De la un sistem energetic fosil la un sistem energetic 100% regenerabil în 6 pași
Un sistem energetic 100% regenerabil este fezabil.
Acesta presupune combinarea producției energiei regenerabile intermitente cu soluții ce oferă flexibilitate pe partea de utilizare.
Pasul 1 (0-25%) – Integrarea energiei regenerabile intermitente.
Pasul 2 (0-25%) – Termoficare, cogenerare și stocarea energiei termice.
Pasul 3 – Pompe de caldura sau Power-to-Heat (25-40%)
Pasul 4 – Electrificarea transportului (40-65%)
Pasul 5 – „Electrocombustibilii” sau Power-to-X (65-85%)
Pasul 6 – Eliminarea restului combustibililor fosili (85-100%)
Status quo
Cu toții am auzit despre schimbările climatice și despre emisiile de carbon din sistemul energetic și de transport. În fiecare zi, țările Uniunii Europene cheltuie aproximativ 1 miliard €/zi [1] doar pentru a achizitiona combustibili fosili. Acești bani pot fi folosiți de exemplu pentru a investi într-un nou sistem energetic fără emisii de carbon. Deși pare destul de dificil, putem asigura o tranziție către un sistem 100% regenerabil în doar 6 pași, utilizând în mare parte tehnologii deja existente.
Schema de mai jos prezintă un sistem energetic clasic, încă găsit în multe tari si bazat doar pe combustibili fosili. Îl putem considera pasul 0, de la care pornim spre un sistem energetic 100% regenerabil.
Reprezentare simplificată a unui sistem energetic clasic, bazat pe combustibili fosili.
Pasul 1 – Integrarea energiei regenerabile intermitente (0-25%)
Primul pas este reprezentat de investițiile în energie regenerabilă produsă de turbine eoliene sau panouri fotovoltaice. Prin aceasta masura, am putea înlocui pana la aproximativ 25% din totalul combustibililor folosiți fără să facem nici o alta schimbare în sistemul energetic, practic reducand cheltuielile pentru combustibilii fosili. Totuși, exista o anumită limită la care un sistem energetic nu poate accepta mai multă energie intermitenta fără alte schimbări pe partea de utilizare a energiei. Ceea ce ne duce la următorul pas.
Pasul 2 – Termoficare, cogenerare și stocarea energiei termice (0-25%)
Încălzirea imobilelor la nivelul Uniunii Europene este activitatea cu cel mai mare consum de energie. Aproximativ 50% din din combustibilii utilizați anual sunt destinați încălzirii imobilelor prin soluții ineficiente și poluatoare, cum ar fi centralele individuale pe gaz, lemn, cărbune sau chiar petrol. Pentru a crește eficienta avem nevoie de 2 tehnologii: sisteme de termoficare si centrale pe cogenerare. Deși utilizate de multe decenii chiar si-n România, dar unde au ajuns într-un grad avansat de degradare, sistemele de termoficare sunt extrem de utile în a recicla căldură care altfel s-ar pierde. De asemenea pot functiona eficient și flexibil împreuna cu energia regenerabila. Un astfel de sistem, ca cel ilustrat în Figura 2 poate:
suplini cererea de energie electrică către consumatori atunci cand avem productie mare de la regenerabile, dar fără cerere de energie termica (A), sau
suplini atat cererea electrică cât și termică, dacă exista, altfel aceasta din urmă fiind stocată (B).
Rolul centralelor de cogenerare și a stocării energiei termice
Un exemplu elocvent de reciclare a căldurii este legat de centralele de producere a energiei electrice. În procesul de producere al electricității se eliberează cantități enorme de căldură. Se estimează că anual în Europa se pierde mai multă căldură decât cererea cumulată de căldură. Din motive practice, (de exemplu locul unde e produsă), nu toată poate fi utilizata, dar exista foarte multe cazuri unde aceasta poate fi captată. Astfel, o centrala de producere a energiei electrice devine centrala de cogenerare și poate trimite caldura către consumatori printr-un sistem de termoficare. Practic, aceasta elimina necesitatea folosirii a încă unui rând de combustibili destinați doar încălzirii imobilelor.
