• envinow.gr

Ηλιακοί θερμικοί συγκεντρωτικοί συλλέκτες: Μία εναλλακτική απάντηση στο ενεργειακό αδιέξοδο

του Ευάγγελου Μπέλλου*

Λήψη από τον Kindel Media, Pexels.com

Η ενεργειακή κρίση που βιώνει η ανθρωπότητα, σε συνδυασμό με τη διαρκή προσπάθεια απανθρακοποίησης της κοινωνίας μας οδηγεί στην υιοθέτηση καθαρών και πράσινων τεχνολογιών οι οποίες δύναται να οδηγήσουν στη βιωσιμότητα. Η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελεί ένα σημαντικό πυλώνα του νέου ενεργειακού χάρτη και γι αυτό το σκοπό πραγματοποιείται μία ταχύρρυθμη στροφή σε αυτές. Ωστόσο, η ολική στροφή προς τις συμβατικές ανανεώσιμες ενεργειακές τεχνολογίες ηλεκτροπαραγωγής (πχ. Φωτοβολταϊκά & Ανεμογεννήτριες) αντιμετωπίζει σημαντικό ζήτημα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη απορρόφηση της παραγόμενης ισχύος ή ακόμα και σε έλλειψη ισχύος σε ορισμένες περιπτώσεις. Η χρήση συστοιχιών από μπαταρίες αποτελεί μία λύση αποθήκευσης, όμως αντιμετωπίζει ζητήματα κόστους, γήρανσης και επάρκειας πρώτων υλών για τη κατασκευή. Συνεπώς, το ενδιαφέρον στρέφεται τα τελευταία χρόνια σε εναλλακτικές ανανεώσιμες μορφές ενέργειας και αποθήκευσης, όπως είναι οι τεχνολογίες «Power to X» ή τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου με χρήση ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας.


Μία εναλλακτική λύση στο πεδίο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η οποία δύναται να αντιμετωπίσει τα ζητήματα αποθήκευσης και όχι μόνο, αποτελεί η αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας από ηλιακούς συγκεντρωτικούς θερμικούς συλλέκτες. Σε αντίθεση με τα φωτοβολταϊκά πάνελ, οι θερμικοί ηλιακοί συγκεντρωτικοί συλλέκτες αιχμαλωτίζουν την ηλιακή ακτινοβολία και την μετατρέπουν σε θερμότητα υψηλών θερμοκρασιών (συνήθως έως τους 600οC) και στη συνέχεια τροφοδοτούν ένα θερμοδυναμικό κύκλο (π.χ. κύκλο Rankine με νερό/ατμό ή οργανικό μέσο – ORC) προς παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Το πλεονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι η δυνατότητα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας σε προηγμένα δοχεία θερμικής αποθήκευσης, κάτι που οδηγεί σε σταθερή λειτουργία του συστήματος, χωρίς ουσιώδεις διακοπές λειτουργίας (π.χ. εξαιτίας πρόσκαιρης μείωσης του ηλιακού δυναμικού). Συνεπώς, τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος από θερμικούς συγκεντρωτικούς συλλέκτες (CSP – Concentrating Solar Power) αποτελούν μία ολοκληρωμένη λύση παραγωγής και αποθήκευσης η οποία ενδείκνυται σε χώρες με υψηλή ηλιοφάνεια, όπως η Ελλάδα. Είναι γεγονός, πώς τέτοιες μονάδες «ξεπηδούν» τα τελευταία χρόνια σε όλη τη Μεσόγειο, με την Ισπανία να είναι ο ηγέτης τόσο σε Ευρωπαϊκό αλλά και Παγκόσμιο επίπεδο.


Στο τεχνικό κομμάτι, υπάρχουν διαφορετικές τεχνολογίες ηλιακών συγκεντρωτικών συλλεκτών οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η βασική ιδέα είναι κοινή και βασίζεται στη χρήση κατόπτρων τα οποία ανακλούν την προσπίπτουσα άμεση ηλιακή ακτινοβολία στο δέκτη με στόχο την λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες και την επίτευξη υψηλής θερμικής απόδοσης από τον συλλέκτη. Σημαντική απαίτηση του συστήματος είναι η διαρκής κίνηση του κατόπτρου με στόχο την παρακολούθηση της τροχιάς του ήλιου, κάτι που καθιστά το σύστημα περίπλοκο αλλά το ζήτημα αυτό έχει αντιμετωπιστεί επιτυχώς από τεχνολογική σκοπιά εδώ και δεκαετίες. Η πιο διαδεδομένη τεχνολογία CSP είναι αδιαμφισβήτητα ο παραβολικός επιμήκης συγκεντρωτικός συλλέκτης (PTC – Parabolic Trough Collector), ενώ τα τελευταία χρόνια κερδίζει έδαφος η τεχνολογία του ηλιακού πύργου (Solar Tower) ή αλλιώς το κεντρικό σύστημα. Οι τεχνολογίες αυτές είναι αποδοτικές, αξιόπιστες και προσφέρονται σε μεσογειακά κλίματα για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος με μικρότερη μεταβλητότητα σε σχέση με τα συμβατικά ανανεώσιμα συστήματα.


Ένα επιπλέον πλεονέκτημα των ηλιακών θερμικών συστημάτων είναι η δυνατότητα αξιοποίησης τους σε συστήματα συμπαραγωγής ή τριπαραγωγής με στόχο την παραγωγή περισσότερων ενεργειακών προϊόντων, πέρα από τον ηλεκτρισμό. Συνεπώς, συστήματα με παραβολικούς ηλιακούς συλλέκτες δύναται να παράγουν ηλεκτρισμό, θέρμανση και ψύξη, καλύπτοντας όλες τις ενεργειακές ανάγκες ενός κτηρίου ή ακόμα και μίας κοινότητας. Πρακτικά η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας, με αυξημένη θερμική απόδοση, δίνει την ευελιξία στο σχεδιασμό έξυπνων συστημάτων τα οποία μπορούν να διαχειρίζονται κατάλληλα την παραγόμενη θερμότητα και να την αξιοποιούν κατάλληλα για να καλύψουν τις άμεσες ανάγκες του χρήστη. Τέτοια συστήματα μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια τις ώρες αιχμής, ενώ τις ώρες μειωμένης ζήτησης έχουν τη δυνατότητα να παράγουν ψύξη ή θέρμανση και να την αποθηκεύουν για χρήση κατά το προσεχές διάστημα. Η δυνατότητα αυτή κάνει ξεκάθαρο το πλεονέκτημα αυτών των τοπολογιών, σε σχέση με τις συμβατικές, και θέτει τις βάσεις για τα ενεργειακά συστήματα του μέλλοντος το οποία μπορούν να συνδυαστούν βέλτιστα με τα έξυπνα κτήρια τα οποία βρίσκονται προ των πυλών. Εν κατακλείδι, η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας με συγκεντρωτικά θερμικά συστήματα προσφέρει μία σειρά από πλεονεκτήματα τα οποία απαντούν στις προκλήσεις του σήμερα και οδηγούν τα ανανεώσιμα σε μία άλλη διάσταση, της ολιστικής κάλυψης των ενεργειακών αναγκών με χρήση κατάλληλης θερμικής αποθήκευσης.


*Ο Ευάγγελος Μπέλλος είναι Διδάκτωρ Μηχανολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, Ερευνητής στο ΕΚΕΤΑ