Un nou tip de colector solar termic dezvoltat la ETH Zurich încearcă să rezolve una dintre problemele mai puțin discutate ale tranziției energetice. Cum poate fi înlocuit gazul folosit pentru producerea căldurii în fabrici? Cercetătorul Luca Thommen pare că a găsit răspunsul la această întrebare. Thommen lucrează la un sistem capabil să furnizeze căldură industrială la temperaturi de până la 150°C, folosind lumina soarelui și materiale simple, disponibile la costuri reduse. Două prototipuri dezvoltate până acum au demonstrat că tehnologia poate atinge această temperatură. Obiectivul următoarei etape este transformarea soluției într-un produs care să poată fi instalat în fabrici.
De ce este importantă temperatura de 150°C
La prima vedere, 150°C nu pare o temperatură spectaculoasă în comparație cu ceea ce pot produce instalațiile industriale convenționale. Pentru numeroase procese însă, este suficientă. Pasteurizarea și sterilizarea produselor alimentare, gătirea și curățarea industrială, uscarea anumitor materiale, vopsirea textilelor sau unele operațiuni din industria chimică și farmaceutică au nevoie de căldură în intervale care pot ajunge la aproximativ 150°C. Problema este că această energie termică este furnizată încă în multe cazuri prin arderea gazului natural sau a altor combustibili fosili. Aici apare potențialul tehnologiei dezvoltate la Zurich.
Sistemul lui Luca Thommen trebuie diferențiat de un panou fotovoltaic obișnuit. Un panou fotovoltaic transformă radiația solară în energie electrică. Aceasta din urmă poate fi ulterior utilizată pentru alimentarea echipamentelor sau pentru încălzire prin intermediul unei pompe de căldură. Colectorul solar termic urmărește un traseu mai direct. El captează radiația solară, o concentrează și o transformă în căldură, care este transferată apoi unui agent precum apa sau aerul. În anumite procese industriale, această căldură poate ajunge direct la punctul unde este necesară, fără etapa intermediară de producere a electricității.
Cum funcționează colectorul dezvoltat la ETH
Principiul de funcționare este relativ simplu, iar această simplitate reprezintă una dintre ideile centrale ale proiectului. Elementele reflectorizante din interiorul colectorului direcționează lumina solară către o suprafață absorbantă. Aceasta preia energia radiației și o transferă către un mediu de lucru, precum apa sau aerul. Pentru ca energia acumulată să nu se piardă rapid către exterior, construcția include un strat important de izolație. În locul unei instalații cu multe componente metalice și mecanisme complicate, Thommen urmărește folosirea unei structuri ușoare. În cadrul acestui tip de structură, metalul este utilizat doar acolo unde rezistența mecanică sau presiunea o impun.
Diferența importantă față de unele colectoare solare termice de temperatură ridicată este abordarea constructivă. Cercetătorul urmărește să obțină performanța necesară fără să transforme colectorul într-o instalație grea și scumpă. O mare parte a structurii este realizată din materiale de izolație ușoare și relativ ieftine. Metalul este păstrat în special pentru elementele care trebuie să suporte presiuni sau solicitări mecanice. Ideea este esențială pentru industrie, deoarece o tehnologie regenerabilă nu este suficient de atractivă doar pentru că funcționează. Dacă investiția inițială este prea mare, o fabrică poate prefera în continuare o centrală convențională alimentată cu gaz.
Prototipul a ajuns la 150°C
Testele efectuate la ETH Zurich au arătat că prototipul SolarHeat poate atinge temperaturi de până la 150°C. Pentru cercetători, rezultatul este important. El demonstrează că un colector construit cu o structură simplificată poate intra în zona temperaturilor necesare pentru o serie de aplicații industriale. Apa poate fi utilizată ca agent termic la temperaturi ridicate atunci când instalația este proiectată să funcționeze sub presiunea corespunzătoare. Pe de altă parte, sistemul poate furniza căldură fără să depindă permanent de arderea unui combustibil. Totuși, atingerea temperaturii maxime într-un prototip nu înseamnă că tehnologia este deja pregătită pentru orice fabrică sau pentru funcționare continuă în orice condiții.
Unde poate fi folosită energia solară termică
Unul dintre avantajele tehnologiei este că nu trebuie căutate aplicații complet noi. Industria are deja numeroase procese care consumă căldură la temperaturi moderate. În industria alimentară, energia termică este necesară pentru pasteurizare, sterilizare, gătire, spălare și uscare. În industria textilă, căldura intră în procese precum vopsirea și tratarea materialelor. În industria chimică și farmaceutică există operațiuni de distilare și alte procese termice care pot necesita temperaturi în jurul acestui nivel. ETH Zurich menționează și utilizarea căldurii la aproximativ 100°C în procese industriale de captare a dioxidului de carbon.
