Home > Documents > AET Teorie P1

AET Teorie P1

Date post: 20-Nov-2015
Category:
Author: bogdan-dumitru
View: 20 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
Description:
Alimentari cu energie termica
Embed Size (px)
of 103 /103
ALIMENTĂRI CU ENERGIE TERMICĂ. PRIMA PARTE. SURSE DE PRODUCERE A CĂLDURII. 1. Caracteristicile sistemelor de alimentare cu căldură 1.1 Clasificarea sistemelor de alimentare cu căldură Consumurile de căldură pot fi clasificate după mai multe criterii (destinaţie sau scop, durată, natura agentului termic, etc). Astfel, după destinaţie, consumurile de căldură sunt asociate de regulă tipului consumatorului (tehnologic, terţiar, rezidenţial, etc). După durată consumurile de căldură pot fi sezoniere şi anuale, iar după natura agentului termic consumurile pot fi transferate de la sursă la consumatorul final prin intermediul aburului, apei fierbinţi, apei calde şi altor fluide. În cele ce urmează se vor trata problemele asociate consumatorilor rezidenţiali şi ale celor asimilaţi lor. Sistemele de alimentare cu căldură preiau toate aceste criterii de clasificare, cărora li se mai adaugă unul bazat pe numărul consumatorilor finali unitari racordaţi. După numărul consumatorilor finali unitari racordaţi sistemele pot fi individuale şi colective sau centralizate. În acest context se impune o definiţie clară a consumatorului final unitar de căldură, în funcţie de care soluţia de alimentare este clasificată individuală sau centralizată. În principiu, din punct de vedere strict tehnic, consumatorul final unitar este aparatul, agregatul sau dispozitivul în interiorul sau prin intermediul căruia agentul termic se răceşte sau chiar se consumă. Definiţia este corectă dar mai puţin convenabilă sub aspect practic, factura de plată fiind întocmită de regulă la nivelul unei unităţi (locative, administrative, organizatorice, etc). În acelaşi timp este posibil ca un titular al facturii energetice să monitorizeze consumurile şi să repartizeze cheltuielile în interiorul conturului său până la un anumit nivel. Societăţile de distribuţie a căldurii întocmesc facturile pentru căldura livrată la
Transcript

PERSPECTIVELE COGENERARII LA SCARA MICA SI MEDIE

ALIMENTRI CU ENERGIE TERMIC. PRIMA PARTE.SURSE DE PRODUCERE A CLDURII.

1. Caracteristicile sistemelor de alimentare cu cldur 1.1 Clasificarea sistemelor de alimentare cu cldur

Consumurile de cldur pot fi clasificate dup mai multe criterii (destinaie sau scop, durat, natura agentului termic, etc). Astfel, dup destinaie, consumurile de cldur sunt asociate de regul tipului consumatorului (tehnologic, teriar, rezidenial, etc). Dup durat consumurile de cldur pot fi sezoniere i anuale, iar dup natura agentului termic consumurile pot fi transferate de la surs la consumatorul final prin intermediul aburului, apei fierbini, apei calde i altor fluide. n cele ce urmeaz se vor trata problemele asociate consumatorilor rezideniali i ale celor asimilai lor. Sistemele de alimentare cu cldur preiau toate aceste criterii de clasificare, crora li se mai adaug unul bazat pe numrul consumatorilor finali unitari racordai. Dup numrul consumatorilor finali unitari racordai sistemele pot fi individuale i colective sau centralizate. n acest context se impune o definiie clar a consumatorului final unitar de cldur, n funcie de care soluia de alimentare este clasificat individual sau centralizat. n principiu, din punct de vedere strict tehnic, consumatorul final unitar este aparatul, agregatul sau dispozitivul n interiorul sau prin intermediul cruia agentul termic se rcete sau chiar se consum. Definiia este corect dar mai puin convenabil sub aspect practic, factura de plat fiind ntocmit de regul la nivelul unei uniti (locative, administrative, organizatorice, etc). n acelai timp este posibil ca un titular al facturii energetice s monitorizeze consumurile i s repartizeze cheltuielile n interiorul conturului su pn la un anumit nivel. Societile de distribuie a cldurii ntocmesc facturile pentru cldura livrat la nivelul cldirilor sau scrilor alimentate i nu la nivelul fiecrui apartament. n interiorul acestui contur, asociaia de locatari sau de proprietari asigur repartiia sumei facturate pe fiecare apartament, n funcie de un anumit algoritm de calcul. Acest lucru se justific n prezent prin simplificarea raporturilor comerciale ntre furnizor i consumatorii unitari astfel definii. Astfel, numrul cldirilor alimentate cu cldur de ctre RADET Bucureti este de circa 8000, n timp ce numrul apartamentelor este cu circa dou ordine de mrime mai mare. Dezvoltarea ulterioar a sistemelor de plat on line ar putea permite n viitor ntocmirea facturilor pe fiecare unitate locativ, aa cum se practic n momentul de fa pentru energia electric. O situaie asemntoare se poate ntlni ntr-o ntreprindere n care s-a implementat un sistem de monitorizare a consumurilor de energie pe centre de consum.

Prin urmare, definiia consumatorului final unitar de cldur poate fi diferit n funcie de tipul consumatorului, de context i de destinaia consumului de cldur. Astfel, alimentarea cu cldur a unei ntreprinderi industriale avnd n componena sa mai multe procese tehnologice consumatoare poate fi considerat centralizat chiar dac factura energetic se ntocmete la nivelul ntreprinderii sau chiar dac sursa de cldur este interioar n raport cu perimetrului ntreprinderii.

Alimentarea cu cldur a unei cldiri cu destinaia de locuin cu mai multe apartamente (bloc de locuine) se poate face i cu ajutorul unei surse proprii, integrate de regul n structura cldirii. Acest procedeu este cunoscut sub denumirea de nclzire central i practicat n Romnia nc din perioada interbelic. Sistemul de alimentare este centralizat, dar sursa de cldur i reeaua termic sunt interioare n raport cu gruparea consumatorilor alimentai. Alimentarea cu caldur se poate face cu agent termic asigurat de o surs exterioar cldirii, surs care mai alimenteaz i ali consumatori (alte cldiri, centre comerciale, coli, spitale, etc). n acest caz sistemul este centralizat iar sursa de cldur i reeaua termic sunt exterioare n raport cu gruparea consumatorilor alimentai.

Un sistem centralizat de alimentare cu cldur (SCAC) este alctuit dintr-una sau mai multe surse de producere a cldurii, o reea termic care asigur transportul i distribuia agentului termic i mai muli consumatori finali unitari racordai la aceast reea. n componena unui astfel de sistem pot intra una sau mai multe surse de cldur, dar pentru ca ansamblul s fie considerat sistem centralizat de alimentare cu cldur, trebuie ca numrul consumatorilor finali unitari racordai la reeaua de distribuie s fie strict mai mare ca unu.

Amplasamentul sursei sau surselor de producere a cldurii n raport cu consumatorii finali racordai la reeaua termic constitue unul dintre aspectele importante care definesc un sistem centralizat de alimentare cu cldur. Din acest punct de vedere, sursa poate fi amplasat n centrul de greutate al grupului de consumatori, la marginea sau n exteriorul perimetrului n care sunt concentrai consumatorii. Cu ct sursa este mai departe de centrul de greutate al grupului de consumatori, cu att lungimea reelei este mai mare, ceea ce constitue un dezavantaj. Trebuie precizat faptul c lungimea reelei termice constitue unul dintre punctele slabe ale alimentrii centralizate cu cldur. Cu ct reeaua este mai lung, cu att pierderile de presiune, pierderile de cldur i costurile de operare sunt mai mari. Toate acestea au drept consecin creterea costului de producere a energiei i deci dezavantajeaz soluia alimentrii centralizate n comparaie cu alimentarea individual.

Sistemul individual de alimentare cu cldur este de regul asociat cu un singur apartament i este compus din centrala termic, reeaua termic interioar i aparatele consumatoare.

1.2 Soluii de alimentare cu cldur a consumatorilorPentru oricare categorie de consumatori finali (industriali, teriari, urbani, etc), alimentarea cu energie n general i cu energie termic n special se poate face fie de la o surs proprie, aflat n perimetrul i n proprietatea consumatorului, fie de la o surs exterioar acestui perimetru. Soluia alimentrii cu energie dintr-o surs proprie, avnd ca scop principal satisfacerea necesarului propriu de energie, confer consumatorului respectiv calitatea de autoproductor. Atunci cnd alimentarea cu energie este asigurat de o surs exterioar, care nu se afl nici n perimetrul nici n proprietarea consumatorului, aceasta are rolul de furnizor extern de energie.

Prin urmare, soluiile posibile de alimentare cu cldur pot fi :

a) individuale, dintr-o surs intern (care aparine consumatorului respectiv);

b) colective sau centralizate, dintr-o surs extern;

c) mixte.

Soluiile mixte constau n combinaia de alimentare centralizat i alimentare individual a fiecruia dintre consumatorii avui n vedere. Consumatorii urbani astfel alimentai sunt racordai la sistemul de alimentare centralizat cu cldur care asigur un anumit nivel de temperatur n fiecare unitate locativ. Pentru un nivel mai mare sau pentru nclzirea unitii locative atunci cnd sistemul centralizat este oprit, exist posibilitatea alimentrii dintr-o surs individual de cldur. Daca analiza se refera la modul de alimentare al unei grupri de consumatori, soluie mixt poate nsemna c ntr-un bloc, o parte din apartamente sunt racordate la reeaua centralizat iar celelalte, debranate de la reea, au numai surse proprii (individuale) de cldur.

Cumprarea i instalarea unei surse proprii de cldur cost mai mult dect racordarea la o reea de distribuie, dar n anumite condiii ea poate asigura o reducere a facturii energetice n comparaie cu alimentarea centralizat. Principalul avantaj al soluiei individuale de alimentare cu cldur const ns n autonomia consumatorului, deoarece ea ofer celor care recurg la aceast soluie de alimentare cu energie posibilitatea s hotrasc singuri cnd, ct i cum consum. Trebuie sublinit faptul c aceast autonomie este limitat (depinde) de disponibilitatea sistemului de alimentare cu combustibil, gradul de dependen fiind invers proporional cu capacitatea stocului de care dispune consumatorul.

Centralizarea alimentrii cu cldur permite concentrarea capacitilor de producie n uniti mai mari, mai performante, care pot utiliza o gam mai larg de combustibili, care dispun de personal calificat i competent. Ea presupune i interconectarea consumatorilor de cldur, procedeu din care decurg dou avantaje incontestabile i anume :

- concentrarea surselor de energie n uniti cu capaciti mai mari i performane tehnice i economice superioare, exploatate de un personal calificat;

- aplatizarea curbei de sarcin la sursa de cldur, care conduce la creterea duratei de utilizare a capacitii instalate n sursele care acoper cererea.

