Transcript
Page 1: Energii Regenerabile I Curs

CAPITOLUL 1

RESURSE ENERGETICE REGENERABILE

1. GENERALITǍȚI

Sursele regenerabile de energie sunt surse de energie din categoria nefosile, care se găsesc permanent în natură. Energiile regenerabile sunt, la scara noastră a timpului, irosite continuu de natură. Ele au ca origine razele Soarelui, nucleul Pamântului şi interacţiunile gravitaţionale ale Lunii şi ale Soarelui cu oceanele. Astfel, energia solară contribuie într-o proporţie de peste 99% la producerea fenomenelor care au loc pe suprafaţa Pământului, miezul fierbinte al globului terestru generează temperaturi ridicate şi vapori de apă, iar forţa de atracţie a Lunii se exercită în principal asupra Oceanului Planetar sub forma mareelor. Se disting, astfel, energii regenerabile de origine eoliană, solară, hidraulică, geotermică şi datorată biomasei.

La etapa actuală, omenirea beneficiază practic de trei categorii de surse de energie, bazate pe: a) combustibili fosili (cărbune, gaze, petrol); b) energia nucleară; c) resurse regenerabile (energia solară, energia vântului, energia potenţială a apelor, energia geotermală etc.). Aceste trei categorii de surse se deosebesc considerabil prin capacitatea lor de a produce energie în condiţiile şi în perioadele de timp solicitate, după preţul energiei produse, după gravitatea impactului asupra mediului ambiant.

a) Combustibilii fosili pe parcursul ultimelor două secole au servit drept bază a energeticii moderne, constituind suportul energetic al industrializării şi al progresului tehnico-ştiinţific înregistrat în perioada menţionată. Astăzi, circa 90% din cererea globală de energie este satisfăcută prin utilizarea combustibililor fosili. Valoarea calorică mare, posibilitatea stocării în cantităţile necesare, pentru utilizarea la locul şi în timpul preconizat, constituie avantajele principale care au determinat folosirea atât de masivă a acestui tip de combustibil. Însă, numeroasele dezavantaje caracteristice acestor resurse energetice, printre care două, cu cele mai grave consecinţe (volumul limitat al rezervelor exploatabile de combustibili fosili şi impactul puternic asupra mediului ambiant) pun sub semnul întrebării însăşi posibilitatea existenţei într-un viitor apropiat a energeticii bazate pe arderea combustibililor fosili. Zăcămintele de petrol, gaze naturale şi cărbune sunt limitate şi, într-o perioadă scurtă, acestea pot fi epuizate. Astfel, rezervele globale de petrol se vor epuiza în 40-50 de ani, iar gazele naturale vor putea acoperi necesităţile energeticii globale pe o perioadă la fel de scurtă (60-70 de ani). Rezervele de cărbune sunt ceva mai mari, dar este greu să ne imaginăm o energetică modernă bazată pe cărbune, cu toate problemele legate de extragerea,

Page 2: Energii Regenerabile I Curs

2

transportarea şi folosirea acestuia sau un transport al secolului al XXI-lea ce foloseşte drept combustibil cărbunele. A doua cauză care va determina apusul energeticii bazate pe utilizarea combustibililor fosili este impactul asupra mediului. Procesul de ardere a cărbunelui, petrolului şi gazelor naturale este însoţit de emisii considerabile de bioxid de carbon (CO2), bioxid de sulf (SO2), oxizi de azot (NOx), alte gaze şi particule solide poluante. Bioxidul de carbon este gazul cu cel mai pronunţat efect de seră. Stratul de CO2 din atmosferă joacă rolul unui filtru unidirecţional pentru razele solare şi cele reflectate sau iradiate de suprafaţa Terrei. Razele solare (cu lungime de undă mică) trec liber prin atmosferă, pe când razele emise de suprafaţa încălzită a Terrei (raze infraroşii cu lungimea de undă mare) sunt respinse (reflectate) de către stratul de CO2 din atmosferă. Astfel, grosso modo, poate fi descris efectul de seră al stratului de CO2. Sporirea procentului de CO2 în atmosferă dereglează echilibrul termic al Terrei. Modificările de doar ordinul zecimilor de grad ale temperaturii medii globale sunt suficiente pentru schimbări imprevizibile ale climei.

b) Era energiei nucleare începe în anii /70 ai secolului al XX-lea, cunoaşte o dezvoltare spectaculoasă şi mult promiţătoare în anii /80, cucerind, la sfârşitul anilor /90 electroenergetica celor mai dezvoltate ţări europene, a Statelor Unite ale Americii şi Canadei. Catastrofa de la Cernobâl (1986) a pus sub un mare semn de întrebare viitorul energeticii bazate pe fisiunea nucleară. Riscul unor eventuale explozii, problema colectării, depozitării şi prelucrării deşeurilor radioactive, provenite de la centralele nucleare, problema conservării centralelor după expirarea termenului de exploatare, au determinat ţările mari ale lumii să stopeze programele nucleare şi să renunţe la construirea de noi grupuri nuclearoelectrice.

c) Tehnologiile energetice bazate pe resurse regenerabile generează relativ puţine deşeuri sau poluanţi, care contribuie la ploile acide, smoguri urbane sau determină probleme de sănătate şi nu impun costuri suplimentare pentru depoluarea mediului sau pentru depozitarea deşeurilor. Posesorii de sisteme energetice bazate pe resurse regenerabile nu trebuie să fie îngrijoraţi de schimbările potenţiale globale ale climatului, generate de excesul de CO2 şi alte gaze poluante. Sistemele energetice solare, eoliene şi geotermale nu generează CO2 în atmosferă, dar biomasa absoarbe CO2 când se regenerează şi, de aceea, întregul proces de generare, utilizare şi regenerare a biomasei conduce la emisii globale de CO2 apropiate de zero. Criteriile principale care determină perspectivele exploatării surselor de energie regenerabile sunt: - răspândirea destul de uniformă pe întregul glob şi accesul la utilizarea lor al majorităţii ţărilor lumii; - aflarea lor în apropiere de locul de consum şi, ca urmare, lipsa necesităţii de a transporta energia la distanţe mari; - majoritatea acestor surse sunt nepoluante. Aceste avantaje importante au determinat ţările industrializate, dar şi multe state în curs de dezvoltare, să dezvolte treptat un sistem energetic nou, care să ia în calcul şi sursele de energie regenerabile netradiţionale.

Page 3: Energii Regenerabile I Curs

3

Sursele de energie regenerabile sunt răspândite pe glob mult mai uniform decât resursele de combustibili fosili. Fiecare ţară de pe mapamond dispune de anumite rezerve de energie solară, eoliană, geotermală, de biomasă sau de energie hidraulică. Dezavantajele care au reţinut un timp îndelungat implementarea pe scară largă a surselor de energie regenerabile sunt: - energia acestor surse este dispersată, ceea ce determină costuri mari ale instalaţiilor de producere a energiei finale, destinate pentru consum; - neuniformitatea de distribuţie în timp; - lipsa posibilităţilor de stocare, de formare a rezervelor. Datorită progreselor deosebite din ultimele două decenii, tehnologiile şi instalţiile de producere a energiei electrice şi termice din surse regenerabile pot concura, din punct de vedere economic, cu cele tradiţionale. Cea mai eficientă cale de reducere a emisiilor de CO2 în energetică este utilizarea instalaţiilor de producere a energiei electrice şi termice din resurse regenerabile. După cum se subliniază în Raportul Consiliului Energetic al Uniunii Europene, aceste instalaţii urmează a fi exploatate în contextul unei politici energetice unice, care integrează armonios aspectele ambientale şi pe cele de dezvoltare durabilă. Este incontestabil faptul că, pe viitor, sursele de energie regenerabile vor fi o parte componentă importantă a sistemelor energetice. Se prevede ca, în preajma anului 2020, sursele regenerabile de energie să acopere de la 3-4% (varianta cea mai pesimistă) până la 8-12% (varianta cea mai optimistă) din consumul mondial de energie. Estimările pe termen lung demonstrează că şi în următorii 20 de ani combustibilii fosili vor rămâne sursa principală a energeticii mondiale, cota-parte a energeticii nucleare va descreşte lent, iar cota-parte a surselor regenerabile va creşte pânăla 10,5% în anul 2020. La producerea de energie electrică, mecanică sau termică din surse regenerabile, pot fi folosite următoarele tehnologii de conversie: - energia eoliană - energie electrică sau energie mecanică; - energia solară - energie electrică sau energie termică; - energia potenţialului hidraulic al râurilor - energie electrică sau energie mecanică; - energia geotermală - energie termică sau energie electrică; - energia biomasei, inclusiv a deşeurilor organice - energie electrică sau energie termică.

La momentul actual, cele mai valorificate surse sunt: energia hidraulică a râurilor, energia eoliană, energia solară şi cea de conversie a biomasei. Hidrocentralele produc astăzi circa 22% din volumul global de energie electrică. Deoarece resursele râurilor mari sunt aproape complet utilizate, nu se poate miza pe o majorare substanţială a puterii hidrocentralelor în raport cu cea actuală. Rezervele de energie geotermală sunt puţin exploatate deocamdată. Cea mai mare perspectivă o oferă tehnologiile (care sunt şi cele mai bine puse la punct) de producere a energiei electrice din vânt (energia eoliană), precum şi instalaţiile solare termice şi fotovoltaice.

Page 4: Energii Regenerabile I Curs

4

Energia eoliană are o bună perspectivă la producerea de energie electrică pe scară largă. Aerogeneratoarele cu puteri de la 0,6 până la 3 MW, asociate în grupuri mari (ferme eoliene) şi conectate la reţeaua electrică publică, generează energie electrică în paralel cu centralele termoelectrice, hidraulice sau nucleare. Convertoarele fotovoltaice transformă energia solară direct în energie electrică. Cei mai indicaţi beneficiari în acest caz, sunt consumatorii de energie electrică izolaţi, care nu au acces la reţeaua publică. Captatoarele solare reprezintă cele mai moderne tehnologii de captare a energiei solare şi de conversie a acesteia în energie termică pentru încălzirea/răcirea caselor de locuit şi obţinerea apei calde pentru menaj.

2. PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE PE BAZA SURSELOR REGENERABILE 2.1. Modalităţi de producere a energiei electrice Cel mai răspândit procedeu de producere a energiei electrice necesită o sursă de căldură, care să asigure încălzirea apei în scopul obţinerii de vapori sub presiune. Aceşti vapori, destinzându-se într-o turbină, antrenează generatorul (de curent alternativ), care produce energie electrică. După ce au efectuat lucrul mecanic necesar, vaporii sunt condensaţi cu ajutorul unei surse de frig, care este, în general, o sursă de apă rece (apă curgătoare, mare), în care se construiesc circuite de răcire. În figura 1 este reprezentat ciclul de producere clasică a energiei electrice.

Fig. 1. Ciclul clasic de producere a energiei electrice.

În cazul în care căldura rezultată la condensarea vaporilor este recuperată şi utilizată pentru încălzire, apare noţiunea de cogenerare.

Page 5: Energii Regenerabile I Curs

5

Sursa de căldură, este în mod clasic, rezultatul arderii combustibililor fosili (petrol, gaz, cărbune), sau rezultatul fisiunii nucleare, în reactoare proiectate să controleze amploarea acestei reacţii. Combustibilii fosili sau uraniul, utilizate în aceste cicluri, pot fi înlocuite de surse regenerabile. Sursa de căldură poate fi astfel: - arderea biomasei (lemn, biogaz, deşeuri organice); - căldura din interiorul planetei (geotermică), ce poate fi obţinută fie prin pomparea către suprafaţă direct a apei calde, fie exploatând temperatura ridicată a rocilor de adâncime, prin injectarea apei de la suprafaţă şi recuperare ei, după încălzire; - soarele, prin concentrarea razelor cu ajutorul unor oglinzi parabolice, sau prin exploatarea apei calde de la suprafaţa mărilor din zonele tropicale. În cazul unor surse regenerabile de energie, nu este necesară sursa de căldură pentru producerea energiei electrice. Este cazul energiei eoliene, hidraulice şi solare fotovoltaice. În cazul energiilor eoliană şi hidraulică, turbina ce antrenează generatorul electric este antrenată, la rândul ei, de presiunea vântului sau a apei. În figura 2 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Fig. 2. Modalitatea eoliană sau hidraulică de producere a energiei electrice.

Energia electrică furnizată de generator, poate fi injectată direct în reţeaua electrică, fără utilizarea unui convertor static de putere, indicat în figura 2, dar, în acest caz, pentru a menţine constantă frecvenţa tensiunii (şi a curentului) la 50 sau 60 Hz, viteza generatorului trebuie menţinută constantă, acţionându-se pentru aceasta asupra orientării palelor turbinelor eoliene sau, în cazul turbinelor hidraulice, prin reglarea debitului de apă. Avantajul convertoarelor statice de putere constă, pe de o parte, în posibilitatea funcţionării alternatorului la viteză variabilă şi, pe de altă parte, în creşterea randamentului conversiei energetice, prin reducerea complexităţii controlului mecanic al palelor turbinelor eoliene sau al debitului de apă în cazul turbinelor hidraulice. Acest tip de funcţionare cu viteză variabilă se dezvoltă în domeniul generării hidraulice (mai ales pentru mică putere) şi tinde să se generalizeze în cazul generării eoliene, unde acest tip de funcţionare apare în mod natural, datorită variaţiilor semnificative ale vitezei vântului. În cazul generării solare fotovoltaice, energia electrică este produsă direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei conţinute de radiaţia solară. Convertoarele statice de putere sunt în general utilizate pentru a asigura optimizarea conversiei energetice. În figura 3 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Page 6: Energii Regenerabile I Curs

6

Fig. 3. Modalitatea solară fotovoltaică de producere a energiei electrice. 2.2. Factorul de randament. Factorul cheie pentru competitivitatea sistemelor de producere a electricităţii bazate pe energii regenerabile este preţul kilowattului-oră produs. Acest cost se calculează plecând de la preţul de investiţie al sistemului de generare, de durata sa, de mărimea dobânzii la eventualul împrumut contractat şi de costurile de funcţionare legate de întreţinere, de energia primară (care este gratuită dacă este vorba de soare, vânt etc. şi plătită în cazul combustibililor fosili, nucleari). În sistemele care funcţionează într-o manieră aleatoare (eoliene, solare, hidro), productivitatea sistemului depinde fundamental de condiţiile naturale (de exemplu, cât din perioada unei zile este însorită); în concluzie, deci, costul de investiţie depinde în mod direct de puterea critică. O instalaţie eoliană de 1MW poate furniza cel mult o putere de 1MW, dar ea nu poate produce această putere în permanenţă, din pricina fluctuaţiilor vitezei vântului, spre deosebire de centralele care utilizează combustibili fosili sau nucleari. Pentru instalaţiile eoliene, solare, microhidraulice, ceea ce contează este puterea generată (nu cea instalată).

Tabelul 1 prezintă randamentul instalaţiilor de producere a electricităţii pe bază de energii regenerabile, în instalaţii care nu se bazează pe ciclul clasic apă-vapori. Randamentul este raportul dintre energia furnizată de sistemul de producţie în toată durata lui de viaţă şi energia consumată pentru a construi sistemul de producţie.

Tabelul 1. Factorul de randament al sistemelor de producere a energiei electrice pe baza energiilor regenerabile.

Instalaţia Factorul de randament Hidraulică de mare putere 100 – 200

Hidraulică de mică putere (microhidarulică) 80 – 100 Eoliană 10 – 30

Solară fotovoltaică 3 - 6

Factorul de randament este mai bun pentru instalaţiile hidraulice de mare putere (durată de viaţă de peste 30 ani, ajungând chiar la 50 ani) în raport cu instalaţiile hidraulice de mică putere (durată de viaţă între 20 şi 50 ani). Puterea instalaţiilor eoliene a evoluat de la câteva sute de kW, înainte de 2000, ajungând la ordinul MW, după 2000 şi putându-se stabiliza la o putere de 5 MW în 2010. Durata de viaţă a unei instalaţii eoliene este de 20 până la 25 ani. Sistemele fotovoltaice au un factor de randament foarte scăzut, din cauză că realizarea celulelor cu siliciu necesită multă energie. O celulă generează abia după 4 sau 5 ani energia consumată la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de 20 - 30 ani, factorul de randament poate ajunge, în cele mai bune cazuri, la valoarea de 6.

Page 7: Energii Regenerabile I Curs

7

3. POTENŢIALUL SURSELOR REGENERABILE DE ENERGIE ÎN UNIUNEA EUROPEANǍ ȘI ȊN ROMȂNIA 3.1. Premise de valorificare a surselor regenerabile de energie în Uniunea Europeană

Anul 1986 este anul în care s-a definit conceptul de dezvoltare durabilă după cum urmează: "satisfacerea necesităţilor prezentului fără a ipoteca capacitatea generaţiilor viitoare de a-şi satisface propriile necesităţi". Acest concept implică interesul dezvoltării a noi surse de energie şi minimizarea reziduurilor care afectează mediul. Combustibilii fosili se prezintă ca o resursă finită şi economic limitată, inducând emisii ce afectează mediul şi contribuie la schimbarea climatului. Un sistem energetic durabil trebuie să integreze surse de energie regenerabile şi lanţuri de ardere cu emisii reduse, accesibile la costuri acceptabile. Din fericire, faptul că stabilizarea noilor infrastructuri energetice durează decenii, un număr din ce în ce mai mare de mari companii se implică în dezvoltarea şi comercializarea acestor noi tehnologii. Dezvoltarea durabilă necesită generarea echilibrului între dezvoltarea economică, echitatea socială şi protecţia mediului, în toate regiunile planetei. Acest concept nu poate, deci, să se concretizeze fără o reală voinţă politică a unui număr mare de ţări. Problema limitării emisiilor de CO2 în atmosferă şi măsurile concrete privind reducerea acestora au fost formulate în Protocolul de la Kyoto. Statele membre ale ONU au convenit, în cadrul Protocolului de la Kyoto, de a reduce cu 8% emisiile totale de CO2 şi de alte cinci gaze cu efect de seră, până în anii 2008 - 2012, în raport cu nivelul corespunzător anului 1990. Între ţările membre ale UE a fost stabilit un acord, acceptat de Comisia Europeană (martie,1997), privind reducerea emisiilor de CO2 cu 15% pentru Comunitate. Acesta a fost inclus în documentul votat la Conferinţa ONU de la Kyoto. Mai mult de jumătate dintre ţări trebuie să-şi reducă emisiile (Germania, Austria, Belgia, Danemarca, Italia, Luxemburg, Olanda), anumite ţări trebuie să-şi stabilizeze emisiile (Franţa, Finlanda), în timp ce alte ţări sunt autorizate să-şi crească emisiile (Grecia, Irlanda, Portugalia, Spania, Suedia). Pentru a opri creşterea concentraţiei de bioxid de carbon prezent în atmosferă până în 2050, trebuie înjumătăţite emisiile actuale la nivel planetar şi, deci, reduse de 3 până la 5 ori în ţările dezvoltate. La începutul anilor 2000, Comisia Europeană a făcut din dezvoltarea energiilor regenerabile o prioritate politică scrisă în Cartea Albă, "Energie pentru viitor: sursele de energie regenerabilă" şi Cartea Verde, "Spre o strategie europeană pentru siguranţa în alimentarea cu energie". Comisia şi-a fixat ca obiectiv dublarea, până în anul 2010, a aportului surselor regenerabile de energie al ţărilor membre ale Uniunii Europene, care trebuie să ajungă, treptat, de la 6% în 1995, la 12% în consumul total de resurse primare. Acest obiectiv este inserat într-o strategie de securitate a aprovizionării şi dezvoltare durabilă. Un efort semnificativ trebuie realizat în domeniul electric. În cadrul Uniunii Europene, partea de electricitate produsă pe baza surselor de energie regenerabile trebuie să ajungă la 22,1% în 2010, faţă de 14,2% în 1999. Acest obiectiv, definit pentru Europa celor 15 în acel moment, a fost revăzut sensibil, pentru Europa celor 25, ponderea electricităţii produse pe baza surselor de energie regenerabile trebuind să atingă 21%. O creştere a părţii de energii regenerabile este previzibilă, dar importanţa sa va depinde de reducerea costurilor şi de progresele realizate în stocarea masivă de electricitate, care va permite integrarea în reţelele electrice a unor cantităţi mari de energie produsă

Page 8: Energii Regenerabile I Curs

8

discontinuu şi distribuită. Pe termen lung, este puţin probabil ca fiecare din sursele de energie regenerabile să depăşească 10% din necesarul mondial de energie, dar, după previziunile cele mai optimiste, combinaţia lor le-ar putea permite atingerea ponderii de 30 până la 50% din piaţă, către jumătatea secolului (la începutul anilor 2000, ansamblul energiilor regenerabile reprezenta 10% din producţia energetică).

Ţările Uniunii Europene urmăresc să ocupe poziţia de vârf în lume la energia solară, la cea eoliană şi la geotermie. Conform datelor statistice, poziţia de pornire este, însă, relativ modestă. Pe ansamblul surselor regenerative, între 1973 şi 2000 a avut loc o creştere de la 4 la 6 procente. Dintre acestea, partea cea mai mare, de 55%, revine biomasei, urmată de energia hidraulică cu 36% şi de geotermie cu 7%. În ciuda faptului că cea mai mare creştere s-a înregistrat în ultimele decenii la energia solară şi la cea eoliană, ele nu formează împreună decât 2% din acest ansamblu. Distribuţia pe ţări la obţinerea curentului din materii prime regenerative, nepoluante este cât se poate de diferită în cadrul Uniunii. Europa deţine aproximativ 74% din capacitatea mondială de obţinere a energiei eoliene, iar creşterea puterii eoliene, în 2003 faţă de 2002, este de 23,5% în Europa, de 27,1% în America de Nord şi de 25,1% pe plan mondial. Avântul acestei modalităţi de producere, este deci, remarcabil. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene în 2003 este de 5443 MW. În fruntea listei ţărilor Uniunii Europene se află Germania (14609 MW), Spania (6411 MW) şi Danemarca (3110 MW). Pentru comparaţie, iată şi puterile eoliene instalate în câteva alte ţări, în 2003: Portugalia (301 MW), Franţa (253 MW), Belgia (67 MW), România (1 MW). Generatoarele eoliene situate în largul mărilor (off-shore) se vor dezvolta foarte mult în anii următori. La sfârşitul anului 2003, Uniunea Europeană avea aproape 300 de generatoare eoliene instalate în largul mărilor, însumând o putere totală de 540,2 MW. Energia solară fotovoltaică era foarte puţin semnificativă în 1999, dar ulterior a înregistrat o creştere semnificativă. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene a fost în 2003, de 562,3 MW. În fruntea listei ţărilor Uniunii Europene se află Germania (397,6 MW), Olanda (48,63 MW), Spania (27,26 MW) şi Italia (26,02 MW). Pentru comparaţie, iată şi puterile instalate în câteva alte ţări, în 2003: Franţa (21,71 MW), Portugalia (2,07 MW) şi Belgia (1,06 MW). Se remarcă faptul că nu ţările aflate în sudul Europei dezvoltă cel mai mult filiera fotovoltaică. Suprafaţa totală a colectoarelor termale solare instalate în Uniunea Europeană este estimată la 12.844.920 m2 la sfârşitul anului 2002. Liderul necontestat al acestui sector este Germania, care avea la sfârşitul lui 2002 o capacitate instalată totală de 4.715.110 m2. Austria deţine a treia suprafaţă instalată ca mărime din lume - 2.541.960 m2, după Grecia, care deţine poziţia a doua în ceea ce priveşte capacitatea instalată - 2.850.200 m2. Pe coasta andaluză se află cea mai mare centrală termică solară din lume. Cu un sistem de sute de oglinzi asamblate, energia soarelui este focalizată într-un receptor din ceramică, unde aerul este încălzit la peste 10000C. Sunt astfel acţionate turbine cu o putere totală de circa 9 MW. În ciuda acestei staţii model, potenţialul obţinerii de curent cu lumina soarelui este încă redus pe peninsula Iberică. Temperaturi de peste 10000C se găsesc şi la 40 de km sub scoarţa Pământului, dar nu este nevoie să se foreze atât de adânc. Geologi germani au descoperit chiar şi la 5 km adâncime, în roca din grabenul de pe cursul superior al Rinului, temperaturi de 2500C, ceea ce este suficient pentru a construi o instalaţie de 6 MW. Regiunea de la graniţa dintre Germania şi Franţa are un potenţial enorm de încălzire şi constituie locul de desfăşurare a

Page 9: Energii Regenerabile I Curs

9

unui proiect european. Principiul este următorul: este pompată apă în adânc, unde, în contact cu roca fierbinte, se încălzeşte. Apa caldă este absorbită apoi printr-un sistem de pompe şi este folosită pentru acţionarea unei turbine, în scopul obţinerii de curent. În domeniul geotermiei, poziţie de vârf în Europa au Suedia, Germania şi Austria.

3.2. Potenţialul surselor regenerabile de energie din România

În România, ponderea surselor regenerabile de energie în consumul total de resurse primare era de 10,01% în anul 2000, urmând ca în anul 2010 să ajungă la circa 11%, iar în anul 2015, la 11,2%.

3.2.1. Energia solară

Potenţialul energetic solar este dat de cantitatea medie de energie provenită din radiaţia solară incidentă în plan orizontal, care, în România, este de circa 1100 kWh/m2-an. În România s-au identificat cinci zone geografice, diferenţiate în funcţie de nivelul fluxului energetic măsurat. Astfel, mai mult de jumătate din suprafaţa României beneficiază de un flux anual de energie cuprins între 1000 kWh/m2-an şi 1300 kWh/m2-an. Aportul energetic al sistemelor solare-termale la necesarul de căldură şi apă caldă menajeră din România este evaluat la circa 1434 mii tep (60 PJ/an), ceea ce ar putea substitui aproximativ 50% din volumul de apă caldă menajeră sau 15% din cota de energie termică pentru încălzirea curentă. În condiţiile meteo-solare din România, un captator solar-termic funcţionează, în condiţii normale de siguranţă, pe perioada martie-octombrie, cu un randament care variază între 40 şi 90%. Utilitatea sistemelor solar-termale se regăseşte, în mod curent, la prepararea apei calde menajere din locuinţele individuale. Captatoarele solare pot să funcţioneze cu eficienţă ridicată în regim hibrid cu alte sisteme termice convenţionale sau neconvenţionale. În exploatare, radiaţia solară nu trebuie să aibă obligatoriu un nivel foarte ridicat, întrucât sistemele solare pasive pot funcţiona eficient şi în zone mai puţin atractive din punct de vedere al nivelului de intensitate solară (de exemplu, zone de nord din Transilvania sau din Moldova). Sistemele solare pasive sunt încorporate, de regulă, în „anvelopa" clădirii (partea exterioară a imobilului), iar cea mai mare parte a materialelor de construcţie este de tip convenţional. Conversia radiaţiei solare în energie electrică se realizează cu instalaţii fotovoltaice alcătuite din module solare, cu configuraţii şi dimensiuni diferite. Sistemele solare fotovoltaice constau în producerea directă a energiei cu ajutorul celulelor cu siliciu. Energia fotovoltaică este energia electrică obţinută din energia soarelui, prin intermediul elementelor fotovoltaice. Energia se obţine datorită efectului fotogalvanic, care se bazează pe specificul siliciului de a elimina o cantitate mică de energie la contactul cu lumina solară. Există şi alte tipuri de materiale cu asemenea calităţi, însă siliciul este prioritar deoarece este uşor accesibil şi constituie 28% din scoarţa terestră. Potenţialul expoatabil al producerii de energie electrică prin sisteme fotovoltaice este de aproximativ 1200 GWh/an. Costul investiţiei pentru realizarea de sisteme fotovoltaice în reţea de module solare a înregistrat o evoluţie favorabilă în ultimele decenii, preţul unui modul solar diminuându-se sistematic. Preţul energiei electrice produse din surse solare fotovoltaice variază între 25 şi 50 de cenţi/kWh. Pentru alimentarea unor consumatori izolaţi şi consumuri mici de energie, sistemele fotovoltaice oferă o alternativă economică atractivă, dacă se ţine seama de costul

Page 10: Energii Regenerabile I Curs

10

ridicat pentru racordarea consumatorilor la reţeaua electrică aferentă sistemului energetic naţional. În România s-au realizat sisteme fotovoltaice cu puteri variate şi în regim de funcţionare diferenţiat astfel: - sisteme autonome - pentru alimentarea unor consumatori izolaţi (gospodării individuale, centre socio-culturale în Munţii Apuseni, litoralul Mării Negre, Delta Dunării), a unor staţii de radio-telecomunicaţii, a unor instalaţii de pompare a apei, pentru iluminat public sau semnalizare trafic; - sisteme conectate la reţeaua electrică (staţii pilot fotovoltaice cu panouri mobile, sisteme integrate în imobile ş.a.).

