fotovoltaice cu o putere maximă proiectată (calculată în condiții fizice ideale) de 500.000 de megawați (MW). Energia electrică generată concret în 2018 cu sistemele fotovoltaice a fost de 600 de miliarde de kilowați-oră (kWh).
Dacă cei 500.000 MW ar fi putut fi realizați în continuu pe tot parcursul anului, energia totală produsă ar fi fost de 4380 miliarde kWh. Pentru a deduce randamentul, respectiv eficientă instalațiilor fotovoltaice în total, cei 600 miliarde kWh (realizați) pot fi raportați la cei 4380 miliarde kWh (proiectați). Randamentul este, în acest caz, de 0,137.
Radiația solară, care fluctuează pe parcursul zilei, latitudinii și anotimpurilor, are că rezultat o eficiență medie anuală globală a instalațiilor fotovoltaice de numai 13,7%.
Dar să vedem eficiența instalațiilor fotovoltaice și dintr-o altă perspectivă: În același an, 2018, a fost produsă în lume, spre comparație, o energie electrică de 9851 miliarde kWh folosind cărbune și 5890 miliarde kWh pe bază de gaz metan, totalul fiind de 15,471 miliarde kWh.
Energia electrică generată cu panouri fotovoltaice reprezintă 3,8% din energia electrică obținută pe baza de cărbune și gaz. În comparație cu toate sursele de energie utilizate pentru producerea de energie electrică, această ajunge la un procentaj insignifiant de numai 2,3%.
În Germania, în același an 2018, existau sisteme fotovoltaice cu o putere calculată (în condiții ideale) de 45.500 megawați. Efectiv au fost măsurați, la sfârșitul anului 2018, în loc de 398,5 miliarde de kilowați-ora, „doar” 45,7 miliarde de kilowați-oră. Eficiența captării radiațiilor în instalații fotovoltaice a fost așadar de 11,4%, adică mai puțin decât cea la nivel mondial de 13,7% menționată anterior.
Concluziile pot fi sintetizate după cum urmează:
Soarele atinge limita atmosferei cu o încărcare de 1347 wați pe metru pătrat, în atmosferă rămân doar 1000 wați pe metrul pătrat, panourile solare păstrează doar 100 până la 200 de wați pe metrul pătrat din această putere specifică, pe tot parcursul anului, cu toate fluctuațiile, rămân doar 12 până la 14 wați pe metrul pătrat. De la o mie la doisprezece, asta înseamnă 1,2%.
Folosirea energiei solare în mobilitate este, cu toate aceste procente descurajatoare, necesara, dar trebuie să fie diferențiată:
Pe bărci, catamarane, bacuri, această „contribuție” la energia de propulsie, fiind binevenită, necesitând însă și o baterie de stocare a energiei solare în perioadele fără radiație solară (întuneric, ploaie, nori). Ținând cont de capacitatea limitată a bateriilor este preferabilă utilizarea acestor ambarcațiuni atunci când malurile sunt aproape – lacuri, râuri, strâmtori.
La autovehicule rutiere trebuie ținut cont și de suprafața disponibilă pentru panourile solare - plecând de la o putere specifică între 100 și 200 de wați pe metrul pătrat, în majoritatea aplicațiilor reale sub 100 de wați pe metrul pătrat. Această putere specifică, înmulțită cu suprafața panourilor rezultă în puterea momentană (respectiv în fluxul de energie) care poate fi folosită, în general doar parțial, la tracțiune. Cazul automobilului prezentat în articolul trecut, pentru care suprafață disponibilă este limitată, ajungând la o putere momentană sub 200 de wați este grăitor. Este preferabilă o suprafață mult mai mare, ca în autocamionul de mare tonaj din figură, dar care mărește, prin greutatea mașinii și puterea de tracțiune necesară. O cerință suplimentară este și acumularea energiei fotovoltaice în baterii dimensionate ca atare – având, proporțional, o problema de greutate și volum.
Efectul fotovoltaic a ajuns și în astronautică, fiind folosit în panouri pentru rachete și sateliți, ba chiar și în aeronautică:
Cel mai recent proiect al Boeing Phantom Works a fost avionul Solar Eagle. „Vulturul solar”, cu o anvergură a aripilor de 120 de metri, ar fi trebuit să rămână în aer timp de cel puțin cinci ani la o altitudine de 18.000 de metri – dar proiectul a fost fost oprit în anul 2012. Airbus lucrează între timp la un proiect similar, numit Zephyr.
În cazul mobilității, energia fotovoltaică este limitată, prin urmare, de doi factori: suprafețele relativ reduse, oferite pe caroserii și greutatea vehiculelor, care determină puterea de tracțiune sporită.
Și totuși, energia fotovoltaică este, în multe domenii, indispensabilă.
În deșerturile lumii, dar și pe mări, lângă țărmuri, care au avantajul unor suprafețe imense, tehnica fotovoltaică devine deosebit de eficientă ca sursă de energie electrică, atât pentru uz casnic, cât și pentru a genera noi combustibili, fără emisii de dioxid de carbon!
Va urma.
Se încarcă comentariile...