Ambele avantaje enunate mai sus sunt legate de eficiena, sigurana i profitabilitatea sursei de cldur. Dezavantajul major const n faptul c legtura ntre sursa de cldur i consumatorii si se face prin intermediul unei reele termice. Cu ct numrul consumatorilor de cldur interconectai este mai mare, cu att reeaua este mai ntins i mai complicat. Cresc astfel costurile aferente construciei, ntreinerii i operrii reelei, precum i costul pierderilor de energie prilejuite de circulaia agentului termic prin reea ntre surs i consumatori. Costul total al transportului i distribuiei energiei, care crete n valoare absolut cu mrimea sistemului, se adaug costului de producie, mrind n final preul de vnzare al energiei ctre consumatorul final. Gradul de centralizare al sistemului poate fi exprimat fie prin intermediul numrului fie prin intermediul capacitii consumatorilor interconectai.Alimentarea centralizat cu cldur este deci cu att mai avantajoas pentru furnizorul de cldur cu ct gradul de concentrare n teren a consumatorilor racordai este mai mare. Cel mai mare grad de concentrare a consumatorilor de tip urban este ntlnit n cartierele de blocuri de locuine din mediul urban. Pentru gruprile, cvartalele sau cartierele de blocuri se consider c alimentarea centralizat cu agent termic este preferabil alimentrii centralizate cu combustibil. Din punctul de vedere al consumatorilor de cldur, avantajele i dezavantajele soluiei de alimentare cu cldur sunt legate de mrimea facturii i de calitatea alimentrii, exprimate prin gradul de autonomie al fiecrui consumator final racordat la sistemul centralizat. n principiu, preul pltit de consumatorul final include costurile de producere, transport i distribuie crora li se adaug un profit. Att timp ct n domeniul alimentrii centralizate cu cldur nu exist o concuren real ntre mai muli furnizori, acetia nu vor avea interesul s-i minimizeze cheltuielile de producie iar facturile consumatorilor vor reflecta acest lucru. De asemenea, att timp ct gradul de autonomie al fiecrui consumator final nu este apropiat de cel asigurat de soluia individual de alimentare, consumatorii nu mai sunt stimulai s rmn racordai la sistemul centralizat. Aplicarea soluiei individuale de alimentare cu cldur n cazul unei cldiri cu destinaia de locuine tip bloc presupune ca fiecare apartament s fie prevzut cu cte o central termic. Instalarea centralelor termice de apartament este mai complicat i presupune costuri suplimentare dac cldirea respectiv nu a fost proiectat i construit n acest sens. Printre altele, ea presupune o nou conduct de distribuie a gazului natural pentru centralele individuale pentru fiecare scar a blocului.

Debranarea unora dintre apartamente de la reeaua termic, urmat eventual de instalarea unor centrale termice de apartament, afecteaz alimentarea cu cldur a locuinelor rmase racordate la sistemul centralizat. Diversele efecte negative sunt cu att mai mari cu ct numrul apartamentelor debranate este mai mare. Coexistena ambelor soluii de alimentare cu cldur ntr-un astfel de imobil creaz complicaii i sub aspectul eliminrii i disiprii n atmosfer a gazelor de ardere de ctre fiecare surs individual. ntr-o democraie funcional, statul nu poate interzice locatarilor unui bloc s se debraneze de la sistemul centralizat de alimentare, dar i poate descuraja prin reglementri mai stricte asupra regimului surselor individuale de cldur. n acelai timp, statul poate aplica politici energetice care s-i conving pe cei care s-au debranat s se rebraneze. n ultim instan, reducerea drastic a pierderilor de cldur pe reeaua termic a sistemului centralizat de alimentare, contorizarea corect a cldurii consumate la nivelul fiecrui apartament i posibilitatea real de reglare local a cldurii consumate (la nivelul fiecrui aparat consumator) pot constitui o baz pentru rebranarea apartamentelor debranate de sistemul centralizat n ultimii 20 de ani.

n cazul unor consumatori izolai, situai n zone greu accesibile sau cu densitate foarte mic de locuitori, soluia alimentrii individuale cu cldur i eventual i cu energie electric, bazat pe procedeul cogenerrii, este de multe ori singura disponibil, oportun i economic n acelai timp.

1.3 Situaia alimentrii centralizate cu cldur n Romnia i n lumen Romnia, n perioada regimului comunist, alimentarea centralizat cu energie termic a consumatorilor industriali i urbani a fost promovat din motive diverse (ideologice, tehnice, economice, etc). Toate sistemele centralizate de alimentare cu cldur care funcioneaz n prezent n ara noastr au fost concepute, construite i puse n funciune nainte de 1990. Au fost avute n vedere cu prioritate aglomerrile urbane i platformele industriale. Economia planificat centralizat a permis corelarea construirii i punerii n funciune a surselor i consumatorilor de cldur. n prezent, capacitatea de producie instalat n centralele electrice de termoficare i n centralele termice nu mai corespunde realitilor actuale iar starea tehnic a componentelor acestor sisteme nu este corespunztoare dect n puine cazuri.

Un studiu statistic efectuat n anul 1995 arta c n Romnia exista un numr circa de 7,8 milioane de locuine, din care aproximativ 4 milioane se afl n mediul urban. Circa 3 milioane de locuine sunt concentrate n cldiri de tip bloc, marea majoritate a blocurilor fiind situate n mediul urban. Din acestea, circa 2,4 milioane sunt racordate la sisteme centralizate de alimentare cu cldur. Alte circa 0,6 milioane de locuine, majoritatea blocuri construite nainte de 1950, dispun de sisteme de nclzire central. Restul de circa 4,8 milioane de locuine, dintre care peste 70 % se afl n mediul rural, sunt nclzite cu sobe individuale. Dac circa 90 % din sistemele de nclzire central folosesc combustibil lichid i gazos, peste 90 % din sobele individuale folosesc combustibil solid.

Majoritatea sistemelor centralizate de alimentare cu cldur din marile orae, concepute i realizate nainte de 1990, au fost dimensionate pentru a asigura alimentarea n bune condiiuni a gruprilor de consumatori formate din blocuri de locuine, coli, spitale, magazine, etc. Gruprile de consumatori astfel alimentate se caracterizeaz printr-o densitate mare de consum, cldirile conectate la reeaua termic fiind n marea lor majoritate de tip bloc. Sistemele centralizate de alimentare au fost concepute astfel nct toi consumatorii s beneficieze n mod egal att de avantajele oferite ct i de dezavantajele care decurg din aceast soluie.

Trebuie precizat c alimentarea centralizat cu cldur n sine nu prezint dezavantaje de fond, fapt care poate fi confirmat de practicarea ei n ri dezvoltate din Europa de Vest. n Romnia aceste dezavantaje au fost exacerbate n perioada penuriei energetice i alimentare din ultimii zece ani de ornduire socialist. Efectele acestei crize persist nc n amintirea celor care au trit acea perioad n Romnia i i motiveaz pe acetia s renune la sistemul centralizat de alimentare cu cldur. Un alt motiv pentru care muli locatari s-au debranat este legat de durata reviziei anuale a sistemului centralizat, care s-a prelungit n anumite momente de la una - dou la cinci ase sptmni. Procesul de stratificare a populaiei din punct de vedere economic a nceput dup 1990 i continu i n prezent. El a condus la apariia a cel puin trei categorii de ceteni care se deosebesc prin mrimea veniturilor lor. Familii aparinnd tuturor categoriilor amintite mai sus i care convieuiesc n comun n aceeai cldire (bloc de locuine), au pretenii diferite n raport cu furnizorii de utiliti. Din motive diferite, locatarii se debraneaz de la sistemul centralizat de alimentare, deoarece unii nu sunt mulumii de calitatea serviciilor prestate, iar alii nu i mai pot permite s plteasc acest serviciu.

Fenomenul este de tip reacie n lan. Debranrile dezechilibreaz circulaia debitelor prin reeaua de distribuie a cldurii i majoreaz ponderea cotei fixe din costurile de producie i distribuie, adic reduc i mai mult calitatea i atractivitatea serviciului prestat de societile respective, conducnd la alte debranri i n final la falimentul alimentrii centralizate.

Locatarii avnd posibiliti financiare peste medie i pot procura i instala microcentrale termice de apartament sau de scar, alimentate cu gaz natural al crui pre nu mai este subvenionat, dar care pot face economii la factura energetica oprind nclzirea atunci cnd nu sunt acas. Evacuarea gazelor de ardere din fiecare apartament n atmosfera nconjurtoare nu este nc normat sau restricionat prin reglementri, ns acest lucru s-ar putea ntmpla ntr-un viitor apropiat. Exploatarea unor astfel de instalaii de ctre persoane fr nici o pregtire, situaie care poate genera accidente cu urmri grave, i va gsi cu siguran la rndul ei o rezolvare ntr-o etap ulterioar nu foarte ndeprtat. Prevederile unor reglementri ulterioare privind locuinele i calitatea n construcii ar putea cuprinde unele condiii sau restricii n raport cu aceast tendin.

Curentul de opinie al locatarilor de a se debrana de la reeaua centralizata de distribuie a cldurii a fost susinut o lunga perioada de timp de guvern prin preuri la gazul natural mult mai mici pentru consumatorii casnici i printr-o propagand susinut n pres practicat de cei interesai. Creterea preului gazului natural a avut efect doar asupra celor care nu s-au debranat nc, ns puini dintre cei debranai au cerut pn acum rebranarea. n acelai timp, subvenionarea nclzirii de ctre autoritile centrale i locale, practicat nc, genereaz o perturbaie care va dispare odat cu subvenionarea. De abia dup aceea se vor putea analiza i compara soluiile de alimentare cu cldur.

Situaia actualilor furnizori de cldur n sistem centralizat din oraele mari este dificil. Astfel, unele sisteme sunt n prezent oprite. Cele care mai funcioneaz nc sunt ncrcate la o sarcin medie sub capacitatea instalat, fapt care se reflect n costul cldurii furnizate. Sursele de cldur de tip CET sunt separate din punct de vedere administrativ de partea de distribuie, ceea ce complic eventualele eforturi de rezolvare a situaiei. Reabilitarea sistemelor presupune n primul rnd o apreciere realist a numrului de consumatori pe care se poate conta n urmtorii 20 - 30 de ani, ceea ce nu este posibil n multe cazuri. Pe termen mediu i lung, furnizorii respectivi se ateapt ca mcar o parte dintre consumatorii debranai n prezent s revin asupra deciziei lor, ns aprecierea numrului acestora este dificil. Pe plan internaional, alimentarea centralizat cu cldur a consumatorilor urbani se regsete ca soluie predominant n special n fostele ri socialiste, dar i ntr-o serie de ri capitaliste dezvoltate din Europa. n ri ca Austria, Danemarca, Finlanda, Germania, Olanda, Suedia, tradiia tehnologic, concepia de via i nu n ultimul rnd asprimea condiiilor de clim au prevalat asupra concepiei individualiste care st la baza societii de tip occidental.