3.2.2. Energia eoliană

În România s-au identificat cinci zone eoliene distincte în funcţie de potenţialul energetic existent, de condiţiile de mediu şi topogeografice, luând în considerare nivelul potenţialului energetic al resurselor de acest tip la înălţimea medie de 50 m şi peste. Din rezultatele măsurătorilor înregistrate, a rezultat că România se află într-un climat temperat continental, cu un potenţial energetic eolian ridicat în zona litoralului Mării Negre, în podişurile din Moldova şi Dobrogea (climat blând) sau în zonele montane (climat sever). Pe baza evaluării şi interpretării datelor înregistrate, rezultă că în România se pot amplasa instalaţii eoliene cu o putere totală de până la 14.000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrică de aproape 23.000 GWh/an. Conform evaluărilor preliminare în zona litoralului, inclusiv mediul off-shore, pe termen scurt şi mediu, potenţialul energetic eolian amenajabil este de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrică de 4500 GWh/an. Valorificarea potenţialului energetic eolian, în condiţii de eficienţă economică, impune folosirea unor tehnologii şi echipamente adecvate (grupuri aerogeneratoare cu putere nominală de la 750 până la 2000 kW). Prima centrală eoliană din România, o investiţie de aproape 900.000 de euro, a fost inaugurată în august 2004, în Parcul Industrial Crângul lui Bod, de lângă Ploieşti. Centrala, care va asigura iluminatul parcului industrial, are o înălţime de 54 de metri, o lungime a paletelor de 79 de metri, funcţionează la o viteză a vântului cuprinsă între 4 şi 25 de metri pe secundă şi are o putere de maximum 700 kW. Lucrările la centrală au început în noiembrie 2003 şi au fost supravegheate de specialişti din Danemarca. Specialiştii susţin că amplasarea unor centrale eoliene asemănătoare pe Valea Doftanei ar putea produce o cantitate de energie egală cu cea consumată de întreg municipiul Ploieşti Pe plan mondial, "energetica vântului" se găseşte într-o etapă de "maturitate tehnologică”, însă, în România, ponderea energiei electrice din surse eoliene în balanţa energetică rămâne, deocamdată, sub posibilităţile reale de valorificare eficientă a acestora.

3.2.3. Energia produsă în uniăţi hidroelectrice(grupuri de mică şi mare putere)

În România, potenţialul hidroenergetic al râurilor principale este de circa 40.000 GWh/an, care se poate obţine în amenajări hidroenergetice de mare putere (> 10 MW/unitate hidro) sau de mică putere (< 10 MW/unitate hidro), după următoarea repartizare:

Page 11: Energii Regenerabile I Curs

11

- amenajări hidroenergetice de mare putere (34.000 GWh/an); - amenajări hidroenergetice de mică putere (6000 GWh/an);

3.2.4. Biomasa

În condiţiile mediului topogeografic existent, se apreciază că România are un potenţial energetic ridicat de biomasă, evaluat la circa 7594 mii tep/an (318 x 109 MJ/an), ceea ce reprezintă aproape 19% din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2000, împărţit pe următoarele categorii de combustibil: - reziduuri din exploatări forestiere şi lemn de foc; - deşeuri de lemn - rumeguş şi alte resturi de lemn; - deşeuri agricole rezultate din cereale, tulpini de porumb, resturi vegetale de viţă de vie; - biogaz; - deşeuri şi reziduuri menajere urbane. Cantitatea de căldură rezultată din valorificarea energetică a biomasei deţine ponderi diferite în balanţa resurselor primare, în funcţie de tipul de deşeuri utilizat sau după destinaţia consumului final. Astfel, 54% din căldura produsă pe bază de biomasă se obţine din arderea de reziduuri forestire, sau 89% din căldura necesară încălzirii locuinţelor şi prepararea hranei (mediul rural) este rezultatul consumului de reziduuri şi deşeuri vegetale. În consumul curent de biomasă din România, în regim de exploatare energetică, se folosesc diferite tipuri de combustibili, cu următoarea destinaţie: - circa 550 de cazane industriale de abur şi apă fierbinte pentru încălzire industrială (combustibil pe bază de lemn); - circa 10 cazane de apă caldă, cu puteri instalate între 0,7 şi 7,0 MW, pentru încălzire urbană (combustibil pe bază de deşeuri din lemn); - aproximativ 14 milioane de sobe sau cuptoare de lemne şi/sau deşeuri agricole pentru încălzirea locuinţelor individuale sau prepararea hranei. Între anii 1998 şi 1999 s-a implementat un proiect demonstrativ, denumit "Asistenţă pentru implementarea surselor regenerabile de energie", cu finanţare prin programul PHARE- UE. Caracterul demonstrativ al proiectului constă în punerea în evidenţă a valorii de înlocuire a biomasei în raport cu combustibilii fosili, la producerea de agent termic. Proiectul realizat în localitatea Câmpeni funcţionează pe bază de biomasă (deşeuri din lemn), cu furnizare de energie, în condiţii de eficienţă economică şi cu respectarea normelor de protecţie a mediului înconjurător. În general, valorificarea biomasei prin proiecte specifice de investiţii energetice conferă atractivitate, întrucât energia termică obţinută are costuri mai mici în raport cu combustibilii fosili. În România, consumul de biomasă a înregistrat o diminuare lentă în ultimul deceniu, datorită, între altele, extinderii reţelei de distribuţie şi consumului individual de gaze naturale sau GPL.

Page 12: Energii Regenerabile I Curs

12

3.2.5. Energia geotermală

În România, temperatura surselor hidrogeotermale (cu exploatare prin foraj-extracţie) în geotermia de "joasă entalpie", este cuprinsă între 25 şi 600C (în ape de adâncime), iar la geotermia de temepartură medie, temperaturile variază de la 60 până la 1250C ("ape mezotermale") . Resursele geotermale de "joasă entalpie" se utilizează la încălzirea şi prepararea apei calde menajere în locuinţe individuale, servicii sociale (birouri, învăţământ, spaţii comerciale şi sociale etc.), sectorul industrial sau spaţii agro-zootehnice (sere, solarii, ferme pentru creşterea animalelor ş. a.). Limita economică de foraj şi extracţie pentru ape geotermale s-a convenit pentru adâncimea de 3300 m şi a fost atinsă în unele zone din România, precum bazinul geotermal Bucureşti Nord - Otopeni, anumite perimetre din aria localităţilor Snagov, Baloteşti ş. a. În anul 1990, în România se aflau în exploatare 64 de sonde cu utilizări locale, pentru asigurarea nevoilor de încălzire şi apă caldă menajeră la ansambluri de locuinţe, clădiri cu destinaţie publică sau industrială, incinte agrozootehnice etc. În prezent, se află în funcţiune 70 de sonde pentru apă caldă (cu temperatura peste 600C) în diferite zone geografice. În etapa actuală, se află în conservare sau rezervă 45 de sonde cu potenţial energetic atestat. În România, durata de exploatare a instalaţiilor în funcţiune este, în prezent, mai mare de 20 de ani, iar materialele şi echipamentele utilizate au o uzură fizică şi morală avansată (schimbătoare de căldură neperformante, grad ridicat de coroziune, înfundări şi depuneri, conducte şi vane din oţel fără izolaţie termică, fiabilitate redusă). Gradul de valorificare a surselor geotermale de energie în ţara noastră este redus, ca urmare a lipsei unui suport financiar corespunzător, care să favorizeze dezvoltarea acestui sector energetic cu efecte economice superioare. În tabelul următor, este prezentat sintetic, pe tipuri de surse, potenţialul energetic al surselor regenerabile de energie din Romania.

Sursa Potenţialul anual Aplicaţie Energia solară:

-termică -fotovoltaică

Ridicat Mediu

Energie termică Energie electrică

Energie eoliană Ridicat Energie electrică Energie hidro Mediu Energie electrică

Biomasa (termică)

Ridicat Energie termică Energie electrică

Energie geotermală Mediu Energie termică

Procesul de valorificare superioară a surselor regenerabile de energie din Romania contribuie la siguranţa aprovizionării cu energie electrică, reducerea dependenţei de importul de resurse energetice primare şi dezvoltarea durabilă pe termen lung, cu îndeplinirea condiţiilor de protecţia mediului şi încadrarea în reglementările în domeniu ale Uniunii Europene.

Page 13: Energii Regenerabile I Curs

13

CAPITOLUL 2

CONVERSIA ENERGIEI HIDRAULICE

1. GENERALITĂŢI Apa este arareori tratată ca resursă energetică şi numai în contextul care abordează energia hidraulică a căderilor de apă sau a mareelor. Dar apa este componenta principală în orice proces convenţional de conversie energetică şi se anunţă ca o resursă energetică principală pentru procesele neconvenţionale de conversie.

Din punctul de vedere al naturii apelor, acestea sunt: - ape de adâncime (de infiltraţie şi minerale); - ape de suprafaţă (apele râurilor, lacurilor, mărilor şi oceanelor).

Din punctul de vedere al scopului în care sunt folosite, aceste ape se pot împărţi în: - apă potabilă, folosită pentru uz casnic; - ape industriale sau tehnologice (pentru diferite procese de fabricaţie sau pentru producerea aburului în cazane energetice); - ape reziduale.

Sursa hidro poate fi considerată prima sursă regenerabilă de electricitate. În albia naturală, energia apei se iroseşte prin frecarea cu pereţii (provocând erodarea

solului) şi prin frecările şi ciocnirile dintre particolele lichide. Valorificarea unei părţi din această energie este posibilă numai prin realizarea unei amenajări hidroenergetice, al cărei scop principal este obţinerea unei căderi concentrate. Deşi amenajările hidroenergetice reclamă cheltuieli de investiţie ridicate, exploatarea energiei hidraulice este convenabilă, deoarece se face fără poluarea mediului înconjurător şi fără consumarea unor substanţe energetice (apa este integral şi nealterat restituită ciclului natural), ceea ce duce la cheltuieli de exploatare extrem de scăzute.

Centralele hidroelectrice (CHE) reprezintă instalaţiile cele mai simple de obţinere a energiei electrice. Purtătorul de energie, apa, este administrată în turbinele CHE din partea amonte a râului (rezervorul de apă format la bararea râului) şi trimisă în aval. Preţul de cost al energiei electrice produse la CHE este, în medie, de 4 ori mai mic decât preţul energiei electrice produse în termocentrale, iar recuperarea costului CHE este tot de atâtea ori mai rapidă. Deosebirea esenţială dintre CHE şi CTE (centralele termoelectrice) şi, totodată, marele avantaj al CHE, este posibilitatea manevrării, adică posibilitatea de pornire sau deconectare a numărului dorit de agregate. Aceasta permite utilizarea CHE de mare capacitate în calitate de centrale electrice “de vârf“, adică pentru asigurarea graficului zilnic de încărcare a sistemului energetic şi compensarea pierderilor de energie din reţea în cazul deconectării de avarie a capacităţilor CTE.

Centralele hidroelectrice au cele mai reduse costuri de exploatare şi cea mai mare durată de viaţă, în comparaţie cu alte tipuri de centrale electrice. Există o experienţă de peste

Page 14: Energii Regenerabile I Curs

14

un secol în realizarea şi exploatarea lor, ceea ce face ca ele să atingă niveluri de performanţă tehnică şi economică foarte ridicate. Energia hidraulică nu mai este de mult o promisiune, ci o certitudine pentru toate ţările lumii, dezvoltate sau în curs de dezvoltare.

În sistemul nostru energetic, cea mai mare pondere o au termocentralele, puterea instalată în hidrocentrale reprezentand numai 20% din puterea instalată totală.

Termocentralele prezintă următoarele avantaje: - pot funcţiona tot timpul anului; - construcţia lor se amortizeaza relativ repede în timp; - funcţionare tehnică şi economică avantajoasă, dacă lucrează la încărcare constantă; În acelaşi timp, termocentralele prezintă şi o serie de dezavantaje: - necesită timp de pornire mare (cca. 200 de minute din stare rece sau 45 – 60 de

minute din stare caldă, adică după o oprire de cca. 6 – 8 ore); - funcţionarea intermitentă sau cu o încărcare parţială conduce la creşterea

consumului specific de combustibil. Faţă de termocentrale, hidrocentralele prezintă unele particularităţi, care pot fi sau nu

avantajoase. Astfel, principalele avantaje sunt: - pornire rapidă (cca. 1 – 3 minute); - funcţionare cu performanţe ridicate şi la încărcări parţiale. Principalele dezavantaje sunt: - nu pot funcţiona în perioade de secetă şi îngheţ; - performanţele lor sunt dependente de înălţimea de cădere şi de debitul de apă al

râului; - construcţia lor este foarte costisitoare şi se amortizează greu în timp. 2. CONVERSIA HIDRAULICĂ Apa râurilor, de la izvoare şi până la vărsarea în mare, efectuează un lucru mecanic

continuu pentru a învinge pierderile datorate frecării cu albia şi diferitelor procese de eroziune. Acest lucru mecanic poate fi evaluat, de exemplu, examinând cursul apei într-un sector dat al albiei unui râu.

Apa se deplasează, sub acţiunea propriei sale greutăţi, de la secţiunea 1-1 spre secţiunea 2-2 (fig. 1), situată la distanţa L de secţiunea 1-1.

Fig. 1. Determinarea puterii unui flux de apă.

Page 15: Energii Regenerabile I Curs

15

Se poate admite că într-un sector de lungime suficient de mică, suprafaţa secţiunii transversale a albiei, unghiul de înclinare şi viteza cursului de apă sunt constante.

Într-o perioadă de timp dt, volumul elementar dV îşi deplasează centrul de greutate pe distanţa dl. Lucrul mecanic elementar, efectuat de componenta longitudinală sindGdF , a greutăţii elementare dVgdG poate fi scris după cum urmează:

sindldVgdldFdL (1)

Având în vedere că dhdl sin reprezintă deplasarea centrului de greutate pe verticală şi că dtdVQ / este debitul volumic al curgerii, se poate defini, pornind de la relaţia (1), puterea teoretică a cursului apei:

dhQgdt

dLdP (2)

Integrând expresia puterii pe traseul cuprins între secţiunile 1-1 şi 2-2, se obţine pentru putere expresia: HQgP (3.a)

Din relaţia (3) se observă că puterea cursului de apă nu depinde decât de debit, Q şi de înălţimea de cădere, H (densitatea apei şi acceleraţia gravitaţională fiind constante). În relaţia (3) puterea este obţinută în W. Pentru valori curente ale puterilor turbinelor hidraulice utilizate, este de dorit ca puterea să fie exprimată în kW. Dacă se împarte cu 1000

membrul drept al relaţiei (3) şi se ţine cont că valoarea densităţii apei este 3/1000 mkg ,

iar valoarea acceleraţiei gravitaţionale este 2/81,9 smg , se obţine:

HQP 81,9 , [kW] (3.b)

Se observă că la determinarea puterii P pe baza relaţiilor (3) şi (3.a), s-au neglijat pierderile energetice corespunzătoare curgerii apei între cele două secţiuni. Una din cele mai bune metode de transformare a energiei hidraulice în energie mecanică într-o albie înclinată este utilizarea roţii hidraulice, ilustrată în figura 2. În acest motor hidraulic elementar, se utilizează doar energia cinetică a apei (raportată la unitatea de

masă, această energie este 2/2c ).

Fig. 2. Roata hidraulică.

Page 16: Energii Regenerabile I Curs

16

Puterea roţii hidraulice este definită de relaţia:

t

mcP

2

2 , (4)

unde m este masa, iar t este timpul. Ţinând seama de relaţia de definiţie a debitului masic, tmq / , rezultă relaţia de legătură între debitele masic şi volumic:

Qt

V

t

mq

(5)

Astfel, înlocuind (4) în (5), rezultă pentru putere relaţia:

222

222 Qcqc

t

mcP

(6)

La început, când paletele roţii hidraulice erau drepte, randamentul transformării energiei era scăzut, nedepăşind 25%. Aceasta până în anul 1825, când Poncelet a propus modificarea formei paletelor, randamentul ajungând astfel până la 70%.

În figura 2 sunt ilustrate dimensiunile recomandate pentru roata hidraulică şi pentru instalarea ei pe cursul apei. 3. CENTRALE HIDROELECTRICE (CHE) ŞI CENTRALE HIDROELECTRICE CU POMPE DE ACUMULARE (CHEPA) În natură se găsesc foarte rar căderi naturale de apă (cascade). De obicei, în câmpii panta suprafeţei râurilor este de 5 ÷ 10 cm/km, iar la munte aceasta este de 5 ÷ 10 m/km. Aceasta impune construirea de căderi artificiale de apă cu ajutorul unor echipamente specifice. Transformarea energiei unor asemenea căderi de apă în energie electrică este realizată de un sistem complex de echipamente care poartă denumirea de amenajare hidroenergetică sau amenajare hidraulică. Aceasta reprezintă un complex de construcţii hidrotehnice, de instalaţii hidromecanice şi electrice care concură la transformarea energiei cursurilor de apă în energie mecanică şi apoi în energie electrică. Barajele şi lacurile de acumulare, stăvilarele, galeriile şi canalele de derivaţie dau posibilitatea de a concentra energia hidarulică a unei porţiuni dintr-un râu. Principalele elemente componente ale unei amenajări hidroenergetice sunt: - Barajul - care poate fi de mică înălţime şi lungime mare (baraj fluvial) sau de mare înălţime şi lăţime mică, caracteristic zonelor de munte;

- Aducţiunea apei - care asigură circulaţia acesteia între captare şi castelul de echilibru şi care poate fi realizat sub formă de canal, conductă sau tunel;

- Castelul de echilibru - care are rolul de reducere a efectelor loviturii de berbec, ce apare datorită regimului tranzitoriu al apei în conductele de aducţiune, atunci când vanele turbinelor se închid dintr-un motiv oarecare;

- Conducta forţată şi distribuitorul - care realizează legătura pe linia de cea mai mare pantă şi cel mai scurt traseu, între castelul de echilibru şi turbinele hidraulice;

- Turbinele hidraulice - care pot fi cu acţiune sau cu reacţiune. În figura 3 este prezentată schema de principiu a unei amenajări hidroenergetice.

Page 17: Energii Regenerabile I Curs

17

Fig. 3. Schema unei amenajări hidroenergetice Barajul 1 creează în spatele său un lac de acumulare 2, care constituie sursa energiei potenţiale hidraulice; conducta sau galeria 3 conduce apa către galeriile sau conductele forţate 5, care alimentează turbinele hidraulice 6; pentru buna funcţionare a conductelor forţate, se prevede castelul de echilibru 4, care amortizează, în bună parte, oscilaţiile ce apar datorită variaţiilor bruşte de debit; după turbinare, apa este redată albiei naturale prin canalul de fugă 7. Ca parametri energetici ai unei amenajări hidroenergetice, se definesc: - căderea statică sau geodezică, gH , ca fiind diferenţa pe verticală între nivelele apei

din lac şi bieful aval:

avamsg zzHH ; (7)

- căderea brută, ca diferenţa energiilor specifice ale apei din bieful amonte (lac), înaintea intrării în instalaţiile energetice şi de la ieşirea din tubul de aspiraţie 7:

g

v

g

vHH avam

sb 22

22 ; (8)

- căderea netă, ca diferenţă a energiilor specifice ale apei care se transformă efectiv în energie mecanică:

avamb hphpHH . (9)

În relaţia (9) pierderile hidraulice sunt considerate atât pentru traseul de aducţiune‚ 3 -5, cât şi pentru evacuare, 7.

Centrala hidroelectrică (CHE) reprezintă o parte importantă a tuturor amenajărilor hidroenergetice. Centrala hidroelectrică are două compartimente distincte: captarea apei şi conducerea ei într-o turbină, pentru a transforma energia potenţială a apei în energie

Page 18: Energii Regenerabile I Curs

18

mecanică la arborele turbinei; transformarea energiei mecanice în energie electrică, cu ajutorul unui generator electric sincron trifazat (rareori generatorul este de curent continuu) şi transformarea energiei electrice, pentru a putea fi trimisă la distanţe mari. Cele două compartimente se întâlnesc în sala de maşini, în care sunt instalate agregatele transformatoare de energie, cuplate două câte două, adică o turbină şi un generator electric. Energia electrică obţinută, având o tensiune de circa 6 kV este dirijată spre o staţie de transformare, unde tensiunea este ridicată la valoarea tensiunii nominale a liniei electrice de transport, 110 - 400 kV.

Cele mai utilizate scheme de realizare a unor căderi de apă sunt următoarele: a) Schema la baza barajului (fig. 4), care presupune ridicarea nivelului apei cu ajutorul unui baraj. Astfel, într-o zonă convenabilă a râului este construit un baraj, care creează o diferenţă între nivelele apei înainte şi după acesta. În acest caz, centrala hidroelectrică este instalată la baza barajului. Barajele au înălţimi foarte mari, ajungând uneori până la 300 m.

Fig. 4. Schema unei uzine la baza barajului.

b) Schema cu derivaţie (fig. 5), care presupune amenajarea unui canal de derivaţie de-a lungul râului, canalul având o pantă mai mică decât râul. Astfel, la capătul din aval al unui astfel de canal, nivelul apei va fi mai ridicat decât în râu, adică se va obţine o cădere concentrată, care poate fi utilizată pentru construirea unei centrale hidroelectrice. În cazul schemei cu derivaţie, înălţimea barajului poate fi foarte mică (de obicei sub 10 m), deoarece rolul lui este doar de a dirija apa în canalul de derivaţie şi nu de a realiza căderea pentru amenajare. Canalul de derivaţie va fi săpat după posibilităţi, pe traseul cel mai scurt şi pe malul cel mai potrivit, căutând să se imprime albiei acestuia o formă regulată şi, dacă este posibil, cu cât mai puţine asperităţi. Viteza de curgere a apei în canal va fi foarte mică. Din această cauză, se realizează în canal o pantă mult mai mică decât cea din râu, lucru care micşorează pierderea de cădere pe lungimea lui.

Comparând amenajarea cu baraj cu cea cu derivaţie, putem trage următoarele concluzii, referitoare la avantajele uneia şi ale celeilalte şi la condiţiile lor de aplicare. Canalul de derivaţie este cu atât mai convenabil cu cât panta longitudinală a râului este mai mare, deoarece la o anumită lungime a canalului, se obţine o cădere mai mare. La pante mici, de exemplu la râurile de şes, căderea în canal diferă puţin de cea din râu şi pierderea de cădere în canal devine foarte importantă faţă de căderea totală utilizată. Amenajarea cu derivaţie are avantaje la pante mari şi debite relativ mici, adică, în general în zonele de munte.

Page 19: Energii Regenerabile I Curs

19

În favoarea tipului cu derivaţie, mai pledează şi cazurile când construirea barajului este complicată sau devine chiar imposibilă, din cauza condiţiilor geologice care nu permit construirea barajelor înalte. De asemenea, obţinerea unor căderi foarte mari, de peste câteva sute de metri, nu este posibilă decât utilizând schema cu derivaţie. De obicei, derivaţia este realizată cu ajutorul canalului. În cazul când, datorită condiţiilor locale, canalul nu poate fi construit, pot fi aplicate alte tipuri de derivaţie mult mai scumpe (galerii, conducte de aducţiune etc). Galeriile se întrebuinţează numai când apa trebuie transportată pe pante rapide, precum sunt cele ale defileului munţilor, unde construirea canalului este dificilă sau chiar imposibilă. Galeria, care taie masivul muntos, poate fi săpată pe direcţia cea mai scurtă dintre lac şi centrala hidroelectrică; în aceasta constă avantajul galeriei faţă de canalul deschis, al cărui traseu trebuie să urmeze neregularităţile traseului pe care îl urmează.

Fig. 5. Amenajare cu derivaţie în canal deschis. c) Schema mixtă (baraj + derivaţie), în care apa din lacul creat cu ajutorul barajului, este dirijată în canalul de derivaţie al centralei hidroelectrice. Această schemă întruneşte avantajele ambelor tipuri de amenajare. Lacul barajului poate fi utilizat pentru regularizarea debitului râului, adică pentru acumularea debitului de primăvară şi utilizarea lui în timpul secetos al anului; canalul de derivaţie dă soluţia convenabilă pentru mărirea căderii fără înălţimi mari pentru baraj.

În a doua jumătate a secolului al XX- lea, uzinele cele mai utilizate în sistemele energetice ale ţărilor dezvoltate au fost centralele hidraulice cu pompe de acumulare (CHEPA). Acestea reprezintă un sistem de maşini şi echipamente care asigură nu numai generarea, dar şi acumularea energiei. O schemă de principiu a unei CHEPA este ilustrată în figura 6. Maşinile hidraulice, montate în centrală, trebuie să asigure funcţionarea eficientă a acesteia atât în regim de pompare, cât şi în regim de lucru al turbinelor. În regim de pompare, apa din bazinul inferior este ridicată în bazinul superior, iar CHEPA consumă energie electrică din sistem, energie generată de centralele termoelectrice şi nucleare. De obicei, acest regim al CHEPA este aplicat în timpul nopţii, când sarcina reţelei energetice scade. În orele de vârf, funcţionează turbinele, care valorifică energia hidraulică deja acumulată.

Page 20: Energii Regenerabile I Curs

20

Fig. 6. Schema unei centrale hidroelectrice cu pompe de acumulare (CHEPA).

Clasificarea centralelor hidroelectrice poate fi făcută după mai multe criterii. Astfel, se pot întâlni centrale instalate pe firul apei, care utilizează regimul natural al cursului de apă, lucru care are drept consecinţă o producţie fluctuantă de energie de-a lungul anului sau centrale cu acumulare, care beneficiază de acumulări masive de apă, de obicei pentru câţiva ani, producţia de electricitate fiind constantă. Se pot întâlni, de asemenea, cascade de CHE, adică mai multe centrale care comunică între ele şi care utilizează un regim hidraulic comun. Acestea pot fi alimentate de un acelaşi rezervor sau de rezervoare diferite.

