Energia Solara Si Rugina

În încercarea de a utiliza surse naturale pentru a obține energie nepoluantă și de a transforma utilizarea energiei solare, dintr-una ocazională într-una permanentă, a trebuit ca oamenii de știință să facă față unei mari provocări: stocarea energiei solare.

Una dintre principalele probleme pe care le ridică utilizarea energiei solare este reprezentată de faptul că sistemele tehnice alimentate în această variantă pot funcționa numai pe timpul zilei. Până de curând, realizarea unor echipamente capabile să stocheze această energie, astfel încât aceasta să fie disponibilă 24×7, s-a dovedit a fi dezavantajoasă atât sub aspectul costurilor, cât și din punct de vedere al eficienței. Cercetări de dată recentă au evidențiat faptul că stocarea energiei solare de peste zi nu este un proces chiar atât de complicat, cu atât mai mult cu cât mijloacele necesare se află la îndemână, în mediul natural. În acest proces pot fi utilizate materiale care se găsesc din abundență, care nu sunt toxice și care fac posibilă utilizarea eficientă a uneia dintre cele mai importante surse de energie nepoluantă: soarele.

Lucrarea prezintă un astfel de material, identificat de oamenii de știință ca soluție pentru unul dintre cele mai spectaculoase și sensibile domenii de activitate și inițiativă: acela al stocării eficiente a energiei.

Cuvinte cheie: energie solară, stocare, electroliză, rugină

1. Introducere

Este cunoscut faptul că soluțiile energetice bazate pe energia provenind de la Soare prezintă limitări datorate lipsei acestuia pe timpul nopții. Panourile solare ar putea fi active 24 de ore din 24, cu o mână de ajutor din partea unei substanțe considerată până de curent inutilă și dăunătoare, binecunoscuta rugină.

Cei mai mulți utilizatori sunt foarte precauți cu rugina: orice urmă, oricât de fină, de rugină este imediat înlăturată. Există soluții tehnice ingenioase pentru a preveni apariția ei. Dar, în căutarea energiei solare ieftine, cel mai ieftin material ce poate fi găsit – rugina – s-a dovedit o soluție neșteptat de eficientă: expusă la lumină, produce o cantitate mică, dar decentă, de curent (1).

Experimentele au început în anul 1975, atunci când siliciul devenea senzația tehnologică a epocii. Eficiența mai mare l-a transformat pe acesta în pilonul celulelor solare fotovoltaice, iar acesta a rămas, de atunci, pe primul loc în marketingul celulelor solare. Descoperirea potențialului ruginii a căzut în uitare și, de atunci, singurele momente în care cineva s-a gândit la rugină (dacă s-a găsit cineva care s-o facă) au fost atunci când dorea să scape de ea.

Dar în ultimii câțiva ani, atenția specialiștilor a început să fie îndreptată spre această substanță care, în ciuda opiniei generale, ar putea fi un fel de material minune. Deși oxidul de fier nu poate concura cu eficiența siliciului în ceea ce privește transformarea energiei solare în electricitate, poate realiza ceva ce siliciul nu poate: ajută la stocarea energiei solare. Insignifiantele particule de rugină ar putea constitui o cale de depășire a uneia dintre cel mai greu de rezolvat probleme ale energiei solare: noaptea. (2)

Cercetarea în domeniul energiei solare s-a centrat, în mod aproape exclusiv, pe eficiență. În fiecare zi, soarele oferă planetei noastre mai multă energie decât am avea nevoie să consumăm într-un an. Dar colectarea acesteia nu este atât de ușoară. Chiar și cea mai performantă tehnologie disponibilă – panourile solare în valoare de un miliard de dolari, construite din combinații costisitoare de metale rare, folosite de Stația Spațială Internațională – poate converti doar 46 la sută din energia solară în electricitate și aceasta, numai în condiții ideale. Cifrele obișnuite sunt mult mai mici. Pe Pământ, celulele fotovoltaice mai ieftine, bazate pe siliciu, colectează între 15 și 20 la sută. (1)