Situaia alimentrii cu cldur a consumatorilor industriali este mai puin diferit din punctul de vedere al concepiei. Alimentarea centralizat cu cldur a uneia sau mai multor ntreprinderi industriale situate n apropierea unei centrale de cogenerare de putere mare sau medie a constituit i continu s constitue o soluie costisitoare, accesibil unui numr limitat de investitori. Printre acetia s-au numrat i statele socialiste, ale cror bugete naionale rezultate prin planificare centralizat puteau dispune de resursele financiare necesare construirii unor astfel de obiective.

Legile economiei de pia i dinamica economiilor libere i prospere nu permit o astfel de concentrare n spaiu i n timp. n rile capitaliste dezvoltate, o ntreprindere industrial dispune de regul de o surs proprie de cldur, fie central termic fie central de cogenerare. Sursa proprie are ca scop s acopere integral cel puin consumul propriu tehnologic de cldur al ntreprinderii, n anumite situaii ea putnd prelua i alimentarea unor teri. Este o situaie ntlnit i n fostele ri socialiste, n special pentru ntreprinderi construite nainte de 1950.

n rile capitaliste dezvoltate, concepia alimentrii cu energie a ntreprinderilor industriale a urmrit n egal msur dinamica preurilor purttorilor de energie primar, progresele i costurile noilor tehnologii energetice. Numeroase studii de caz publicate dup 1980 prezint eficiena economic a nlocuirii unei surse proprii de tip central termic sau central de cogenerare cu cazane i turbine cu abur cu o central de cogenerare proprie cu turbin cu gaze, cu motor cu ardere intern cu piston sau chiar cu ciclu mixt gaze-abur. Aceast tendin a luat amploare dupa anul 1980, odat cu definirea i contientizarea importanei conceptelor de eficien energetic i management al energiei la nivelul ntregii societi. Pe cale de consecin, mbuntirea eficienei energetice i reducerea corespunztoare a cheltuielilor cu energia au devenit condiii pentru creterea rentabilitii oricrei activiti industriale.

Efectul pozitiv direct i indirect al adoptrii unor soluii alternative de alimentare cu energie s-a datorat n primul rnd unei strategii pe termen lung n domeniul energiei i voinei politice la nivelul rilor dezvoltate, care a dus la promovarea unor reglementri coerente n sensul sprijinirii proiectelor de cogenerare sub toate aspectele i n toate etapele de realizare.

1.4 Componentele cererii de cldur aferente consumatorilor urbaniCantitatea de cldur cerut de consumatorii rezideniali pentru asigurarea condiiilor de munc sau de locuit include nclzirea spaiilor, ventilarea i prepararea apei calde. Caracteristicile fiecruia dintre componentele cererii de cldur sunt diferite ca durat, sub aspect cantitativ i sub aspect calitativ. Dac diferenele sunt mari, alimentarea consumatorilor respectivi se poate face separat, prin conducte diferite i chiar prin intermediul unor ageni termici diferii.

Agenii termici care asigur transferul cldurii de la surs la consumator prin intermediul unei reele termice sunt de regul aburul sau apa fierbinte. n majoritatea situaiilor cunoscute, cererea de cldur cu destinaie tehnologic este furnizat sub form de abur, n timp ce nclzirea spaiilor i prepararea apei calde de consum sunt asigurate de regula cu ajutorul apei fierbini. Trebuie precizat faptul c exist i excepii de la aceast regul.

Caracteristicile de natur cantitativ ale cererii de energie termic a unui consumator sunt urmtoarele :

- valorile limit ale cererii momentane (maxim, medie, minim);

- consumurile lunare, sezoniere i anuale de energie realizate sau preliminate;

- durata alimentrii cu energie (n cazul existenei mai multor perioade caracteristice, durata fiecreia dintre acestea);

- modul de variaie specific al cererii de energie pentru un anumit interval de timp (un ciclu de funcionare, o zi, o sptmn, o lun, un sezon, un an).

Caracteristicile de natur calitativ ale cererii de cldur sunt :

- nivelul termic, modul i domeniul su de variaie;

- natura agentului termic;

- modul impus i eventualele restricii legate de preluarea/livrarea cldurii.

Cererea de cldur pentru prepararea apei calde are un caracter permanent (este prezent pe ntraga durat a anului), n timp ce nclzirea i rcirea incintelor sunt necesare numai n perioadele de iarn i respectiv de var, avnd deci un caracter sezonier. Aerul ventilat necesit nclzire n perioada rece i rcire n perioada cald a anului.

Caracteristicile cererii totale de cldur ale unei grupri de consumatori de cldur de tip urban sau rezidenial sunt consecina numrului i caracteristicilor cldirilor racordate la reeaua termic (amplasament, concepie arhitectonic, materiale de construcie, grosime perei, nivel de izolare termic a anvelopei, numr de scri, numr de etaje, numr de apartamente) i a numrului de locatari din fiecare apartament, scar, bloc etc.

Cererea de cldur pentru nclzirea spaiilor este deocamdat componenta cea mai important a cererii de cldur de tip urban. Valoarea maxim a necesarului de cldur pentru nclzire, calculat pentru temperatura exterioar convenional de calcul, este o caracteristic tehnic a oricrei cldiri i este menionat n proiectul tehnic al acesteia. n funcie de aceast valoare se dimensioneaz instalaiile de nclzire din interiorul cldirii. Valoarea minim a necesarului de cldur pentru nclzire este zero. ntre aceste dou limite mrimea variaz n funcie de parametrii aerului atmosferic (temperatur i umiditate) i de viteza relativ ntre aerul atmosferic i cldire (viteza vntului) pe perioada sezonului rece.

n regim permanent, mrimea necesarului de cldur pentru nclzire ntr-un moment oarecare al iernii rezult din bilanul termic al cldirii i este egal cu suma pierderilor de cldur prin transmisie i prin ventilaie neorganizat din care se deduc efectul radiaiei solare i degajrile interne de cldur. n regim nepermanent (tranzitoriu), n bilan se ia n considerare i efectul capacitii de acumulare a cldurii a corpurilor aflate n interiorul anvelopei cldirii.

Prin urmare, necesarul de cldur pentru nclzire este o sum algebric de mai muli termeni, principalul termen fiind pierderile de cldur prin transmisie prin anvelopa cldirii. Calculul aproximativ al acestui termen se poate face cu o relatie de forma :

n relaia de mai sus x este caracteristica termic de nclzire a cldirii, V este volumul cldirii, ti este temperatura interioar iar te este temperatura exterioar la un moment dat. Temperatura interioar de calcul se stabilete n funcie de destinaia incintei nclzite i poate avea valori cuprinse ntre 15 i 25 oC. Temperatura exterioar maxim (la care ncepe i respectiv la care se sfrete nclzirea) este n prezent de 10 oC. Trebuie menionat faptul c ea a fost anterior de 12 oC dar a fost redus din motive de economie. Valoarea actual nu asigur ns n toate situaiile confortul termic al persoanelor care locuiesc n incinta respectiv n perioada de tranziie. Temperatura exterioar minim pentru care se calculeaz sarcina termic maxim a instalaiei de nclzire este stabilit n standardul SR 1907 din 1997 pentru fiecare zon climateric din Romnia i se situeaz ntre 12 i 21 oC.Att dimensionarea ct i funcionarea unei surse de cldur care alimenteaz consumatorii sunt influenate de modul de variaie cu temperatura exterioar a necesarului de cldur pentru nclzire ntr-un moment oarecare al iernii. Pentru o incint, aceast variaie este determinat de temperatura i umiditatea aerului exterior, de viteza vntului n raport cu anvelopa incintei, de intensitatea i direcia radiaiei solare i de nivelul degajrii interne de cldur la un moment dat. Luarea n considerare a tuturor acestor factori n mod simultan i pentru mai multe cldiri este practic imposibil. De accea, n calculele curente variaia relativ a necesarului de cldur pentru nclzire poate fi aproximat cu o relaie de forma :

Aceast relaie nu este satisfctoare pentru valori ale temperaturii exterioare situate la limita superioar a domeniului de variaie n perioada iernii, cuprinse n intervalul 3 - 12 oC. Aceasta este perioada de tranziie de la sezonul cald la sezonul rece sau invers. Constanta E are valori ntre 20 i 40, w este viteza vntului la un moment dat iar wc este viteza de calcul a vntului.

Modurile posibile de livrare a cldurii de la surs ctre consumatori pe durata a 24 ore sunt trei :

a. continuu constant;

b. continuu variabil;

c. intermitent (cu ntreruperi).

Cel mai convenabil pentru sursa de cldur este modul de livrare continuu constant. Astfel, sursa de cldur livreaz n mod continuu constant pe parcursul unei zile un debit de cldur pentru nclzire corespunztor valorii medii zilnice a temperaturii exterioare. n acest fel se asigur un regim convenabil de funcionare al sursei de cldur pe seama capacitii de acumulare a cldurii asociat cldirii astfel alimentate. Trebuie precizat faptul c acest mod de livrare determin o variaie a temperaturii interioare n jurul temperaturii de confort de pn la 1 grd, variaie considerat acceptabil.

Mrimea cererii de cldur pentru prepararea apei calde depinde de numrul locatarilor din cldire i de consumul de ap cald al fiecruia. Valoarea medie a consumului unei persoane, stabilit prin msurtori n urm cu circa 40 de ani, este de 100 120 l/zi, ceea ce conduce la un consum de cldur cuprins ntre 0,26 i 0,30 kW pentru un locatar. n prezent aceast valoare se consider exagerat, n condiiile n care consumatorii i pot monitoriza propriul consum prin contorizare individual. Modul de variaie al cererii de cldur pentru prepararea apei calde poate fi intermitent sau continuu variabil, n funcie de numrul de robinete de ap cald interconectate la aceeai surs de cldur. Mrimea cererii de cldur pentru prepararea apei calde depinde i de temperatura apei potabile (reci) din care se prepar apa cald. Temperatura apei calde trebuie s fie cel puin 50 oC la robinet, astfel c la sursa de cldur ea trebuie s ating 55 60 oC. Temperatura apei reci este mai mic iarna i mai mare vara, lund deci valori ntre 5 i 10 oC n perioada iernii i de pn la 20 oC n perioada verii. Temperatura apei reci depinde de modul n care este asigurat apa potabil (din surse de adncime, din surse de suprafa, etc).