Un alt criteriu de clasificare a CHE este înălţimea de cădere a apei, care poate fi: - cădere mică - până la 30 (40) m; - cădere medie - de la 30 (40) m până la 150 m; - cădere mare - peste 150 m.

După organizarea sistemului energetic, CHE pot fi: - principale - funcţionând 24 de ore din 24 şi asigurând necesarul principal al sistemului energetic; - de vârf - funcţionând în orele de sarcină maximă a sistemului energetic.

Clasificarea centralelor în funcţie de puterea instalată (suma puterilor nominale ale hidroagragatelor amenajării), cuprinde următoarele tipuri: - de mare putere - sunt în general definite ca având puterea instalată mai mare de 30 MW. Ele necesită construcţia unor baraje mari pentru crearea unor rezerve uriaşe de apă necesare anotimpului secetos. - de medie putere - au puterea instalată cuprinsă între 100 kW şi 30 MW; - de mică putere, caz în care distingem două categorii: * microcentrale, care au puterea instalată mai mică de 100 kW; * minicentrale, care au puteri instalate de ordinul kilowattilor.

Consumul de energie electrică variază în timpul unei zile, luni sau an. Dependenţa puterii active din sistemul energetic în funcţie de timp, exprimată în formă grafică, se numeşte diagramă de sarcină. În figura 7 este ilustrat un model de diagramă de sarcină pe 24 de ore, )(hfp . Pe ordonată este marcată încărcarea (sarcina) relativă a sistemului,

max/ PPp , iar pe abscisă - timpul (orele). Diagrama prezintă trei zone particulare:

Page 21: Energii Regenerabile I Curs

21

principală - situată sub linia de putere minimă ( minP ), medie - situată între liniile de putere

minimă şi putere medie ( medP ) şi de vârf - situată între liniile de putere medie şi maximă

( maxP ). Pe diagrama de sarcină este indicată, cu titlu de exemplu, perioada de funcţionare a

centralelor nucleare, termice, hidraulice şi hidraulice cu pompe de acumulare.

Fig. 7. Diagramă de sarcină zilnică.

4. TURBINE HIDRAULICE

4.1. Principiul de funcţionare şi particularităţi ale turbinelor hidraulice Turbina hidraulică este un motor care transformă energia apei în energie mecanică. Turbina este constituită, în principal, dintr-un stator şi un rotor, care transformă energia disponibilă a unei căderi de apă în energie mecanică la arborele rotorului. Ea trebuie să satisfacă două condiţii de bază, şi anume să fie capabilă de a primi un anumit debit de apă şi să preia cât mai multă energie de la curentul de apă, adică să aibă un randament cât mai mare. Prima turbină utilizabilă a fost realizată după concepţia lui Fourneyron, în jurul anului 1830. Principiul de funcţionare a acestei turbine şi al tuturor turbinelor cu apă în general, este următorul: curentul de apă curge printre paletele carcasei (statorului) turbinei şi iese dintre aceste palete cu o anumită direcţie de curgere, determinată de unghiul de înclinare a acestor palete faţă de tangenta la periferia statorului; apa, care în acest punct are o energie potenţială determinată de presiunea ei şi o energie cinetică determinată de viteza ei, loveşte paletele rotorului şi, astfel, direcţia ei de curgere este deviată. Conform legii inerţiei, datorită acestei devieri se produce o forţă de reacţiune a curentului de apă asupra paletelor rotorului, impunându-i-se acestuia o mişcare rotativă şi transmiţându-i-se pe această cale o mare parte din energia curentului de apă, şi anume cu atât mai mare, cu cât viteza absolută a apei la ieşirea din rotor este mai mică. Turbinele hidraulice moderne funcţionează sub efectul căderilor cuprinse între câţiva metri şi 1500 - 2000 m. Există o mare varietate de principii de concepţie şi funcţionare ale

Page 22: Energii Regenerabile I Curs

22

turbinelor hidraulice dar, după modul de funcţionare, acestea pot fi clasificate în două categorii: active (cu acţiune) şi reactive (cu reacţiune). Se numesc active turbinele a căror funcţionare se caracterizează doar prin transformarea energiei cinetice a apei, în timp ce turbinele reactive transformă în esenţă energia potenţială. Criteriul pentru determinarea tipului turbinei hidraulice este valoarea

gradului de reacţie, * , definit după cum urmează:

E

E p* , (8)

unde pE şi E sunt energia potenţială specifică (raportată la unitatea de greutate), respectiv

energia totală transformată de turbină. Rezultă că în cazul turbinelor active 0* , deoarece

0pE , în timp ce pentru turbinele reactive, în mod obişnuit 8,05,0 * .

Dacă la intrarea în rotor, întreaga energie hidraulică apare sub formă cinetică, presiunea curentului de apă în această secţiune este egală cu cea atmosferică, iar viteza

teoretică se exprimă prin gHv 21 . Evident, presiunea la ieşirea din turbină trebuie să fie

egală tot cu cea atmosferică. Aşdar, energia mecanică este obţinută exclusiv prin transformarea energiei cinetice, iar viteza absolută la ieşirea apei din rotor trebuie să fie mult mai mică decât cea de la intrare. Mărimea vitezei relative rămâne însă neschimbată de la intrare până la ieşire, deoarece nu există variaţii de presiune, care să producă accelerarea sau decelerarea curentului. Viteza relativă îşi schimbă doar direcţia, conform curburii paletei. Turbinele de acest tip se numesc turbine cu acţiune, de egală presiune sau turbine cu impuls. Dacă până la rotor, doar o parte a energiei hidraulice a fost transformată în energie

cinetică, viteza apei în secţiunea de intrare, este gHkv v 21 , unde 1vk , iar presiunea

g

vHgp

2

21

1 . La acest tip de turbine, rotorul debitează energie mecanică atât pe seama

transformării presiunii, cât şi prin transformarea energiei cinetice. Acestea se numesc turbine cu reacţiune sau turbine cu suprapresiune.

Funcţionarea turbinelor active are următoarele particularităţi:

- presiunea la intrarea şi la ieşirea din rotorul turbinei este aceeaşi (cel mai adesea aceasta este egală cu presiunea atmosferică); - întreaga energie potenţială este transformată în energie cinetică în injectorul turbinei; - valorile medii ale vitezelor relative la intrarea, respectiv la ieşirea dintre palete sunt aproximativ egale (circulaţia apei pe suprafeţele de lucru este realizată fără cădere); - valoarea medie a vitezei absolute la ieşirea dintre palete este foarte mică.

Funcţionarea turbinelor reactive are următoarele particularităţi:

- presiunea la intrarea în rotor este mai mare decât presiunea de la ieşire şi superioară presiunii atmosferice; - curentul de apă atacă rotorul pe toată lungimea perimetrului secţiunii de intrare; - valorile medii ale vitezei relative la ieşirea din rotor sunt mai mari decât cele de la intrare;

Page 23: Energii Regenerabile I Curs

23

- incinta de curgere la aceste turbine trebuie să fie ermetic închisă (fără acces la atmosferă); 4.2. Parametrii de bază ai turbinelor hidraulice În cursul exploatării turbinelor hidraulice este necesar, adeseori, să se modifice puterea la arbore acestora, în funcţie de exigenţele sistemului energetic. Practic, aceasta se realizează prin variaţia debitului. Pentru proiectarea turbinelor hidraulice, se determină valorile debitului şi înălţimii de sarcină, pQ şi pH , numite şi valori de calcul nominale. Din punct de vedere al exploatării

eficiente a turbinelor, este necesar, de asemenea, să se specifice plaja de variaţie a înălţimii de cădere, determinată prin valorile sale minimă ( minH ), respectiv maximă ( maxH ), ca şi

variaţia debitului ( minQ şi maxQ ).

Parametrii de bază care caracterizează funcţionarea turbinelor hidraulice sunt: înălţimea de cădere, H, debitul, Q, puterea, P, randamentul, , viteza de rotaţie, n şi viteza de rotaţie specifică, ns.

Înălţimea de cădere, H [m], reprezintă energia corespunzătoare trecerii a 1N de apă prin turbină. Pentru a determina înăţimea de cădere, se calculează valorile energiei specifice a curgerii (raportată la unitatea de greutate) în secţiunile de intrare, respectiv de ieşire ale turbinei. Înălţimea de cădere reprezintă diferenţa dintre ele: 21 EEH , [m] (9)

Prin debit al turbinei hidraulice, Q [m3/s], se înţelege volumul de apă ce trece prin secţiunea de intrare a turbinei în unitatea de timp. Pentru proiectarea turbinei, în afară de valoarea de calcul a debitului, pQ , trebuie cunoscute, în egală măsură, şi valorile sale

minimă ( minQ ), respectiv maximă ( maxQ ), ca şi debitul în vid, 0Q (atunci când turbina nu

este în sarcină şi pHH ).

Puterea hidraulică, Pt [kW], este puterea de curgere determinată cu relaţia (3.a), în care intervin debitul şi înălţimea de cădere: gQHPt , [kW] (10)

Puterea efectivă (utilă), P [kW], este puterea mecanică la arborele turbinei. Această putere poate fi calculată adăugând la puterea activă, măsurată la bornele generatorului, pierderile mecanice ale acestuia şi puterea consumată de mecanismele auxiliare. Puterea utilă obţinută pentru valorile de calcul ale debitului şi înălţimii de cădere ale turbinei, se numeşte putere de calcul.

Randamentul , este definit ca fiind raportul dintre puterea efectivă (utilă) şi puterea hidraulică:

tP

P . (11)

Randamentul ţine cont de pierderile totale de energie apărute în cursul transformării energetice în turbina hidraulică. De aceea, randamentul determinat cu relaţia (11) se numeşte randament total.

Page 24: Energii Regenerabile I Curs

24

Regimul de funcţionare caracterizat de valoarea maximă a randamentului se numeşte optim, iar parametrii corespunzători acestui regim - parametrii optimi. Regimul de funcţionare al turbinei care are la bază valorile de calcul date ale debitului şi presiunii se numeşte regim de calcul.

Turbina hidraulică şi generatorul cu care este cuplată formează un grup hidroelectric. Randamentul grupului, a , este produsul randamentelor turbinei, T şi generatorului, G :

GTa (12)

Puterea grupului hidroelectric se poate scrie ca produs între puterea hidraulică şi randamentul grupului: ata PP (13)

Eficienţa grupului hidroelectric poate fi estimată cu ajutorul a ceea ce se cheamă randamentul pe o durată medie. Acesta este definit după cum urmează:

k

iti

n

iaiti

med

P

P

1

1 (14)

Numărătorul relaţiei (14) reprezintă puterea realmente obţinută de grupul hidraulic în funcţie de diagrama de sarcină. Viteza de rotaţie (turaţia), n [min-1]. De obicei, turbinele hidraulice sunt cuplate direct cu generatoarele electrice de curent alternativ şi, din acest motiv, viteza lor de rotaţie este constantă şi definită corespunzător turaţiei de sincronism a generatorului, conform relaţiei:

p

fnT

60 , [min-1], (15.a)

unde f este frecvenţa industrială (pentru Europa f = 50 Hz), iar p este numărul de perechi de poli ai generatorului. În acest caz, pentru turaţia turbinei se obţine:

pnT

3000 , [min-1] (15.b)

La descărcarea bruscă, viteza de rotaţie a turbinei hidraulice creşte şi atinge valoarea sa maximă, numită viteză de rotaţie limită (de ambalare), iar regimul de lucru în acest caz se numeşte regim de ambalare. Viteza de ambalare, prevăzută la concepţia turbinei, se numeşte viteză de calcul, iar aceea corespunzătoare cazului când turbina este cuplată cu un generator electric, dar acesta este deconectat de la sistemul energetic, se cheamă viteză de rotaţie în gol.

Viteza (turaţia) specifică (coeficientul de rapiditate), ns , este dată de relaţia:

4/5H

Pnns (16)

Page 25: Energii Regenerabile I Curs

25

şi se poate defini ca viteza de rotaţie a unei turbine a cărei cădere este H = 1m iar puterea la arbore este P = 1 CP = 735,5 W. În principiu, valoarea vitezei specifice se calculează pentru regimul nominal de funcţionare. Tendinţa predominantă în construcţia turbinelor hidraulice moderne este creşterea turaţiei acestora. Aceasta înseamnă că, pentru valori date ale debitului şi înălţimii de cădere, se obţine o turbină cu turaţie specifică mai mare.

4.3. Clasificarea turbinelor hidraulice

Clasificarea turbinelor hidraulice se poate face după mai multe criterii, şi anume:

1. după principiul de funcţionare: - turbine cu acţiune - transformarea energiei potenţiale în energie cinetică se realizează înainte de accesul apei în rotor;

- turbine cu reacţiune - transformarea energiei cinetice şi potenţiale se face în proporţii diferite.

2. după turaţia specifică:

- turaţie redusă: sn = 2 50;

- turaţie medie: sn = 50 400;

- turaţie mare: sn = 400 1200.

3. după valoarea mărimilor caracteristice debit Q [m3/s] şi cădere H [m]: - cădere mare şi foarte mare şi debite reduse (caracteristice amenajărilor montane); - cădere medie spre mare şi debite medii (caracteristice amenajărilor montane); - căderi mici şi foarte mici şi debite mari şi foarte mari.

4. după poziţia axului turbinei: - cu arbore orizontal; - cu arbore vertical ; - cu arbore înclinat.

Actualmente tipurile constructive de turbine consacrate de tehnica modernă sunt:

- turbina Pelton - cu 363sn ; ( 2000200 H )m;

- turbina Francis - cu 35060 sn ; ( 60050 H ) m;

- turbina Deriaz - cu 300120 sn ; ( 300120 H ) m;

- turbina Kaplan - cu 900300 sn ; ( 6012 H ) m;

- turbina bulb - cu 1400700 sn ; ( 122 H )

Page 26: Energii Regenerabile I Curs

26

4.4. Turbine cu acţiune Turbinele cu acţiune transformă în stator toată căderea hidraulică disponibilă în energie cinetică, iar rotorul transformă energia cinetică în energie mecanică.

Aceste turbine sunt caracterizate de egalitatea 21 pp , unde 1p este presiunea în

interstiţiul dintre paletele rotorului şi statorului, iar 2p este presiunea la ieşirea din turbină.

În rotorul turbinei nu se mai produce o transformare de energie potenţială în energie cinetică, această transformare fiind terminată între paletele statorului; între paletele rotorului se transmite acestuia o mare parte din energia cinetică a curentului de apă. Turbinele cu acţiune lucrează în aer atmosferic, mişcarea de rotaţie fiind cauzată de unul sau mai multe jeturi de apă; apa are presiunea aerului atmosferic atât la intrarea în palete, cât şi la ieşirea din acestea; cuplul de mişcare este creat prin devierea jetului de apă. Ele au următoarele avantaje: - datorită presiunii de lucru, nu se uzează rapid paletele din cauza particolelor în suspensie, în speţă nisip; - acces uşor la părţile componente; - sunt ieftine, deoarece nu necesită o incintă presurizată; - nu sunt necesare etanşări; - sunt mai simplu de fabricat şi întreţinut; - randament de conversie mai bun în cazul funcţionării la încărcare parţială. Principalul dezavantaj îl constituie faptul că necesită înălţimi mari ale coloanei de apă datorită vitezei specifice mici. Dintre turbinele instalate în centralele hidroelectrice, cea mai răspândită este turbina Pelton; mai puţin utilizate sunt turbina Banki (cu flux transversal) şi turbina Turgo (turbina cu injecţie oblică). 4.4.1. Turbina Pelton Turbina Pelton este o turbină cu jet de apă liber şi este destinată uzinelor hidraulice cu o mare cădere de apă şi cu debite relativ mici, deci amenajarilor hidroenergetice din zonele montane. Turbinele Pelton nu pot fi luate în considerare pentru căderi de apă mai mici de 20 m, iar în ceea ce priveşte căderile mari, nu există practic nici o limită. Se utilizează pentru căderi de apă care depăşesc de obicei 500 m, dar pot fi întâlnite şi în cazul unor căderi mai mici ( 500200 H m), la puteri inferioare. Principiul de funcţionare al acestei turbine a fost argumentat teoretic în secolul al 18-lea de către Euler, dar turbinele bazate pe acelaşi principiu de funcţionare erau cunoscute încă din secolele 14 - 15. În 1880 americanul L. Pelton realizează brevetul unei turbine active, ale cărei principii de bază se întâlnesc şi la turbinele moderne de acest tip. Astăzi ele poartă numele inventatorului lor, cu toate că structura primei turbine Pelton a suferit de-a lungul timpului multe perfecţionări. Schema de principiu a unei turbine Pelton este arătată în figura 8.

Rotorul 1 este compus dintr-un disc metalic pe a cărui periferie sunt fixate, la pas constant, un număr de cupe 2 a căror formă, reprezentată în figura 9, permite realizarea unei forţe maxime din interacţiunea cu jetul 4 dat de injectorul 8, ale cărui părţi active, cu rol de reglare a debitului şi formare a jetului, sunt duza injectorului 6 şi acul injectorului 5.

Page 27: Energii Regenerabile I Curs

27

Rotorul poate fi turnat monobloc, cu tot cu cupe, în special la puteri mari. El este prins prin fretare de arborele 3, aflat în poziţie orizonatală, ca în figură sau verticală. Turbina poate avea 1 … 6 injectoare alimentate de la una sau mai multe conducte forţate prin ramificaţii de tip 7.

În cazul necesităţii opririi rapide a turbinei, se acţionează prin tăierea şi devierea jetului cu ajutorul deflectorului 9, urmând apoi închiderea treptată a acului injector, pentru evitarea şocului hidraulic.

În urma efectuării transferului energetic apa este evacuată prin canalul 10. Funcţionarea turbinei este următoarea: prin conducta de transport apa este direcţionată

în injector. Energia apei este transformată în totalitate în energie cinetică. Injectorul formează un jet de apă care atacă paleta rotorului şi exercită o presiune dinamică asupra paletei următoare. Aceasta este presiunea din care rezultă cuplul motor la arborele turbinei. După ce şi-a transmis rotorului energia, apa este direcţionată către bazinul inferior. Puterea turbinei este reglată cu ajutorul acului injectorului, care are rolul de a modifica secţiunea injectorului, deci debitul.

Fig. 8. Schema unei turbine Pelton. Pentru obţinerea unei puteri mai mari, se construiesc turbine Pelton cu două injectoare, rareori cu trei injectoare. Aceasta condiţionează însă mărirea diametrului roţii, între cele două injectoare fiind necesar un interval spaţial care să permită evacuarea completă a apei provenite de la primul injector, înainte ca apa de la al doilea să lovească în aceeaşi paletă; unghiul dintre cele două poziţii ale injectoarelor nu poate fi mai mic de 600. În mod obişnuit, în prezenţa a trei injectoare sau mai multe, turbina este realizată cu arbore vertical. Turbinele pentru puteri mari se pot construi şi cu două roţi în paralel, în care caz axul nu poate fi decât orizontal. După dispunerea arborelui, turbinele Pelton sunt verticale sau orizontale. Turbinele orizontale sunt concepute cu unul sau două injectoare, iar turbinele verticale cu 3 până la 6 injectoare (foarte rar cu două injectoare). Turbina prezentată în figura 8 este o turbină cu arbore orizontal şi un singur injector. Particularităţi pe partea de alimentare. Partea de alimentare a turbinei Pelton este compusă din mai multe elemente înseriate: distribuitorul, injectorul şi roata.

Page 28: Energii Regenerabile I Curs

28

Distribuitorul este o conductă care derivă din conducta de transport şi are rolul de a direcţiona apa spre injector, cu pierderi hidraulice minime. Este necesar să se asigure acelaşi debit şi o repartiţie uniformă a vitezei la intrarea în fiecare injector. Forma distribuitorului depinde de numărul de injectoare. De o importanţă deosebită pentru dimensionarea distribuitorului este determinarea vitezei apei la intrarea în secţiunea sa; această viteză se calculează cu relaţia:

gHkc dd 2 (17)

Valoarea coeficientului dk este, de obicei, 09,0dk şi scade cu creşterea căderii

turbinei. O mare parte din masa turbinei Pelton este concentrată în distribuitor (30 – 40%) şi este foarte important ca forma şi dimensiunile sale să fie corect calculate. Este evident faptul că este imposibil să fie satisfăcute toate exigenţele privind obţinerea dimensiunilor minime şi pierderilor hidraulice minime şi, de aceea, se procedează la un compromis pentru rezolvarea problemei, luarea deciziei finale făcându-se numai după o temeinică analiză tehnică şi economică.

Injectorul are rolul de a transforma energia apei în întregime în energie cinetică şi de a asigura variaţia debitului turbinei în funcţie de puterea cerută de turbină.

Injectorul trebuie să producă jetul de apă, care să aibă maximum de energie şi să fie îndreptat spre paletele rotorului. Trebuie să se reducă la minimum nu numai rezistenţa curgerii în injector, ci şi frecarea jetului de apă. Dintre toate formele de injectoare, cel conic oferă condiţiile cele mai favorabile, deoarece se poate executa cu mare precizie, reducându-se astfel frecarea la minimum. Datorită simetriei complete şi convergenţei conice, toate firele de curent se concentrează spre mijloc, ceea ce le constrânge să meargă paralel, formând un jet neted, în care nu apar tendinţe divergente. Deoarece orice jet de apă se descompune pe o distanţă mai lungă, injectorul trebuie să fie apropiat cât se poate de mult de paletele rotorului. Diametrul jetului de apă, 0d , face parte din parametrii geometrici principali ai

turbinei Pelton. Acesta poate fi determinat dacă se cunosc debitul turbinei, Q, numărul de

injectoare, 0z şi viteza jetului:

4

20

00d

czQ . (18)

Rezultă pentru diametrul jetului de apă relaţia:

00

04

cz

Qd

, (19)

unde viteza jetului, 0c , se poate calcula cu ajutorul coeficientului de viteză, 0ck :

gHkc c 200 . (20)

Page 29: Energii Regenerabile I Curs

29

Valoarea coeficientului de viteză este cuprinsă, de obicei, între limitele:

98,096.00 ck .

Orificiul de injecţie are centrat în el capul injector, iar la ieşire este instalat un deflector, care se roteşte în jurul unei balamale. Deflectorul are rolul de devia rapid jetul de apă oblic, în jos, la oprirea turbinei (debranşarea de la sistemul energetic). Ca urmare a devierii jetului, apa nu mai atacă paletele turbinei. După devierea jetului, acul închide încet injectorul, cu o viteză care nu permite creşterea inadmisibilă a presiunii în conducta de transport. Deflectorul trebuie să intervină la şocuri bruşte înaintea acului injectorului, pentru a limita astfel aşa-numitele lovituri de berbec. Statorul turbinei constă din orificiul de injecţie, acul de injecţie, deflectorul jetului de apă şi o serie de dispozitive care formează un complex mecanic ce joacă rolul unui regulator automat de putere şi turaţie. Acesta asigură un dublu reglaj al acului de injecţie şi al deflectorului. Orice fel de variaţie de sarcină la turbină provoacă o creştere sau o scădere a turaţiei acesteia, care se traduce printr-o mişcare într-un tahometru pendul centrifug, rotit de turbină. Acesta ordonă tuturor mecanismelor închiderea sau deschiderea, permiţând sincronizarea mişcării acului şi a deflectorului, toate aceste manevre fiind necesare pentru reglarea debitului turbinei. Rotorul (roata) este constituită dintr-un disc fixat pe arbore, la periferia căruia sunt situate paletele. Atât la intrarea, cât şi la ieşirea din bătaia jetului de apă, fiecare paletă produce stropiri puternice, ceea ce provoacă pierderi de energie destul de importante. Pentru a limita aceste pierderi, se tinde la menţinerea cât mai îndelungată a fiecărei palete în bătaia jetului; paleta trebuie să fie astfel formată, încât jetul de apă s-o lovească tot timpul fără izbire, iar apoi apa să o părăsească în cele mai favorabile condiţii, cu o viteză absolută foarte mică.

Paletele au forma unor cupe, aşa cum se arată în figura 9. Un cuţit, c, separă două scoici elipsoidale, s, în care se strunjeşte câte o tăietură, t, care permite jetului de apă să atace simultan mai multe cupe, trecând cât mai uniform impulsul său asupra rotorului. Astfel se evită vibraţii armonice dăunătoare în mersul turbinei. Fiecare cupă se fixează separat sau câte două asamblate împreună, asamblarea făcându-se prin intermediul unei furci pe discul rotorului. Pe lângă fixarea prin buloane, se mai împănează cupele între ele cu pene plane sau tronconice. Cuţitul c primeşte tot timpul lovitura jetului fără izbire şi o despică în două părţi simetrice, pe care le deviază lateral în ambele părţi. Datorită învârtirii rotorului, paleta iese din bătaia jetului, dar mai înainte trebuie să intre în bătaia acestuia paleta următoare, pentru ca transferul de energie să nu se întrerupă; deci distanţa dintre palete trebuie să fie cuprinsă între anumite limite. În concluzie, forma paletelor este astfel concepută încât să spargă jetul de apă provenit din injector. Fanta prevăzută la capătul paletei are rolul de a permite jetului de apă să atace paleta următoare, înainte chiar ca aceasta să ajungă în dreptul injectorului. Se spune că turbina Pelton lucrează cu admisie parţială, deoarece numai cupa aflată în dreptul injectorului este activă.

Page 30: Energii Regenerabile I Curs

30

Fig. 9. Detalii la paletele turbinei Pelton.

Roţile turbinelor Pelton sunt puternic solicitate datorită forţelor mari, dar şi la abraziune, deoarece particulele în suspensie din apă (în special nisipul cuarţos) lovesc paletele cu energii cinetice foarte mari, ceea ce impune construcţia lor din oţeluri speciale, înalt aliate. De obicei, acestea sunt fabricate din oţel cu crom-nichel de înaltă calitate. După structura lor, roţile sunt de mai multe tipuri, şi anume: - asamblate, cu fixarea mecanică a paletelor (utilizate în cazul turbinelor Pelton de putere scăzută); - în întregime turnate, care sunt şi cele mai utilizate. Îmbinarea paletelor cu discul se poate face fie cu ajutorul buloanelor, fixând cupe individuale, fie prin turnarea paletelor odată cu discul. Majoritatea centralelor sunt echipate cu rotoare turnate monobloc.

Ca dimensiune principală a rotorului se consideră a fi diametrul D care este tangent la linia mijlocie a vânei jetului. Turbina Pelton este caracterizată de o construcţie simplă şi de o mare flexibilitate. Randamentul economic variază foarte puţin cu încărcarea, într-un domeniu extins şi, din acest motiv, turbinele Pelton sunt potrivite în cazul încărcărilor variabile. Randamentul este, în general, foarte bun, valoarea maximă a acestuia putând ajunge până la 92%.

Regimul specific al turbinei Pelton este cuprins între 500 sn .

Acest domeniu poate fi împărţit în mai multe subdomenii, turbinele Pelton putând fi clasificate, din acest punct de vedere, în:

Page 31: Energii Regenerabile I Curs

31

- turbine lente - cu 102 sn ;

- turbine normale - cu 2010 sn ;

- turbine rapide - cu 5020 sn .

