Un inventator din Elveţia a creat un panou solar care transformă razele soarelui în căldură de 150°C printr-o soluţie genial de simplă

Uneori, marile invenţii care aduc economii de miliarde, nu vin din descoperirea unui principiu fizic absolut nou, ci din combinarea multiplelor procese şi componente cunoscute anterior într-o singură piesă unitară simplificată, care îndeplineşte multiple roluri, dar e mult mai ieftină decât suma celor pe care le înlocuieşte. Aici un bun exemplu e procesul Tesla Gigacasting, care a aplicat turnarea sub presiune a aluminiului pentru a produce dintr-o singură mişcare o piesă uriaşă, cât aproape o jumătate de maşină. În funcţie de modele, o asemenea piesă înlocuieşte între 60 şi 300 de alte piese mai mici de caroserie, care erau anterior turnate separat, apoi sudate, lipite sau nituite pentru a produce aceeaşi structură. Iar Tesla a făcut profituri imense datorită acestei eficientizării producţiei prin această invenţie. Ei bine, un inventator din Elveţia, pe nume Luca Thommen, de la universitatea ETH Zurich, a creat ceva similar gigacastingului într-un cu totul alt domeniul, cel al căldurii industriale, creând un panou solar unitar, care transformă razele soarelui în căldură de 150°C printr-o soluţie genial de simplă.

Foto: Utiaj imens la Tesla, pentru procesul de Giga casting

Chiar de curând, în articolul despre cel mai mare cuptor hibrid din lume pentru producţia sticlei, construit în Spania, menţionam cât de mare e cererea în lume pentru căldură în industrie, pe lângă mult mai discutata electricitate. Iar căldura nu poate fi înlocuită întotdeauna foarte uşor de electricitate, întrucât apar efecte adverse şi ineficienţe fizice la temperaturi mari, de 1.500°C sau mai mult, cât e nevoie la producţia de sticlă sau de ciment şi oţel.

Ei bine, pe lângă aceste temperaturi mari, industria are nevoie, însă, şi de căldură la temperaturi mult mai mici, de circa 100-150°C. Industria alimentară foloseşte foarte mult asemenea temperaturi, inclusiv pentru pasteurizare sau deshidratare, industria textilă o foloseşte în procesul colorării materialelor, şi multe alte industrii au nevoie de temperaturi similare. Ca să le genereze, de cele mai multe ori se foloseşte arderea gazului sau a altor combustibili fosili.

De mai mult timp, însă, inginerii şi inventatorii din diverse părţi ale lumii, s-au gândit că folosirea soarelui ca sursă de căldură industrială ar putea fi soluţia cea mai logică şi mai bună. S-au creat iniţial captatoare de căldură, inclusiv din cele cu sticlă, care să producă un efect mai mare de încălzire asupra apei din interior. Temperaturile de 60-80° au putut fi atinse cu construcţii relativ simple, dar era nevoie de mult mai mult.

Foto: Panouri solare simple de încălzire a apei

Marele salt în inovaţie şi eficienţă a venit atunci când colectoarele au fost însoţite de elemente optice reflectorizante, sub forma unor oglinzi concave, numite şi heliostate. E un principiu aplicat şi la centralele cu concentrare solară, cu mii sau zeci de mii de heliostate care-şi reflectă lumina concentrată spre un turn central, pentru a-l încălzi, iar multe din aceste centrale au şi pe centrul structurii din faţa oglinzii conducte de apă, care sunt încălzite direct de aceste oglinzi.

Foto: Circuit de apă în zona centrală din faţa oglinzilor la o centrală cu concentrare solară

Ei bine, există deja asemenea colectoare industriale de căldură, care concentrează fasciculele razelor solare şi încălzesc mai eficient apa sau aerul din circuitul din faţa lor, la temperaturi mult mai mari. Doar că, odată cu trecerea la peste 100°C, e nevoie de o cu totul altă rezistenţă a întregului circuit la presiunea aburului care poate fi format. Iar asta complică de obicei construcţia, cu colectoare separate, cu circuite lungi, cu schimbătoare de căldură, cu izolări termice foarte consistente necesare pentru toate componentele, pentru a nu se pierde căldura generată în aer.

Toate astea rezultă în sisteme foarte scumpe, care au făcut adopţia lor de până acum relativ moderată. Pe lângă asta, şi suprafeţele necesare pentru colectoare sunt mari. Spre exemplu, în 2023, Spania a fost inaugurat un asemenea sistem emblematic, în Sevilia, la o fabrică Heineken, cu o putere termică de 30 MW şi stocare de 68 MWh, care ocupa 8 hectare şi a costat 21 milioane de euro, cu tot cu stocare.