Pasul 3 – Pompe de caldura sau Power-to-Heat (25-40%)
Pentru a integra mai multă energie regenerabilă intermitentă avem nevoie de soluții de transformare a energiei electrice in energie termica (soluții numite Power-to-Heat). Putem face asta cu o eficiență ridicată folosind pompe de caldura în 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, către rețelele de distribuție a agentului termic la o eficienta de 300% sau chiar mai mult. Prin comparație, o centrala de cogenerare poate atinge of eficienta maximă de 85% iar un boiler electric la 100%. Aceste pompele de caldura pot stoca energia electrică in energie termica, fie pentru uz imediat, fie pentru stocare și uz ulterior.
De asemenea, exista și pompele de caldura de mici dimensiuni ce funcționează pe același principiu și pot fi folosite în locațiile extraurbane, unde sistemele de termoficare nu sunt fezabile.
Moduri de operare a pompelor de căldură. În (A), pompele de caldura pot utiliza energia regenrabila spre a o transforma in caldura termica ce poate fi stocata sau trimisa spre consumatori. În (B), atunci cand energia regenerabilă nu este disponibila, centralele de cogenerare si energia termica salvată pot asigura atat cererea de electricitate cât și de căldură.
InfoBox
Pompele de caldura sunt folosite cu succes de cateva decenii în țări ca Suedia, unde au fost instalate tocmai pentru a utiliza surplusul de energia electrică produsă la acel moment de centralele nucleare. Mare parte din aceste pompe de de căldură, construite în anii 1980, sunt încă în funcțiune. În orașul Goteborg (Suedia), sistemul de termoficare încă utilizează cu succes cele mai mari pompe de caldura din lume, de 50 MW fiecare, folosind ca sursă de căldură apa menajeră din sistemul de canalizare.
Pasul 4 – Electrificarea transportului (40-65%)
Cu toții am auzit despre noile vehicule electrice ce sunt promovate ca soluții de reducere a emisiilor de carbon și a poluării. Pe buna dreptate, vehiculele electrice vor fi o parte integrantă a sistemul energetic, nu doar cel de transport. Asta pentru că prin electrificarea transportului putem integra și mai multă energie regenerabilă intermitentă înlocuind benzina sau motorina. Un alt avantaj al vehiculelor electrice este eficiența ridicată, de aproximativ 4-5 mai mare decât al unui vehicul pe combustie internă. Iar cea mare parte a transportului poate fi electrificată, începând de la autovehiculele personale, la transportul de mic tonaj (camionete, furgonete), o parte din transportul de mare tonaj (camioane, autobuze) până la liniile de cale ferată.
În cadrul acestui pas se pot menționa și soluțiile de creștere a flexibilității sistemului energetic, prin operarea unor consumatori care pot consuma energie la ore în afara cererii maxime, sau când există un surplus în rețea, cum ar fi o parte din aparatura electrocasnică sau câteva echipamente industriale. Efectul lor este benefic, deși nu pot fi soluții de sine stătătoare.
Pasul 5 – „Electrocombustibilii” sau Power-to-X (65-85%)
După ce am aflat cum putem înlocui combustibilii fosili din cea mare parte a transportului, raman totusi cateva mijloace de transport care nu se pretează electrificării. Acestea sunt navele maritime de lungă distanță, transportul rutier de lungă distanță, echipamente grele și nu în cele din urma, transportul aerian. Pentru acestea exista soluția de a produce ceea ce numim in engleza „electrofuels”, traduși ca „electrocombustibili”.
Electrocombustibilii pot fi foarte similari cu benzina, motorina, sau kerosenul din aviație folosite astăzi, și în mare parte, pot fi folosiți în aceleași motoare cu ardere internă ca cele ce le folosim astăzi. Spre deosebire de biocombustibili, produsi exclusiv din biomasă, electrocombustibilii sunt produși din hidrogen și o sursă de carbon. Alt avantaj al acestor tip de combustibili este fapul că utilizează mai puțină biomasă decât biocombustibilii sau chiar deloc, practic reducând presiunea de pe aceasta resursă limitată.