În centralele mari, turbinele Pelton se folosesc dacă există o cădere minimă de apă de 150 m, iar în centralele micro pot fi folosite cu o cădere de apă de la 20 m în sus.

4.4.2. Turbina Banki (cu flux transversal)

Brevetul acestei turbine datează din 1903 şi aparţine australianului D. Mitchel, fiind mai târziu (1917 – 1919) perfecţionat de profesorul D. Banki, de la Politehnica din Budapesta. Turbina Banki este utilizată pentru căderi cuprinse în intervalul 2002 H m, dar puterea sa rămâne limitată, în mod normal, la 500 W, din cauza randamentului scăzut (valorile maxime ating 85%). În figura 10 este prezentată schema de principiu a turbinei Banki. În cazul acestui tip de turbină, apa străbate interiorul şi atacă de două ori paletele rotorului. Partea de curgere a turbinei este compusă dintr-un injector, prevăzut cu o pală de reglaj, roata şi camera de lucru, instalată deasupra unui puţ. Camera este prevăzută cu o supapă, pentru a evita producerea vidului în aceasta. Apa din conducta de transport intră în injectorul 1, rolul acestuia fiind de a transforma energia apei în întregime în energie cinetică (acest lucru nu este posibil în proporţie de 100%,

astfel că viteza apei la ieşirea din injector este aproximativ gHc 2)95,09,0(0 ). Pala

directoare 4, montată în injector, permite reglarea debitului şi puterii turbinei. O dată ieşit din injector, jetul de apă atacă paletele rotorului, traversează interiorul şi atacă din nou paletele (efect dublu). La trecerea apei printre palete, mărimea şi direcţia vitezei de curgere se schimbă, rezultând un cuplu la arborele roţii. Studiile au arătat că la prima trecere, apa eliberează în jur de 70% din energia sa.

Fig. 10. Schema unei turbine cu flux transversal.

Page 32: Energii Regenerabile I Curs

32

Construcţia rotorului metalic este foarte simplă; între două discuri din tolă se sudează paletele.

Carcasa exterioară 3 înconjoară rotorul; de ea se fixează statorul, iar partea de jos se fixează în fundaţia canalului de evacuare. Turbina Banki are o structură simplă, comparativ cu alte tipuri de turbine şi îşi găseşte o largă aplicare în CHE de putere scăzută.

Regimul specific al turbinei Banki se situează în plaja 8030 sn .

Turbina Banki se întâlneşte la microcentrale şi poate fi folosită pentru căderi de apă scăzute, chiar şi pentru 20H m. 4.5. Turbine cu reacţiune

Turbinele cu reacţiune sunt turbinele care sunt caracterizate de relaţia 21 pp , cu

21, pp având semnificaţiile precizate anterior.

Aceste turbine folosesc preponderent energia potenţială sub forma unei coloane de apă sub presiune şi în mică proporţie energia cinetică. În statorul turbinei se produce transformarea parţială a energiei disponibile a apei în energie cinetică, continuată în rotorul acesteia. Turbinele cu reacţiune sunt caracterizate de faptul că rotorul turbinei este integral scufundat în apă şi este închis într-o casetă presurizată. Profilul paletelor este astfel conceput încât să creeze efectul de portanţă, care generează cuplul de rotaţie. Randamentul este ridicat la valori nominale de debit, dar are valori scăzute pentru debite de apă mai mici decât cele nominale.

Partea de curgere a unei turbine cu reacţiune se compune din mai multe elemente înseriate: - elemente ce formează curgerea înainte de rotor: camera turbinei (camera de aducere) şi distribuitorul (aparatul director); - roata (rotorul); - difuzorul (tubul de aspiraţie).

Camera turbinei (camera de aducere) este elementul care formează curgerea înaintea distribuitorului şi influenţează funcţionarea turbinei. Cel mai adesea, se utilizează camera în formă de spirală. Apa este condusă împrejurul turbinei prin camera spirală. Prin stator, apa trece către distribuitor (aparatul director) şi rotor. Statorul este un organ de rezistenţă ce transmite fundaţiei sarcinile datorate greutăţii proprii a părţilor superioare ale turbinei. Paletele sale sunt fixe şi profilate hidrodinamic.

Distribuitorul (aparatul director) modifică curgerea formată de camera turbinei, pentru a crea condiţii optime de funcţionare a rotorului şi, de asemenea, reglează debitul în conformitate cu exigenţele date de o putere şi o turaţie date. În plus, distribuitorul asigură şi închiderea cu efect rapid. În turbinele hidraulice cu reacţie îşi găseşte, practic, aplicaţii doar distribuitorul cu pale mobile. Astfel, reglajul debitului se realizează prin modificarea poziţiei

Page 33: Energii Regenerabile I Curs

33

palelor, prin pivotarea acestora. Tipul de distribuitor cu pale reglabile a fost inventat de Fink, în 1880. Cu ajutorul paletelor oscilante se pot varia simultan secţiunile tuturor canalelor dintre palete, acestea fiind astfel legate între ele, încât rotirea lor simultană este asigurată.

Roata (rotorul) este elementul cel mai important în transformarea energiei de către turbină. După direcţia curgerii apei prin rotor, turbinele cu reacţie pot fi radial-axiale (de tipul Francis), axiale sau diagonale. Se spune că turbina este radială dacă direcţia de curgere a curentului de apă este perpendiculară pe axa rotorului; dacă această direcţie de curgere este paralelă cu axa rotorului, turbina se numeşte axială.

Difuzorul (tubul de aspiraţie) are rolul de a evacua apa turbionată şi de o antrena în bazinul aval cu pierderi hidraulice minime.

4.5.1. Turbina Francis

Primele construcţii de turbine Francis de importanţă industrială au apărut înainte de prima jumătate a secolului al 19 - lea în Franţa (Furneyron) şi în Rusia (Safonov). Acestea erau turbine centrifuge (cu trecerea apei din centru spre periferie). În 1848 americanul J. Francis a brevetat o turbină radial-axială centripetă care este utilizată şi în prezent, după ce a suferit mai multe perfecţionări de-a lungul timpului. La acest tip de turbină alimentarea se face pe toată periferia rotorului. În zona rotorului, curentul intră radial, îşi schimbă direcţia şi iese axial. Turbina Francis funcţionează la căderi mijlocii şi mari, cuprinse între 50 şi 600 m şi la debite mijlocii, până la câteva zeci de m3/s. În figura 11 este prezentată schema de principiu a unei turbine Francis. Principiul său de funcţionare este descris în continuare.

Pornind de la conducta de transport, apa este direcţionată către camera turbinei 1, unde se efectuează rotirea prealabilă a curgerii. Prin urmare, apa, care este condusă împrejurul turbinei prin camera spirală, trece succesiv între paletele statorului 2 (care consolidează rezistenţa camerei turbinei), de unde trece către distribuitorul (aparatul director) 3, cu rol în reglarea debitului, iar de aici ajunge în rotorul 4. Astfel, apa îşi transmite rotorului energia, iar cuplul obţinut este transmis generatorului electric prin arborele 6, care se roteşte în lagărul 7. Difuzorul (tubul de aspiraţie) 5 conduce apa în bazinul aval, valorificând o parte din energia cinetică cu care apa părăseşte rotorul (o transformă în energie potenţială). Turbinele Francis pot fi construite cu arbore orizontal sau cu arbore vertical, dar constructia lor obisnuita este cu ax vertical. La puteri mici, investiţiile sunt mai reduse la soluţia cu arbore orizontal. În cazul unităţilor cu arbore orizontal de dimensiuni mari, pentru aşezarea camerei spirale şi a tubului de aspiraţie sunt necesare fundaţii foarte complicate, încât se anulează orice avantaj economic în procesul de fabricaţie al turbinei. La soluţiile cu arbore vertical, o mare parte din organele turbinei sunt îngropate în beton, asigurându-se o rezemare fără încovoieri şi distorsiuni, precum şi o mare rezistenţă la vibraţii. În figura 11 este prezentată o turbină Francis cu arbore orizontal.

Page 34: Energii Regenerabile I Curs

34

Fig. 11. Schema unei turbine Francis

Organele cele mai importante ale turbinei Francis sunt: - camera turbinei (camera de aducere); - distribuitorul (aparatul director); - rotorul; - difuzorul (tubul de aspitaţie).

Camera turbinei. Camera de aducere are rolul de a ghida apa către stator şi aparatul director.

Se utilizează camere dreptunghiulare sau în formă de spirală. Camerele dreptunghiulare se întâlnesc la turbinele Francis destinate căderilor mici de apă ( 6H m) şi de putere redusă. Cele mai frecvente sunt cazurile în care se utilizează camere spirale, cu secţiune rotundă sau ovală. La turbinele Francis de putere mică se pot utiliza camere spirale cu secţiune dreptunghiulară. Camerele spirale prevăzute pentru căderi mici şi medii au construcţii sudate.

Distribuitorul (aparatul director). Aparatul director are următoarele misiuni: conduce apa spre periferia rotorului cu o viteză potrivită, ca mărime şi direcţie, pentru orice valoare a debitului; realizează alimentarea rotorului cu orice debit, de la o valoare maximă oarecare până la oprirea accesului apei.

Într-un regim dat de funcţionare, palele distribuitorului sunt imobile. Dacă, însă, este necesar să se modifice debitul turbinei, respectiv puterea, acestea pivotează în poziţia corespunzătoare debitului necesar. În afară de rolul său de element regulator de debit, distribuitorul îndeplineşte şi funcţia de organ de închidere. Astfel, în poziţia închis, palele sale nu trebuie să permită accesul apei în rotor.

Page 35: Energii Regenerabile I Curs

35

Construcţia aleasă pentru aparatul director trebuie să aibă următoarele proprietăţi: pierderi hidraulice minime, manevrare uşoară, fără frecări mari sau uzură pronunţată.

Dintre numeroasele scheme imaginate, sistemul care răspunde în condiţii optime acestor cerinţe şi care este adoptat la toate construcţiile moderne de turbine Francis este compus din două suprafeţe plane inelare, între care sunt aşezate, la distanţe egale, palete mobile în jurul unei axe proprii. Deplasarea simultană a paletelor este asigurată de către un inel de reglare şi o serie de pârghii articulate. Mişcarea este transmisă sistemului de reglare de către unul sau două servomotoare, puse în funcţiune de instalaţia automată de reglare. Aparatul director se proiectează astfel încât să fie posibilă deschiderea la un unghi mai mare decât cel corespunzător debitului normal, în general astfel încât să poată fi absorbit

debitul normalQQ 25,1max . În vederea obţinerii unor randamente maxime, corpul paletei

trebuie să opună rezistenţe minime la trecerea curentului, deci se va profila hidrodinamic. Grosimea profilului trebuie să fie suficient de mare, pentru a rezista la presiunea apei în poziţia complet închisă.

Turbinele Francis utilizează un distribuitor cilindric, adică palele sale directoare se sprijină pe o suprafaţă cilindrică).

Rotorul (roata). Este elementul cel mai important al turbinei, care transformă energia hidraulică în energie mecanică. În rotor, apa îşi schimbă direcţia (radială la intrare şi axială la ieşire).

Rotorul (fig. 12) se compune din coroană, palete şi inel. Paletele, fiind curbate, deviază curentul fluid, în acest fel producându-se o variaţie a momentului cantităţii de mişcare. Construcţia este realizată de aşa manieră, încât momentul impulsului este mai mic la ieşire decât la intrare. Deoarece diferenţa este preluată de către palete, acest moment învârteşte rotorul în jurul axului său. Dimensiunile ce caracterizează rotorul şi care se pot vedea în figura 12, sunt:

- 1b - înălţimea muchiei de intrare;

- 1D - diametrul de la intrare (în mod convenţional, se consideră 1D diametrul

măsurat lângă inel);

- 2D - diametrul de la ieşirea din rotor.

Fig. 12. Rotorul turbinei Francis.

Pentru realizarea rotorului, se aplică următoarele metode: turnarea monobloc (la dimensiuni relativ mici) sau prin uzinarea separată a celor trei componente - coroană, inel, palete - urmată de o asamblare prin sudură.

Page 36: Energii Regenerabile I Curs

36

Materialul utilizat pentru palete este, de obicei, oţelul inoxidabil înalt aliat, în general cu un conţinut de 13% Cr, care asigură o durată de exploatare de circa trei ori mai mare decât oţelul carbon obişnuit.

Difuzorul (tubul de aspiraţie). Tubul de aspiraţie este acea parte a turbinei care conduce fluidul de la ieşirea din rotor, până la canalul de fugă. El îndeplineşte următoarele misiuni: permite montarea rotorului deasupra nivelului din canalul de fugă şi recuperează o mare parte din energia cinetică a curentului de apă de la ieşirea din rotor. Tuburile de aspiraţie simple au forma unui trunchi de con, cu baza mare imersată în canalul de fugă, care transportă debitul turbinei spre punctele de restituţie în cursurile de apă. La aproape toate centralele realizate în ultimul timp, tubul de aspiraţie este curb, cu secţiunea de la intrare circulară şi cu cea de la ieşire de forma unui dreptunghi cu colţurile rotunjite.

Turbinele Francis cu arbore vertical sunt echipate cu un difuzor de formă curbată. Turbinele cu arbore orizontal utilizează adesea difuzorul drept conic. În acest caz,

între ieşirea roţii şi difuzor, se montează un cot.

În funcţie de turaţia specifică, rotoarele Francis pot fi clasificate în trei grupe (tabelul de mai jos).

Tipul rotorului Debitul sn 2

1

D

D

1D

b

Lent mic 50 …130 8

10...

6

10

7

1...

8

1

Normal

mic 130 … 165 9

10...

8

10

4

1...

6

1

normal 165 … 200 10

10

3

1...

4

1

mare 200 … 250 12

10...

10

10

3

1...

4

1

Rapid mare 250 … 550 15

10...

13

10

3

1...

5

1

Randamentul total al turbinelor Francis este în general mai mare decât al turbinelor Pelton, valorile acestuia putând ajunge până la 95%.

Turbinele Francis sunt folosite cu preponderenţă în centrale cu stocare şi pompare, care asigură înălţimi de cădere de până la 1.000 m şi debite foarte mari de apă.

Turbina Francis este o turbină tipică pentru centrale de munte.

4.5.2. Turbina Kaplan

Proiectanţii de maşini hidraulice şi-au îndreptat atenţia, încă din primele decenii ale

secolului nostru, către turbine cu sn mare. Ca rezultat al studiilor şi încercărilor efectuate, a

apărut turbina elicoidală.

Page 37: Energii Regenerabile I Curs

37

Profesorul ceh Kaplan, în urma a numeroase experienţe efectuate cu aceste turbine, ajunge la concluzia că performanţele cele mai bune se obţin dacă unghiul de aşezare al paletelor poate fi modificat în timpul funcţionării.

Această turbină acoperă domeniul rapidităţilor maxime întâlnite şi face parte din categoria turbinelor axiale funcţionând la căderi mici şi debite mari şi foarte mari, ajungând la sute de m3/s. Turbina Kaplan se caracterizează prin:

- turaţie specifică foarte mare ( 1200400 sn );

- intrare şi ieşire axială a curentului de apă din rotor; - spaţiu mare şi lipsit de palete între aparatul director şi rotor; - număr redus de palete rotorice şi dispariţia inelului rotoric;

- paletele rotorice profilate şi mobile în jurul axei proprii; - viteze mari ale apei la trecerea prin turbină.

O reprezentare schematica a acestui tip de turbina este data in figura 13.

Fig. 13. Turbina Kaplan - schema constructivă.

Din camera spirală 1, de secţiune poligonală, curentul trece prin statorul 2 şi aparatul director 3, către rotorul 4, care se compune dintr-un butuc, o reţea de palete 4a şi ogiva 4b. Tubul de aspiraţie 6 este în general cotit. O schemă funcţională simplificată a turbinei Kaplan este prezentată în figura 14.

Page 38: Energii Regenerabile I Curs

38

Fig. 14. Schema funcţională a unei turbine Kaplan: 1 - distribuitor; 2 - paletele aparatului director; 3 - axul rotorului; 4 - paletele reglabile ale rotorului.

Turbina Kaplan este derivată din turbina Francis şi face parte din categoria turbinelor extrarapide. La turbina Kaplan s-a realizat o importantă creştere a regimului de turaţii, transformând rotorul într-o roată cu aripioare, asemănătoare cu acelea ale unui ventilator; această roată cu aripioare este combinată cu un stator cu palete reglabile Fink, astfel încât apa curge prin turbină cu cele mai mici pierderi de frecare şi turbionare.

Rotorul este în mod practic axial şi are foarte puţine palete (6 - 8 palete). Întrucât paletele rotorului sunt foarte scurte, pentru a evita pierderile prin frecare, curentul de apă nu trece prin canale propriu-zise, ci se formează doar suprafeţe de deviere. Cum, însă, la un astfel de rotor randamentul ar scădea mult o dată cu scăderea debitului, Kaplan a introdus sistemul de reglaj Fink şi la paletele rotorului. Aceasta este de fapt cea mai marcantă caracteristică a turbinei Kaplan, care, dealtfel, a dat rezultate excelente. Având unghi de atac variabil, paletele se pot adapta la variaţiile debitului de apă şi menţine o putere de ieşire constantă.

Randamentul acestor turbine este practic constant de la 0,3 până la 0,95 din maxP .

Se folosesc pe cursul fluviilor, necesitând o cădere de apă mică, de 10 până la 70 m.

4.5.3. Turbina cu elice

Turbina cu elice poate fi considerată o variantă a turbinei Kaplan; ea este tot o turbină extrarapidă, dar care, spre deosebire de turbina Kaplan, nu are aripioare la rotor, ci palete în formă de elice, fixate pe arborele roţii.

Rotorul turbinei este echipat în mod uzual cu trei până la şase palete, deci numărul paletelor este foarte mic, dar acestea sunt suficient de lungi pentru a asigura o deviere clară a curentului de apă în canale bine conturate; suprafaţa paletei este elicoidală, cu înclinaţie variabilă de la axă spre periferie. Intrarea şi ieşirea apei din rotor sunt axiale, devierea axială având loc - ca la turbina Kaplan - înaintea intrării curentului în rotor. Statorul este cu palete reglabile Fink. Întrucät paletele rotorului nu sunt reglabile, randamentul turbinei scade rapid, când variază debitul la variaţii de sarcină, ceea ce trebuie să se atribuie pierderilor prin turbionare, foarte puternică la sarcini mici. Totuşi, cu acest tip de turbină s-au obţinut rezultate foarte bune, în intervale limitate de variaţie a debitului.

Page 39: Energii Regenerabile I Curs

39

4.5.4. Turbina bulb In cazul căderilor foarte mici, pentru a reduce pierderile hidraulice în maşină şi

cheltuielile legate de fundaţiile adânci necesare pentru tubul de aspiraţie, se utilizează o turbină la care tipul predominant de mişcare este cel axial, această maşină numindu-se bulb.

Astfel, pentru căderi mici, cuprinse în domeniul (2 - 12) m a apărut o turbină de tip axial, dar fără cameră spirală, cu ax orizontal şi la care generatorul electric este montat în interiorul unei capsule (bulb), plasată în faţa rotorului (amonte de rotor), în curentul de apă.

Schema unei turbine bulb este prezentată în figura 15.

Fig. 15. Schema unei turbine bulb: 1 - capsula generatorului; 2 - coloane statorice; 3 - aparat director; 4 - rotor; 5 - tub de aspiraţie.

S-au realizat deja turbine de acest tip cu puteri de peste 20 MW si randamente de 92 –

94%.

4.6. Reglarea turbinelor hidraulice

În mod obişnuit, turbinele hidraulice sunt destinate antrenării generatoarelor electrice ce furnizează energia necesară unei anumite reţele. Consumatorii branşaţi în reţea vor cupla sau scoate din funcţie diferite receptoare de curent, în conformitate cu nevoile lor individuale. Aşadar, puterea generatorului electric se modifică în permanenţă, în timp ce puterea hidraulică disponibilă rămâne aproximativ aceeaşi. Dacă energia hidraulică disponibilă este mai mare decât cea necesară la generatorul electric, turaţia întregului grup creşte. Într-adevăr, din dinamică se ştie că pentru masele în mişcare de rotaţie perfect echilibrate static şi dinamic, rezultanta forţelor centrifuge este nulă, iar momentul forţelor de inerţie tangenţiale trebuie să fie egal cu suma cuplurilor aplicate:

rm CCdt

dJ

(21)

unde: - J - momentul de inerţie al maselor în mişcare; - - viteza unghiulară;

- mC - cuplul motor, determinat de puterea hidraulică disponibilă;

- rC - cuplul rezistent, determinat de puterea cerută de consumatori.

Page 40: Energii Regenerabile I Curs

40

Când rm CC , 0dt

d, adică = constant, ceea ce înseamnă funcţionare la turaţie

constantă.

Dacă, dintr-un motiv oarecare, cuplul rezistent creşte la valoarea /rC , în timp ce

cuplul motor rămâne constant, 0dt

d, turaţia agregatului scade.

Dimpotrivă, când /rC este mai mic decât mC , 0

dt

d, turaţia agregatului creşte.

Pentru ca tensiunea şi frecvenţa în reţea să rămână constante, condiţie necesară funcţionării receptorilor de energie, turaţia trebuie să rămână constantă. Aşadar, în componenţa agregatului trebuie să existe un organ care să modifice în permanenţă cuplul motor în conformitate cu variaţia cuplului rezistent. Acest organ se numeşte regulator automat de viteză şi acţionează în sensul modificării cuplului motor. Variaţia acestuia se poate face numai prin micşorarea sau mărirea debitului, ceea ce presupune acţionarea asupra aparatului director. De exemplu, în cazul creşterii momentului rezistent, apare o scădere a turaţiei. Sistemul de reglare, sesizând acestă modificare, dă comanda pentru acţionarea servomotorului aparatului director, în sensul deschiderii paletelor acestuia. Astfel, prin turbină va trece un debit mai mare de apă, ceea ce duce la creşterea cuplului activ, turaţia revenind la valoarea prescrisă. Evident, în funcţie de puterea hidraulică disponibilă, există un cuplu motor maxim

posibil. Dacă rC depăşeşte valoarea acestuia, consumul din reţea nu mai poate fi asigurat cu

grupul respectiv. Pentru satisfacerea consumului, trebuie pornit un alt agregat. Dacă centrala nu mai dispune de nici un agregat liber, trebuie branşată la reţea o altă centrală electrică.

Pentru aceeaşi variaţie rm CC , variaţia turaţiei este cu atât mai mică, cu cât

momentul de inerţie J este mai mare. Pentru a mări momentul de inerţie, în anumite situaţii, agregatul se completează cu un volant. În practică, volantul se caracterizează prin produsul

2GD , unde G este greutatea, iar D este diametrul de giraţie. Legătura cu momentul de inerţie este dată de expresia:

4

2GDJ . (22)

Existenţa unui moment de inerţie mare în cazul turbinelor hidraulice este deosebit de importantă, deoarece reducerea debitului (în vederea micşorării cuplului motor) nu se poate face brusc. O reducere rapidă a debitului poate provoca suprapresiuni dăunătoare, mai ales atunci când există conducte lungi şi viteze mari. Volantul are, aşadar, rolul de a întârzia variaţia de turaţie, permiţând intervenţia lentă a regulatorului în vederea restabilirii noului echilibru. În general, se pot imagina regulatoare cu acţiune directă, constituite dintr-un organ ce sesisează variaţia turaţiei (denumit îndeobşte tahometru) şi acţionează printr-un mecanism de comandă asupra vanei de distribuţie a fluidului care intră în rotor. La turbinele hidraulice, unde sunt necesare forţe mari pentru închiderea aparatului director, trebuie aplicate regulatoare cu acţiune indirectă. Aceste regulatoare se compun de

Page 41: Energii Regenerabile I Curs

41

asemenea, dintr-un tahometru şi un organ de comandă, care însă pun în funcţiune un organ de execuţie special, denumit servomotor, ce acţionează asupra aparatului director. Prin introducerea servomotorului, forţa necesară şi, mai ales viteza cu care se face închiderea este independentă de viteza de mişcare şi forţa dezvoltată de către tahometru. Regulatoarele de viteză pot fi izodrome, la care după efectuarea reglajului turaţia revine exact la valoarea nominală sau neizodrome, la care după înlăturarea perturbării, turaţia nu coincide cu valoarea nominală. La uzinele hidroelectrice care funcţionează în paralel pe o reţea a unui sistem energetic, fără a avea rolul de a regla frecvenţa curentului în jurul celei de regim (f = 50 Hz), acest rol fiind rezervat altor uzine electrice, pot fi folosite regulatoare neizodrome. Aceste regulatoare sunt mai ieftine şi mai uşor de întreţinut decât cele izodrome.

Reglarea debitului unei turbine Pelton se realizează prin închiderea sau deschiderea acului injectorului. Deoarece închiderea bruscă a injectorului poate provoca suprapresiuni deosebit de periculoase, turbinele Pelton sunt prevăzute în partea din faţă a injectorului cu un organ ce poartă numele de deflector. Când puterea cerută de generatorul electric scade brusc, deflectorul, comandat de către regulator, intră în jetul de apă, producând o deviere parţială sau totală, în scopul de a reduce debitul ce acţionează asupra rotorului, respectiv puterea turbinei. Această manevră se produce în timp scurt (1 … 2 s, pentru a reduce debitul de la valoarea maximă până la zero). Deoarece nu se obturează secţiunea de trecere a fluidului, nu există pericolul loviturii de berbec. După aceasta, începe închiderea lentă a acului, pentru a reduce progresiv debitul care trece prin stator; durata obturării complete este uneori mai mare de 10 secunde, ceea ce evită lovitura de be rbec. Concomitent cu închiderea acului, deflectorul se retrage din jet, astfel încât în noua poziţie de funcţionare să fie complet scos din jet, însă în imediata apropiere a acestuia. Aşdar, regulatorul de viteză al turbinelor Pelton trebuie să acţioneze atât asupra deflectorului, cât şi asupra acului, efectuând un reglaj dublu. Mişcarea acului şi a deflectorului sunt astfel corelate între ele, încât în momentul restabilirii echilibrului între cuplul motor şi cel rezistent, deflectorul este complet ieşit din jet, pentru a nu afecta randamentul turbinei. Trebuie să fie, însă, neîncetat pe punctul de a atinge jetul, pentru a putea intra neîntârziat în acţiune, dacă se produce o nouă perturbaţie.

În cazul turbinelor cu reacţiune, reglajul paletelor aparatului director se face în cele mai multe situaţii cu ajutorului schemei de reglaj cu palete oscilante sistem Fink. Cu ajutorul paletelor oscilante, se pot varia simultan secţiunile tuturor canalelor dintre palete, acestea fiind astfel legate între ele, încât este asigurată rotirea lor simultană. Turbinele hidraulice funcţionează la diferite încărcări, în funcţie de necesităţile consumatorilor. Din acest punct de vedere, este necesară cunoaşterea curbei caracteristice

)(P .

În figura 16 sunt prezentate curbele caracteristice pentru câteva tipuri de turbine.

Page 42: Energii Regenerabile I Curs

42

Fig. 16. Curbele caracteristice )(P ale unor turbine: 1 - turbina Kaplan;

2 - turbina Pelton; 3 - turbina Francis cu 300sn ; 4 - turbina Francis cu 100sn .