2. Stocarea energiei solare

Ideea de a stoca energie suplimentară, pentru a fi folosită atunci când soarele nu strălucește, a fost o soluție urgent identificată, dar transpunerea ei în practică a întârziat. Parțial, datorită faptului că poate fi folosită doar în momentul în care este generată, această resursă aparent nelimitată contribuie cel mai puțin dintre toate sursele de energie regenerabile la acoperirea necesarului energetic, fiind, în același timp, de 20 de ori mai scumpă decât energia produsă de combustibilii fosili. (3)

2.1. Soluții posibile

Bateriile sunt cea mai evidentă soluție, dar densitatea lor scăzută de energie combinată cu prețul ridicat al unui sistem capabil să furnizeze energie unei întregi case – care ar trebui să fie înlocuit după câțiva ani – le transformă într-o opțiune accesibilă numai pentru cei bogați.

O metodă mult mai eficientă pentru a stoca energia solară este aceea de a o folosi pentru producerea de hidrogen. Legăturile chimice ale hidrogenului sunt foarte puternice, stocând de 170 de ori mai multă energie pe kilogram decât bateriile ionice standard. Hidrogenul este, de asemenea, versatil: odată obținut, poate fi folosit în orice mod se dorește; într-o o pilă de combustie, poate genera electricitate atunci când este nevoie prin recombinarea lui cu oxigenul, poate fi combinat cu monoxidul de carbon pentru a deveni biocombustibil pe bază de metanol, poate fi stocat sau poate fi ars după modelul oricărui alt combustibil gazos. (2)

Cea mai simplă modalitate de a transforma energia din celulele fotovoltaice în hidrogen constă în folosirea acestei energii pentru funcționarea unui electrolizor. Acesta scindează apa – H2O – în hidrogen și oxigen. Simplu, probabil, dar, în același timp, ineficient. Din acel minim procent de 15 la sută din radiația solară, pe care celulele fotovoltaice standard sunt capabile să o capteze, 30 la sută este pierdută prin conversie. Până când acest proces se termină, probabil că productivitatea ar fi mult mai mare, dacă s-ar folosi o baterie reîncărcabilă.

O opțiune mai productivă ar fi descoperirea unui anumit tip de material ieftin, conductor de electricitate, care să poată ocoli procesul de conversie din celulele fotovoltaice și, pur și simplu, să folosească fotonii solari pentru electroliza apei și obținerea de hidrogen.

Pentru ca un material să poată electroliza apa în mod direct, el trebuie să elibereze electroni de o anumită energie atunci când este lovit de un foton. Atunci când acești electroni sunt destul de excitați energetic pentru a deveni electroni liberi, ei lasă în loc așa-numitele goluri. Pentru a umple aceste goluri, o moleculă de apă donează unul din proprii ei electroni. În acest mod, electronii și golurile lucrează împreună pentru a oxida apa și a o transforma în hidrogen și oxigen. (1)

Siliciul nu este candidatul ideal pentru această „misiune”: electronii săi nu prezintă energia necesară. Toate materialele au nevoie de cantități diferite și precise de energie pentru ca electronii lor să se desprindă de atom. Atomii de siliciu au nevoie doar de 1,11 electronvolți (eV) pentru a elibera un electron, dar procesul de electroliză a apei necesită electroni de cel puțin 1,23 electronvolți.

Materialele cu adevărat potrivite pot fi obținute folosind substanțe rare. De pildă, s-a reușit eliberarea de electroni, prin combinarea cristalelor de seleniu, de zinc și sulfură de cadmiu cu un catalizator pe bază de platină. Procesul complicat și metalele rare utilizate în acest scop limitează aplicarea acestei tehnologii doar la nivel de laborator.