Cererea de ap cald este la rndul ei influenat de temperatura exterioar, fiind mai mare iarna i mai mic vara. Din aceste motive, cantitatea de cldur pentru prepararea apei calde are o variaie estimat aproximativ de la simplu la dublu ntre momentul cel mai cald al verii i momentul cel mai rece al iernii. Necesarul de cldur pentru prepararea apei calde este puternic variabil pe durata unei zile, avnd chiar perioade n care cererea de ap cald este zero. Sursa de cldur livreaz de regul n mod continuu constant o valoare egal cu media zilnic a cererii. Aceast valoare medie zilnic este legat de temperatura exterioar, fiind mai mare iarna i mai mic vara. La fel ca la consumatorul de cldur pentru nclzire, consumatorul de cldur sub form de ap cald are nevoie de o acumulare de cldur pentru a pune de acord livrarea continuu constant i consumul continuu variabil sau chiar intermitent. n cazul n care sistemul dispune de o reea termic primar, aceasta poate contribui semnificativ la capacitatea de acumulare necesar pentru apa cald. Dac nu exist reea primar, pe circuitul apei calde ntre surs i consumator se instaleaz un acumulator de cldur cu capacitatea de 1 2 ore de funcionare la consumul maxim. Cum diferena ntre valoarea medie zilnic i valoarea maxim zilnic este mare (raportul lor fiind cel mult 0,4), la dimensionarea conductelor i a suprafeelor de schimb de cldur trebuie avut n vedere acest aspect.

Cererea de frig pentru rcirea incintelor n perioada verii apare numai n perioadele foarte calde, cnd temperatura exterioar depete 35 oC. Mrimea ei este determinat ntr-o msur mai mare de efectul radiaiei solare directe i ntr-o msur mai mic de temperatura exterioar. Cererea de frig este influenat i de durata perioadei caniculare, efectul de acumulare a cldurii datorat corpurilor din interiorul cldirii trebuind contracarat prin extinderea perioadei de alimentare efectiv cu frig. Cererea de frig asociat perioadelor caniculare este interesant pentru sarcina termic total la sursa de cldur doar dac frigul este produs pe seama cldurii ntr-o instalaie frigorific cu absorbie. n acest fel crete ncrcarea medie anual a capacitii instalate de producere a cldurii n baz, crete cantitatea de cldur produs anual n cogenerare i deci crete i posibilitatea recuperrii mai rapide a investiiei n sursa de cldur respectiv. Alimentarea centralizat cu frig pentru rcirea locuinelor n perioadele de canicul este o soluie utilizat n prezent n alte ri (Danemarca). n Romania trebuie s lum n considerare faptul c frigul este mai scump dect cldura i c nu toi consumatorii racordai la reeaua termic i vor putea permite un astfel de consum.

La stabilirea sarcinii termice totale la sursa de cldur mai trebuie avute n vedere soluia constructiv, starea tehnic i gradul de ncrcare ale reelei termice de transport i distribuie a cldurii, care influeneaz cauzele i deci i mrimea pierderilor de cldur pe reeaua termic.

Cererea de cldur a consumatorilor de tip urban este suficient de bine definit prin intermediul curbei clasate a sarcinii termice totale la surs pentru o anumit grupare de consumatori. n prezent, curba clasat a sarcinii termice la surs se construiete pentru o perioad egal cu un an i include consumul de cldur pentru nclzirea spaiilor, consumul de cldur pentru ventilare, consumul de cldur pentru prepararea apei calde, pierderile de cldur pe reeaua termic care asigur transportul i distribuia cldurii la consumatori i eventual consumul propriu tehnologic de cldur al sursei.

Odat construit, curba de sarcin, clasat sau nu, permite calculul altor dou mrimi importante i anume coeficientul anual de cogenerare i gradul mediu de ncrcare a capacitii de producie instalat n baz n funcie de coeficientul nominal (instalat) de cogenerare. Pentru aceasta este necesar integrarea i calculul cantitilor anuale de cldur corespunztoare ordonatei fiecrui punct. 2. Surse de producere a cldurii

2.1 Tipuri de surse de producere a cldurii.

Prin surs de producere a cldurii (SPC) se nelege un ansamblu care ndeplinete cel puin urmtoarele cinci funciuni :

- preluarea (descrcarea), stocarea, prepararea i arderea combustibililor;

- evacuarea i tratarea gazelor de ardere, a zgurii i a cenuii rezultate din arderea combustibililor;

- nclzirea i vehicularea agentului termic care transport cldura;

- prepararea unei cantiti suplimentare de agent termic care compenseaz pierderile pe reea;

- asigurarea consumurilor proprii tehnologice materiale i energetice ale ansamblului.

O surs de producere a cldurii poate avea n componen una sau mai multe uniti de producere, care pot fi de acelai fel sau de mai multe feluri. n cazul unei surse avnd n componen mai multe uniti de producere a cldurii, acestea pot avea rolul de uniti active sau de rezerv.

SPC care produc numai cldur se numesc centrale termice (CT). Ele sunt dotate cu una sau mai multe uniti de producere numai a cldurii, cunoscute sub denumirea de cazane. Cazanele sunt agregate complexe care asigur nclzirea i eventual vaporizarea agentului termic pe seama cldurii generate prin arderea combustibililor. SPC nu produc n mod obligatoriu numai cldur. Unitile de cogenerare sunt instalaii care au n componen mai multe echipamente i agregate i pot produce simultan lucru mecanic (energie electric) i cldur. SPC care au n componena lor astfel de uniti se numesc centrale de cogenerare (CCG) sau centrale electrice de termoficare (CET). Cea mai complex categorie de SPC este aceea care poate produce simultan lucru mecanic, cldur i frig. Avnd n compunere una sau mai multe uniti de cogenerare i cel puin o unitate de producere a frigului (instalaie frigorific), ansamblul se numete central de trigenerare (CTG).

a. Centrale termice.

Unitile care produc numai cldur se deosebesc ntre ele n primul rnd prin natura i calitatea combustibililor pe care i pot utiliza (combustibili solizi, lichizi sau gazoi, combustibili superiori sau inferiori, combustibili naturali sau sintetici, etc) i n al doilea rnd prin natura agentului termic prin intermediul cruia cldura este transportat la consumatori (ap cald, ap fierbinte, fluide organice, abur saturat, abur supranclzit, etc).

O central termic poate avea n componen uniti de producere diferite att sub aspectul combustibililor utilizai ct i sub aspectul agentului termic preparat. Principial, un generator de cldur (cazan) are n componen dou circuite importante :

- circuitul agentului termic primar (combustibil - aer - gaze de ardere);

- circuitul agentului termic secundar (ap cald, ap fierbinte, abur saturat, abur supranclzit, fluid organic, etc), destinat alimentrii cu cldur a consumatorilor.

Dimensiunile de gabarit ale unui cazan sunt determinate n primul rnd de dimensiunile traseului gazelor de ardere, care circul prin cazan la presiunea atmosferic. Agentul termic secundar circul prin cazan sub presiune, aa c volumul ocupat de acest circuit este mai mic. Instalaiile anex asigur vehicularea agenilor termici, tratarea chimic sau termic a agentului termic returnat i impurificat prin contactul cu instalaiile consumatorului, evacuarea i disiparea gazelor de ardere, depozitarea zgurii i cenuii, prepararea unui debit de agent termic de adaus pentru compensarea pierderilor n reeaua termic, etc.

Unitile de producere a cldurii aflate n componena unei CT sunt cazane de ap cald, cazane de ap fierbinte, cazane de abur industriale sau cazane pentru fluide organice. Cazanele de abur industriale (CAI) sunt agregate avnd debitul nominal pn la 100 t/h i presiunea nominal pn la 40 bar. Cele de capaciti mici pot fi de tipul cu tub de flacr i evi de fum, cele cu capaciti mari fiind numai de tipul evi de ap i cu circulaie natural n sistemul vaporizator. Sunt agregate robuste, fiabile, care pot fi concepute s consume orice fel de combustibili. Cerinele impuse apei de alimentare sunt mai puin severe datorit posibilitii purjrii continue sau periodice. Cazanele de ap fierbinte (CAF) sunt agregate cu capaciti pn la 100 Gcal/h (116 MW) care pot funciona n regim de baz (150/70 oC) sau n regim de vrf (150/102 oC). Cele mai multe dintre ele nu sunt prevzute cu prenclzitoare de aer i nici cu ventilatoare de gaze de ardere. Sunt la rndul lor agregate robuste i fiabile, care pot fi concepute s consume orice fel de combustibili. Agentul termic nclzit este ap dedurizat.

Performanele tehnice ale unui cazan depind de tipul combustibilului i de calitatea exploatrii. Randamentul unui cazan raportat la puterea calorific inferioar a combustibilului este de regul cuprins ntre 75 i 95 %.

b. Centrale de cogenerare.

Dup cum s-a artat mai sus, o central de cogenerare cuprinde una sau mai multe uniti de cogenerare, precum i una sau mai multe uniti sau componente care produc numai cldur. Unitile de producere a energiei se deosebesc ntre ele n primul rnd prin natura i calitatea combustibililor pe care i pot utiliza (combustibili solizi, lichizi sau gazoi, combustibili superiori sau inferiori, combustibili naturali sau sintetici, etc) i n al doilea rnd prin natura agentului termic prin intermediul cruia cldura este transportat la consumatori (ap cald, ap fierbinte, fluide organice, abur saturat, abur supranclzit, etc).

Instalaiile anex asigur funcionarea circuitului termic al centralei (compensarea pierderilor de agent n ciclul termodinamic i n reeaua termic, vehicularea agenilor termici, tratarea chimic sau termic a agentului termic returnat i impurificat prin contactul cu instalaiile consumatorului), evacuarea i disiparea gazelor de ardere, depozitarea zgurii i cenuii, alimentarea cu energie electric a consumatorilor proprii, transformarea energiei electrice produse prin ridicarea tensiunii, etc.