Discuția despre decarbonizarea industriei s-a concentrat mult timp pe electricitate, panouri fotovoltaice, baterii și vehicule electrice. Căldura industrială este însă o problemă diferită. O fabrică poate avea nevoie de energie termică pentru ore întregi. Procesul de producție nu se poate opri doar pentru că sursa regenerabilă nu produce în acel moment. Potrivit programului Solar Heating and Cooling al Agenției Internaționale pentru Energie, căldura industrială la temperaturi joase și medii reprezintă un domeniu important pentru decarbonizare. Specialiștii estimează că necesarul mondial de căldură industrială la temperaturi joase și medii reprezintă aproximativ 12% din cererea finală globală de energie.
De ce gazul este greu de înlocuit în fabrici
Gazul natural a rămas atractiv pentru industrie nu neapărat pentru că este singura soluție tehnică, ci pentru că este disponibil la cerere și poate furniza rapid căldură. O instalație alimentată cu gaz poate funcționa atunci când procesul de producție o cere, indiferent dacă este dimineață, seară sau o zi cu nori. Energia solară are un dezavantaj evident: producția depinde de radiația disponibilă. În cazul unui colector termic, acest lucru trebuie compensat printr-o proiectare atentă a instalației. De asemenea, prin stocare termică sau printr-o sursă suplimentară de căldură. Tocmai de aceea, noul colector nu trebuie privit ca o centrală care elimină automat orice altă sursă, ci ca o componentă a unui sistem energetic mai complex.
Una dintre soluțiile naturale pentru problema variației radiației solare este stocarea energiei termice. În timpul orelor cu soare, colectoarele pot produce mai multă căldură decât este consumată imediat de procesul industrial. Surplusul poate fi transferat într-un rezervor termic și utilizat ulterior, inclusiv după reducerea radiației solare. O astfel de configurație nu face instalația complet independentă de vreme. Permite, în schimb, o utilizare mai eficientă a energiei produse în timpul zilei. În practică, dimensiunea rezervorului, profilul de consum al fabricii, suprafața disponibilă pentru colectoare și temperatura necesară procesului vor determina cât de mare poate fi contribuția solară.
Există deja colectoare solare pentru industrie
Ideea de a folosi energia solară pentru producerea căldurii industriale nu este nouă. Programul IEA Solar Heating and Cooling urmărește de mai mulți ani tehnologiile Solar Heat for Industrial Processes, cunoscute sub abrevierea SHIP. Sunt analizate colectoare plane îmbunătățite, colectoare cu tuburi vidate, sisteme cu reflectoare, colectoare parabolice. Sunt utilizate, de asemenea, și alte soluții capabile să furnizeze căldură la temperaturi superioare celor întâlnite în instalațiile rezidențiale obișnuite. Colectoarele solare termice fără concentrare pot ajunge până la aproximativ 150°C, potrivit specialiștilor. Tehnologiile cu concentrare pot acoperi intervale de temperatură mai ridicate, de până la aproximativ 400°C în anumite aplicații.
Ce încearcă să schimbe proiectul SolarHeat
Noutatea proiectului lui Luca Thommen nu constă, așadar, în faptul că energia solară poate produce căldură la 150°C. Cercetarea încearcă să rezolve problema economică și constructivă care a limitat până acum extinderea acestor sisteme. ETH Zurich explică faptul că tehnologia necesară există în principiu, dar costurile unor soluții convenționale pot fi prea mari pentru companiile sensibile la preț. SolarHeat urmărește o construcție simplificată, cu materiale standard, greutate redusă și posibilitatea de a produce colectoare modulare. Acestea din urmă pot fi dimensionate pentru nevoile unei fabrici. Obiectivul este ca energia solară termică să devină o opțiune realistă, nu doar una tehnic posibilă.
Greutatea instalației poate deveni un criteriu important atunci când soluția trebuie montată pe o clădire industrială existentă. Acoperișurile fabricilor oferă adesea suprafețe mari, dar nu toate pot prelua fără verificări suplimentare o instalație grea. Un colector mai ușor poate simplifica proiectarea și poate deschide posibilitatea utilizării unor suprafețe care ar fi mai dificil de exploatat cu echipamente convenționale. În cazul SolarHeat, utilizarea masivă a materialelor izolatoare și reducerea cantității de metal contribuie la această abordare. Înainte de orice montaj, însă, structura acoperișului trebuie verificată de specialiști.