2.2. Rugina – o soluție eficientă

Din dorința de a eficientiza sistemele de stocare a energiei solare, cercetătorii au început să se preocupe mai îndeaproape de rugină. Energia perfectă de descompunere a oxidului de fier – 2,1 eV – nu este nici măcar cel mai convingător motiv pentru a folosi această substanță nedorită. Este, de asemenea, netoxică și extrem de ieftină. În plus, este atât de abundentă, încât se poate spune că este omniprezentă. Metalele rare nu sunt doar scumpe, sunt și toxice, iar obținerea lor poate fi și imprevizibilă din punct de vedere politic. Cercetătorii vorbesc despre disponibilitatea lor în același mod în care unii oameni previzionează consumul de petrol. De exemplu, atunci când China a redus exporturile de neodim, industria mondială a avut de suferit, fiind afectată, îndeosebi producția de motoare electrice și de magneți. Aceasta nu este, însă, o problemă pentru oxidul de fier: nimeni nu controlează rugina. (2)

De mare importanță, de asemenea, este stabilitatea sa. Multe materiale eșuează sub efectele corozive ale electrolizei apei, dar oxidul de fier poate dura până la un an – unii cred că mai mult.

Deși abilitatea sa de a converti energia solară în hidrogen nu este cea mai eficientă din lume – studii recente indică o limită teoretică de 16,8 la sută – abundența sa poate contrabalansa eficiența scăzută.

Dar materialul identificat de specialiști ca având proprietăți utile în vederea stocăriide energie, este încă departe de perfecțiune. Nu a înregistrat performanțe bune până în prezent, dar aceasta nu înseamnă că nu poate fi făcut să se comporte mai bine. Doar pentru că rugina prezintă proprietățile fizice corecte pentru electroliza apei, nu înseamnă că poate face acest lucru fără ajutor. Prin urmare, majoritatea cercetărilor din domeniul ruginii, din ultimul deceniu, s-au centrat pe procesul de cedare a electronilor săi către apă.

Pentru a ajuta la eliberarea electronilor a fost creată o rugină de dimensiuni nanometrice folosind metoda depunerii „nor”, care implică pulverizarea unei soluții de fier pe o suprafață. Această metodă de depunere face ca oxidul de fier să preia aspectul unor păduri de „copaci”, de forma unor conopide microscopice, creând acel tip de suprafață fractalică din care electronii pot să se elibereze. (3)

Totuși, acest proiect ar putea fi împiedicat de o problemă care apare, în mod paradoxal, atunci când stratul de rugină este foarte subțire. O cerință fundamentală pentru orice material electrolitic este că trebuie să fie, simultan, cât mai gros și cât mai subțire posibil. Un material cât mai subțire este necesar pentru ca electronii să aibă șanse să se elibereze, dar pentru a absorbi cât mai mulți fotoni posibil, stratul de rugină trebuie să fie cît mai gros. Un strat de 20 nanometri absoarbe doar 18 la sută din numărul total de fotoni absorbabili. La o grosime a materialului de 1 micrometru pot fi „prinși” aproape toți – dar apoi rămân blocați. (2)

Pentru a optimiza grosimea stratului de rugină, s-a apelat la fizica cuantică și s-a realizat un dispozitiv care captează lumina în pelicule de rugină cu grosimea de 30 nanometri. Atunci când fotonii pătrund în dispozitiv, ei sunt forțați să străbată o cameră de oglinzi opozabile, în formă de V, din care aceștia ricoșează până când sunt absorbiți. În plus, interferența dintre undele de lumină, care se propagă înainte și înapoi, amplifică absorbția, în special în apropiere de suprafața peliculei. Electronii liberi și golurile pot ajunge cu ușurință la suprafață înainte ca recombinarea să devină posibilă. Mulțumită acestei optimizări, dispozitivul este capabil să absoarbă 71 la sută dintre fotoni, dar este destul de subțire pentru ca electronii să poată scăpa, conducând la o eficiență teoretică de 4,9 la sută. Chiar și această valoare mică este impresionantă, având în vedere standardele joase ale oxidului de fier. Tocmai în aceasta rezidă adevărata „genialitate” a ruginii și motivul pentru care ar putea eclipsa siliciul, în ciuda celor mai scăzute eficiențe. Chiar dacă nu își atinge niciodată maximul de 16 la sută, este atât de ieftină încât poate acoperi suprafețe vaste. Ceea ce contează într-un final nu este eficiența, ci costul per watt. Chiar și o eficiență de 10 la sută, la „prețul corect”, ar învinge o celulă fotovoltaică cu o eficiență de 50 la sută, pentru că rugina ar putea fi împrăștiată pe orice suprafață. (2)

