Cu totii am auzit despre schimbarile climatice si despre emisiile de carbon din sistemul energetic si de transport. In fiecare zi, tarile Uniunii Europene cheltuie aproximativ 1 miliard €/zi [1] doar pentru a achizitiona combustibili fosili. Acesti bani pot fi folositi de exemplu pentru a investi intr-un nou sistem energetic fara emisii de carbon. Desi pare destul de dificil, putem asigura o tranzitie catre un sistem 100% regenerabil in doar 6 pasi, utilizand in mare parte tehnologii deja existente.
Schema de mai jos prezinta un sistem energetic clasic, inca gasit in multe tari si bazat doar pe combustibili fosili. Il putem considera pasul 0, de la care pornim spre un sistem energetic 100% regenerabil.
Pasul 1 – Integrarea energiei regenerabile intermitente (0-25%)
Primul pas este reprezentat de investitiile in energie regenerabila produsa de turbine eoliene sau panouri fotovoltaice. Prin aceasta masura, am putea inlocui pana la aproximativ 25% din totalul combustibililor folositi fara sa facem nici o alta schimbare in sistemul energetic, practic reducand cheltuielile pentru combustibilii fosili. Totusi, exista o anumita limita la care un sistem energetic nu poate accepta mai multa energie intermitenta fara alte schimbari pe partea de utilizare a energiei. Ceea ce ne duce la urmatorul pas.
Pasul 2 – Termoficare, cogenerare si stocarea energiei termice (0-25%)
Incalzirea imobilelor la nivelul Uniunii Europene este activitatea cu cel mai mare consum de energie. Aproximativ 50% din din combustibilii utilizati anual sunt destinati incalzirii imobilelor prin solutii ineficiente si poluatoare, cum ar fi centralele individuale pe gaz, lemn, carbune sau chiar petrol. Pentru a creste eficienta avem nevoie de 2 tehnologii: sisteme de termoficare si centrale pe cogenerare. Desi utilizate de multe decenii chiar si-n Romania, dar unde au ajuns intr-un grad avansat de degradare, sistemele de termoficare sunt extrem de utile in a recicla caldura care altfel s-ar pierde. De asemenea pot functiona eficient si flexibil impreuna cu energia regenerabila. Un astfel de sistem, ca cel ilustrat in Figura 2 poate:
suplini cererea de energie electrica catre consumatori atunci cand avem productie mare de la regenerabile, dar fara cerere de energie termica (A), sau
suplini atat cererea electrica cat si termica, daca exista, altfel aceasta din urma fiind stocata (B).
Un exemplu elocvent de reciclare a caldurii este legat de centralele de producere a energiei electrice. In procesul de producere al electricitatii se elibereaza cantitati enorme de caldura. Se estimeaza ca anual in Europa se pierde mai multa caldura decat cererea cumulata de caldura. Din motive practice, (de exemplu locul unde e produsa), nu toata poate fi utilizata, dar exista foarte multe cazuri unde aceasta poate fi captata. Astfel, o centrala de producere a energiei electrice devine centrala de cogenerare si poate trimite caldura catre consumatori printr-un sistem de termoficare. Practic, aceasta elimina necesitatea folosirii a inca unui rand de combustibili destinati doar incalzirii imobilelor.
Pasul 3 – Pompe de caldura sau Power-to-Heat (25-40%)
Pentru a integra mai multa energie regenerabila intermitenta avem nevoie de solutii de transformare a energiei electrice in energie termica (solutii numite Power-to-Heat). Putem face asta cu o eficienta ridicata folosind pompe de caldura in sistemele de termoficare. O pompa de caldura transfera energia latenta dintr-un mediu (de exemplu din apa menajera, rauri, lacuri, surse industriale sau geotermale) folosind electricitate, catre retelele de distributie a agentului termic la o eficienta de 300% sau chiar mai mult. Prin comparatie, o centrala de cogenerare poate atinge of eficienta maxima de 85% iar un boiler electric la 100%. Aceste pompele de caldura pot stoca energia electrica in energie termica, fie pentru uz imediat, fie pentru stocare si uz ulterior.
De asemenea, exista si pompele de caldura de mici dimensiuni ce functioneaza pe acelasi principiu si pot fi folosite in locatiile extraurbane, unde sistemele de termoficare nu sunt fezabile.
Moduri de operare a pompelor de caldura. In (A), pompele de caldura pot utiliza energia regenerabila spre a o transforma in caldura termica ce poate fi stocata sau trimisa spre consumatori. In (B), atunci cand energia regenerabilă nu este disponibila, centralele de cogenerare si energia termica salvată pot asigura atat cererea de electricitate cât și de caldura.
Pompele de caldura sunt folosite cu succes de cateva decenii in tari ca Suedia, unde au fost instalate tocmai pentru a utiliza surplusul de energia electrica produsa la acel moment de centralele nucleare. Mare parte din aceste pompe de de caldura, construite in anii 1980, sunt inca in functiune. In orasul Goteborg (Suedia), sistemul de termoficare inca utilizeaza cu succes cele mai mari pompe de caldura din lume, de 50 MW fiecare, folosind ca sursa de caldura apa menajera din sistemul de canalizare.