5. UTILIZAREA ENERGIEI HIDROELECTRICE

Energia hidraulică este o sursă de energie importantă, în special pentru ţările care nu

dispun de compustibili organici. Valorificarea energiei hidraulice echilibrează sensibil balanţa energetică a tuturor ţărilor. După criza energetică din anii 70, chiar şi sursele hidraulice mai mici au fost utilizate pentru a furniza energie electrică rentabilă. Energia electrică produsă în CHE are mai multe avantaje, comparativ cu energia produsă în centrale termice sau nucleare. Cele mai importante dintre aceste avantaje sunt: - apa naturală este într-un circuit permanent, asigurând regenerarea combustibilului folosit în conversia hidroelectrică; - tehnologiile utilizate pentru conversie sunt foarte eficiente; valoarea randamentului total al grupurilor hidraulice poate atinge 88 – 90%, în timp ce randamentul grupurilor termice nu depăşeşte, în general, 42%; - preţul energiei electrice produse în CHE este inferior celui al energiei produse în centralele nucelare şi, mai ales, celui al energiei produse în centralele termice; - nu produce nici un fel de poluare cu noxe, gaze, materiale reziduale; - costurile de exploatare/întreţinere sunt mici comparativ cu centralele termoelectrice; - CHE moderne sunt practic total automatizate, ceea ce înseamnă că ele pot fi comandate de la distanţă, iar personalul este sensibil redus, în comparaţie cu centralele termice şi nucleare;

- manevrabilitate ridicată a grupurilor hidraulice; cuplarea grupurilor hidraulice la sistemul energetic şi debranşarea acestora necesită timpi de ordinul minutelor (de exemplu, turbina Pelton, datorită deflectorului său, poate fi debranşată de la sistemul energetic în doar câteva secunde); - avantajele folosirii energiei hidraulice sunt nu numai în plan energetic, de ele beneficiind şi agricultura, piscicultura, alimentarea cu apă potabilă a oraşelor, protecţia la inundaţii, turismul etc.; - terenurile utilizate pentru construcţia hidrocentralelor nu au o valoare economică semnificativă pentru alte utilizări, zonele ocupate fiind de regulă râpi muntoase, chei, defilee.

Page 43: Energii Regenerabile I Curs

43

Dezavantajele nu sunt legate de conversia propriu-zisă, ci de barajele care însoţesc centralele cu acumulare. Nu întotdeauna aceste baraje au avut efecte benefice, acumulările de materiale aluvionare la baza barajului constituind o problemă. Pentru căderi mici de apă, cu debit relativ constant, instalaţia hidroenergetică a unei centrale hidroelectrice nu este prevăzută cu construcţii de regularizare. În aceste cazuri, variaţiile de debit ale apei pot fi stăpânite cu ajutorul dispozitivelor de reglaj ale turbinelor Francis sau Kaplan, iar în măsura în care debitul nu poate fi preluat în întregime de turbinele instalate, apa este lăsată să curgă liber peste stăvilar. În cazul când variaţiile de debit ale apei sunt mari, pentru a putea obţine un debit mijlociu şi aproximativ constant, este necesară construirea unui baraj, care să închidă un lac de acumulare, din care să se alimenteze turbinele prin conducte forţate. O astfel de alimentare este mai complicată decât în cazul precedent. Dacă centrala hidroelectrică este amplasată în imediata apropiere a lacului de acumulare, conductele forţate sunt relativ scurte. În astfel de cazuri căderile de apă folosite nu sunt prea mari, iar centralele sunt echipate de obicei cu turbine Francis. Dacă centrala hidroelectrică este amplasată la distanţă mare faţă de baraj, apa se conduce prin canal sau conductă la acelaşi nivel până la castelul de distribuţie, de unde pornesc conductele forţate lungi până la centrală. În astfel de cazuri, se realizează căderi de apă mai importante, iar turbinele utilizate sunt de tipul Pelton. Volumul lacului de acumulare depinde de gradul de regularizare a debitului în afară de centrală. Dacă se doreşte utilizarea integrală a debitului anual, lacul trebuie să fie astfel dimensionat, încât să poată acumula toate apele mari, în timp ce apa se scurge cu un debit absolut constant prin centrală. În cazul când debitul de apă este foarte variabil în decursul unui an, regularizarea totală este mult prea costisitoare. În astfel de cazuri, se renunţă la regularizarea totală, adoptându-se numai regularizarea parţială, astfel că la apele mari o parte din debit este lăsat să se scurgă peste baraj.

Regimul specific al turbinei Pelton este cuprins între 0sn şi 50sn . Domeniul de

utilizare al turbinei Pelton este vecin cu cel al turbinei Francis; astfel, regimul specific al

turbinei Francis este cuprins între 50sn şi 550sn . Datorită faptului că regimul specific

al turbinei Pelton poate fi coborât oricât şi că regimul specific al turbinei Francis poate fi ridicat până la 550, iar cel al turbinei Kaplan este cuprins între 400 şi 1200, cu aceste tipuri de turbine se pot acoperi toate necesităţile cu privire la viteze şi regimuri. La noi în ţară, hidrocentrala Lotru - Ciunget este echipată cu trei turbine Pelton, cu ax vertical, puterea maximă a unui agregat fiind de 172 MW, iar căderea maximă de 809 m. Cele mai mari turbine Francis în exploatare sunt centrala Krasnoiarsk, pe Ienisei, realizând o putere de 508 MW, la o cădere de 101 m. Dintre turbinele Francis instalate la noi în ţară, se pot aminti cele de la hidrocentralele Bicaz, de 50 MW, la 145 m cădere şi Argeş, de 55 MW, la 324 m cădere. Turbinele Kaplan echipează CHE Porţile de Fier, care are şase agregate, fiecare cu o putere de 178 MW, căderea este de 33 m iar diametrul rotorului este de 9 m. Hidrocentrala Porţile de Fier II este echipată cu turbine bulb.

Page 44: Energii Regenerabile I Curs

44

CAPITOLUL 3

CONVERSIA ENERGIEI MAREMOTRICE. CONVERSIA ENERGIEI VALURILOR. CONVERSIA ENERGIEI CURENŢILOR MARINI

1. INTRODUCERE Terra este supranumită şi "planeta albastră", datorită pre-dominării suprafeţei ocupate

de apele marine. Proporţia dintre apă şi uscat este net favorabilă apei: din suprafaţa totală a Pamântului, evaluată la 510,10 milioane km2, apa Oceanului Planetar ocupă 361,07 milioane km2, adică 70,8%. Pe aceste întinderi albastre, continentele par a fi uriaşe insule risipite între cei doi poli. Oceanul Planetar este alcătuit din patru bazine oceanice, care, la rândul lor, se compun dintr-un bazin oceanic propriu-zis şi o serie de bazine maritime aflate, în cele mai multe cazuri, în apropierea ţărmurilor continentale, sau între diferite insule din arhipelaguri. Bazinele oceanice sunt: Pacific, Atlantic, Indian si Oceanul Înghetat de Nord.

Apele Oceanului Planetar deţin un imens potenţial energetic, care poate fi valorificat pentru producerea de energie electrică. Principalele surse de energie luate în considerare, cel puţin la nivelul tehnicii actuale, se referă la: maree, valuri şi curenţi marini.

2. CONVERSIA ENERGIEI MAREMOTRICE

Fluxurile şi refluxurile se deosebesc de toate celelalte surse energetice, prin faptul că

sunt rezultatul sistemului „Pământ - Lună - Soare. De-a lungul coastelor globului terestru, nivelul mărilor urcă şi coboară, datorită atracţiei Lunii şi Soarelui, Luna exercitând cea mai mare influenţă.

Datorită producerii acestor fenomene, se schimbă nivelul apelor marine de-a lungul

liniei de litoral a tuturor continentelor. Nivelul apei se schimbă de două ori pe zi, „ocupând şi „eliberând o parte din teritoriul litoralului, formând astfel bazine. Curenţii de apă, formaţi în aceste bazine, pot fi utilizaţi pentru aducerea în mişcare a hidroturbinelor care, fiind unite cu generatoare, pot produce energie electrică. Cu cât fluxurile sunt mai înalte, cu atât mai multă energie se poate produce în locul dat. Amplitudinea mareelor poate atinge uneori 14-18 m, determinând oscilaţii lente de nivel ale apelor marine. Principiul de utilizare a energiei mareelor în centrale maremotrice constă în amenajarea unor bazine îndiguite, care să facă posibilă captarea energiei apei, declanşată de aceste oscilaţii, atât la umplere (la flux), cât şi la golire (la reflux). Au existat aplicaţii ale energiei mareelor în ultimele secole, dar numai recent s-a trecut la exploatarea economică şi raţională a acestei energii.

În general, înălţimea mareelor variază între 4,5 12,4 m. Pentru a obţine un randament economic acceptabil, este necesară o înălţime a mareei de minim 7 m. În unele regiuni, utilizarea energiei fluxurilor şi refluxurilor este destul de atractivă, mai ales în regiunile de litoral şi în deltele râurilor cu o amplitudine mare a fluxurilor şi

Page 45: Energii Regenerabile I Curs

45

refluxurilor. Asemenea condiţii pot fi găsite, spre exemplu, în Canada, unde amplitudinea medie este de 10,8 m, sau în albia râului Severn din Anglia, unde amplitudinea medie ajunge la 8,8 m. Proiectele mari în aceste locuri sunt economic avantajoase.

În funcţie de locul în care se amplasează centrala maremotrică, se disting: - centrale de baraj - se amplasează în estuarul de vărsare al unui fluviu mare; - centrale deschise - se amplasează în largul oceanului într-o zonă cu maree puternice. La ora actuală, sunt operante numai centralele tip baraj, datorită unei conjuncturi favorabile de factori locali.

La baza tehnologiei tradiţionale, bazate pe îngrădirea (blocarea, bararea) canalului albiei râului, stă următorul principiu: apa se acumulează în timpul fluxurilor, iar în perioadele refluxurilor ea este direcţionată şi aruncată pentru lucrul hidroturbinelor. Această metodică prevede formarea barierei (baraj nu prea înalt), pentru îngrădirea teritoriului albiei râului, supusă acţiunii fluxurilor, permiţând curentului fluxului să se acumuleze pe partea oceanică a barajului. Apoi, când nivelul apei atinge valoarea maximă, supapele barajului se închid. Apa acumulată se scurge în timpul refluxului. Generarea energiei are loc pe parcursul a câtorva ore, când nivelul apei este înalt. Obturatoarele se deschid sau închid, în corespondenţă cu fluxurile şi permit cursul apei doar la un curent necesar pentru rotirea turbinelor. Tehnologia de bază de producere a energiei electrice este asemănătoare cu tehnologia hidroenergetică de putere (capacitate) mică, adică apa trece prin turbogeneratoare sub acţiunea curentului. Principala deosebire a acestei tehnologii, constă în faptul că turbinele se află în apă sărată. În concluzie, funcţionarea unei centrale maremotrice este următoarea: fluxul aduce cantităţi imense de apă care inundă un estuar; când înălţimea fluxului atinge maximul, porţile de acces ale apei sunt închise şi, prin orificii practicate la baza barajului, apa pătrunde cu presiune şi viteză în turbine, generând electricitate.

Schematic, o astfel de instalaţie este prezentată în figura 1.

Fig. 1. Centrală electrică maremotrică tip baraj.

Energia este generată în timpul fluxului sau în timpul refluxului sau în timpul ambelor perioade. Procedura cea mai aplicată este producerea energiei în timpul refluxului (fig. 2), cu posibilitatea de pompare pe o perioadă scurtă la sfârşitul perioadei fluxului, pentru creşterea cantităţii de energie produsă.

Page 46: Energii Regenerabile I Curs

46

Fig. 2. Schema cu baraj, echipată cu ecluze şi turbine pentru utilizarea energiei în sens unic.

Un ciclu tipic de acest tip este prezentat în figura 3. Creşterea şi scăderea nivelului mării pe latura exterioară a barajului se consideră a avea o variaţie sinusoidală în timp. La început, nivelul bazinului este menţinut constant, iar apoi acesta este umplut (în timpul fluxului). Când amplitudinea mareei atinge valoarea maximă, ecluzele se închid, bazinul fiind astfel izolat (linia continuă din schemă). Apoi, nivelul mării începe să scadă (în timpul refluxului) şi, când căderea creată (diferenţa de nivel dintre bazin şi mare) este suficientă, apa începe să părăsească bazinul atacând turbinele. După un timp, când căderea (diferenţa de nivele) devine prea mică, producţia de energie este oprită. Toate ecluzele se închid, nivelul bazinului redevine constant iar ciclul urmează să se repete. Aşa cum s-a amintit anterior, poate interveni şi pomparea, pentru o perioadă scurtă de timp (linia punctată pe diagramă). Aceasta înseamnă că se utilizează în această perioadă energia electrică din reţea, pentru a creşte nivelul apei din bazin şi, astfel, să crească cantitatea de energie produsă în regim de generare.

Fig. 3. Variaţia nivelului oceanului şi bazinului în funcţie de timp, în cazul utilizării energiei în sens unic (doar

în timpul refluxului), cu sau fără pompare.

Page 47: Energii Regenerabile I Curs

47

În ultimii patruzeci de ani, interesul faţă de utilizarea energiei fluxurilor şi refluxurilor a fost în creştere permanentă. Astăzi, există staţii electrice industriale care lucrează pe baza energiei fluxurilor şi refluxurilor, dar exploatarea unor astfel de sisteme este destul de limitată. Cea mai importantă zonă care valorifică energia mareelor este zona râului Rance, din vestul Franţei, care se varsă în Marea Mânecii, în apropierea localităţii Saint Malo. La vărsarea în mare formează un estuar, unde, datorită mareelor foarte puternice, a fost construit un baraj de 750 m lungime. Amplitudinea fluxurilor şi refluxurilor în albia râului Rance atinge 13,4 m.

Staţia electrică de la Rance are hidroagregate reversibile, care se rotesc în timpul fluxului într-o direcţie, iar în timpul refluxului, în cealaltă direcţie (turbine care pot lucra în regim de pompe); astfel, instalaţia poate funcţiona ca o staţie de pompare-acumulare pentru reglarea supraîncărcărilor din reţea. La un nivel ridicat al apei, barajul „cuprinde în golf apele Atlanticului. La un nivel mic, apa curge încet înapoi spre mare. În drumul său, ea cuprinde 24 de turbine, unite cu generatoare, cu capacitatea totală de 240 MW. Energia electrică produsă acoperă necesităţile energetice ale oraşului cu o populaţie de aproximativ 300.000 oameni.

În tabelul de mai jos sunt prezentate sisteme în fază de proiect sau existente (*) în lume:

Locul Amplitudinea mareelor (m)

Lungimea barajului

(km)

Suprafaţa bazinului

(km2)

Număr turbine/

Diametru (m)

Putere (MW)

Rance (Franţa) 8,0 0,75 22 24 / 5,4 240 River Severn (Marea Britanie)

7,2 16,3 10000 192 / 9 12.000

Solway Firth (Marea Britanie)

5,6 30 860 180 / 9 5580

Bay of Fundy (Newfoundland)

11,7 8 282 128 / 8 4865

Golfo San Jose (Argentina)

5,8 7 788 270 / 8 6000

Un motiv pentru care astfel de centrale nu sunt răspândite este costul ridicat al investiţiei. Un alt impediment în calea dezvoltării lor se datorează posibilului impact negativ asupra mediului, prin amplasarea unui baraj care închide estuarul unui fluviu.

Din aceste două motive, s-a căutat o soluţie alternativă şi, se pare că, aceasta o reprezintă centralele amplasate în mare deschisă. Un astfel de proiect este la ora actuală în studiu în Alaska. De asemenea, în Marea Britanie se discută proiectul construcţiei centralelor maremotrice în largul mării. Sunt luate în considerare sectoarele adânci ale mării, cu înălţimea de 7 m. Pe aceste sectoare se plănuieşte construirea unor diguri nu prea înalte, situate la aproximativ 10 km de mal. În aceste diguri vor fi instalate ecluze şi hidroagregate reversibile, capabile să folosească până la 45% din energia fluxului şi refluxului. După calculele efectuate, de la 8 asemenea sectoare se poate obţine 25% din energia electrică

Page 48: Energii Regenerabile I Curs

48

necesară în prezent ţării. Pe digurile instalate în mare, pot fi construite suplimentar şi centrale electrice eoliene. Costurile estimate pentru un proiect în mare deschisă par să se apropie de costurile pentru o centrală electrică convenţională.

Una dintre metodele de creştere a randamentului centralelor maremotrice este de a folosi turbine reversibile şi centrale auxiliare de pompare.

Randamentele de utilizare sunt în general mai bune decât ale centralelor convenţionale; ele au valori de aproximativ 80%, comparativ cu valori de aproximativ 30% corespunzătoare centralelor cu cărbune/petrol. Durata de viaţă a acestor centrale este estimată în general la peste 120 de ani, iar durata de implementare a unui proiect este de peste 10 ani.

În ceea ce priveşte impactul asupra mediului, acesta este localizat, dar poate avea efecte distructive. Astfel, pentru mărirea volumului de producere a energiei electrice, sunt necesare dimensiuni mari ale barajelor. Cu mărirea rezervorului de apă, creşte influenţa negativă asupra mediului înconjurător din această regiune, problemele fundamentale fiind legate de faună, floră şi ecologie. Apare riscul depunerii aluviunilor şi substanţelor poluante în bazin, are loc blocarea navigaţiei, apar bariere pentru migrarea peştilor (peştii mor trecând prin turbine). Pe de altă parte, barajele pot servi ca pod pentru transportul rutier şi feroviar.

Avantajele centralelor maremotrice sunt: - pot produce energie non-stop; - nu necesită aport de combustibil convenţional; - perioada vârfului de producţie coincide cu vârful de sarcină; - costurile de exploatare şi întreţinere sunt în general scăzute, sub 0,5% din costul investiţiei iniţiale;

- nu emit SO2, NOx, CO, particole în suspensie, hidrocarburi.

În general, energia mareelor poate răspunde cererilor de energie pe scară redusă, dar, pentru anumite zone, ea poate deveni o sursă importantă. Costul energiei produse în astfel de centrale este, în general, mai mic decât cel al energiei produse pe baza surselor convenţionale de energie. În schimb, investiţiile necesare sunt mult mai mari comparativ, de exemplu cu centralele hidroelectrice. Impactul asupra mediului este localizat, dar poate fi distructiv şi, de aceea, el trebuie studiat cu atenţie. 3.CONVERSIA ENERGIEI VALURILOR

Vântul care trece peste suprafaţa apei cedează o parte din energia sa acesteia şi creează valurile. Dacă vântul are o viteză considerabilă şi persistă o perioadă îndelungată peste o întindere mare de apă, valurile care rezultă sunt mari şi puternice. Valurile reprezintă, deci, o formă de stocare a energiei transmise de vânt, energie calculabilă şi demnă de luat în consideraţie. Ele diferă foarte mult ca energie, înălţime, lungime şi direcţie, în funcţie de caracteristicile coastei şi ale climei. Caracteristicile valurilor variază, de asemenea, periodic cu mareele.

Page 49: Energii Regenerabile I Curs

49

Distribuţia acestui tip de energie în lume nu este uniformă. Cele mai multe astfel de surse sunt situate pe latitudinile extreme de nord şi de sud ale globului terestru. Totuşi, există ţări care au un consum important de energie, unde valurile oferă un mare potenţial.

Amplasamentele ideale sunt considerate ţărmurile situate pe latitudinile cuprinse

între 40 600. Astfel, coastele vestice ale Europei şi SUA, ca şi cele ale Japoniei şi Noii Zeelande

sunt considerate amplasamente optime. Marile furtuni din apele profunde pot produce valuri având o înălţime ce poate depăşi 30 m şi fluxuri de energie importante. Montarea sistemelor în apele profunde poate ridica probleme particulare. Sistemele de conversie a energiei valurilor, spre deosebire de platformele petroliere din mare, sunt concepute pentru a urmări mişcarea valurilor şi, din acest motiv, construcţia lor susţine sarcini importante şi este supusă unor „zdruncinături” permanente. Pentru evitarea acestor „zdruncinături”, sistemele pot fi instalate în apropierea coastelor, dar, în acest caz, valurile au o energie semnificativ inferioară.

Energia valurilor are două componente: - energia cinetică; - energia potenţială.

Domeniul conversiei vizează ambele tipuri de energie.

Dispozitivele de conversie a energiei valurilor pot fi clasificate în mai multe categorii. Astfel, dispozitivele pasive sunt concepute astfel încât să direcţioneze valurile în rezervoare aflate la o anumită înălţime, apa fiind lăsată apoi să curgă în mare, traversând turbine hidraulice convenţionale de cădere mică. În apele de coastă sunt construite câteva prototipuri de astfel de sisteme. Alte dispozitive utilizează valurile pentru a induce o mişcare relativă a unor părţi din construcţie, mişcare ce poate fi utilizată pentru a provoca circulaţia unui fluid de lucru (ulei hidraulic, apă sau chiar aer), care antrenează o maşină rotativă. Cea de-a treia categorie cuprinde dispozitivele cu coloană oscilantă de apă, caz în care apa mării este admisă într-o cameră deschisă în atmosferă. Majoritatea prototipurilor din lume sunt construite pe baza concepţiei cu coloană oscilantă. Pentru unele dintre acestea, fluxul de aer are sens unic, „rectificat” printr-un sistem de conducte şi valve antiretur. În ultimul timp, se utilizează destul de des o turbină ce poartă numele de turbina Wells, construită special pentru aceste concepţii. Aceasta reprezintă un dispozitiv cu flux axial foarte stabil, paletele sale au un profil simetric iar construcţia sa este astfel concepută încât să asigure un cuplu de lansare important.

3.1. Sisteme de conversie cu clapetă. Un astfel de sistem este prezentat în figura 4.

Page 50: Energii Regenerabile I Curs

50

Fig. 4. Convertor cu clapetă.

Conversia energiei valului în energie electrică se face printr-o serie de comprimări şi destinderi succesive ale aerului din camera de aer. Clapeta (trapa mobilă) este acţionată de val şi, datorită etanşării flexibile, forţează aerul din camera de aer să treacă prin turbină care, la rândul ei, acţionează un generator electric. Ciclul este periodic, având periodicitatea valurilor.

3.2. Sisteme de conversie tip geamandură.

Principial, un astfel de convertor este prezentat în figura 5.

Fig. 5. Convertor tip geamandură.

Geamandura cilindrică execută mişcări pe verticală, urmărind forma valurilor; ea este solidar legată de un fir rigid trecut peste un scripete fix. Contragreutatea are rolul de a echilibra masa geamandurii.

Page 51: Energii Regenerabile I Curs

51

De scripete se cuplează un dispozitiv mecanic ce transformă mişcarea oscilantă într-o mişcare de rotaţie continuă care este apoi aplicată unui generator electric.

3.3. Sistem cu coloană oscilantă de apă.

Schema de principiu a unui astfel de sistem este prezentată în figura 6; aşa cum se observă, se foloseşte tot o geamandură plutitoare, conversia fiind asigurată de o turbină cu aer.

Fig. 6. Convertor cu coloană oscilantă de apă.

Partea superioară a dispozitivului se află deasupra apei, partea inferioară fiind imersată. Nivelul apei în convertor urmăreşte nivelul apei în exteriorul acestuia; cum în exterior nivelul apei variază periodic cu înălţimea valurilor, şi în interior apa va urmări aceleaşi variaţii.

Valurile se ridică în cameră, ridicarea apei forţând aerul să iasă din cameră. Astfel, mişcarea aerului roteşte turbina, care este cuplată cu un generator. Când valurile coboară, aerul trece prin turbină şi se întoarce în cameră prin valvele care sunt închise în mod normal.

În concluzie, când apa este evacuată, se deschid valvele de aer care permit aspiraţia acestuia în camera de aer; când nivelul apei începe să crească, valvele de aer sunt închise. Turbina este acţionată de mişcarea aerului în cameră.

3.4. Sistemul Tapchan

TAPCHAN este abrevierea pentru tapered channel şi a fost proiectat şi implementat de cercetătorii norvegieni în 1985. Schema de principiu a unui astfel de sistem este prezentată în figura 7.

Page 52: Energii Regenerabile I Curs

52

Fig. 7. Sistem de conversie TAPCHAN

Tapchan sau tapered channel system, constă dintr-un canal conic, care se îngustează treptat şi care alimentează un rezervor construit pe stânci, deasupra nivelului mării. Înălţimea pereţilor canalului este cuprinsă în mod obişnuit între 3 şi 5 metri deasupra nivelului mediu al apei mării.

Valurile intră prin partea largă a canalului, se propagă spre partea îngustă a acestuia, îngustarea canalului producând creşterea înălţimii valurilor pe măsură ce acestea înaintează către stâncă. Valurile se varsă (se împrăştie) peste pereţii canalului, în rezervor. Apa astfel stocată furnizează o alimentare constantă pentru antrenarea unei turbine convenţionale destinate căderilor mici de apă şi generându-se astfel electricitate ca în cazul regimului hidroelectric cu baraj.

Acest sistem necesită o medie foarte bună a energiei valurilor pentru ca acestea să aibă suficientă forţă pentru a împinge cât mai multă apă în rezervor.

Energia valurilor poate fi convertită în electricitate atât cu ajutorul dispozitivelor „offshore” cât şi al celor „onshore”, adică dispozitivele pot fi plasate în larg sau în apropierea ţărmurilor. Multe din schemele prototip sunt montate la ţărm şi încorporează o coloană oscilantă de apă ce acţionează o turbină cu aer. Aceste scheme au câteva părţi mobile şi, prin alegerea judicioasă a geometriei şi dimensiunilor structurale, precum şi a turbinei, performanţele în ansamblu pot fi impresionante. Resursele de la ţărm, deşi sunt mai uşor de exploatat, au o densitate de putere mai scăzută decât cele din larg.

Page 53: Energii Regenerabile I Curs

53

Numeroase sisteme prototip cu puteri de circa 1 MW sunt în construcţie. Unele dintre ele sunt cu coloană oscilantă de apă şi sunt montate la ţărm, dar sunt testate şi alte concepte care să poată deschide drumul pentru desfăşurarea mai multor dispozitive plutitoare în larg. Randamentele de utilizare ale dispozitivelor de conversie a energiei valurilor sunt în general mai bune decât ale centralelor convenţionale, având valori de aproximativ 80%, comparativ cu valori de aproximativ 30% corespunzătoare centralelor cu cărbune/petrol.

Durata de viaţă a acestor dispozitive este estimată în general la peste 120 de ani, iar durata de implementare a unui proiect este de peste 10 ani.

Avantaje: - nu necesită o sursă auxiliară de energie sau aport de combustibil convenţional; - nu poluează în nici un fel mediul. - cheltuielile de funcţionare şi întreţinere reduse - se poate produce o cantitate importantă de energie. Dezavantaje: - depinde de valuri; - locul de amplasare a sistemelor de conversie trebuie să fie situat într-o zonă cu valuri puternice; - unele sisteme de conversie pot produce mult zgomot. Tehnologia nu este comercială, ci în stadiu de experiment şi evaluare economică. În general, energia valurilor reprezintă o resursă importantă, dar exploatarea sa reprezintă o problemă care nu este încă pe deplin stăpânită. Sistemele cu caracter demonstrativ au început să apară în apele de coastă, unde condiţiile de lucru sunt cât de cât favorabile, dar succesul tentativelor de extragere a unor mari cantităţi de energie din valurile „reale” ale oceanului necesită dezvoltarea unor tehnologii noi.