Și exact acesta este scopul: mixtura fieroasă în formă de conopidă, poate acoperi suprafețele asemănător tapetului, imprimând pur și simplu straturi de celule solare, generând hidrogen oriunde este prezentă. Așezările singuratice din deșert ar constitui casa perfectă, iar procesul ar putea folosi apa menajeră.

Înainte ca acest vis să poată fi realizat, pentru o soluție sigură, mai trebuie rezolvate câteva probleme. Odată ce apa este scindată, se creează propiu-zis o „bombă”, pentru că oxigenul și hidrogenul pot reacționa în mod exploziv. Un sfârșit mai prozaic al procesului, dar, de asemenea, la fel de nefericit este că hidrogenul și oxigenul se recombină pentru a forma apa, care este doar un pic mai caldă decât era înainte. (1)

În celula solară cu rugină, separarea celor două gaze este primordială: o membrană atrage oxigenul și hidrogenul în mod diferit, permițându-le să fie produse în mod separat. Ipoteza conform căreia dacă oxigenul nu este folosit, atunci n-ar trebui nici produs, a generat o soluție care folosește apa menajeră de calitate inferioară pentru a „digera” oxigenul. În loc de a deveni un gaz, el reacționează cu compușii organici din apă, permițându-i hidrogenului să călătorească în siguranță spre tancul de depozitare.

Urmează apoi, problema depozitării energiei solare produse folosind rugina: hidrogenul este, în mod special, dificil de păstrat într-un spațiu închis fără a avea la dispoziție materiale rezistente care nu vor coroda sau exploda, materiale care sunt foarte scumpe. Este problema care a blocat toate promisiunile energiei produse pe bază de hidrogen.

Și în acest caz, cercetătorii au identificat o serie de soluții. Astfel, pe lângă îmbunătățirile aduse pilelor de combustie, există și abordări noi: folosirea borohidrurii de sodiu, de scară nanometrică, în procesul de stocare. În mod normal, această sare trebuie să fie încălzită la 550°C pentru a elibera hidrogenul aflat în legăturile sale, dar la scară nanometrică a fost determinată să facă acest lucru la 50°C, ceea ce reprezintă o dezvoltare promițătoare pentru hidrogenul portabil. (2)

Promițătoare, dar nu neapărat necesară. Canistrele simple de hidrogen, aflate deja la locul de transformare și arse în mod similar combustibilului de tabără, reprezintă, de asemenea, o soluție utilizabilă, cu precădere, în zone lipsite de infrastructură energetică, dar unde lumina solară este prezentă din abundență.

Tehnologia actuală dispune de metode de stocare sigură a hidrogenului, astfel încât celulele fotovoltaice cu rugină oferă soluții energetice independente, dispozitive care pot fi instalate și pe acoperișurile din lumea dezvoltată, unde proprietarii lor ar putea obține combustibil din hidrogen și electricitate, fiind independenți față de rețeaua electrică.

Concluzii

După ce omenirea a luptat împotriva ruginii prin mijloace din ce în ce mai ingenioase și mai eficiente, soluția prezentată în lucrare poate constitui un punct de întoarcere. Așa cum au fost prezentate lucrurile, poate că peste câțiva ani ne vom folosi ingeniozitatea și creativitatea pentru a favoriza formarea ruginii în scopul utilizării sale pentru a ne aduce energia solară mai aproape.

BIBLIOGRAFIE

1. Lubik, N., Midnight sun: How to get 24-hour solar power, New Scientist, feb. 2013

2. Tracy, M. Researchers Use Rust and Water to Store Solar Energy as Hydrogen, Technology. Solar Technology, nov. 2012

3. http://www.ecomagazin.ro/energie-solara-noaptea/