Inginerii germani testează o nouă tehnologie de hidrocentrale prin pompare de formă sferică, care nu au nevoie de două lacuri de acumulare şi relief cu diferenţe de altitudine

Hidrocentralele prin pompare sunt o tehnologie bine verificată în timp de a stoca electricitatea, folosind două lacuri de acumulare, superior şi inferior, conectate prin galerii şi turbine reversibile. Atunci când există surplus de electricitate, turbinele o consumă pompând apa din lacul inferior în cel superior. Iar când e nevoie de acea electricitate, apa din lacul de acumulare superior e lăsată să curgă datorită gravitaţiei în cel inferior, punând în mişcare turbinele, care produc electricitate. Ei bine, acum inginerii germani testează o nouă tehnologie de hidrocentrale prin pompare modulare, mult mai mici în dimensiuni, care nu au nevoie de două lacuri de acumulare şi nici de un relief muntos cu diferenţe de altitudine.

Foto: Construcţia unei hidrocentrale prin pompare, pe baza proiectului Tarniţa-Lăpusteşti din România

Tehnologia clasică a hidrocentralelor prin pompare a evoluat în prezent până la un randament de 79-80%, cu un exemplu singular de 81% în Elveţia, ceea ce înseamnă că la fiecare 10 MW consumaţi din reţea în orele de surplus, circa 8 MW sunt returnaţi înapoi, iar altfel hidrocentralele prin pompare funcţionează ca un soi de baterii de reţea. Acestea din urmă au un randament ceva mai mare, de circa 85-92% şi sunt mai ieftine în costul iniţial. Doar că, spre deosebire de bateriile litiu-ion, hidrocentralele prin pompare au o durată de viaţă de minim 60 de ani şi nu-şi degradează capacitatea de stocare odată cu trecerea timpului.

Foto: Centrală de reţea cu baterii

Însă complexitatea şi costul de construcţie a hidrocentralelor prin pompare e mult mai mare, fiind de circa 5-6 mii dolari SUA per kW de putere instalată. Asta înseamnă că, dacă se doreşte o hidrocentrală prin pompare cu putere de 500 MW livrată în reţea, costul de construcţie poate ajunge la 2,5 miliarde de dolari cu uşurinţă, iar la una de 1 GW — costul ajunge la 5 miliarde. În timp, raportând la durata mare de viaţă, costul de stocare e oricum mai mic la o asemenea hidrocentrală decât la centralele cu baterii, dar puţine ţări îşi pot permite investiţii iniţiale atât de mari şi termeni de construcţie de minim 5-6 ani.

Şi apoi, mai există o mare problemă care limitează răspândirea acestor hidrocentrale, poate două probleme chiar. Prima e relieful muntos necesar, cu o diferenţă de altitudine de minim 600-700 metri preferabil, dar nu mai puţin de 300-400 metri. E preferabil şi un relief unde să poată fi format un lac de acumulare prin construcţia unui baraj, iar aceste condiţii trebuie să se repete la diferenţe de altitudine, într-o zonă relativ apropiată. Cea de-a doua problemă ar fi impactul ecologic pe care-l creează construcţia acestor lacuri de acumulare pentru flora şi fauna de acolo.

Ei bine, noua tehnologie e inginerilor germani este cumva genial de simplă prin faptul că vrea să folosească principiul de bază, dar să nu depindă de relieful muntos şi să nu necesite construcţia de baraje şi lacuri de acumulare, reducând substanţial costul şi timpul de construcţie.

Noua tehnologie se bazează pe o ideea elaborată în 2011 de inginerii profesori Dr. Horst Schmidt-Bocking şi Dr. Gerhard Luther, de la Institutul Economiei Energiei Fraunhofer din Germania şi presupune folosirea unor sfere amplasate în adâncurile lacurilor sau mărilor, din care apa ar fi pompată spre exterior şi apoi ar fi lăsată din nou în interior.

Aici cititorii noştri fideli ar putea să-şi amintească de o tehnologie de hidrocentrale pe fundul mării elaborată în Estonia, despre care scriam în luna aprilie a acestui an. Tehnologia a fost elaborată de start-up-ul Zero Terrain şi va fi deja implementată în prima hidrocentrală din Estonia. Tehnologia presupune construirea unor rezervoare subacvatice, la circa 700 metri adâncime. Gurile de admisie sunt poziţionate aproape de ţărm, mai la suprafaţă, apa având şi o cădere gravitaţională, dar fiind şi uşor ajutată de presiunea hidrostatică, punând în funcţiune turbine în calea sa. Hidrocentrala estoniană construită pe această tehnologie a avea 500 MW putere şi 6 GWh capacitate de stocare, deci poate furniza electricitate la puterea maximă timp de 12 ore.

Foto: Schema principiului de funcţionare a noii hidrocentrale din Estonia

Tehnologia inginerilor germani e ceva mai diferită, însă, dar are şi asemănări. Ea presupune amplasare pe fundul mării a unor sfere de beton armat, de 9 metri în diametru, fiecare sferă având 400 tone. Sfera are un soi de tub central, cu altul mai subţire în interior, aceste tuburi având rolul de galerie de acces a apei în interiorul sferei, în ele fiind integrată şi turbina reversibilă. În exteriorul sferei nu mai există decât o mică galerie de acces a apei, iar sfera cu turbină în interior îşi ia apa direct din jurul său, fiind plasată la o adâncime de minim 500 metri. Înălţimea optimă, însă, e cuprinsă între 600 şi 800 metri.