4. CONVERSIA ENERGIEI CURENŢILOR MARINI

Curenţii marini sunt purtătorii unor energii cinetice deosebit de mari. Astfel, s-a calculat că un curent oceanic cu o lăţime de circa 100 m, 10 m adâncime şi o viteză de 1 m/s, pe timp de un an ar putea oferi o energie cinetică de circa 2 mil. kwh. O instalaţie corespunzătoare conversiei energiei curenţilor marini este prezentată în figura 8.

Page 54: Energii Regenerabile I Curs

54

Fig. 8. Centrală hidroelectrică instalată pe un curent marin

Proiecte pentru folosirea curenţilor marini sunt viabile în zonele litorale în care se

manifestă curenţi marini constanţi ca durată şi viteză în cursul anului. Energia curenţilor oceanici este utilizată într-o uzină de 80 MW din Florida (SUA), la Miami, prin folosirea curentului Floridei.

Page 55: Energii Regenerabile I Curs

55

CAPITOLUL 4

CONVERSIA ENERGIEI GEOTERMALE

1. CARACTERISTICI ALE RESURSEI GEOTERMALE Cuvântul „geotermal" are la origine cuvintele „geo” (pământ) şi „therme” (căldură),

din limba greacă. Astfel, energia geotermală reprezintă căldura Pământului. Căldura din interiorul Pământului iese continuu în exterior. Ea se transferă către

straturile înconjurătoare de rocă, mantaua. Când temperatura şi presiunea devin suficient de mari, unele roci ale mantalei se topesc, devenind magmă. Apoi, deoarece aceasta este mai uşoară (mai puţin densă) decât rocile înconjurătoare, magna se ridică, mişcându-se încet către scoarţa Pământului, aducând căldura din interior.

Uneori magma fierbinte ajunge la suprafaţă, unde noi o cunoaştem sub numele de lavă. Dar, de cele mai multe ori, magma rămâne sub scoarţa Pământului, încălzind rocile şi apa din apropiere (apa de ploaie care se infiltrează în Pământ) – uneori până la 370 0C. O parte din această apă geotermală se întoarce prin fisuri şi crăpături ajungând la suprafaţa Pământului sub formă de izvoare fierbinţi sau geizere, dar în cea mai mare parte rămâne în adâncuri, prinsă în crăpături şi roci poroase. Această colectare naturală de apă fierbinte se numeşte rezervor geotermal.

Din cele mai vechi timpuri, oamenii au utilizat apa geotermală care curgea liber la suprafaţă sub formă de izvoare fierbinţi. Cea mai veche şi mai comună utilizare a fost relaxarea în apele fierbinţi. Dar această apă magică putea şi încă mai poate fi folosită şi în alte moduri creative. Romanii, de exemplu, utilizau apa geotermală pentru a trata bolile de ochi şi de piele, iar în Pompei, apa era utilizată pentru încălzirea locuinţelor. Cu mii de ani în urmă, izvoarele fierbinţi mai erau utilizate şi pentru prepararea hranei. Apa geotermală are şi utilizări mai recente. Astfel, din 1960, Franţa utilizează apa geotermală pentru încălzirea a peste 200.000 de locuinţe.

Astăzi se forează puţuri în rezervoarele geotermale, pentru a aduce la suprafaţă apa fierbinte. Geologii, geochimiştii, inginerii fac o serie de explorări şi încercări pentru a localiza ariile subterane care conţin apă geotermală şi astfel să facă posibilă săparea puţurilor geotermale. Apoi, o dată ce apa fiebinte sau vaporii ajung la suprafaţă, ea poate fi folosită pentru a produce electricitate, în centrale geotermale sau în scopuri neeelectrice, pentru economisirea energiei.

Resursele energetice geotermale includ vapori supraîncălziţi, apă fierbinte, pietre uscate fierbinţi, magma fierbinte şi zone încălzite ale suprafeţei Pământului. Geotermia se referă la căldura internă a Pământului. Măsurarea ei se exprimă prin creşterea de temperatură în funcţie de adâncime (gradientul geotermal) care, în medie,

atinge 2,5 3 0C/100 m. Există şi zone în care gradientul geotermal este de aproximativ 120C/100m. O secţiune în interiorul Pământului permite diferenţierea următoarelor unităţi: scoarţa - continentală şi oceanică, învelişul (mantaua), nucleul extern, nucleul intern.

Page 56: Energii Regenerabile I Curs

56

Pornind de la suprafaţa Pământului, primele straturi ale scoarţei suferă variaţii de temperatură, după anotimp, ale căror oscilaţii se resimt până la o adâncime de 7 m - în funcţie de latitudinea şi componenţa geologică - unde se stabileşte un palier izotermic de circa 1213 0C; de acolo, temperatura scoarţei terestre creşte cu circa 10C la fiecare 30 m, ajungând în apropierea mantalei la mii de grade. Acest lucru face ca temperatura din interiorul scoarţei Pământului să fie constantă pe un palier foarte mare (7m câţiva km) în timpul anului, fără să aibă vreo importanţă temperatura care este la suprafaţă. În concluzie, Pământul este mai cald iarna şi mai rece vara decât temperatura aerului.

Referitor la fluxurile de căldură, luând în considerare continentul european, se poate afirma că există o relaţie evidentă între tectonica plăcilor şi fenomenologia geotermală.

Fluxul de căldură emis de interiorul globului terestru are o valoare medie de 60 mW/m2, acest flux fiind net inferior celui solar, care are în medie valoarea de 340 W/m2. Totuşi, în anumite zone, valoarea acestui flux se poate ridica la 200 mW/m2, creându-se acumulări de căldură în adâncuri, ce pot fi exploatate industrial. Ritmul de exploatare este astăzi superior aportului de căldură, ceea ce înseamnă că trebuie să se aibă în vedere ca numărul zonelor de exploatare să nu crească foarte mult, deoarece aceasta ar însemna că ar fi necesar un timp îndelungat, de ordinul zecilor sau chiar sutelor de ani, pentru regenerarea resurselor.

Energia geotermală este o resursă energetică importantă, având trei caracteristici: - reprezintă o bogăţie naturală şi naţională pentru cei care o posedă; - este regenerabilă; - este neostilă în raport cu mediul, dacă este corect folosită. Atunci când într-o zonă geografică există condiţiile geologice şi economice necesare pentru ca energia termică a subsolului să poată fi exploatată, se spune că acolo există un zăcământ sau un depozit geotermal.

Zăcămintele geotermale se pot clasifica astfel: a) Sisteme hidrotermice. Aceste sisteme au în interior, în formă naturală, fluidul

calopurtător. Acesta este apa, ea putându-se afla în stare lichidă sau în stare de abur, în funcţie de condiţiile de presiune şi temperatură din interiorul zăcământului. Aceste sisteme se împart, la rândul lor în:

a.1) Sisteme cu predominanţă de abur - la care apa din zăcământ se află în stare de

abur, în mod obişnuit în condiţii de saturare, deşi poate fi şi abur supraîncălzit (2000C 3500C

şi 8 50 bari); a.2) Sisteme cu predominanţă de apă - în care apa se află în stare lichidă sau ca un

amestec de abur şi apă lichidă (30 0C şi 400 0C, presiunea sub 8 bari). b) Sisteme geopresurizate. Ele se află la o adâncime mai mare, din care cauză apa lichidă este supusă unei presiuni mari, până la 1000 bari, o temperatură de 1500C 2000C, şi are un înalt grad de salinitate. c) Sisteme de rocă fierbinte. Sunt alcătuite din formaţiuni de rocă impermeabile care au o temperatură între 1500C şi 3000C, fără ca în interiorul lor să existe vreun fluid care să le traverseze. Încălzirea rocilor este datorată apropierii de pungi magmatice. Aceste sisteme sunt

Page 57: Energii Regenerabile I Curs

57

cele mai numeroase dintre cele trei menţionate, reprezentând 85% din totalul de resurse geotermale.

Cel mai important criteriu de clasificare a zăcămintelor geotermale ţine cont de entalpie, mărime fizică ce dă o măsură exactă a conţinutului energetic, corelată cu natura aplicaţiei finale cu care se poate asocia resursa. După entalpie, resursele geotermale se împart în două categorii: - de entalpie ridicată, având temperatura resursei superioară valorii de 1500C, resurse recomandate pentru aplicaţii de conversie în electricitate, folosind centrale cu ciclu termodinamic convenţional; - de entalpie scăzută, temperatura resursei fiind mai mica de 1500C, resurse potrivite pentru folosire directă sau conversia în electricitate, folosind cicluri de conversie binare. În ultimele decenii s-au făcut eforturi pentru a putea valorifica şi resurse de joasă entalpie (200C÷400C), pentru procese de climatizare a spaţiilor; aceste eforturi au fost concretizate în dezvoltarea unor echipamente specifice, numite pompe de căldură sau pompe termice.

Sisteme de producere a electricităţii pe baza resurselor geotermale sunt în funcţiune în 21 de ţări ale lumii, iar producţia de electricitate din resurse geotermale în Europa este concentrată în trei ţări: Islanda, Italia şi Turcia.

De asemenea, resursele geotermale sunt exploatate sub formă de căldură directă, pentru încălzirea spaţiilor, sere, balneologie şi procese industriale.

Folosind energia geotermală regenerabilă, pentru utilizare directă sau pentru producerea electricităţii, se conservă sursele epuizabile şi mai poluante, cum ar fi cele de combustibili fosili şi uraniu. Instalaţiile de utilizare directă nu au efecte asupra mediului. Nici centralele electrice geotermale nu au un impact puternic asupra mediului. Spre deosebire de centralele care folosesc combustibilii fosili, în cazul centralelor geotermale nu se arde combustibil şi, prin urmare, nu se degajă emisii de fum, ci numai vapori de apă.

Metodele de tratare a apei geotermale au fost îmbunătăţite, pentru a rezolva problemele de coroziune şi de exfoliere a conductelor. Au apărut tehnici de eliminare a bioxidului de siliciu din rezervoarele cu conţinut ridicat.

Emisiile de dioxid de carbon în cazul utilizării centralelor geotermale sunt reduse considerabil (cu 25% faţă de cele mai bune centrale pe gaz şi cu 50% faţă de cele mai bune centrale pe păcură). Cele mai moderne centrale geotermale produc în medie 136 g de CO2 pentru fiecare kWh produs, în comparaţie cu 453 g CO2 produs de cele pe cărbune. De curând s-a descoperit că centralele electrice geotermale care lucrează pe baza apei calde şi a vaporilor de apă subterani, sunt cu mult mai radioactive decât centralele termice alimentate cu cărbune. Aceasta s-ar explica prin prezenţa radiului şi a altor produse radioactive, rezultate în urma dezagregării lui. Se consideră că radonul este cel mai periculos dintre toate sursele naturale radioactive. După calitatea resurselor geotermale, acestea pot fi utilizate în diferite aplicaţii. Astfel, geotermia de joasă temperatură (de la 500C până la 1000C) este utilizată în principal pentru încălzirea spaţiilor, în timp ce geotermia de medie şi înaltă temperatură permite producerea de electricitate, fie prin destinderea directă a vaporilor, dacă temperaturile

Page 58: Energii Regenerabile I Curs

58

sunt suficient de ridicate (între 1700C şi 2000C), fie prin evaporarea unui fluid de lucru, dacă temperaturile sunt insuficiente (până la 1400C). Atunci când temperaturile sunt foarte scăzute, între 200C şi 400C, apa nu se poate utiliza de o manieră directă, caz în care energia ei este valorificată cu ajutorul pompelor de căldură.

2. SISTEME GEOTERMALE

2.1. Centrale electrice geotermale

În centralele geotermale aburul, căldura sau apa fierbinte din rezervoarele geotermale, furnizează forţa care roteşte turbinele care, cuplate cu generatoare electrice, produc energie electrică. Apa geotermală utilizată este apoi reîntoarsă prin puţul de injecţie în rezervor pentru a fi din nou încălzită, pentru a menţine presiunea şi a susţine rezervorul.

Există trei tipuri de centrale geotermale, în funcţie de starea fluidului (vapori sau apă), de temperatura şi de presiunea rezervorului.

a) Centrale cu vaporizare bruscă.

Un rezervor geotermal care produce în cea mai mare parte apă fierbinte se numeşte rezervor de apă fierbinte şi este utilizat în centralele cu vaporizare bruscă. Apa având temperaturi mai mari de 1800C este adusă la suprafaţă prin puţul de producţie, fiind injectată într-un rezervor ţinut la o presiune mult mai joasă decât aceasta; astfel, apa este eliberată de presiunea rezervorului de adâncime, producându-se vaporizarea rapidă a unei părţi a fluidului într-un separator. Vaporii antrenează apoi o turbină care este cuplată cu un generator electric. Dacă o parte a fluidului rămâne în rezervor, acesta poate fi vaporizat din nou într-un al doilea rezervor pentru a se extrage mai multă energie.

Centralele cu vaporizare bruscă sunt cel mai comun tip de centrale geotermale în funcţiune astăzi. b) Centrale electrice binare.

Cele mai multe zone geotermale conţin apă cu temperatură moderată (sub 200°C). Un rezervor cu temperaturi între 120 şi 1800C nu este suficient de fierbinte pentru a produce destui vapori dar poate fi utilizat pentru a produce energie electrică într-o centrală binară.

Într-un sistem binar, apa geotermală este trecută printr-un schimbător de căldură, unde căldura sa este transferată către un al doilea lichid (binar), care fierbe la o temperatură mai mică decât cea a apei. Când se încălzeşte, lichidul binar se vaporizează, vaporii punând apoi în mişcare turbinele. Vaporii sunt apoi recondensaţi în lichid şi ciclul se repetă.

În acest ciclu în buclă închisă, nu există emisii în aer. Centralele geotermale cu ciclu binar diferă de cele cu abur uscat şi cu vaporizare bruscă prin faptul că apa sau aburul din rezervorul geotermal nu vine niciodată în contact cu unitatea turbină-generator.

Apa de temperatură moderată este de departe cea mai comună resursă geotermală şi cele mai multe centrale geotermale în viitor vor fi cu ciclu binar.

Schema de principiu a unei astfel de centrale este prezentată în figura 1.

Page 59: Energii Regenerabile I Curs

59

Fig. 1.

c) Centrale cu abur uscat

Un rezervor de aburi uscaţi produce abur, dar foarte puţină apă. Vaporii sunt conduşi într-o centrală cu abur uscat, pentru a furniza forţa necesară antrenării turbinelor cuplate cu generatoare electrice. Acest tip de centrală utilizează aburul din rezervorul geotermal aşa cum vine din puţuri şi îl direcţionează direct prin turbină/generator pentru a produce electricitate.

Aceste centrale emit doar excesul de abur şi cantităţi minore de gaze. Centralele geotermale cu abur uscat au fost primul tip de centrale geotermale

construite. Prima astfel de centrală datează din 1904 şi a fost construită în Lardarello, Italia, fiind şi astăzi funcţională.

Cea mai întinsă zonă din lume care dispune de abur uscat este The Geysers, situată la aproximativ 90 de mile la nord de San Francisco, în California. Producţia de electricitate a început în această zonă în 1960, devenind cel mai de succes proiect de energie alternativă din istorie.

Schema de principiu a unei astfel de instalaţii este prezentată în figura 2.

Page 60: Energii Regenerabile I Curs

60

Fig. 2.

În cazul zăcămintelor de vapori călduţi, se face mai întâi eliberarea vaporilor de apa caldă. Schema de principiu a unei astfel de instalaţii este prezentată în figura 3.

Fig. 3.

In afara celor trei tipuri de centrale menţionate, mai există şi centrale electrice

hibride, care combină procesele binare cu cele de vaporizare bruscă. Atunci când se dispune de o sursă de căldură cu temperatura cuprinsă între 1700C şi 2200C la o distanţă de cel puţin 5 km în profunzime, dar nu există strat freatic care să permită exploatarea, se poate crea artificial o circulaţie de apă între două foraje. Acesta este conceptul „rocilor fierbinţi şi uscate”, care face obiectul unui program pilot european, la Soultz, în Alsacia (Franţa). Tehnologia este nouă, încă în curs de dezvoltare şi constă în introducerea printr-un prim puţ a apei sub presiune la adâncimi mai mari de 3.000 m, unde se încălzeşte în contact cu roca fierbinte de la acea adâncime. Această apă, încălzită, se întoarce printr-un alt puţ şi permite producerea de electricitate ca în centralele termice clasice.

Energia geotermală utilizată pentru producerea energiei electrice are o serie de avantaje:

1. Centralele geotermale sunt nepoluante, deoarece nu trebuie să ardă combustibili fosili pentru a produce abur, care să antreneze turbinele. Generarea de electricitate cu ajutorul energiei geotermale ajută la conservarea combustibililor fosili neregenerabili şi la reducerea folosirii acestor combustibili; astfel, se reduc emisiile de gaze şi particole nocive în atmosferă. De aceea, ele pot fi construite în zona fermelor şi a pădurilor, neavând influenţe negative asupra recoltelor sau animalelor din zonă. In ultimii ani zona California care găzduieşte cinci centrale electrice geotermale a fost prima şi singura zonă care a cunoscut cea mai semnificativă îmbunătăţire a calităţii aerului din S.U.A.

Page 61: Energii Regenerabile I Curs

61

2. Energia geotermală este uşor de utilizat, în ceea ce priveşte amplasarea centralelor. Suprafaţă necesară centralelor electrice geotermale este mai mică pe MW decât pentru aproape toate celelalte tipuri de centrale. De asemenea, centralele geotermale nu necesită bararea râurilor sau distrugerea pădurilor.

3. Centralele geotermale se caracterizează printr-o fiabilitate ridicată Ele sunt proiectate să funcţioneze 24 de ore din 24, tot timpul anului. O centrală geotermală nu este afectată de aspectele meteorologice, dezastre naturale sau de alte circumstanţe care pot duce la întreruperea transportării combustibilului.

4. Centralele geotermale au o mare flexibilitate; astfel, ele pot avea componenţă modulară, cu unităţi adiţionale instalate atunci când este nevoie să satisfacă cererea crescută de electricitate.

5. Centralele geotermale sunt economice. Nu este necesar să se importe combustibil pentru centralele geotermale. Combustibilul geotermal este întotdeauna acolo unde este centrala; beneficiile economice rămân în regiune.

Tehnologia de producere a energiei electrice pe baza energiei geotermale s-a dezvoltat de-a lungul timpului pe tot cuprinsul globului, ajungându-se la aproximativ 7.000 MW în 21 de ţări din lume. Statele Unite ale Americii produc 2700 MW de electricitate din energie geotermală, electricitate comparabilă cu arderea a 60 de milioane barili de petrol în fiecare an.

2.2. Sisteme de utilizare neelectrică a energiei geotermale Apa geotermală este utilizată peste tot în lume, chiar şi atunci când nu este suficient

de fierbinte pentru a genera electricitate. Utilizarea directă a apei geotermale economiseşte energie şi înlocuieşte utilizarea resurselor poluante cu altele curate.

Principalele utilizări neelectrice ale energiei geotermale sunt: - utilizări directe; - pompe de căldură geotermale.

2.2.1. Utilizări directe ale energiei geotermale Apele geotermale având temperaturi de la 100C până la peste 1500C, sunt utilizate

direct din pământ, astfel: - în balneologie, pentru diferite tratamente; - în agricultură, pentru a stimula creşterea florilor, legumelor şi a altor recolte în sere,

pe timp de iarnă; - în aquacultură, pentru scurtarea timpului necesar creşterii peştilor, creveţilor,

aligatorilor până la maturitate; - în industrie, pentru procese ca: pasteurizarea laptelui, uscarea fructelor, legumelor,

lemnului, spălarea lânii etc.; - pentru încălzirea spaţiilor în clădiri individuale şi în cartiere întregi, aceasta fiind, în

afara băilor în izvoare fierbinţi, cea mai comună şi cea mai veche utilizare directă a apei fierbinţi naturale. Sistemele geotermale de încălzire a cartierelor pompează apa geotermală

Page 62: Energii Regenerabile I Curs

62

printr-un schimbător de căldură, unde ea îşi transferă căldura către apa curată a oraşului care este condusă în clădirile cartierului. Acolo, un al doilea schimbător de căldură transferă căldura către sistemul de încălzire al clădirii. Apa geotermală este injectată printr-un puţ înapoi în rezervor pentru a fi încălzită şi utilizată din nou.

Rezervoarele geotermale de joasă până la medie temperatură (20°C până la 150°C) furnizează căldură directă pentru utilizări rezidenţiale, industriale şi comerciale. Această resursă este larg răspândită în Statele Unite ale Americii şi este utilizată pentru încălzirea caselor şi birourilor, serelor, fermelor piscicole, în diferite procese de prelucrare a alimentelor, operaţii de extragere a aurului şi în multe alte aplicaţii. Fluidele consumate din centralele electrice geotermale pot fi ulterior folosite pentru aplicaţii directe în aşa-numitele operaţii în cascadă.

Utilizarea directă a energiei geotermale în astfel de aplicaţii este mult mai ieftină decât utilizarea combustibililor tradiţionali. Economia poate fi de 80% faţă de combustibilii fosili.

Utilizarea directă este de asemenea foarte „curată”, producând doar un mic procent (şi în unele cazuri deloc) de poluanţi în aer, emişi de arderea combustibililor fosili.

Sisteme moderne de încălzire districtuală deservesc cartiere în Statele Unite ale Americii, Rusia, China, Franţa, Suedia, Ungaria, România şi Japonia.

Cel mai mare sistem de încălzire districtual este în Reykjavik, Islanda. De când a început să utilizeze energie geotermală ca principală sursă de căldură, Reykjavik, o dată un oraş foarte poluat, a devenit unul din cele mai curate oraşe din lume.

Căldura geotermală poate fi şi este utilizată în multe moduri creative, acest lucru fiind îngrădit doar de ingeniozitatea omului.

De exemplu, în Klamath Falls, Oregon, există unul din cele mai mari sisteme de încălzire districtuală din Statele Unite ale Americii; aici apa geotermală este de asemenea condusă pe sub drumuri şi trotuare pentru a le feri de îngheţ pe timp de iarnă.

Şi în New Mexico şi în alte locuri, şiruri de conducte transportând apă geotermală au fost instalate sub sol, unde cresc flori sau legume. Aceasta face la solul să nu îngheţe, sezonul de creştere fiind astfel mai lung şi, în ansamblu, asigurându-se o creştere mai rapidă a produselor agricole care nu sunt protejate de adăpostul şi căldura unei sere.

Sistemele de utilizare directă includ în mod tipic trei componente: - un modul de producţie - de obicei un puţ - pentru a aduce apa fierbinte la suprafaţă; - un sistem mecanic - conducte, schimbătoare de căldură etc. - pentru a furniza

căldura spaţiului sau procesului; - un sistem de evacuare - puţ de injecţie sau bazin de stocare - pentru a primi fluidul

geotermal răcit. 2.2.2. Pompe termice geotermale

2.2.2.1. Generalităţi

De ce o pompă de căldură?

Page 63: Energii Regenerabile I Curs

63

Atât gazul, cât şi cărbunele şi petrolul, precum şi soarele şi vântul, toate acestea reprezinta o sursa de energie, în special de căldură.

Pompa de căldură reprezintă o modalitate inteligentă de a transfera căldura în interiorul sau în afara locuinţei folosind căldura existentă în mediul înconjurător pentru a încălzi apa sau locuinţele.

Sursa de căldură poate exista în: apă, pământ, aer.

De ce reprezintă pompa de căldură o soluţie inteligentă? In loc să folosească arderea combustibililor convenţionali, pompa de căldură foloseşte

o metodă diferită: captează căldura deja disponibilă şi la îndemană în mediul înconjurator. Tocmai aceasta este metoda "inteligentă": această căldură, stocată în mediul

înconjurător, se află în stare liberă, regenerabilă, inepuizabilă şi curată. Cum funcţionează o pompă de căldură?

O pompă de căldură foloseşte acelaşi principiu ca cel al frigiderului de uz casnic, cu excepţia faptului că, în cazul căldurii, principiul se inversează. Pompa de căldură trebuie să folosească puţină energie pentru a face acest lucru.

Pentru a furniza 100% caldură pentru o casă, pompa de căldură va necesita un procent de cca. 30% de energie electrică. După acest „prim pas”, poate furniza procentul rămas de cca. 70%, din căldura recuperată din mediul înconjurător.

Pompa de căldură reprezintă singura metodă de a furniza atât încălzire cât şi răcire eficientă printr-un singur dispozitiv (aceste cifre variază în funcţie de sursa din mediul înconjurător: apă, pământ sau aer).

Pompele de căldură geotermale ofera beneficii deosebite faţă de sistemele tradiţionale de încălzire şi răcire, incluzând costuri mai mici de funcţionare şi impact minim asupra mediului.

- Principiul de funcţionare este diferit de cel al sistemelor convenţionale, care ard un combustibil, gaz metan, propan sau combustibil lichid, pentru a produce energie. - În cazul sistemelor geotermale, nu este necesar să se producă energie, deci nu este necesară combustia chimică. - Căldura naturală a pământului este captată de un sistem de ţevi de plastic îngropate, prin care circulă un fluid, de obicei un amestec de apă cu antigel. - În timpul iernii, fluidul absoarbe energia pământului şi o transportă în clădire. În interior, pompele de căldură concentrează căldura şi o distribuie la o temperatură mai mare. - Vara, procesul este inversat, excesul de căldură din clădire este extras de pompa de căldură şi dispersat în pământ. - Pentru a mări eficienţa sistemului, excesul de căldură din clădire, în loc să fie trimis în pământ, este folosit la producerea apei calde menajere, absolut gratis. - Sistemele geotermale răcesc clădirea în acelaşi mod în care funcţionează un frigider, adică extrăgând căldura din clădire, nu introducând frig. - Având în vedere că solul, la o adâncime de 180 cm, are o temperatură între 80C şi 120C pe tot parcursul anului, consumul de energie este redus, deoarece sistemele geotermale extrag energia dintr-o sursă cu temperatură moderată. Un sistem geotermal se compune dintr-un circuit geotermal folosit pentru schimbul de căldură cu solul, cu apa de suprafaţă sau freatică şi una sau mai multe pompe de căldură.

Page 64: Energii Regenerabile I Curs

64

Circuitul geotermal are funcţia de schimbător de căldură cu pământul. Se foloseşte o ţeavă de polietilenă de înaltă densitate, care are în general o garanţie din partea producătorului de 50 ani şi o durată de viaţă estimată la 100 de ani. Acest circuit, odată instalat, nu necesită întreţinere, nu face decât schimb de căldură cu solul, neavând nici o altă influenţă asupra mediului. Există o varietate de configuraţii ale circuitului geotermal, în funcţie de climat, suprafaţa disponibilă şi de puterea sistemului. Sistemele geotermale au cele mai mici costuri de operare existente în climatizarea rezidenţială sau comercială.

Acelaşi mecanism este folosit pentru ambele cicluri, doar circuitul refrigerantului este inversat automat.