Hidrogenul este produs de electrolizor, ce folosește energie electrică, iar carbonul pot proveni din biomasă (care conține atât carbon cât și hidrogen) sau sisteme de captare a carbonului. Carbonul este hidrogenat și apoi pus intr-o sinteza chimica pentru a produce combustibilul dorit. Combinate cu soluții de stocare a hidrogenului, electrolizorii pot folosi energie regenerabilă intermitentă pentru a o stoca de aceasta dată în forma combustibililor lichizi sau gazosi (soluții considerate mai ieftine decât stocarea în baterii), de unde vine și termenul „Power-to-X”, litera „X” reprezentând multitudinea de combustibili ce pot fi produși.
Schema simpla ce ilustrează procesul de producere a electrocombustibililor
În general, orice tip de combustibil poate fi produs pe aceasta cale, dar cei mai interesanți sunt metanolul, metanul dar și motorină, benzina sau kerosenul. De asemenea, amoniacul devine foarte interesant pentru sectorul transporturilor putand fi folosit atat in sectorul maritim cât și cel de aviație, necesitând hidrogen și, în acest caz, azot, ce poate fi captat din aer.
Pasul 6 – Eliminarea restului combustibililor fosili (85-100%)
După măsurile din sectorul termic și al transportului, mai rămân sectorul industrial și centralele de producere a curentului electric și cogenerare ce încă folosesc combustibili fosili. Acest pas este totuși și cel mai dificil, deși până aici aproximativ 85% din sistemul energetic folosește energie regenerabilă.
Centralele de producere a energiei electrice (deși mult reduse ca număr) sunt necesare pentru a echilibra sistemul energetic în perioade când energia produsă de regenerabile este insuficientă. O condiție pentru acestea este sa fie foarte flexibile, să poate fi oprite și pornite des sau operate la capacitate redusă. Combustibilii pentru aceste centrale pot proveni din surse ca biogazul sau gaze de sinteza, combustibili regenerabili de o calitate mai scăzută decât electrocombustibilii și implicit cu un preț mai redus, dar pretabili pentru acest scop.
Pentru industrie, soluțiile sunt diversificate, de la electrificare, la hidrogen, biogaz sau electrometan, în funcție de procesele industriale. Nu toate sunt pretabile electrificării, pentru unele fiind nevoie de combustibili lichizi sau gazoși. Aceasta face acest pas cel mai dificil, din cauza necesităților diferite ale industriei și a soluțiilor diverse.
Concluzii
În urma acestor pași, un sistem energetic poate deveni regenerabil utilizând atât surse intermitente cât și flexibile, ca biomasa. Pașii 1 pana la 4 pot fi considerați mai ușor de implementat, pentru ca cea mai mare parte din ei folosesc tehnologii ce ne sunt deja foarte cunoscute. Ultimii doi pași au un grad de complexitate mai ridicat, dar sunt totuși posibil de realizat. Toți acești pași pot contribui semnificativ la reducerea emisiilor de carbon conform ambițiilor Uniunii Europene și sunt esentiali pentru a ajunge la un sistem 100% regenerabil la un cost cat mai redus. Deoarece investițiile în infrastructură energetică au durată lungă de viață, decizile și tehnologiile implementate astăzi ne vor însoți în următorii 30-50 ani.
Un exemplu de sistem energetic 100% regenerabil
O conceptualizare a unui Smart Energy System. Mai multe detalii pot fi gasite aici.
Dr. Andrei David Korberg
Andrei detine o diploma de doctorat obtinuta in cadrul grupul de planificare sustenabilă al energiei la Universitatea Aalborg, din Danemarca.
Munca sa constă în modelarea și analiza sistemelor energetice regenerabile, axat pe rolul combustibililor regenerabili în transport dar și ca parte a întregului sistem energetic.
Andrei este absolvent al masterului Orașe Sustenabile din cadrul aceleași universități și a lucrat ca stagiar la Asociația Europeană a Pompelor de Căldură.