Datorita alurii curbei de sarcin termic acoperite de o centrala de cogenerare, n componena acesteia intr instalaii de producere a cldurii de baza i instalaii de producere a cldurii de vrf. Instalaiile de baz sunt uniti de cogenerare care acoper baza curbei de sarcin termic. Ele au un grad mediu anual de ncrcare a capacitii instalate mai mare i i pot recupera astfel mai repede investiia. Instalaiile de vrf sunt uniti care produc numai cldur i care acoper restul curbei de sarcin termic, rest care include i vrful acesteia. Ele au deci un grad mediu anual de ncrcare a capacitii instalate mai mic i i pot recupera astfel mai ncet investiia. Investiia n instalaiile de baz este mai mare dect investiia n instalaiile de vrf, ceea ce echilibreaz situaia recuperrii ntregii investiii n centrala de cogenerare. O unitate de cogenerare va fi alctuit deci din elementele constitutive ale ciclului termodinamic motor, crora li se adaug i componentele care asigur recuperarea i livrarea n bune condiiuni a cldurii evacuate din ciclu. Totalitatea unitilor de cogenerare constitue instalaia de baz a centralei de cogenerare. Instalaia de vrf este constituit de regul din unul sau mai multe cazane. n cazul n care instalaia de baz include turbine cu gaze i recuperatoare de cldur, vrful poate fi acoperit parial sau total prin ardere suplimentar nainte sau n cazanul recuperator. Instalaia care asigur arderea suplimentar n cazanul recuperator este n acest caz instalaie de vrf, n timp ce restul cazanului recuperator este inclus n instalaia de baz. Tipul mainii termice, natura agentului de lucru i parametrii ciclului termodinamic motor care intr n componena unei uniti de cogenerare au consecine asupra urmtoarelor aspecte specifice :

- randamentul de producere a lucrului mecanic;

- gradul maxim posibil de preluare/recuperare a cldurii evacuate din ciclul termodinamic;

- nivelul termic maxim al cldurii obinute prin recuperare.

Soluiile tehnice disponibile pentru cogenerare sunt n prezent bazate pe instalaii de turbine cu abur, instalaii de turbine cu gaze i motoare cu ardere intern cu piston. Instalaia cu turbin cu abur funcioneaz dup un ciclu termodinamic nchis, n timp ce instalaia de turbin cu gaze i motorul cu ardere intern cu piston funcioneaz dup un ciclu termodinamic deschis.

c. Centrale de trigenerare.

Combinarea producerii lucrului mecanic, cldurii i frigului este un procedeu relativ nou, consemnat n literatura de specialitate n ultimii zece ani sub numele de trigenerare. Termenul de trigenerare, utilizat n literatura de specialitate i pentru alte combinaii, nu este ns unanim acceptat de ctre specialiti. Divergenele sunt ns legate numai de terminologie, procedeul ca atare, oricare va rmne denumirea sa pn la urm, fiind impus de practic pentru avantajele incontestabile pe care le prezint n raport cu producerea separat a celor trei forme de energie.

Aa cum s-a artat mai sus, o central de trigenerare se compune din cel puin o unitate de cogenerare i cel puin o unitate de producere a frigului. Combinarea celor dou tipuri de uniti presupune c instalaia frigorific va consuma fie o parte din energia mecanic (electric), fie o parte din cldura produse prin cogenerare. Dac instalaia frigorific este de tipul cu comprimare mecanic de vapori, ea va consuma o parte din energia electric (mecanic) produs de unitatea de cogenerare. Dac instalaia frigorific este de tipul cu comprimare termo-chimic (cu absorbie), ea va consuma o parte din energia termic produs de unitatea de cogenerare.

Centrala de trigenerare va include deci uniti de cogenerare, uniti de producere numai a cldurii i uniti de producere a frigului. Unitile de cogenerare i cazanele se vor deosebi ntre ele i n acest caz prin natura i calitatea combustibililor pe care i pot utiliza (combustibili solizi, lichizi sau gazoi, combustibili superiori sau inferiori, combustibili naturali sau sintetici, etc) i n al doilea rnd prin natura agentului termic prin intermediul cruia cldura i frigul sunt transportate la consumatori.

Instalaiile anex asigur funcionarea circuitului termic al centralei (compensarea pierderilor de agent n ciclul termodinamic, n reeaua termic i n reeaua frigorific, vehicularea agenilor termici, tratarea chimic sau termic a agentului termic returnat i impurificat prin contactul cu instalaiile consumatorului), evacuarea i disiparea gazelor de ardere, depozitarea zgurii i cenuii, alimentarea cu energie electric a consumatorilor proprii, transformarea energiei electrice produse prin ridicarea tensiunii, etc. Combinaia unui numr att de mare de uniti diferite prezint interes i este oportun mai ales n msura n care prezena unitii de producere a frigului mbuntete alura uneia dintre curbele de sarcin ale unitii de cogenerare i duce la majorarea cantitilor de energie produse n regim de cogenerare. n cazul alimentrii cu cldur a consumatorilor urbani, vara consumul de cldur pentru prepararea apei calde constitue circa 10 15% din valoarea maxim a consumului n plin iarn. Cum n Romnia durata iernii este comparabil cu durata verii, alimentarea cu frig a consumatorilor urbani n perioadele foarte calde ale verii ar mbunti gradul de ncrcare mediu anual al capacitii totale de producere a cldurii instalate n centrala de trigenerare. Acest lucru este posibil numai dac frigul este produs pe seama cldurii ntr-o instalaie frigorific cu absorbie.

2.2 Cogenerarea, alternativ la producerea separat a energiei electrice i termice.Cogenerarea se definete ca fiind producerea combinat i simultan a lucrului mecanic i cldurii, ambele fiind generate de o singur unitate de producie i pe seama aceluiai tip de energie primar (combustibil). Sursa unic a celor dou fluxuri de energie este ciclul termodinamic motor (direct) funcionnd n regim de cogenerare. Un ciclu termodinamic motor funcioneaz (produce lucru mecanic) prelund (absorbind) de la sursa cald un flux de cldur cu temperatur mai ridicat i eliminnd ctre sursa rece un flux de cldur cu temperatur mai cobort. Dac ciclul nu funcioneaz n regim de cogenerare, cantitatea de cldur cu temperatur mai cobort este cedat de ctre sursa rece mediului nconjurtor (aer atmosferic, ruri, mri, oceane, etc). Cogenerarea const n preluarea a cel puin unei pri din cldura eliminat din ciclul termodinamic motor n vederea valorificrii ei sub aceast form pentru alimentarea unuia sau mai multor consumatori.

Consumatorii astfel alimentai preiau deci parial sau total rolul de surs rece a ciclului termodinamic motor funcionnd n regim de cogenerare. Nivelul termic mediu al cldurii astfel obinute depinde de tipul i de parametrii ciclului termodinamic i este deci limitat superior. n anumite cazuri, nivelul termic al cldurii evacuate din maina termic poate fi ns majorat ulterior, prin nclzirea agentului termic purttor n interiorul sau n afara instalaiei de cogenerare propriu-zise, dar n interiorul perimetrului centralei de cogenerare. Principala justificare a cogenerrii este economia de energie primar realizat n comparaie cu producerea separat a acelorai cantiti de energie electric i termic. Economia de energie primar nu este ns un scop n sine, ea trebuind s conduc la o economie de cheltuieli cu combustibilul i deci la scderea costurilor specifice de producere a celor dou forme de energie. Trebuie precizat faptul c economia de combustibil nu conduce automat la o economie de cheltuieli dect dac producerea combinat i producerea separat utilizeaz acelai tip de combustibil sau combustibili diferii avnd acelai cost raportat la coninutul de energie. De asemenea, trebuie amintit faptul c poluarea pe care o produc instalaiile energetice este proporional cu consumul lor de energie primar.Procedeu cunoscut n Romnia i sub denumirea de termoficare, cogenerarea presupune deci existena unui ciclu termodinamic motor sau direct, ale crui componente sunt concepute, adaptate, modificate sau complectate n acest scop. n funcie de tipul mainii termice care lucreaz n ciclul termic, cogenerarea poate fi obligatorie sau facultativ. Cu alte cuvinte, un ciclu termodinamic conceput pentru cogenerare poate funciona numai n acest regim sau poate funciona i ca un ciclu termodinamic fr cogenerare, n regim de noncogenerare, de monogenerare sau de producere numai a lucrului mecanic. n practica actual acest lucru depinde de tipul mainii termice utilizat (turbin cu abur cu contrapresiune, turbin cu abur cu condensaie i priz reglabil, instalaie de turbin cu gaze, motor cu ardere intern cu piston, etc).

Instalatiile de cogenerare cu turbine cu abur pot include turbine cu contrapresiune cu sau fr priz reglabil, turbine cu condensaie cu una sau dou prize reglabile, turbine cu condensaie i vid nrutit i chiar turbine de condensaie pur adaptate pentru cogenerare urban. Principalul avantaj al instalaiilor cu turbine cu abur este legat de posibilitatea cazanelor de abur energetice de a consuma orice tip de combustibil. Turbinele cu gaze i motoarele cu ardere intern nu pot valorifica dect combustibili superiori (hidrocarburi). Din punct de vedere al performanelor energetice, instalaiile de turbine cu gaze i motoarele cu ardere intern cu piston realizeaz n prezent randamente de producere a lucrului mecanic comparabile cu cele ale instalaiilor cu turbine cu abur. n comparaie cu instalaiile de turbine cu gaze i motoarele cu ardere intern cu piston, instalaiile de turbine cu abur prezint dezavantajul unei legturi mai puternice ntre performanele energetice i capacitatea unitar de producie. Din acest motiv, mai ales la puteri unitare mici, performanele energetice ale instalaiilor de turbine cu gaze i cele ale motoarelor cu ardere intern cu piston sunt de cele mai multe ori superioare performanelor energetice ale instalaiilor de turbine cu abur.

n cazul instalaiilor de turbine cu gaze i al motoarelor cu ardere intern cu piston, cogenerarea presupune recuperarea cldurii coninute n gazele de ardere eapate din main cu o temperatur cuprins n general ntre 300 i 600 oC. Pentru turbina cu gaze, cldura coninut n gazele eapate este singurul flux de energie recuperabil, ceea ce simplific instalaia n ansamblul ei.

Motorul cu ardere intern mai permite recuperarea cldurii rezultate din rcirea blocului motor, a uleiului i a altor subansamble. Problema suplimentar a motorului cu ardere intern este aceea c recuperarea rcirilor sale tehnologice nu trebuie s afecteze regimul termic al mainii, aa cum a fost el stabilit de ctre constructor, ceea ce nseamn o condiie n plus. Din acest motiv, n anumite situaii se renun la recuperarea unora din rcirile tehnologice, acceptndu-se un grad mai mic de recuperare a cldurii evacuate din ciclu i un randament global mai redus.

O consecin a recuperrii cldurii coninute de ctre gazele de ardere eapate din maina termic const n faptul c acestea au un coninut rezidual de oxigen, urmare a unui exces mare de aer de ardere. Prezena oxigenului n gazele de ardere permite arderea nainte de sau chiar n cazanul recuperator a unei cantiti suplimentare de combustibil n amestec cu gazele, fr un debit suplimentar de aer de ardere. Aceasta este o soluie simpl, eficient din punct de vedere energetic i ieftin pentru acoperirea vrfurilor de consum de cldur. Trebuie precizat faptul c un exces de aer de ardere mai mare duce la o temperatur maxim a gazelor rezultate din ardere mai mic, ceea ce reduce randamentul de producere a lucrului mecanic (randamentul termic al ciclului fr cogenerare). Reducerea (limitarea) temperaturii gazelor de ardere este cerut de rezistena la temperatur a materialului pieselor i componentelor mainii cu care gazele vin n contact direct. Temperatura de lucru a materialului respectiv poate fi meninut la nivelul dorit prin rcire, dar aceasta nu este posibil nc n toate cazurile.