Astfel, sfera nu are construcţii sofisticate de galerii de la ea către suprafaţă, ci doar un cablu electric subacvatic. Apa pătrunde în sferă doar datorită presiunii hidrostatice, fără a fi nevoie de folosirea gravitaţiei în interiorul galeriei, cu diferenţe de altitudine. Atunci când o sferă e plină cu apă, ea e „descărcată”. Atunci când există surplus de electricitate în reţea, turbina porneşte şi pompează apa din sferă spre exterior, întâmpinând rezistenţa presiunii apei din jurul său, la acea adâncime. Iar când se doreşte returnarea energiei în reţea, apa e lăsat să curgă din nou în interior, umplând sfera şi propulsând turbina în calea sa, pentru a genera electricitatea.

Acum foarte mulţi dintre cititori probabil îşi pun deja întrebarea cheie — ce rămâne în interiorul sferei atunci când apa e evacuată de acolo? Logica ne spune că ar trebui să existe un canal de aer conectat la suprafaţă, astfel încât apa să poată fi pompată mai uşor în afară, fără ca turbina să mai întâmpine şi rezistenţa de presiune negativă din interior, întrucât evacuarea apei fără a o înlocui cu aer ar crea un mediu aproape de vacuum. Toate astea pot suna frumos, doar că un vacuum în interiorul unei sfere de beton la o adâncime de 600-700 metri creează un risc mult mai mare de implozie, exact ca în cazul micului submarin Titan al celor de la Ocean Gate, care a suferit un asemenea scenariu anul trecut.

Doar că tehnologia germanilor presupune exact asta, formarea de vacuum şi lipsa oricărei galerii de aer conectată la suprafaţă. Ei spun că forma sferică e tocmai cea care garantează că până şi la 700 metri adâncime betonul simplu a asigura rezistenţa necesară.

O singură asemenea sferă are 9 metri diametru în forma sa de prototip, care va fi instalată acum pe coasta SUA şi va asigura o putere de 0,5 MW cu o capacitate de stocare de 0,4 MWh. Deci, teoretic, îşi poate descărca energia mult mai repede ca o centrală de baterie, în doar 48 de minute, iar dacă se doreşte mai mult, o hidrocentrală subacvatică îşi poate gestiona pur şi simplu succesiunea necesară de turbine pornite. Cu asemenea sfere, o hidrocentrală de 200 MW putere ar trebui să aibă 400 de asemenea sfere şi ar putea stoca 160 MWh de electricitate.

Sună ca un număr foarte mare necesar de sfere pentru a atinge parametrii unei centrale de reţea de talie actuală, dar inginerii germani ne spun că la scara funcţională normală o sferă va avea 5 MW putere, iar întrucât odată cu diametrul unei sfere, volumul creşte şi mai mult, capacitatea de stocare va fi de 20 MWh pe sferă, ceea ce o va aduce la parametrii centralelor prin baterii, de 4 ore de funcţionare. O hidrocentrală de 200 MW putere cu asemenea sfere, spre exemplu, va avea nevoie deja de doar 40 de sfere şi va avea deja o capacitate de stocare de 800 MWh.

Germanii spun că tehnologia lor e mult mai ieftină decât o hidrocentrală prin pompare, având un cost iniţial de construcţie şi instalare de doar 1.354 euro/kW de putere. Asta înseamnă că o sferă de 5 MW ar costa cam 6,77 milioane euro. Costul amortizat de stocare a unui kWh de electricitate ar fi de 4,6 cenţi per kWh.

Randamentul tehnologiei e un pic mai mic decât la hidrocentralele clasice prin pompare, fiind cuprins între 75 şi 80%, dar costul mult mai mic şi lipsa degradării în timp compensează această diferenţă de randament, zic inginerii. Durata de viaţă a unei asemenea sfere ar fi de 60 de ani, cu turbinele schimbate la fiecare 20 de ani.

Inginerii germani au testat iniţial tehnologia în lacul Konstanz de la hotarul Germaniei, Austriei şi Elveţiei, printr-o sferă mult mai mică, iar acum va urma testarea cu sfera de 9 metri diametru şi 0,5 MW putere pe coasta Californiei. Pentru acest test, inginerii au primit 3,4 milioane de euro de la guvernul Germaniei şi alte aproape 4 milioane de dolari de la Departamentul Energiei al SUA. După acest test, poate fi demarată şi construcţia hidrocentralelor adevărate de asemenea tip, iar inginerii spun că potenţialul global de a le instala e uriaş, doar în 10 locaţii vizate de ei de pe coastele continentul european capacitatea sumată atinsă putând fi de 166 TWh de stocare. Iar construirea acestor sfere în adâncuri ar genera un impact ecologic mult mai mic şi ar fi mult mai uşor de aprobat şi acceptat de public în raport cu hidrocentralele clasice, nemaivorbind de timpul mult mai scurt în care asemenea hidrocentrale prin pompare pot fi construite.