Urmează testarea în condiții reale
Este important ca tehnologia să nu fie prezentată drept o soluție universală care poate înlocui imediat centralele pe gaz. O fabrică poate avea nevoie de căldură 24 de ore din 24, în timp ce colectorul solar produce în funcție de radiația disponibilă. În plus, necesarul poate varia de la o oră la alta, iar temperaturile cerute pot depăși 150°C. Pentru astfel de cazuri, soluția poate presupune o combinație între colectoare solare, rezervoare de stocare, pompe de căldură și o sursă de rezervă. Limitările legate de disponibilitatea radiației solare și de spațiul disponibil pentru colectoare fac ca integrarea mai multor tehnologii să fie o direcție importantă pentru decarbonizarea căldurii industriale.
Prototipurile au demonstrat deja că principiul funcționează. Trecerea, însă, de la laborator și testare la utilizarea industrială este etapa cu adevărat dificilă. Potrivit ETH Zurich, Luca Thommen urmărește dezvoltarea unei versiuni pregătite pentru piață, testarea într-o instalație pilot și colaborarea cu potențiali clienți și investitori. Testarea într-un mediu de producție va permite evaluarea unor probleme care nu pot fi analizate complet pe un prototip experimental. Vorbim despre integrarea în instalația existentă, comportamentul în perioadele cu radiație variabilă, necesarul de mentenanță, stocarea căldurii și costul total al energiei produse. Abia după aceste etape se va putea vedea cât de competitivă este tehnologia în raport cu gazul.
Ce înseamnă prototipul lui Luca Thommen pentru fabricile din România
Pentru România, tehnologia este interesantă mai ales în sectoarele care au un consum constant de apă caldă, aer cald sau abur la temperaturi moderate. Industria alimentară, textilele, anumite procese chimice, spălarea industrială, uscarea și alte operațiuni termice ar putea fi analizate din perspectiva utilizării energiei solare. Nu înseamnă însă că orice fabrică poate instala colectoare pe acoperiș și poate renunța imediat la gaz. Un proiect trebuie să pornească de la profilul real de consum, temperatura cerută, suprafața disponibilă, orientarea clădirii, rezistența structurală și posibilitatea stocării energiei. Abia după această analiză se poate calcula partea din necesarul anual care poate fi acoperită solar.
Pentru publicul larg, energia solară este asociată în primul rând cu panourile fotovoltaice. În industrie însă, căldura poate fi la fel de importantă ca electricitatea. Colectoarele solare termice pot transforma radiația direct în energie termică. Acest lucru poate fi mai eficient pentru anumite procese decât producerea de electricitate și transformarea ulterioară a acesteia în căldură. Diferența este importantă pentru modul în care vor fi proiectate fabricile viitorului. În loc ca toate suprafețele disponibile să fie rezervate automat fotovoltaicelor, unele clădiri ar putea folosi o combinație între electricitate solară și căldură solară. Totul, în funcție de ceea ce consumă efectiv procesul de producție.
De la prototip la piața de consum
Proiectul SolarHeat arată și o schimbare de perspectivă în dezvoltarea tehnologiilor energetice. Nu întotdeauna este nevoie de materiale exotice sau de instalații extrem de complicate pentru a obține performanțe utile. În cazul colectorului lui Luca Thommen, accentul este pus pe materiale obișnuite, reducerea cantității de metal, izolație eficientă, elemente reflectorizante și o structură care poate fi extinsă modular. Dacă această combinație va putea fi produsă industrial la un preț competitiv și va rezista în condiții reale de exploatare, colectorul ar putea deveni o soluție interesantă pentru fabricile care au nevoie de căldură la temperaturi de până la 150°C.
Momentul actual este încă unul de dezvoltare, nu de comercializare pe scară largă. ETH Zurich arată că proiectul se află în etapa în care cercetătorul urmărește să transforme prototipul într-un produs pregătit pentru utilizare industrială și să îl testeze într-un mediu de producție. Asta înseamnă că performanțele obținute până acum sunt promițătoare, dar trebuie confirmate prin exploatare pe termen mai lung și prin analize economice. Dacă rezultatele vor confirma avantajele urmărite de proiect, SolarHeat ar putea intra într-o piață în care cererea pentru căldură regenerabilă este în creștere, iar costul tehnologiei reprezintă una dintre principalele bariere.
Soarele poate deveni sursă directă de căldură
Panoul solar termic dezvoltat la ETH Zurich nu elimină toate problemele legate de producerea căldurii industriale și nici nu poate înlocui gazul în orice proces. Importanța proiectului este alta: încearcă să facă energia solară termică suficient de simplă și de ieftină pentru ca industria să o ia în calcul ca sursă reală de proces. Capacitatea de a ajunge la 150°C îl plasează într-un interval relevant pentru numeroase aplicații, iar greutatea redusă și designul modular pot facilita integrarea pe clădiri existente. Următorul test va fi economic: dacă energia termică produsă de SolarHeat va putea concura cu gazul și cu celelalte alternative, colectoarele solare ar putea deveni o componentă importantă a fabricilor care vor să reducă atât consumul de combustibili fosili, cât și costurile energetice.