Pasul 4 – Electrificarea transportului (40-65%)
Cu totii am auzit despre noile vehicule electrice ce sunt promovate ca solutii de reducere a emisiilor de carbon si a poluarii. Pe buna dreptate, vehiculele electrice vor fi o parte integranta a sistemul energetic, nu doar cel de transport. Asta pentru ca prin electrificarea transportului putem integra si mai multa energie regenerabila intermitenta inlocuind benzina sau motorina. Un alt avantaj al vehiculelor electrice este eficienta ridicata, de aproximativ 4-5 mai mare decat al unui vehicul pe combustie interna. Iar cea mare parte a transportului poate fi electrificata, incepand de la autovehiculele personale, la transportul de mic tonaj (camionete, furgonete), o parte din transportul de mare tonaj (camioane, autobuze) pana la liniile de cale ferata. In cadrul acestui pas se pot mentiona si solutiile de crestere a flexibilitatii sistemului energetic, prin operarea unor consumatori care pot consuma energie la ore in afara cererii maxime, sau cand exista un surplus in retea, cum ar fi o parte din aparatura electrocasnica sau cateva echipamente industriale. Efectul lor este benefic, desi nu pot fi solutii de sine statatoare.
Pasul 5 – „Electrocombustibilii” sau Power-to-X (65-85%)
Dupa ce am aflat cum putem inlocui combustibilii fosili din cea mare parte a transportului, raman totusi cateva mijloace de transport care nu se preteaza electrificarii. Acestea sunt navele maritime de lunga distanta, transportul rutier de lunga distanta, echipamente grele si nu in cele din urma, transportul aerian. Pentru acestea exista solutia de a produce ceea ce numim in engleza „electrofuels”, tradusi ca „electrocombustibili”.
Electrocombustibilii pot fi foarte similari cu benzina, motorina, sau kerosenul din aviatie folosite astazi, si in mare parte, pot fi folositi in aceleasi motoare cu ardere interna ca cele ce le folosim astazi. Spre deosebire de biocombustibili, produsi exclusiv din biomasa, electrocombustibilii sunt produsi din hidrogen si o sursa de carbon. Alt avantaj al acestor tip de combustibili este fapul ca utilizeaza mai putina biomasa decat biocombustibilii sau chiar deloc, practic reducand presiunea de pe aceasta resursa limitata.
Hidrogenul este produs de electrolizor, ce foloseste energie electrica, iar carbonul pot proveni din biomasa (care contine atat carbon cat si hidrogen) sau sisteme de captare a carbonului. Carbonul este hidrogenat si apoi pus intr-o sinteza chimica pentru a produce combustibilul dorit. Combinate cu solutii de stocare a hidrogenului, electrolizorii pot folosi energie regenerabila intermitenta pentru a o stoca de aceasta data in forma combustibililor lichizi sau gazosi (solutii considerate mai ieftine decat stocarea in baterii), de unde vine si termenul „Power-to-X”, litera „X” reprezentand multitudinea de combustibili ce pot fi produsi.
Schema simpla ce ilustreaza procesul de producere a electrocombustibililor
In general, orice tip de combustibil poate fi produs pe aceasta cale, dar cei mai interesanti sunt metanolul, metanul dar si motorina, benzina sau kerosenul. De asemenea, amoniacul devine foarte interesant pentru sectorul transporturilor putand fi folosit atat in sectorul maritim cat si cel de aviatie, necesitand hidrogen si, in acest caz, azot, ce poate fi captat din aer.
Pasul 6 – Eliminarea restului combustibililor fosili (85-100%)
Dupa masurile din sectorul termic si al transportului, mai raman sectorul industrial si centralele de producere a curentului electric si cogenerare ce inca folosesc combustibili fosili. Acest pas este totusi si cel mai dificil, desi pana aici aproximativ 85% din sistemul energetic foloseste energie regenerabila.
Centralele de producere a energiei electrice (desi mult reduse ca numar) sunt necesare pentru a echilibra sistemul energetic in perioade cand energia produsa de regenerabile este insuficienta. O conditie pentru acestea este sa fie foarte flexibile, sa poate fi oprite si pornite des sau operate la capacitate redusa. Combustibilii pentru aceste centrale pot proveni din surse ca biogazul sau gaze de sinteza, combustibili regenerabili de o calitate mai scazuta decat electrocombustibilii si implicit cu un pret mai redus, dar pretabili pentru acest scop. Pentru industrie, solutiile sunt diversificate, de la electrificare, la hidrogen, biogaz sau electrometan, in functie de procesele industriale. Nu toate sunt pretabile electrificarii, pentru unele fiind nevoie de combustibili lichizi sau gazosi. Aceasta face acest pas cel mai dificil, din cauza necesitatilor diferite ale industriei si a solutiilor diverse.
Concluzii
In urma acestor pasi, un sistem energetic poate deveni regenerabil utilizand atat surse intermitente cat si flexibile, ca biomasa. Pasii 1 pana la 4 pot fi considerati mai usor de implementat, pentru ca cea mai mare parte din ei folosesc tehnologii ce ne sunt deja foarte cunoscute. Ultimii doi pasi au un grad de complexitate mai ridicat, dar sunt totusi posibil de realizat. Toti acesti pasi pot contribui semnificativ la reducerea emisiilor de carbon conform ambitiilor Uniunii Europene si sunt esentiali pentru a ajunge la un sistem 100% regenerabil la un cost cat mai redus. Deoarece investitiile in infrastructura energetica au durata lunga de viata, decizile si tehnologiile implementate astazi ne vor insoti in urmatorii 30-50 ani.
Articol prezentat de Andrei David Korberg, cercetator infoclima.ro,platforma ce contribuie la imbunatatirea calitatii discursului public in legatura cu schimbarile climatice, incurajand cercetatorii si oamenii de stiinta sa comunice publicului larg rezultatele cercetarilor din domeniu si relevanta acestora pentru societatea noastra.