Un avantaj al mainilor cu ciclu termic deschis (instalatii de turbine cu gaze i motoare cu ardere intern cu piston) este acela c recuperarea cldurii eapate din ciclu i deci cogenerarea nu constitue o obligaie ci numai o recomandare. Altfel spus, puterea mainii nu depinde de cantitatea i parametrii cldurii recuperate, aa cum se ntmpl la turbinele cu abur.

Trebuie precizat faptul c, nainte de 1990, prin termoficare se nelegea att procedeul amintit mai sus (cogenerarea) ct i alimentarea centralizat cu cldur n ansamblul ei. Termoficare este un termen aprut n limba romn dup 1948 i constitue o adaptare a termenului omolog din limba rus (teploficaia). Avnd o dubl semnificaie, n anumite condiii el putea da natere la confuzii.

2.3 Cicluri termodinamice de cogenerare.

Ciclurile termodinamice directe disponibile pentru cogenerare pot fi clasificate dup mai multe criterii. Astfel, ciclurile pot fi nchise sau deschise, fluidul de lucru (ap, fluide organice, etc) parcurgnd n primul caz un circuit nchis. n al doilea caz pot fluidul de lucru este ntr-o prim etap aerul de ardere iar n etapa a doua gaze de ardere. Ciclurile deschise se nchid prin atmosfer, din care se aspir aerul de ardere i n care se elimin gazele de ardere n mod continuu sau intermitent. De asemenea, fazele ciclului pot fi fracionate, rezultnd o alternan de nclziri i destinderi repetate sau/i de comprimri i rciri repetate. Fracionarea aduce un ciclu real mai aproape de ciclul ideal (Carnot). n cazul ciclurilor nchise, fluidul de lucru i schimb de regul starea de agregare, transformndu-se din lichid n vapori i din vapori saturai sau supranclzii napoi n lichid.

Un ciclu termodinamic motor fr cogenerare produce lucru mecanic prelund din exterior prin intermediul sursei calde un debit (un flux, o cantitate) de cldur cu un nivel termic ridicat i cednd mediului nconjurtor prin intermediul sursei reci un debit de cldur (o putere termic) cu un nivel termic mai cobort. Sistemul produce un singur efect util i anume lucrul mecanic, a crui mrime este egal cu diferena ntre debitul de cldur intrat i debitul de cldur ieit din ciclu. Cantitatea de cldur evacuat din ciclu prin intermediul sursei reci este considerat o pierdere de energie. Producerea numai a lucrului mecanic ntr-un ciclu termodinamic fr cogenerare poate fi numit fie monogenerare, prin simetrie cu termenul de cogenerare fie noncogenerare fie producere separat.

Analiza i evaluarea ciclurilor termodinamice directe fr cogenerare are prin urmare n vedere numai condiiile de producere a lucrului mecanic i posibilitile de majorare a mrimii acestui unic efect util. Indicatorul de performan de natur termodinamic utilizat n acest scop este randamentul energetic al ciclului. n cazul ciclurilor termodinamice directe cu cogenerare, pe lng lucrul mecanic produs trebuie avute n vedere cantitatea (debitul), nivelul termic i gradul maxim posibil de recuperare ale cldurii evacuate din ciclu. Ambele fluxuri de energie devin efecte utile ale ciclului termodinamic. Randamentul energetic, indiferent de cum este el definit, nu este un indicator de performan suficient de relevant pentru un ciclu termodinamic cu cogenerare. Randamentul este un indicator de performan de tip cantitativ, care nu reflect diferena de calitate ntre lucru mecanic i cldur. De asemenea, el nu reflect nivelul termic al cldurii preluate i valorificate.

Nivelul termic al cldurii preluate/recuperate din ciclul termodinamic motor cu cogenerare, legat n mod direct de temperatura medie inferioar a ciclului, constitue un aspect de natur calitativ care poate influena n mod semnificativ direciile i posibilitile de valorificare a cldurii respective. Astfel, cu ct temperatura medie inferioar este mai mare, cu att posibilitile de valorificare sunt mai diverse i uneori se mbuntete chiar gradul maxim posibil de recuperare. n acelai timp, o temperatur medie inferioar ridicat duce la scderea lucrului mecanic produs i influeneaz astfel randamentul de producere a lucrului mecanic i raportul ntre acesta i cldura obinut prin cogenerare.

Pentru ca un ciclu termodinamic motor cu cogenerare s poat asigura att un randament de producere a lucrului mecanic ct i un nivel termic al cldurii ct mai ridicate, temperatura sa medie superioar trebuie s fie ct mai mare. Nivelul acesteia depinde de tipul ciclului, de tipul sursei calde, de tipul mainii termice, de natura agentului de lucru precum i de modul n care agentul preia (absoarbe) cldura de la sursa cald.

Temperatura medie superioar este limitat n primul rnd de rezistena materialului cu care agentul de lucru vine n contact n timpul nclzirii i apoi al destinderii, fiind influenat de presiunea de lucru i de posibilitile tehnice de rcire pe care le ofer soluiile constructive ale echipamentelor sau agregatelor n care au loc procesele respective. Astfel, oelul refractar nalt aliat rezist la temperaturi pn la circa 850 oC i presiuni de ordinul sutelor de bari, n timp ce materialele ceramice sau compozite pot suporta temperaturi mult mai ridicate i presiuni de ordinul zecilor de bari.

n al doilea rnd, temperatura medie superioar mai poate fi influenat de o eventual condiie de corelare ntre temperatura maxim i presiunea maxim a ciclului, precum i de modalitatea i de condiiile n care agentul de lucru din ciclul termodinamic preia cldura la sursa cald (sub form de cldur sensibil, sub form de cldur latent, o combinaie ntre cele dou, la presiune constant, la temperatur constant, la volum constant, etc).

Configuraia minim a unui ciclu termodinamic motor nchis include patru transformri succesive ale agentul de lucru i anume comprimarea, nclzirea, destinderea i rcirea. n cazul unui ciclu deschis, acesta se nchide prin intermediul atmosferei. Faza de rcire este nlocuit de evacuarea n atmosfer a agentului uzat (un amestec de gaze de ardere) urmat de aspirarea din atmosfer a unei cantiti aproape egale de aer proaspt. Performanele termodinamice ale ciclului motor minimal astfel definit depind numai de parametrii agentului de lucru n fiecare dintre cele patru puncte caracteristice ale sale. Acetia determin mrimea efectului util, definit ca diferen ntre lucrul mecanic produs n faza de destindere i lucrul mecanic consumat n faza de comprimare a agentului de lucru. Parametrii ciclului determin totodat i mrimea efectului consumat, care const n cantitatea de cldur preluat de la sursa cald de ctre agentul de lucru n faza de nclzire.

Pentru mbuntirea performanelor termodinamice ale unui ciclu motor simplu (fr cogenerare) care iniial dispune de o configuraie minimal, se poate recurge la una dintre urmtoarele msuri :

a) modificarea parametrilor agentului de lucru n punctele caracteristice;

b) fracionarea comprimrii i/sau a destinderii agentului de lucru;

c) aplicarea unor soluii de recuperare intern (reciclare) a unei pri din cldura evacuat la sursa rece, ceea ce poate presupune eventual adugarea unor componente suplimentare n sistem.

Ciclul termodinamic motor poate prezenta o singur faz de nclzire urmat de o singur faz de destindere sau mai multe perechi nclzire-destindere. Fracionarea nclzirii i respectiv a destinderii are ca efect creterea temperaturii medii superioare a ciclului i deci majorarea randamentului de producere a lucrului mecanic. Un efect similar l are fracionarea comprimrii, agentul de lucru fiind rcit ntre dou comprimri succesive.

Performanele termodinamice ale unui ciclu motor cu cogenerare pot fi exprimate prin intermediul mai multor indicatori, msurile i soluiile tehnice necesare mbuntirii unuia dintre aceti indicatori putnd intra n contradicie cu cerinele asociate mbuntirii celorlali. Aceast situaie se explic prin caracterul complementar al celor dou efecte utile ale cogenerrii. Dac temperatura medie superioar rmne aceeai, majorarea lucrului mecanic produs n ciclu duce n mod obligatoriu la micorarea cantitii de cldur produse prin cogenerare i uneori chiar i la scderea nivelului de temperatur al acesteia i viceversa. n cele mai multe cazuri fabricanii de echipamente de cogenerare urmresc majorarea lucrului mecanic produs pe seama micorrii cldurii produse i nu invers. Msurile i soluiile tehnice care conduc la creterea temperaturii medii superioare a unui ciclu termodinamic cu cogenerare sunt de regul benefice n raport cu ambele efecte utile ale acestuia. Toate celelalte msuri i soluii au consecine pozitive doar asupra unuia dintre efectele utile i consecine negative asupra celuilalt. Acest fapt nu le exclude definitiv pe acestea din urm dintre alternativele avute n vedere la concepia unei scheme de cogenerare, oportunitatea aplicrii oricreia dintre ele constituind de regul consecina unei situaii concrete, particulare, specifice.

Ciclul termodinamic motor nchis, n care agentul de lucru n stare de lichid se nclzete, se transform n vapori i eventual se supranclzete n faza de aport de cldur, se destinde n stare de vapori i apoi condenseaz n faza de cedare de cldur este denumit n literatura de specialitate ciclul Rankine - Hirn. Agentul de lucru din ciclu poate s fie apa sau unele fluide organice. Cel mai vechi dintre ciclurile termodinamice directe utilizate att pentru producerea separat de lucru mecanic ct i pentru cogenerare este ciclul n care agentul de lucru este apa.

Comprimarea avnd loc n faza lichid, lucrul mecanic net este considerat prin convenie egal cu lucrul mecanic produs prin destindere. Destinderea i comprimarea sunt transformri adiabate neizentrope, ambele avnd loc cu cretere de entropie. Lucrul mecanic consumat pentru pomparea apei, mult mai mic dect cel produs prin destinderea aburului, este de regul adunat cu alte consumuri proprii tehnologice de lucru mecanic ale sistemului.

Pentru varianta fr cogenerare, majorarea randamentului energetic al ciclului se poate obine prin creterea parametrilor iniiali (parametrii agentului de lucru n punctul de nceput al destinderii), scderea parametrilor finali (parametrii agentului de lucru n punctul final al destinderii), fracionarea fazei de nclzire a agentului (procedeu cunoscut sub denumirea de supranclzire intermediar a vaporilor) i prenclzirea regenerativ a agentului de lucru aflat n stare lichid nainte de intrarea n generatorul de vapori cu abur din procesul de destindere.