Avantajele pompei de căldură

Pompa de caldura are trei "plusuri": "+" eficientă " +" prietenoasă faţă de mediul înconjurător "+" responsabilă faţă de mediul inconjurator

"+"eficienta De exemplu, pentru încălzirea unei case se pot alege două variante: - se poate alege un sistem conventional de incalzire. Astfel se va consuma 100%

energie pentru a se acoperi necesarul de căldură. - se poate alege o pompă de căldură. Astfel, se va consuma numai 30%, tot atâta

energie cât să obţină acelaşi rezultat deoarece restul de energie pentru încălzire va fi luată din mediul înconjurător natural în mod gratuit.

Cu alte cuvinte, când un sistem convenţional de căldură foloseşte o unitate de energie, pompa de căldură foloseşte doar 0,3 ceea ce permite o încălzire accesibilă din punctul de vedere financiar.

"+" prietenoasă faţă de mediul înconjurător: o sursă de energie curată şi regenerabilă

Avand în vedere că pompa de căldură consumă mai puţină energie, se reduce astfel poluarea care rezultă din folosirea combustibililor convenţionali.

Combustibilii convenţionali sunt cauza emisiilor poluante cum ar fi dioxidul de carbon, oxizii de nitrogen şi dioxidul de sulf.

Oxizii de nitrogen si dioxidul de sulf sunt în mod special neplacuţi- aceştia sunt o parte din cauza apariţiei ploii acide şi a anumitor probleme de respiraţie.

Aceste gaze sunt monitorizate cu mare atenţie de autorităţile europene. Pentru obţinerea aceluiaşi rezultat, încălzirea unei case pe baza unei pompe de caldură

poate reduce poluarea cu oxizi de nitrogen cu 70% în comparaţie cu un cazan pe bază de combustibili convenţionali. In cazul dioxidului de sulf, reducerea poluării cu această substanţă se poate face cu până la 30%. Dioxidul de carbon este un gaz şi mai "important" şi constituie subiectul celui de-al treilea "+".

"+" responsabilă faţă de mediul înconjurător: o metodă eficientă de a combate efectul de seră

Dioxidul de carbon este unul dintre gazele responsabile pentru "efectul de seră". Este un lucru deja bine ştiut în ziua de azi şi anume că efectul de seră în creştere schimbă clima planetei noastre. Este nevoie să se ia măsuri în acest sens şi încă foarte urgent. Conferinţa Internaţională de la Kyoto a declanşat alarma şi a fixat obiective privind reducerea gazelor implicate pentru diferite ţări. Pompa de căldură face pe deplin parte din politica de combatere

Page 65: Energii Regenerabile I Curs

65

a efectului de seră - ba mai mult, este un aliat de nădejde în această luptă. De exemplu: în Franţa, unde 1 kWh de căldură produs cu gaz rezultă în echivalentul a 370 g de dioxid de carbon, acelaşi 1 kWh de căldură produs cu ajutorul unei pompe de căldură produce doar 60 g de dioxid de carbon, adică de 6 ori mai puţin!

Surse de energie

Aerul

Prin intermediul ventilatorului se introduce aerul din mediul înconjurător în pompa de căldură unde cedează căldura agentului frigorific. Pompa de caldură tip aer - apă poate fi montată în interior sau în exterior.

Apa pânzei freatice

Sursa cea mai eficientă pentru o încălzire ecologică este apa din pânza freatică. O temperatură constantă de +70C până la +120C face ca apa subterană să fie purtător de energie termică de-a lungul întregului an, fără influenţe din partea schimbărilor meteorologice. Randamentul acestei surse de energie termică este cel mai ridicat comparativ cu celelalte tipuri de surse de energie neconvenţională (aerul şi solul). Este necesară realizarea a două puţuri: dintr-unul se va extrage apa care va fi adusă în schimbătorul de căldură din pompă iar în cel de-al doilea va fi deversată apa racită. Distanţa dintre cele două puţuri va fi de cca. 15 m.

Solul - sonde subterane

In unul sau mai multe puţuri paralele cu adâncimea de cca. 100 m, se introduce câte o sondă prin care circulă un agent de lucru (de tipul apă cu antigel). Acest tip de colectoare ocupă un spaţiu restrâns. Funcţionarea sistemului se bazează pe faptul că la o adâncime de 15 m temperatura geotermică este constantă tot timpul anului; cu cât adâncimea creşte, temperatura solului este mai mare. Colectoarele tip sondă reprezintă sistemul cel mai stabil.

Page 66: Energii Regenerabile I Curs

66

Solul - colectoare plane

La o adâncime de cca. 1,3 m se plasează serpentine de ţeavă (distanţa dintre acestea va fi de min. 50 cm) prin care circulă un agent de lucru care preia energia solară acumulată în pământ şi o transportă la pompa de căldură. Ideal este ca ţevile să fie îngropate în nisip sau humus. Colectorul plan reprezintă soluţia avantajoasă dacă suprafaţa grădinii casei este suficient de mare. Acest tip de colector nu "deranjează" plantele din grădină.

2.2.2.2. Principiul de funcţionare al pompei de căldură

Pompa de caldura primeşte energia acumulată în apa din panza freatică şi o cedează, cu ajutorul energiei electrice, către circuitul de încălzire al casei. Elementul esenţial în procesul de captare şi cedare a energiei este agentul frigorific din circuitul interior al pompei de căldură. Acesta are proprietatea de a trece din stare lichidă în stare de vapori reci la temperaturi scăzute.

Cele 4 faze ale procesului de transfer termic care are loc în interiorul pompei de căldură (pentru modul încălzire) sunt:

- Agentul frigorific lichid la t = -20C şi p =1,7 bar intră în vaporizator (schimbător de căldură) unde se produce transferul de căldură de la sursa de energie la agentul frigorific (apa din pânza freatică intră în vaporizator cu t = cca. 120C şi iese cu t = cca. 80C). La ieşirea din vaporizator agentul frigorific este în stare de vapori reci (t =30C şi p=1,7 bar).

- Vaporii reci de agent frigorific intră în compresor unde, cu ajutorul energiei electrice, se produce creşterea de presiune şi temperatură a acestora. La ieşirea din compresor vaporii fierbinţi de agent frigorific vor avea t = 73,50C şi p = 13,4 bar.

- Vaporii fierbinţi de agent frigorific intră în condensator (schimbător de căldură) unde se produce transferul de căldură de la vaporii fierbinţi la apa din circuitul închis al

Page 67: Energii Regenerabile I Curs

67

sistemului de încălzire al casei (T tur a apei in circuitul de încălzire este de 350C pentru încălzirea în pardoseală şi de 500C pentru calorifere). La ieşirea din condensator, în urma cedării căldurii, agentul frigorific este în stare lichida cu t = 480C şi p = 13,4 bar.

- Agentul frigorific lichid intră în ventilul de expansiune unde temperatura acestuia scade la (-2)0C iar presiunea scade la 1,7 bar. Din acest moment ciclul se reia. Coeficientul de performanţă COP al unei pompe de căldură reprezintă raportul dintre puterea de încălzire a acesteia şi puterea electrică absorbită de la reţea, respectiv :

COP = PUTEREA DE INCALZIRE : PUTEREA ELECTRICA ABSORBITA

In cazul pompelor de căldură tip apă - apă, coeficientul de performanţă este COP = 5,4 - 5,5. Aceasta înseamnă că 1 kWh de energie electrică absorbită produce, prin intermediul pompei de căldură tip apă-apă, 5,4 - 5,5 kWh energie termică.

Iarna - pompele de căldură absorb căldura de la un mediu cu o temperatură mai ridicată şi o cedează aerului din încăperi. Schema de principiu corespunzătoare funcţionării în modul încălzire este prezentată în figura 4. Compresorul preia vaporii de refrigerant din evaporator şi îi comprimă în condensator (vaporii de refrigerant aflaţi la presiune mare la ieşirea din compresor sunt comprimaţi în condensator). În condensator, căldura refrigerantului aflat la temperatură ridicată este cedată aerului din încăpere. Cedându-şi căldura, refrigerantul se răceşte şi condensează în condensator. Refrigerantul în stare lichidă şi la presiune mare este trecut apoi printr-o primă valvă de expansiune, producându-se astfel creşterea presiunii acestuia, apoi printr-o a doua valvă de expansiune; trecerea refrigerantului prin cea de-a doua valvă de expansiune produce scăderea presiunii acestuia şi totodată răcirea sa. Refrigerantul este deci adus la presiunea joasă din evaporator. Aici refrigerantul se evaporă, în urma schimbului de căldură cu mediul în care se află evaporatorul, rezultând la ieşirea din acesta vapori de refrigerant la presiune joasă. Vaporii sunt trecuţi prin valva reversibilă şi preluaţi apoi de compresor şi reîncepe ciclul. Căldura necesară vaporizării este luată de la mediul în care se află evaporatorul (pământul). Temperatura de fierbere a refrigerantului este mai mică decât temperatura mediului - sursa de căldură, aceasta făcând posibilă vaporizarea.

Vara - pompele de căldură absorb căldura de la aerul din încăperi şi o cedează mediului care are o temperatură mai scăzută.

Vara, ciclul descris mai sus este invers, evaporatorul îşi schimbă rolul cu condensatorul.

Schema de principiu corespunzătoare funcţionării în modul răcire este prezentată în figura 5.

Refrigerantul în stare lichidă şi la presiune mare părăseşte condensatorul, fiind trecut mai întâi printr-o primă valvă de expansiune, care îi creşte presiunea, apoi printr-o a doua valvă de expansiune; trecerea prin cea de-a doua valvă de expansiune produce scăderea presiunii refrigerantului şi a temperaturii acestuia. În continuare, refrigerantul intră în evaporator, unde absoarbe căldura aerului din încăpere. Prin evaporarea refrigerantului în evaporator, rezultă la ieşirea acestuia vapori la presiune joasă, care apoi sunt trecuţi prin valva reversibilă şi preluaţi de compresor. Vaporii de refrigerant aflaţi la presiune mare la

Page 68: Energii Regenerabile I Curs

68

ieşirea din compresor sunt trecuţi prin valva reversibilă, intrând apoi în condensator, unde îşi cedează căldura mediului în care se găseşte acesta, adică pământului. Prin condensare, refrigerantul se răceşte şi condensează, astfel încât refrigerantul părăseşte condensatorul sub formă lichidă, la presiune mare. În continuare ciclul se reia.

Pompele termice au un randament de conversie mult mai bun decât alte tipuri de maşini termice. În funcţie de o serie de factori locali, investiţia într-o pompă termică geotermală se amortizează în 2 până la 10 ani.

3. CONCLUZII

După valorile temperaturii, energia geotermală se poate utiliza într-o serie de aplicaţii industriale: - încălzirea spaţiilor (locuinţe, sere, întreprinderi); - utilizarea căldurii, apei calde sau a vaporilor în diferite procese tehnologice din industria textilă, chimică sau papetărie; - producerea de energie electrică. Energia geotermală este o energie relativ puţin poluantă. Totuşi, coroziunea este cel mai mare duşman al instalaţiilor ce utilizează energia geotermală. Dacă după utilizare, apele geotermale sunt reversate în natură, este posibil ca sulfaţii şi metalele grele să polueze râurile şi lacurile. Când apa utilizată este reinjectată, pericolul poluării se diminuează considerabil. În general, se consideră că utilizarea corectă a energiei geotermale implică o poluare redusă.

Page 69: Energii Regenerabile I Curs

69

CAPITOLUL 5

CONVERSIA BIOMASEI

1. INTRODUCERE

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca formă de păstrare a energiei Soarelui în formă chimică, biomasa este una din cele mai populare şi universale resurse de pe Pământ. Ea asigură nu doar hrana, ci şi energie, materiale de construcţie, hârtie, ţesături, medicamente şi substanţe chimice. Biomasa este utilizată în scopuri energetice din momentul descoperirii de către om a focului. Astăzi, combustibilul din biomasă poate fi utilizat în diferite scopuri - de la încălzirea încăperilor până la producerea energiei electrice şi combustibililor pentru automobile.

Biomasa este, sub rezerva unei exploatări durabile a resurselor, o energie regenerabilă. Planeta noastră este populată de o mare varietate de plante, care, convertind energia solară cu ajutorul fotosintezei, constituie un uriaş rezervor energetic. Spontane sau cultivate, plantele reprezintă o componentă importantă a aşa-numitelor surse regenerabile de energie. Dioxidul de carbon din atmosferă şi apa din sol sunt transformate prin procesul de fotosinteză (folosind energia solară) în carbohidraţi (zaharuri), care constituie piatra fundamentală a biomasei. Energia solară, care stă la baza procesului de fotosinteză, este în acest fel stocată în legăturile chimice ale componentelor structurale care alcătuiesc biomasa. Dacă ardem biomasa, sau, altfel spus, dacă eliberăm energia stocată în legăturile chimice, oxigenul din atmosferă se combină cu carbonul din plante şi din acest proces rezultă dioxid de carbon şi apă. Procesul descris este ciclic pentru că dioxidul de carbon eliberat poate fi din nou asimilat de plante şi permite reluarea ciclului biologic. Rezultă că biomasa este o sursă regenerabilă de energie.

Din punctul de vedere istoric, rolul jucat de biomasă este bine cunoscut. Ea este prima resursă energetică a planetei folosită de om.

Biomasa poate fi adusă în discuţie şi în prezent ca potenţială resursă energetică. Noile tehnologii de conversie energetică a biomasei, care sunt astăzi în studiu, vor reduce gradul de dependenţă de petrol şi cărbune, fără să ducă la creşterea concentraţiei de dioxid de carbon din atmosferă.

Ca adăugare la sensul său estetic, de floră pământească a planetei, biomasa reprezintă o resursă utilă şi importantă pentru om. Pe parcursul a mii de ani, oamenii extrăgeau energia soarelui, păstrată în formă de energie a legăturilor chimice, arzând biomasa în calitate de combustibil sau utilizând-o în alimentaţie, utilizând energia zaharidelor şi celulozei. Pe parcursul ultimelor secole, omenirea a învăţat să obţină tipurile fosile de biomasă, îndeosebi în formă de cărbune. Combustibilii fosili prezintă rezultatul reacţiei chimice foarte încete de transformare a polizaharidelor. În rezultat, compusul chimic al cărbunelui asigură o sursă de

Page 70: Energii Regenerabile I Curs

70

energie mai concentrată. Toate tipurile de combustibil fosil, utilizate de către omenire - cărbune, petrol, gaze naturale - reprezintă (prin sine) biomasă străveche. Timp de milioane de ani pe Pământ, resturile plantelor vegetale se transformă în combustibil. Deşi combustibilul extras constă din aceleaşi componente - hidrogen şi carbon - ca şi biomasa „proaspătă”, el nu poate fi inclus în categoria surselor energetice regenerabile, pentru că formarea lui necesită o perioadă îndelungată de timp.

Compoziţia chimică a biomasei poate fi diferenţiată în câteva tipuri. De obicei, plantele conţin 25% lignină şi 75% glucide (celuloză şi hemiceluloză) sau zaharide. Fracţiunea glucidică este compusă dintr-o mulţime de molecule de zaharide, unite între ele prin lanţuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta ligninică este compusă din molecule nezaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi de celuloză la formarea ţesuturilor, care asigură integritatea plantelor. Lignina apare în plante ca ceva de genul lipiciului, care leagă moleculele celulozice între ele.

La baza vieţii pe Pământ stă regnul vegetal, furnizorul de energie (hrană) pentru toate celelalte vieţuitoare aparţinând regnului animal care populează planeta. În natură există un circuit foarte bine definit al materiei, care include atât organismele vii, cât şi lumea minerală în care acestea trăiesc, circuit care acoperă toate transformările posibile (fig.1).

Fig. 1. Circuitul materiei în natură.

În cadrul circuitului materiei, o componentă deosebit de importantă pentru organismele vii o reprezintă circuitul dioxidului de carbon care stă la baza vieţii pe planeta noastră (fig. 2).

Până nu demult, echilibrul acestui ciclu al dioxidului de carbon se realiza în mod natural, producţia şi consumul reglându-se spontan. Dezvoltarea industrială explozivă a reclamat cantităţi de energie din ce în ce mai mari, energie obţinută în principal prin arderea combustibililor fosili, operaţiune realizată cu producerea unor mari cantităţi suplimentare de CO2; aceste cantităţi suplimentare au dereglat mecanismele fine ale circuitelor naturale, aducând grave prejudicii mediului natural, prejudicii pe care, până la urmă, le plătesc toate vieţuitoarele planetei, omul nefăcând excepţie.

Page 71: Energii Regenerabile I Curs

71

Fig. 2. Circuitul dioxidului de carbon în natură.

Una din cele mai vechi metode de producere a energiei pe seama biomasei o reprezintă arderea lemnului. Procedeul, aplicabil la scară planetară atâta timp cât populaţia lumii era relativ scăzută, nu mai poate fi utilizat astăzi din trei motive, toate întemeiate: - populaţia globului a depăşit cinci miliarde de locuitori, dintre aceştia circa o treime folosind exclusiv lemnul ca sursă de energie pentru prepararea hranei; - suprafaţa împădurită a planetei a scăzut dramatic în ultimele decenii, în primul rând datorită defrişărilor masive practicate pentru crearea de noi suprafeţe agricole; - consecinţele dramatice ale defrişărilor, care au condus la amplificarea efectului de seră, principalul consumator de dioxid de carbon, masa verde, nemaiputând să preia cantităţile tot mai mari din acest gaz produse în lume.

Există o mare varietate de transformări pe care le poate suferi biomasa, fiecare având o tehnologie şi un produs final specific. În continuare vor fi trecute în revistă principalele tehnologii şi produse care utilizează biomasa în scopuri energetice.

Industriile bazate pe lemn şi utilizatorii casnici consumă o mare cantitate din această resursă; industriile lemnului, celulozei şi hârtiei sunt consumatorii propriilor deşeuri lemnoase, asigurându-şi circa 60% din necesarul energiei de funcţionare. În domeniul casnic, pentru multe ţări de pe glob, în special pentru cele sărace, lemnul reprezintă principalul combustibil pentru încălzit şi prepararea hranei zilnice. În cele ce urmează, ne vom ocupa de acele tehnologii care pot constitui alternative la metodele convenţionale de utilizare a biomasei şi care să contribuie nemijlocit la: - reducerea poluării; - utilizarea eficientă a terenurilor agricole şi neagricole; - utilizarea eficientă a resurselor planetei, inclusiv a celor care asigură hrana şi energia.

Utilizarea biomasei creşte în ritm accelerat. În unele state dezvoltate, biomasa este utilizată destul de intens. Spre exemplu, Suedia îşi asigură 15% din necesitatea în surse energetice primare şi planifică pe viitor creşterea volumului biomasei utilizate concomitent cu închiderea staţiilor atomo-electrice şi termoelectrice, care utilizează combustibil fosil.

Page 72: Energii Regenerabile I Curs

72

În SUA, unde 4% din energie este obţinută din biomasă, aproape de cantitatea obţinută la staţiile atomo-electrice, astăzi funcţionează instalaţii cu capacitatea totală de 9000 MW, în care se arde biomasă cu scopul obţinerii energiei electrice. Biomasa poate asigura cu uşurinţă peste 20% din necesităţile energetice a ţării. Altfel spus, resursele funciare existente şi infrastructura sectorului agrar permite înlocuirea completă a tuturor staţiilor atomice, fără a influenţa preţurile la produsele alimentare. De asemenea utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micşora importul petrolului cu 50%.

Utilizarea biomasei poate fi periculoasă pentru sănătate şi mediu. Spre exemplu, la prepararea hranei în încăperi puţin aerisite, se pot forma CO, NOx, formaldehide, particule solide, alte substanţe organice, a căror concentraţie poate întrece nivelul recomandat de Organizaţia Mondială a Sănătăţii. În plus, utilizarea tradiţională a biomasei (de obicei arderea lemnului) favorizează deficitul în creşterea materiei lemnoase: sărăcirea de resurse, de substanţe hrănitoare, problemele legate de micşorarea suprafeţelor împădurite şi lărgirea pustiurilor. Există un potenţial enorm al biomasei, care poate fi inclus în circuit în cazul îmbunătăţirii utilizării resurselor existente şi al creşterii productivităţii. Bioenergetica poate fi modernizată, datorită tehnologiilor moderne de transformare a biomasei iniţiale în purtători de energie moderni şi comozi (energie electrică, combustibili lichizi şi gazoşi).

Resursa pentru biomasă este reprezentată de: - lemn şi deşeuri rezultate din prelucrarea acestuia; - culturi agricole şi produse secundare rezultate; - produse secundare rezultate în urma prelucrării produselor de origine animală; - produse secundare rezultate din prelucrarea hranei; - plante şi alge acvatice; Utilizarea energetică a biomasei după tipul resursei este prezentată mai jos: * Biogaz - 5%; * Deşeuri agricole - 5%; * Gunoi menajer - 24%; * Lemn şi deşeuri - 64%. Energia conţinută în biomasă reprezintă de circa 8 ori consumul mondial actual de energie; din acest punct de vedere, biomasa reprezintă o resursă energetică foarte mare. La ora actuală, omenirea foloseşte doar 7% din producţia anuală de biomasă, ceea ce creează premisele unei exploatări eficiente a acestei resurse. Materiile prime folosite drept combustibil sunt de regulă, deşeuri din exploatarea agricolă şi forestieră, dar şi plante cultivate pentru a produce energie. Deşeurile de la tăierea lemnului sau paiele pot fi arse în centralele existente ce folosesc cărbune. Din bălegarul şi mustul de bălegar provenind anual din creşterea animalelor poate fi produs biogaz. Din biomasă fac parte şi plantele ce pot furniza materia primă pentru producerea de energie: porumb, rapiţă şi copaci care cresc repede. Se prognozează că, în anii următori, vor exista culturi agricole destinate biomasei, constând din plante cu creştere rapidă.

Page 73: Energii Regenerabile I Curs

73

2. CONVERSIA BIOMASEI ÎN INSTALAŢII ENERGETICE INDUSTRIALE

Scopul acestor procedee de conversie este acela al transformării biomasei în cele două forme de energie terţiară: - electricitatea, cea mai versatilă fiind utilizată în toate domeniile de activitate; - căldura, necesară atât în activităţi direct productive, cât şi în domeniul casnic (prepararea apei calde menajere şi încălzirea locuinţelor).

2.1. Generarea de electricitate

Aceasta se poate face în două moduri: - prin arderea directă în centrale electrice, modalitate folosită azi pe scară largă în

industrie; - prin conversia biomasei folosind gazeificarea sau tehnologiile de piroliză. Gazeificarea se face în instalaţii speciale care transformă biomasa în gaz combustibil, sau biogaz; acesta este apoi ars în turbine eficiente cu gaz, producând electricitate şi căldură.

Prin piroliză, cu ajutorul unui aport exterior de căldură, biomasa este transformată în uleiuri combustibile. Aceste uleiuri, pentru care există infrastructură de depozitare şi transport, este ars în centrale electrice convenţionale.

Arderea biomasei este mult mai eficientă dacă se urmăreşte obţinerea de electricitate prin co-generare. De regulă, astfel de centrale se amplasează în apropierea sursei de biomasă, ţinând cont că greutatea specifică a acesteia este mică, iar transportul la distanţă în acest caz este neeconomic; astfel de amplasamente posibile sunt: fabrici de cherestea, mobilă, mari exploataţii agricole etc. Distanţa maximă economic admisă este de 80 km. O casetă tehnică pentru o astfel de centrală este prezentată în continuare. Domeniul de utilizare: astfel de centrale se adresează sectorului de producţie electroenergetic sau de co-generare; pot funcţiona ca centrale de bază sau ca centrale intermitente. Mărimea tipică: puterea instalată este cuprinsă între 2 şi 100 MW; cel mai adesea, mărimea acestor centrale este sub 20 MW, fiind amplasate chiar în incinta unor fabrici de mobilă, cherestea, celuloză etc. şi dimensionate pentru producţia de deşeuri rezultate din procesul tehnologic. Combustibilul: lemn, coajă de lemn, deşeuri agricole, turbă cu umiditate mai mică de 50% sau reziduuri petroliere. Randamente: - pentru conversia în electricitate randamentele tipice sunt cuprinse între 15 30 %; - pentru centralele de co-generare randamentul poate ajunge până la 60%. Durata de viaţă: 30 de ani. Durata construcţiei: după obţinerea autorizaţiilor de construcţie şi funcţionare, această durată depinde doar de mărimea centralei: - pentru centrale sub 5 MW, durata construcţiei este sub 1 an; - pentru centrale mai mari, această durată este de 18 36 de luni.

Page 74: Energii Regenerabile I Curs

74

Stadiul dezvoltării: pentru aplicaţiile convenţionale, astfel de centrale sunt deja comerciale în diferite mărimi şi configuraţii. Pentru centrale avansate tehnologic, cu gazeificatoare de biomasă integrate, sunt în curs de derulare o serie de proiecte demonstrative. Sunt, de asemenea, în studiu centrale care folosesc biomasa sau gunoaie menajere municipale, întrucât biomasa ca atare, în multe activităţi, este o sursă sezonieră care trebuie completată cu alt tip de combustibil. Consumuri anuale: 451 tone combustibil. Poluare. Produc prin ardere cenuşi grele, uşoare şi gaze arse; produc, de asemenea, poluanţi gazoşi, cum ar fi NOx, SOx, CO, CO2, CH4, N2O şi particule în suspensie. Dacă se arde biomasă şi gunoi municipal, se produce în plus şi dioxină. Dar, în general, acest lucru este acceptat, ţinând cont de beneficiile aduse de arderea gunoaielor municipale. Amplasament. Necesită spaţii mari de depozitare a biomasei sau/şi gunoiului municipal. Trebuie luate măsuri de protecţie împotriva împrăştierii de către vânt, a infiltraţiilor în sol etc.

2.2. Generarea de energie termică

Exemplificarea prezentată priveşte arderea biomasei compactate în centrale pentru producerea energiei termice.

Sectorul de aplicare: utilizare finală a energiei, producerea energiei termice pentru industrie, încălzirea locuinţelor. Mărimea tipică: - pentru gospodării particulare: 2 15 kWt; - instalaţii industriale: 150 kWt. Combustibil: reziduuri biologice compactate şi uscate (lemn, hârtie, carton, deşeuri agricole etc.) Randamente: - pentru utilizatori individuali: <80%; - pentru utilizatori industriali: 70 85%. Conţinutul energetic: - 19,1 GJ/tonă, cu umiditate mai mică de 10%; - 18,6 GJ/tonă, deşeuri agricole; - 17,4 GJ/tonă pentru hârtie nesortată, de calitate inferioară; - 23,3 GJ/tonă pentru hârtie sortată amestecată cu mase plastice. Durata de viaţă: 15 ani. Stadiul tehnologic: produse comerciale. Costuri:

- pentru instalaţii de puteri mici: 1200 2100 USD;

- pentru instalaţii industriale: 530 600 USD/kWt. Poluare: - poluarea aerului: * SO2, NOx şi CO sub nivelul centralelor convenţionale;

Page 75: Energii Regenerabile I Curs

75

* particule în suspensie: 1g/oră; - cenuşi: concentratele conţin de obicei până la 4% substanţe necombustibile; se găsesc de asemenea urme de plumb, bariu, seleniuri de arseniu. Alte dotări suplimentare: trebuie să existe o întreprindere de uscare şi compactare a materialului.