Foto: Instalaţia emblematică de 30 MW putere din Spania, inaugurată în 2023

La o scară mai mică, în Emiratele Arabe Unite există o instalaţie de 240 m2 de panouri colectoare, care produce 152 MWh de energie termică pe an, livrând temperaturi cuprinse între 165 şi 185°C. Instalaţia a costat circa 160.000 dolari, în banii anului 2018, ceea ce doar raportat la inflaţie acum ar fi peste 213.000 dolari.

Foto: Instalaţia din Emiratele Arabe Unite

Pentru doar 152 MWh livraţi anual şi o durată de viaţă estimată de 25 ani a sistemului, e un preţ foarte mare. În 25 de ani, sistemul va produce 3.800 MWh de căldură, cu o investiţie de 160.000 dolari iniţială, sau 213.000 dolari dacă e să o raportăm la o eventuală construcţie modernă. Deci, dacă s-ar construi un asemenea sistem azi, cei 213.000 dolari divizaţi la 3.800 MWh de căldură dau 56 dolari/MWh doar în amortizarea acestui capital iniţial, fără mentenanţa sistemului. Pentru comparaţie, un MWh de gaz natural ars produce cam 0,9 MWh de energie termică, deci pentru 1 MWh termic e nevoie de 1,11 MWh de gaz ars. În Dubai, gazul natural e extraordinar de ieftin şi în prezent şi n-ar avea şanse să concureze cu cei 56 USD/MWh de la unitatea solară de la egal la egal. În Spania, gazul livrat industrial costă acum 75 USD/MWh sau 65 EUR/MWh (cam 0,70 euro/m3), fiind un preţ mare, afectat de crizele recente. Deoarece pentru a produce 1 MWh de căldură e nevoie de 1,11 MWh de gaz ars, costul 1 MWh de căldură prin gaz ar fi de 83,25 USD/MWh. Doar la preţul european mare se poate remarca un beneficiu economic, dar există avantajul că gazul poate produce căldură la orice oră. Şi dacă analizăm o medie pe 25 de ani a preţului la gaz, tot acesta iese în avantaj economic.

Prin urmare, marea provocare a inventatorului elveţian a fost să creeze colectoare solare ultra simple şi ultra eficiente, care să coste mult mai puţin, încât să facă decizia economică de a investi în ele una imediată. El a decis să integreze toate funcţiile şi componentele din sistemele existente într-un singur panou solar, într-o singură structură.

Foto: Panoul solar creat de inventatorul elveţian

A folosit minim de metal, doar la conducte de presiune, acolo unde era absolut necesar. A conceput un material izolator rigid din care a făcut toată carcasa, el având şi rol structural, şi rol de izolator termic. Şi a creat o formă cu şanţuri mult mai adânci, unde a încadrat materiale optice reflectorizante uşoare şi ieftine, dar eficiente, de o suprafaţă mai mare decât de obicei, care reuşesc să reflecte mai multe raze solare în stratul colector. Din câte se pare, aceste materiale reflectorizante nu sunt oglinzi scumpe cu sticlă în compoziţia lor, ci un material similar cu luminile alea pătrate din birouri, care aveau sus, în spatele lămpilor, un material foarte uşor reflectorizat. Ceva de acest tip, super ieftin, e folosit şi de inventatorul elveţian.

În rezultat, panoul e foarte uşor şi ieftin în producţie, de câteva ori mai ieftin decât tot ce există, după cum spune inventatorul. Şi totul e conţinut în el. La el se conectează doar circuitul de apă, iar panoul solar începe a trimite apă încălzită la 150 grade Celsius prin circuit, susţinută în formă lichidă prin presiunea din circuit. Faptul că panoul e uşor îl face simplu de instalat pe acoperişurile existente ale fabricilor, ieftin în transportare şi în manopera instalării.

Inventatorul Luca Thommen a obţinut deja susţinere financiară şi logistică de la universitatea ETH Zurich, acolo unde a dezvoltat invenţia sa. Iar într-un an o va prezenta în versiunea finală pentru producţia de serie. Între timp, spune că are deja contacte cu investitori cu ajutorul cărora să poată demara producţia la scară mare a acestor panouri, cu care el speră să ofere alternative la cost neaşteptat de mic pentru a avea căldură industrială de 150°C.

Foto: Luca Thommen

Desigur, ne-am putea întreba ce vor face fabricile care vor dori să funcţioneze şi noapte, iar aici răspunsul e identic cu cel folosit şi de fabricile care folosesc panouri mult mai scumpe — le integrează într-un circuit cu un boiler care funcţionează atunci când nu e soare sau aplică rezervoare de stocare termică în acelaşi circuit. Singurul concurent puternic al acestei tehnologii ar putea fi pompele de căldură industriale, care ating deja 150 grade Celsius la costuri relativ decente, păstrând avantajul funcţionării 24 ore din 24. Totuşi, un panou solar are avantajul fizic al convertirii directe a energie solare în căldură, fără a o trece prin panouri fotovoltaice, fire de electricitate, compresor de pompă de căldură, refrigerent şi abia apoi apă.