Caracteristica principal a ciclului Rankine-Hirn cu vapori de ap cu cogenerare este contradicia ntre mrimea randamentului de producere a lucrului mecanic i nivelul termic al cldurii care poate fi preluat n vederea valorificrii. Cu alte cuvinte, cogenerarea presupune n acest caz un sacrificiu care const n reducerea lucrului mecanic astfel produs pentru ca i nivelul termic al cldurii s fie suficient de ridicat. Cogenerarea este facultativ numai n cazul n care maina termic a fost conceput att pentru regimul de cogenerare ct i pentru regimul de monogenerare.

Soluiile constructive adoptate n prezent pentru componentele sistemului n care au loc fazele de nclzire i de destindere a agentului de lucru (generatorul de abur i turbina cu abur) conduc la limitarea presiunii maxime a ciclului, care n prezent este fie sub fie puin peste presiunea critic a vaporilor de ap. Temperatura maxim este corelat cu presiunea maxim i este la rndul ei limitat din condiia de a nu se depi nivelul maxim admisibil de temperatur n materialul evilor cazanului. Nivelul termic al cldurii evacuate dintr-un ciclu fr cogenerare este cuprins ntre 25 i 45 oC, n timp ce pentru cldura recuperabil prin cogenerare acesta este situat de regul peste 80 oC. Coninutul de cldur al aburului evacuat din maina termic n vederea cogenerrii este valorificat n proporie de 100 %. Altfel spus, dac se recurge la o mrime specific ciclurilor deschise, gradul de recuperare al cldurii evacuate din ciclu este obligatoriu 100 %, condiie care apare n cazul ciclurilor cu cogenerare nchise. Agentul de lucru din ciclul termodinamic poate prelua i rolul de agent termic.

Ciclul termodinamic motor asociat instalaiilor de turbin cu gaze, cunoscut n literatura de specialitate i sub denumirea de ciclul Brayton-Joule, face parte dintre ciclurile deschise, n care evolueaz aer atmosferic i apoi gaze de ardere. Transformrile termodinamice succesive nu presupun schimbarea strii de agregare a agentului de lucru, care rmne gazoas pe ntreg parcursul ciclului, compus din aspiraie, comprimare adiabat neizentrop, nclzire izobar, destindere adiabat neizentrop i evacuare. Majorarea randamentului ciclului se poate obine prin creterea presiunii aerului la ieirea din compresor, prin creterea temperaturii maxime a ciclului, prin fracionarea comprimrii i a destinderii i prin recuperarea intern (recircularea) unei pri din coninutul de cldur al gazelor de ardere. Ultima soluie presupune fie prenclzirea regenerativ a aerului la intrarea n camera de ardere fie producerea de abur i injectarea lui n camera de ardere. Comprimarea avnd loc n faza gazoas, lucrul mecanic net este definit ca diferen ntre lucrul mecanic produs prin destinderea agentului de lucru i lucrul mecanic consumat pentru comprimare acestuia.

Cogenerarea nu modific i nu influeneaz cu nimic funcionarea ciclului motor al instalaiei de turbin cu gaze, deoarece ea presupune doar recuperarea coninutului de cldur al gazelor de ardere evacuate din turbin. Datorit faptului c ciclul Brayton-Joule se nchide prin atmosfer, cldura evacuat din ciclu prin intermediul gazelor de ardere nu poate fi recuperat integral, deoarece gazele de ardere nu pot fi rcite n recuperatorul de cldur pn la temperatura aerului atmosferic aspirat de compresor. Gradul de recuperare maxim posibil depinde de modul de valorificare a cldurii recuperate i de temperatura gazelor la ieirea din turbin.

Cogenerarea presupune n acest caz recuperarea coninutului de cldur al gazelor de ardere eapate din turbin. Ea este facultativ i nu obligatorie, gazele de ardere avnd posibilitatea de a ocoli recuperatorul de cldur fr ca funcionarea instalaiei de turbin cu gaze s fie afectat n vreun fel. Gradul de recuperare real poate fi prin urmare mai mic dect cel maxim posibil, putnd ajunge chiar zero n absena cogenerrii.

Performanele ciclului Brayton-Joule fr cogenerare depind de temperatura maxim a ciclului (temperatura gazelor la nceputul destinderii), de temperatura minim a ciclului (temperatura gazelor la sfritul destinderii) i de raportul de comprimare. Cum destinderea este considerat un proces adiabat neizentrop, temperatura minim a ciclului este determinat de temperatura maxim, de raportul de comprimare i de gradul de imperfeciune al procesului, exprimat prin intermediul randamentului intern. Randamentul energetic al ciclului fr cogenerare, numit mai sus i randament de producere a lucrului mecanic, este indicatorul de performan energetic care definete att ciclul fr cogenerare ct i ciclul cu cogenerare. Recuperarea cldurii gazelor de ardere fiind facultativ, ea poate fi considerat o etap ulterioar producerii lucrului mecanic prin conversie termodinamic, deoarece ea nu influeneaz practic acest proces.

Ciclurile termodinamice asociate motoarelor cu ardere intern cu piston sunt de mai multe feluri, toate fiind ns cicluri deschise. Diferenele constau n natura combustibilului i modul n care are loc aprinderea i arderea acestuia, n numrul de timpi, n existena sau nu a supraalimentrii, etc. Transformrile termodinamice suferite de agentul de lucru nu presupun schimbarea strii sale de agregare, care rmne gazoas pe ntreg parcursul ciclului, compus din aspiraie, comprimare, nclzire (ardere), destindere i evacuare. Datorit rcirii pereilor cilindrului n care au loc transformrile succesive ale agentului de lucru, nici destinderea i nici comprimarea nu mai pot fi considerate adiabate, ci politrope. Faza de nclzire a agentului de lucru este la rndul ei o transformare complex, deoarece aprinderea combustibilului ncepe nc din timpul comprimrii iar arderea se prelungete i n timpul destinderii.

Motorul cu ardere intern cu piston funcioneaz dup ciclurile termodinamice Otto sau Diesel, care se deosebesc de ciclul Brayton-Joule n primul rnd prin faptul c faza de nclzire (arderea combustibilului) nu mai este o izobar, ci o politrop (izobar izocor).

Majorarea randamentului energetic al motorului cu ardere intern cu piston se poate obine prin creterea presiunii medii n cilindru i prin creterea temperaturii maxime a ciclului. Cogenerarea nu modific i nu influeneaz cu nimic funcionarea ciclului motor, deoarece ea presupune i n acest caz doar recuperarea cldurii evacuate din ciclu. Spre deosebire de turbina cu gaze, motorul cu ardere intern cu piston elimin cldura att prin intermediul rcirilor tehnologice ct i prin intermediul gazelor de ardere evacuate din motor. Datorit faptului c ciclul termodinamic se nchide prin atmosfer, cldura evacuat din ciclu prin intermediul gazelor de ardere nu poate fi recuperat integral. Gradul de recuperare maxim posibil al cldurii evacuate prin intermediul gazelor de ardere depinde de modul de valorificare a cldurii recuperate, de concepia schemei de recuperare i de temperatura gazelor la ieirea din motor. Gradul de recuperare al cldurii evacuate prin intermediul rcirilor tehnologice poate atinge 100 %.

Cogenerarea este facultativ i n acest caz, cu condiia asigurrii disiprii ntregului debit de cldur evacuat prin intermediul rcirilor tehnologice, proces care condiioneaz buna funcionare a motorului. Recuperatorul de cldur pentru gazele de ardere poate fi ocolit de ctre acestea fr ca funcionarea motorului s fie afectat n vreun fel. Gradul de recuperare real poate fi i n cazul MAI mai mic dect cel maxim posibil, putnd ajunge chiar zero n absena cogenerrii.

Motorul Stirling nu face parte din categoria motoarelor cu ardere intern, ciclul termodinamic asociat acestuia fiind unul nchis, alctuit din dou izoterme i dou izocore. Agent de lucru poate fi aerul atmosferic sau un alt gaz. Motorul Stirling realizeaz schimburile de cldur cu exteriorul prin intermediul cte unei suprafee de schimb de cldur, ceea ce reduce substanial nivelul termic maxim al cldurii prelucrate i deci i randamentul de producere a lucrului mecanic.

Motorul Stirling a fost conceput pentru recuperarea cldurii cu nivel termic mediu i cobort prin conversie termodinamic i se afl i n prezent ntr-un stadiu experimental. El nu este nc o main termic potrivit pentru cogenerare.

Practica producerii lucrului mecanic prin conversie termodinamic a impus procedeul cuplrii n cascad a dou cicluri termodinamice directe prin intermediul unei suprafee de schimb de cldur, n aa fel nct sursa rece a unuia dintre ele, numit ciclu superior, s devin sursa cald a celuilalt, numit ciclu inferior. Combinaia este cunoscut n literatura de specialitate sub denumirile de cicluri combinate. Consecina cuplrii ciclurilor const n primul rnd n majorarea lucrului mecanic produs pe seama aceleiai cantiti de cldur, injectate la nivelul sursei calde a ciclului superior i n al doilea rnd n micorarea cantitii de cldur evacuate prin intermediul sursei reci a ciclului inferior i n reducerea nivelului termic al acesteia.

Combinaia cea mai des ntlnit n prezent n domeniul producerii energiei este aceea n care ciclul superior este un ciclu Brayton-Joule iar ciclul inferior este un ciclu Rankine-Hirn. Cuplarea se realizeaz prin intermediul unui recuperator de cldur pentru gazele de ardere eapate din turbina cu gaze i care preia rolul de cazan de abur viu. Formal, cogenerarea se realizeaz n acest caz numai la nivelul ciclului termic cu abur, producerea cldurii ducnd la reducerea produciei de lucru mecanic. Exist i instalaii n care o parte din cldur este preluat de agentul termic direct din cazanul recuperator, care poate fi dotat sau nu cu instalaie de ardere suplimentar. Schemele de cogenerare cu ciclu combinat sunt recomandate n situaiile n care este necesar ct mai mult lucru mecanic. Trebuie precizat faptul c, n cazul ciclurilor cuplate, modul de abordare a eficienei ansamblului este diferit de modul n care abordm un ciclu simplu.

n cazul unui ciclu simplu problema eficienei este legat de micorarea cantitii de cldur consumate la sursa cald prin creterea randamentului termodinamic al ciclului. n cazul ciclurilor cuplate, aceast condiie se pune numai pentru ciclul superior, n timp ce pentru ciclul inferior problema eficienei este o combinaie exprimat prin condiia ca produsul ntre gradul de recuperare a cldurii provenite de la ciclul superior i randamentul termodinamic al ciclului inferior s fie maxim.