3. COMBUSTIBILI DIN BIOMASĂ

Biocombustibilii sunt o clasă largă de substanţe chimice combustibile de tip alcooli, esteri, eteri etc. Prin biocarburanţi se înţelege: BIOETANOL (etanol extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor), BIODIESEL (un metil-ester extras din ulei vegetal sau animal, de calitatea dieselului), BIOGAZ (un combustibil gazos rezultat din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor, care poate fi purificat la calitatea gazului pur), BIOMETANOL (dimetilester extras din biomasă), BIODIMETILETER (dimetilester extras din biomasă), BIO-ETBE (etil-terţo-butil-ester, pe bază de bioetanol), BIO-MTBE (metil-terţo-butil-eter, pe bază de biometanol), BIOCARBURANTI SINTETICI (hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice, care au fost extrase din biomasă), BIOHIDROGEN (hidrogen extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor), ULEI VEGETAL CRUD (ulei produs din plante uleioase prin presare, extracţie sau proceduri comparabile, crud sau rafinat, dar nemodificat chimic). Biomasa se foloseşte la producerea unor combustibili (etanol, metanol, biomotorină) sau la obţinerea unor aditivi pentru gazolină; combustibilii rezultaţi din biomasă se pot folosi ca atare sau în amestec cu gazolina. În prezent, se produc în Uniunea Europeană circa 1,4 milioane tone biodiesel şi 0,4 milioane tone bioetanol, iar cererea pe piaţă este în continuă creştere. Se prevede ca, până în anul 2010, o cotă de 5,75% din totalul carburanţilor din transporturi, utilizaţi în Europa, să fie reprezentată de biocarburanţi.

3.1. Etanolul Henry Ford prezisese în 1908 un viitor strălucit acestui carburant, primele sale maşini, Ford T, fiind prevăzute să funcţioneze cu acest produs. Descoperirea uriaşelor bazine petrolifere şi perfecţionarea tehnologiilor de extragere şi rafinare au diminuat însă foarte mult rolul şi importanţa etanolului. Criza energetică din 1979 a readus brusc în atenţie acest carburant şi, de atunci, se înregistrează o creştere constantă a cantităţilor procesate şi folosite, mai ales în SUA şi Brazilia. Bioetanolul, cel mai răspândit biocombustibil, este un alcool şi se produce prin fermentaţia biomasei într-o tehnologie similară cu aceea folosită la obţinerea berii. Azi, numai în SUA se folosesc anual circa 5,68.109 litri de etanol obţinut din porumb; acesta este amestecat cu gazolină pentru a îmbunătăţi cifra octanică a gazolinei şi pentru a reduce poluarea.

Page 76: Energii Regenerabile I Curs

76

Amestecul conţine 10% bioetanol şi 90% gazolină (denumire comercială E90) sau chiar în proporţii mai mari de 15% respectiv 85% (denumire comercială E85). Acest amestec poate fi folosit în toate tipurile de motoare cu ardere internă prezente azi pe piaţa automobilelor.

3.2. Metanolul

Metanolul derivat din biomasă se produce prin gazeificare. Biomasa este transformată într-un gaz de sinteză care este apoi procesat până la obţinerea metanolului. Anual, din gaze naturale, se produc numai în SUA circa 4,54.109 litri de metanol, folosit ca solvent, antigel sau la sinteza altor substanţe chimice. Circa 38% din această cantitate se foloseşte în transporturi, în amestec cu gazolină sau la îmbunătăţirea altor carburanţi.

3.3. Biomotorina

Spre deosebire de etanol, care este un alcool, biomotorina este un ester (asemănător oţetului) care se poate obţine din diferite tipuri de uleiuri cum sunt cel de soia, rapiţă sau din grăsimi vegetale sau animale. Se poate fabrica şi din deşeuri de ulei de gătit sau din grăsimile care se găsesc în micro-alge. Printr-o tehnologie numită esterificare, uleiurile organice derivate se combină cu alcool (etanol sau metanol) şi sunt modificate chimic pentru a forma esteri graşi cum sunt etil sau metil esterii. Produsul rezultat poate fi combinat cu motorina convenţională sau ars ca atare în motoare Diesel. În mod curent se foloseşte ca aditiv în combinaţie cu motorina în proporţie de 20% (denumire comercială B20), sau în diferite alte proporţii.

3.4. Componente pentru gazolină

Biomasa poate fi de asemenea folosită pentru a produce aditivi pentru gazolină cum sunt metil-terţiar-butil.

3.5. Metanul. Instalaţii de producere a biogazului

Formarea de gaze combustibile, prin descompunerea substanţelor organice umede în medii lipsite de oxigen molecular, este un proces care se produce în mod natural pe Terra. Metanul este constituentul lor principal. Aşa s-au format în sedimentele din adâncul Pământului gazele naturale, pe seama plantelor şi animalelor preistorice.

Primele explicaţii ştiinţifice privitoare la geneza gazelor combustibile apar spre sfârşitul secolului al XVII-lea, perioada în care se naşte atât chimia modernă cât şi una din ramurile ei de bază - chimia gazelor. Volta este acela care a extras pentru prima dată hidrocarbura metan din gazele colectate din mlaştini.

Agenţii fermentării anaerobe ai celulozei la temperaturi de aproximativ 20 45 au fost cercetaţi de Söhngen, Hoppe-Seyler si Omelanski. Ultimul a stabilit, în 1899, că la acest proces participă 2 specii de bacterii. Printre produşii de fermentaţie ai celulozei, una dintre

Page 77: Energii Regenerabile I Curs

77

ele formează cantităţi importante de metan - Bacillus cellulosae methanicus - iar cealaltă, cantităţi importante de hidrogen - Bacillus cellulosae hydrogenicus. Ulterior, aceste specii au fost reunite sub denumirea comună de Methanobacterium omelianski.

De îndată ce oamenii au constatat că celuloza poate fi descompusă până la metan de către bacterii, au întrezărit posibilitatea obţinerii de energie, în regim controlat, din biomasă (materiale vegetale şi reziduale).

Până la al II-lea război mondial, fermentarea anaerobă controlată s-a extins, aproape în exclusivitate, în staţiile de epurare ale oraşelor mari din Europa şi America. Producerea şi folosirea biogazului a fost neglijată, majoritatea staţiilor nefiind dotate cu sisteme de captare a acestuia.

Materia organică moartă înmagazinează energie solară convertită în energie chimică, în componentele fotosintetizate de plantele din care a provenit. O cantitate apreciabilă din energia solară, acumulată de plante, este stocată în celuloză.

Celuloza este principala componenta a materiei organice din care rezulta metan prin bioconversie. Conţinutul în celuloză, raportat la substanţa uscată, este de 35-50% în produsele secundare din agricultură.

Alte surse de biomasă, care pot fi convertite în biogaz, sunt reprezentate de biomasele foarte hidratate. Într-o clasificare a biomaselor, în raport cu problemele de energie, cercetătorii au inclus în grupa biomaselor foarte hidratate, plantele acvatice şi algele. Acestea au un conţinut în apă în jur de 95%.

Caracteristic pentru culturile energetice foarte hidratate este capacitatea extrem de mare de a-şi multiplica biomasa, într-un timp relativ scurt, ceea ce creează o disponibilitate de materie organică ce poate fi folosită în filiera de metanizare. În prezent, există 7 procedee principale de recuperare a energiei din reziduurile organice agricole: fermentarea anaerobă la temperatura mediului ambiant, fermentarea anaerobă la temperatură ridicată, descompunerea anaerobă termofilă, distilarea destructivă, compostarea, incinerarea şi transferul de căldură; cel mai ridicat potenţial de recuparare a energiei îl are procesul de fermentare anaerobă la temperaturi în jur de 400C. Prin fermentarea anaerobă, microorganismele descompun materia organică, eliberând o serie de metaboliţi, în principal bioxid de carbon şi metan. În dependenţă de materia primă,

cantitatea de metan în biogaz este de 35 80%. Cantitatea maximă de metan se obţine la fermentarea resturilor animaliere, în special de la complexele avicole.

Dintre componentele chimice ale materiei organice, grade mai ridicate de conversie în biogaz au celulozele, hemicelulozele şi grăsimile. Fermentarea anaerobă, folosită pentru producerea şi captarea biogazului, este un proces dirijat de descompunere a materiei organice umede, în condiţii controlate de mediu, în absenţa oxigenului molecular şi a luminii.

În această fază, acţionează microorganisme fermentative nespecializate, cu capacitate de producere de acizi organici. Ele sunt bacterii celulozice, lactice, acetice, sulfat-reducătoare şi denitrificatoare, precum şi numeroase specii de ciuperci şi unele drojdii.

În faza metanogenă, acţionează bacteriile metanogene, anaerobe, specializate în producerea de metan. În acesta, se mai găsesc şi urme de hidrogen, hidrogen sulfurat, mercaptani, vapori de apă, amoniac, azot, indol şi scatol.

Page 78: Energii Regenerabile I Curs

78

Hidrogenul şi bioxidul de carbon reprezintă un substrat caracteristic pentru metanogeneză. Majoritatea metanobacteriilor folosesc ca substrat numai hidrogenul şi bioxidul de carbon. Metanul se formează prin reducerea bioxidului de carbon şi oxidarea hidrogenului gazos (H+) de către metanobacteriile care folosesc hidrogenul:

CO2 + 4H2O ® CH4 + 2H 2O + Q (energie)

Energia eliminată în urma procesului este mică şi, de obicei, se utilizează la întreţinerea procesului de bază, care are o productivitate mai mare la temperaturi de circa 400C, ceea ce permite pe timp de iarnă realizarea procesului de fermentare fără energie termică din exterior (nu necesită instalaţii suplimentare). Biogazul necesită a fi prelucrat până la utilizare. De obicei, el este trecut prin separatoare speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea biogazului brut (pre-separat) poate duce la intoxicare.

Metanul este componentul care îi conferă biogazului valoare energetică. În stare pură, el este un gaz combustibil, lipsit de culoare, miros sau gust, mai uşor decât aerul; arde cu flacără albăstruie şi are o putere calorică de 37 MJ/mililitru, puţin mai mare decât motorina. Biogazul, comparativ cu metanul pur, are o putere de 25 MJ/ml, din cauza prezenţei în el a bioxidului de carbon şi a altor gaze. Metanul nu se lichefiază la temperatura mediului ambiant (de la -20 0C până la +40 0C). Se păstrează la presiuni joase, în containere cu volum mare sau presiuni ridicate în volume mici. În cele ce urmează se prezintă câteva din cele mai cunoscute utilizări ale metanului. a) Metanul se întrebuinţează ca agent energetic. Este un combustibil superior cărbunelui şi chiar unor produse petroliere, prin puterea calorică mai mare, cheltuieli de exploatare şi transport mai reduse; b) Metanul poate fi utilizat la obţinerea hidrogenului prin descompunere,

CH4 C + 2H2 sau prin oxidare, când se obţin carbon, vapori de apă sau oxizi de carbon şi hidrogen

2CH4 + O2 2CO + 4H2 ; c) este importantă reacţia de clorurare a metanului, în urma căreia se obţine clormetan, diclormetan, tricolormetan, tetraclormetan:

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl; Prin clorurarea metanului se obţin unii dizolvanţi şi agenţi frigorifici. O casetă tehnică de prezentare a unei instalaţii de producere a biogazului este prezentată în continuare. Sectorul de aplicare: utilizarea finală a energiei. Obţinere: biogazul este un produs natural rezultat din fermentarea anaerobică a biomasei sau a deşeurilor biologice. Aplicaţii: arderea în centrale electrice sau de cogenerare, prepararea hranei în gospodăriile individuale. Mărimea instalaţiei: - pentru aplicaţii casnice (< 6 persoane): 2m3/zi metan pentri încălzire şi prepararea hranei;

- pentru aplicaţii mai mari (<300 persoane): 12 60 m3/zi;

Page 79: Energii Regenerabile I Curs

79

- aplicaţii industriale: 300 1000 m3/zi. Combustibil: - dejecţii animale şi umane la care trebuie adăugate deşeuri de material lemnos; - resturi de materie vegetală, zambila de apă etc. Performanţe: acestea depind de o serie de factori, cum sunt: - biodegradabilitatea materialului biologic; - aportul de aer atmosferic; - temperatura de lucru; - umiditatea; - pH-ul compoziţiei. O mărime care permite aprecierea performanţelor este durata de timp în care se face maturarea materialului biodegradabil: - 20 25 de zile pentru dejecţii provenind de la fermele de creştere a vitelor;

- 12 15 zile pentru deşeuri provenind de la fermele de creştere a porcilor. Durata de viaţă: între 3 luni până la un an. Stadiul de dezvoltare a tehnologiei: produs comercial. Costuri de instalare: - pentru o gospodărie cu mai puţin de 6 persoane: 370 USD;

- pentru o comunitate umană: 880 2.600 USD; - pentru o fermă de porci sau vaci de lapte: 132.000 USD; - pentru un abator sau o fermă de păsări: 202.000 USD.

Costuri de funcţionare şi întreţinere: 400 1.200 USD/an pentru o instalaţie de

biogaz de 12 60 m3/zi. Poluare. Instalaţiile de biogaz produc o serie de substanţe poluante după cum urmează: - reziduu solid, care este un îngrăşământ excelent, gata sterilizat; - reziduu lichid: acesta se reciclează în fermentator. - gaze: SO2 - neglijabil; NOx - neglijabil; particole în suspensie în aer - neglijabil; hidrocarburi - neglijabil. Amenajarea terenului: nu necesită lucrări specifice de amenajare.

4. BIOMASĂ DIN DEŞEURI MENAJERE Una din problemele mari cu care sunt confruntate aglomerările urbane o reprezintă

resturile menajere. Suprafeţe mari de teren sunt alocate azi depozitării, cantităţi uriaşe de carburant fiind consumate pentru colectarea şi transportul gunoaielor menajere. Nu numai că au un aspect neplăcut, dar gropile de gunoi constituie focare de infecţie, de proliferare a insectelor şi rozătoarelor, de infestare a pânzei de apă freatică şi a atmosferei. Depozitarea neîngrijită şi haotică consumă anual resurse imense la nivelul comunităţilor locale. Soluţia, cel puţin la ora actuală, o reprezintă amenajarea unor gropi ecologice care să permită recuperarea unor materiale, depozitarea în siguranţă a deşeurilor şi arderea acestora

Page 80: Energii Regenerabile I Curs

80

în vederea obţinerii de electricitate şi căldură pentru comunităţile învecinate. Acest lucru nu este uşor de realizat, întrucât presupune: - metode civilizate de colectare a gunoiului menajer: acesta trebuie să fie sortat chiar de cetăţean, sortare grosieră în sticlă, metale, mase plastice reciclabile, gunoi propriu-zis pus în pungi de plastic; - metode eficiente de colectare la nivel local (presupunând şi o fază de compactare); - metode eficiente de transport la distanţă; - amenajarea unei gropi ecologice care trebuie să asigure un minim de dotări şi anume: - să nu primească decât gunoi menajer care satisface condiţiile de mai sus; - să plătească colectarea şi transportul gunoiului în condiţiile de mai sus; - să fie izolată faţă de sol pentru a împiedica infiltraţiile în pânza de apă freatică; - să fie prevăzută cu ţevi de captare a biogazului produs prin descompunerea gunoiului, biogaz căruia să i se dea o întrebuinţare fie pe loc, fie urmând a fi vândut unei centrale termice din zonă. Un astfel de aranjament permite obţinerea unei surse stabile de biogaz începând cu anul 3 de existenţă a gropii, producţia fiind asigurată pentru o perioadă de circa 20 25 de ani. Efortul iniţial pentru a demara un astfel de sistem este mare, atât în plan financiar cât şi social şi educaţional; fără o educaţie specifică susţinută de anumite facilităţi financiare pentru membrii comunităţii care doresc să trăiască civilizat nu se poate realiza însă nimic.

5. ARDEREA GUNOIULUI ÎN CENTRALE MUNICIPALE 5.1. Introducere

Arderea gunoiului municipal a jucat încă de la începutul secolului un rol foarte important în asigurarea sănătăţii populaţiei şi a bunei calităţi a aerului şi apei într-o anumită regiune. Prin arderea gunoiului menajer sunt omorâţi toţi microbii, se produce energie şi, în plus, sunt eliminate emanaţiile de biogaz care sunt asociate gropilor de gunoi. Dacă sunt amenajate gropi ecologice şi se foloseşte gunoiul la arderea într-o centrală se realizează importante economii la transportul acestuia la distanţă. În ultimele două decenii tehnologia a evoluat, astfel încât azi se poate vorbi de o industrie energetică şi de reciclare bazată exclusiv pe gunoiul evacuat din oraşe.

5.2. Tehnologia

Gunoiul este recepţionat într-o haldă; aici se face o primă selecţie înlăturând metalele, sticla şi plasticul din masa de gunoi. Totodată sunt înlăturate obiectele voluminoase şi amestecat gunoiul pentru a-i omogeniza compoziţia. Mecanizat, gunoiul este apoi direcţionat spre un alimentator care, la rândul său, alimentează cuptorul de ardere cu grătare; trebuie, de asemenea, să se insufle aer pentru o ardere completă a gunoiului. Aerul este introdus pe la partea inferioară a grătarelor, contribuind totodată la răcirea acestora. Cenuşa şi resturile necombustibile sunt apoi dirijate către un bazin cu apă; urmează o operaţiune de curăţare a reziduurilor, după care o parte din acestea sunt din nou reciclate (metalul), o parte poate fi

Page 81: Energii Regenerabile I Curs

81

folosită la realizarea unor cărămizi pentru construcţii de drumuri, alei etc. şi ceea ce rămâne în final este depozitat într-o haldă ecologică. Energia gazelor arse este preluată de un boiler cu supraîncălzitor şi economizor pentru creşterea randamentului de recuperare a căldurii. Aburul rezultat este folosit la antrenarea unei turbine care, la rândul său, acţionează un generator electric. Fumul rezultat trebuie trecut prin instalaţii de tratare apoi poate fi evacuat la coş; de cele mai multe ori se efectuează un tratament suplimentar cu cărbune activ pentru eliminarea mercurului şi a dioxinei. Această tehnologie este cunoscută sub numele de ardere în masă a gunoiului municipal, întrucât permite arderea acestuia fără multe operaţiuni preliminare de sortare detaliată. Centrala poate fi gândită şi în tehnologia arderii în pat fluidizat.

5.3. Controlul poluării

5.3.1. Poluanţi gazoşi şi volatili Asemenea oricărei facilităţi de acest gen, centralele municipale produc o cantitate semnificativă de agenţi poluanţi. La începutul existenţei acestor centrale se practica doar precipitarea electrostatică a compuşilor prezenţi în gazele de ardere, metodă insuficientă după standardele actuale. Începând din anii 80 se practică un control riguros al produselor rezultate din ardere, inclusiv pasivizarea soluţiilor acide din cenuşile grele şi a particulelor în suspensie aflate în cenuşile uşoare. Optimizarea proceselor de ardere a condus la minimizarea şi controlul emisiilor volatile de compuşi organici de tipul CO, NOx, hidrocarburi etc. În Europa reglementările prevăd ca în focar să se asigure o temperatură superioară celei de 850 0C în prezenţa unui procent minim de 6% de oxigen, pentru cel puţin 2 minute. Substanţe cum sunt HCl, SO2, HF, NOx, praful, metalele grele, dioxina trebuie monitorizate în permanenţă şi împiedicată eliberarea lor în natură.

5.3.2. Poluanţi lichizi

Aceştia apar la spălarea cenuşilor, în funcţionarea cazanului şi la echipamentele de tratare a gazelor arse. Aceşti poluanţi lichizi trebuie neutralizaţi chimic reţinând de asemenea, particulele solide aflate în suspensie.

5.3.3. Poluanţi solizi

Constau în cenuşile grele, uşoare şi agenţi rezultaţi din tratarea apei şi gazelor arse. În general deşeurile solide rezultate sunt supuse unor procese de sortare pentru recuperarea materialelor feroase şi neferoase apoi sunt folosite la fabricarea de materiale de construcţii destinate drumurilor, aleilor, parcărilor etc. Nu se folosesc la construirea locuinţelor, întrucât au o radioactivitate ridicată.

5.3.4. Controlul dioxinei

Arderea combustibililor în centrale, inclusiv a gunoiului menajer, produce cantităţi semnificative de dioxină,denumire generică pentru o familie de circa 210 compuşi ciclici de

Page 82: Energii Regenerabile I Curs

82

clor-hidro-carbonaţi, unii dintre aceşti compuşi fiind extrem de otrăvitori. Dioxina este produsă în numeroase procese naturale şi antropogenice, inclusiv în procesele de ardere chimică. Pentru reţinerea acesteia, se folosesc filtre fibroase uscate sau carbon activ. Cea mai bună metodă este însă asigurarea unei arderi bune şi la temperatură ridicată, ceea ce asigură scăderea drastică a cantităţilor de dioxină produse.

5.4. Producţia de energie

Căldura rezultată din arderea gunoiului este folosită la producerea aburului sau a apei calde, ambele de interes energetic. Aburul este folosit direct la acţionarea unei turbine cu ciclu termodinamic clasic pentru producerea de electricitate. Cazanul lucrează la 400 0C şi 40 bari; cu aceste date se poate estima producţia de electricitate la circa 670 kWh pentru fiecare tonă de gunoi ars, acceptând un timp de lucru anual de 7440 de ore. Căldura poate fi, de asemenea, folosită la încălzirea locuinţelor, serelor etc. Randamentul de generare a electricităţii este de circa 22%. Dacă, însă, există un consumator semnificativ de energie termică în zonă, randamentul global al centralei municipale poate ajunge la circa 66%. Ţările Scandinave îşi asigură circa 25% din necesarul de energie termică din astfel de centrale. În afară de această energie, produsă direct prin ardere, depozitarea gunoiului în haldă reprezintă o sursă semnificativă de biogaz. Dintre tehnologiile care la ora actuală asigură randamente ridicate şi poluare minimă, au fost deja testate: arderea în două trepte, arderea în pat fluidizat şi gazeificarea. Astfel de tehnologii echipează deja o serie de centrale şi sunt monitorizate pe termen lung pentru evaluarea tehnică, economică şi impactul asupra mediului.

5.5. Date tehnice

În cele ce urmează sunt prezentate, sub forma unei casete tehnice, principalele caracteristici ale centralelor municipale. Sectorul energetic de aplicare: conversia secundară a energiei. Aplicaţia tipică: generarea de electricitate, cogenerarea.

Mărimea tipică: 30 100 MWe. Combustibilul folosit: - principal: gunoi menajer municipal; - secundar: gaze naturale, cărbune, produse petroliere. Randament: 25%. Durata de viaţă: 30 de ani. Timpi de instalare: - localizarea, proiectarea şi obţinerea aprobărilor: mai puţin de 3 ani;

- construirea propriu-zisă: 3 5 ani. Stadiul tehnologiei: sunt dezvoltate deja aplicaţii comerciale, reprezentate prin două tipuri principale: - instalate în câmp: sunt în stadiu comercial; - sub formă modulară, atunci când nu se dispune de mult teren; sunt, de asemenea, comerciale.

Page 83: Energii Regenerabile I Curs

83

Poluarea: - centralele municipale produc în principal cenuşi şi poluanţi gazoşi; - SO2 – mai puţin decât în cazul centralelor pe păcură sau cărbune; - NOx – mai puţin decât orice tip de centrală convenţională; - CO – poate fi controlat funcţionând la o temperatură optimă de ardere; - HCl – are valori însemnate dar, prin spălarea gazelor de ardere cu SO2, se reduce semnificativ. Caracteristicile amplasamentului: - este necesară o haldă pentru depozitarea gunoiului; - trebuie să existe o haldă afectată depozitării cenuşei;

- suprafaţa alocată centralei este de circa 1,5 30 de hectare; - trebuie să existe posibilitate racordării la reţeaua electrică pentru debitare de electricitate în sistemul electroenergetic.

6. UTILIZAREA BIOMASEI ÎN ROMÂNIA România, în condiţiile date ale mediului geografic existent, se apreciază ca o ţară cu un ridicat potenţial energetic de biomasă; acesta reprezintă aproximativ 19% din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2000, cu următoarele categorii de combustibili: - reziduuri din exploatări forestiere şi lemn de foc; - deşeuri lemnoase (rumeguş şi alte resturi de lemn); - deşeuri agricole (paie din cereale, tulpini de porumb, resturi vegetale de la viţa de vie etc.) - biogaz; - deşeuri urbane. În balanţa resurselor primare, căldura rezultată în urma consumului de biomasă are utilizări diversificate astfel: - circa 50% din căldura produsă pe bază de biomasă provine din arderea de reziduuri forestiere; - aproape 50% din căldura produsă din biomasă este de origine agricolă; - 10% din căldura consumată în sectorul industrial se regăseşte în industria prelucrării lemnului; - 90% din căldura pentru încălzirea locuinţelor şi prepararea hranei (în special în mediul rural) se asigură din reziduuri şi deşeuri vegetale. În consumul curent de biomasă în România, în regim de exploatare energetică, se foloseşte biocombustibil de diferite tipuri, astfel: - cazane industriale de abur sau apă fierbinte pentru încălzire industrială, cu combustibil pe bază de lemn; - cazane de apă caldă, cu o putere instalată cuprinsă între 0,7 MW şi 7 MW pentru încălzire urbană (cu combustibil pe bază de lemn); - sobe, cuptoare ş. a. cu lemne şi/sau deşeuri agricole, pentru încălzirea locuinţelor individuale şi prepararea hranei.

Page 84: Energii Regenerabile I Curs

84

Pe termen mediu şi lung, sporirea potenţialului exploatabil al biomasei se asigură prin plantaţii (arbori şi arbuşti cu perioadă redusă de creştere) pe suprafeţe degradate, terenuri agricole dezafectate sau scoase din circuitul agricol. Pentru România, o oportunitate de creştere a volumului de biomasă utilizată pentru încălzire este, conform strategiei de utilizare a surselor regenerabile de energie, înlocuirea combustibililor fosili prin biomasă lemnoasa şi/sau agricolă în sistemele existente de încălzire urbană. Producerea de energie electrică pe bază de biomasă este un obiectiv important pe termen mediu, creşterea ponderii biomasei în producerea de energie electrică crescând de la 0,95%, în prezent, până la 8% în 2010. Până la realizarea de instalaţii specializate de producere a energiei electrice din biomasă, pe termen scurt este recomandată utilizarea biomasei la cazanele existente. Aceasta se poate realiza având biomasa în amestec cu cărbunele în cazane energetice cu pat fluidizat sau prin prevederea de camere de precombustie în locul unor arzătoare de hidrocarburi la cazane existente din centrale termoelectrice. Pentru ţara noastră, producerea de biocarburanţi poate fi o oportunitate de export şi o alternativă la dezvoltarea agricolă şi la folosirea terenurilor necultivate. Culturile de rapiţă, sfeclă de zahar sau sorb zaharat constituie, printre altele, materia primă pentru o producţie de biodiesel, respectiv etanol. În România sunt promovaţi activ biocarburanţii; astfel, o tehnologie simplă permite producerea ca biocarburant a uleiului crud din seminţe de rapiţă. O recoltă de 2500 kg rapiţă/ha, asigură 900 kg de ulei crud, care poate fi utilizat prin transesterificare, sau chiar direct, în motoarele diesel, după unele adaptări minore ale acestora.


Recommended