2.4 Justificarea cogenerrii

Principalul avantaj al producerii combinate prin cogenerare n comparaie cu producerea separat a energiei electrice n CTE i a energiei termice n CT este economia de combustibil realizat prin producerea combinat. Cu alte cuvinte, aceleai cantiti de energie electric i de energie termic sunt produse prin cogenerare consumnd mai puin combustibil dect n cazul producerii separate. Economia de resurse energetice primare este important la nivelul unei ri, mai ales atunci cnd aceste resurse nu provin din subsolul propriu ci din import. Ea este important i la nivelul unui grup de state aa cum este Uniunea European.

La nivelul unei companii productoare de energie este mai important economia de cheltuieli cu enegia primar. Presupunnd c celelalte cheltuieli n afara celor cu combustibilul sunt aproximativ aceleai i pentru producerea combinat i pentru producerea separat, costurile de producere sunt deci mai mici n cazul producerii combinate dect n cazul producerii separate. Economia de combustibil i deci i economia de cheltuieli pentru procurarea combustibilului pot fi definite numai dac producerea separat a energiei electrice se face n CTE iar producerea separat a cldurii n CT.Economia de combustibili are i avantajul reducerii proporionale a polurii mediului ambiant. Mai puin combustibil ars emite n atmosfer mai puine noxe.

n economia capitalist, competiia ntre productorii de energie electric presupune existena unei puteri instalate mai mari dect cererea maxim de putere electric. n aceast situaie, o parte din aceast putere instalat rmne neutilizat. Funcionarea unei uniti de cogenerare la un moment dat face deci ca o alt unitate de alt fel s nu produc n acel moment. Avantajul cogenerrii va fi deci judecat i n raport cu acea unitate pe care a nlocuit-o. Dac centrala de cogenerare a nlocuit o CTE, comparaia are la baz economia de combustibil i eventual economia de cheltuieli cu combustibilul. Dac ns ea nlocuiete o CNE, o CHE sau o surs care valorific energie regenerabil, funcionarea centralei de cogenerare conduce la creterea consumului de combustibil la nivelul economiei naionale i la creterea polurii generate prin arderea sa. De asemenea energia produs prin cogenerare ar putea fi mai scump dect energia care ar fi fost produs de sursa care nu a funcionat. Prin urmare, avantajul economiei de combustibil realizat prin cogenerare nu este unul absolut i trebuie analizat n contextul structurii surselor de producere a energiei electrice din ara respectiv, structur diferit de la o ar la alta i de la o perioad la alta. Oportunitatea ncrcrii unitilor de cogenerare existente i a instalrii unora noi va depinde de tipul i capacitatea disponibil a surselor de producere separat a energiei electrice care sunt nlocuite prin cogenerare i de fluxul de energie primar consumat de fiecare dintre aceste surse. Plecnd de la situaia concret din fiecare ar, administraia central (guvernul) sau administraiile locale trebuie s aib o strategie n acest domeniu i pot stabili reglementrile privind modul n care unitile de cogenerare intervin n producerea energiei electrice i pot valorifica energia electric astfel produs (vnzare direct ctre anumii consumatori, vnzare ctre reeaua public, etc).

n condiiile n care toate consecinele utilizrii unui anumit tip de energie primar, inclusiv efectele polurii, vor fi internalizate pentru toi productorii de energie electric, regsindu-se ntr-un anumit fel n cheltuielile de producie, reducerea costului de producere i deci a preului de vnzare a energiei electrice ar trebui s fie principalul argument n favoarea sau mpotriva aplicrii cogenerrii ntr-un anumit caz.

3. Indici i indicatori de eficien energetic pentru ciclul termodinamic i pentru centrala de cogenerare n ansamblul ei.

3.1 Indici i indicatori care caracterizeaz ciclul termodinamic n regim de cogenerare.

Ciclul termodinamic motor care funcioneaz n regim de cogenerare total (pur) este acel ciclu n care ntreaga cantitate de lucru mecanic disponibil la axul mainii termice (turbin cu abur, turbin cu gaze, motor cu ardere intern cu piston) este produs n regim de cogenerare. Un astfel de ciclu este caracterizat prin intermediul a trei indicatori:

a. gradul de recuperare a cldurii evacuate din ciclul termodinamic;

b. randamentul de producere a energiei electrice;

c. indicele de cogenerare.

Trebuie precizat faptul c, dintre toate tipurile de main termic amintite mai sus, numai ciclul termodinamic care include n componena lui turbina de cogenerare cu abur cu condensaie i cu cel puin o priz reglabil nu poate funciona n regim de cogenerare total sau pur. Prin urmare, puterea electric produs la bornele generatorului este ntotdeauna o sum de doi termeni, unul fiind puterea produs n regim de cogenerare i al doilea puterea produs n regim de condensaie. Dac puterea produs n cogenerare este nul atunci cnd debitul extras din priza reglabil este nul, puterea produs n condensaie este strict pozitiv deoarece este proporional cu debitul de abur care circul prin corpul de joas presiune al turbinei. Ciclul termodinamic cu turbin de cogenerare cu abur cu condensaie i priz reglabil poate deci funciona n regim de condensaie pur, dar nu poate funciona n regim de cogenerare pur.

Referitor la ciclul termodinamic simplu funcionnd n regim de cogenerare total (pur), n care lucrul mecanic este transformat n energie electric, se fac urmtoarele notaii :

QBb = consumul de energie primar la sursa de cldur a ciclului termodinamic (cazanul de abur viu, camera de ardere, etc);

Q1 = cantitatea de cldur transmis agentului de lucru din ciclu la sursa cald;

PEB = puterea electric la bornele generatorului antrenat de maina termic;

PCG = puterea electric la borne produs n regim de cogenerare;

Q2 = cantitatea de cldur evacuat din ciclu la sursa rece;

QCG = cantitatea de cldur obinut din ciclu prin cogenerare;

m g = produsul ntre randamentul mecanic i randamentul generatorului electric;

= randament care ine seama de pierderile de energie n exteriorul ciclului termodinamic;

e = randamentul de producere a energiei electrice la bornele generatorului;

ycg = indicele de cogenerare;

xr = gradul de recuperare a cldurii evacuate din ciclu la sursa rece.

Mrimea consumului de energie primar al ciclului termodinamic este egal cu produsul ntre debitul fizic (masic, volumic, molar, etc) de combustibil i puterea sa calorific. Tradiia face ca n Romnia s utilizm nc n acest scop puterea calorific inferioar. n alte ri ns se utilizeaz deja n calcule numai puterea calorific superioar. Pe lng faptul c aceas abordare are un caracter stimulativ, trebuie amintit c furnizorii de gaz natural din Romania factureaz n prezent consumul n funcie de puterea calorific superioar i c utilizarea acesteia este inevitabil n cazurile n care n instalaiile consumatoare se valorific i o parte din cldura latent de vaporizare-condensare a vaporilor de ap rezultai din arderea combustibilului.

Cele trei mrimi care caracterizeaz ciclul termodinamic simplu funcionnd n regim de cogenerare total (pur) se definesc astfel :

ntre mrimile definite mai sus, numai pentru regimul de cogenerare total, se pot stabili urmtoarele relaii :

Relaia bilanului energetic de mai sus este valabil ca atare numai pentru turbinele cu abur i pentru turbinele cu gaze. Pentru motoarele cu ardere intern cu piston, mrimea randamentului mecanic m nu mai este o mrime separat, pierderile mecanice fiind incluse n Q2. Prin urmare, la numitorul raportului din relaia de bilan nu mai rmne dect randamentul generatorului electric g. Relaia bilanului energetic constitue legtura ntre cele trei mrimi care caracterizeaz ciclul termodinamic n regim de cogenerare total. Prin mprirea ei cu PEB se obine :

Pentru ciclurile termodinamice nchise cu turbine de cogenerare cu abur, gradul de recuperare este de 100% sau xr = 1. Pentru ciclurile termodinamice deschise cu turbine cu gaze sau cu motoare cu ardere intern cu piston, gradul de recuperare este strict mai mic dect 100 % sau xr < 1. n ultimul caz situaia se datoreaz imposibilitii recuperrii integrale a cldurii coninute n gazele de ardere evacuate din maina termic, deoarece acest lucru ar presupune rcirea acestora n recuperatorul de cldur pn la temperatura mediului ambiant.

Recuperaturul de cldur este un schimbtor n care gazele de ardere joac rolul agentului termic primar iar agentul termic secundar (ap, abur, etc) este cel care asigur transportul cldurii la consumator. Cum agentul termic secundar vine de la consumator cu o temperatur strict mai mare dect temperatura mediului ambiant, temperatura minim a agentului termic primar trebuie s fie strict mai mare dect aceasta din urm, deci cu att mai mult ea este mai mare dect temperatura mediului ambiant.

Gradul de recuperare pentru instalaiile de turbine cu gaze i motoarele cu ardere intern cu piston este cuprins de regul ntre 70 i 85 %, n funcie de caracteristicile tehnice ale mainii respective i de schema adptat pentru recuperarea cldurii.

Randamentul de producere a energiei electrice la bornele generatorului este definit fcndu-se abstracie de cldura produs n cogenerare, ca i cum energia electric ar fi singurul efect util produs pe seama consumului de energie primar. El este deci definit pentru situaia n care ciclul termodinamic nu funcioneaz n regim de cogenerare ci n regim de monogenerare. Nu toi autorii sunt de acord cu asocierea acestei mrimi cu ciclurile de cogenerare cu abur, ea fiind potrivit numai pentru ciclurile de cogenerare deschise combustibil aer gaze de ardere, n care recuperarea cldurii poate fi considerat o etap ulterioar producerii lucrului mecanic i este facultativ din punct de vedere tehnic. Discutabil din punct de vedere principial, extinderea noiunii de randament de producere a energiei electrice i la ciclurile de cogenerare cu abur permite tratarea unitar a tuturor ciclurilor termodinamice motoare, ceea ce este un argument practic n favoarea sa.

Indicele de cogenerare este un indicator a crui semnificaie depete nivelul eficienei energetice, pentru care efectele utile ale cogenerrii sunt egale ca valoare i poate fi considerat ca avnd conotaii exergetice. Este cunoscut faptul c o cantitate de energie electric se poate transforma intergral n cldur, n timp ce o cantitate de cldur nu se poate transforma n energie electric dect ntr-o anumit proporie, dat de principiul al doilea al termodinamicii. Prin urmare, din acest punct de vedere, valoarea energetic a unui kWh de energie electric este mai mare dect valoarea energetic a unui kWh de energie termic, iar ciclul care realizeaz cel mai mare indice de cogenerare este cel mai bun. Indicele de cogenerare este util n compararea mai multor cicluri cu cogenerare, deoarece valoarea randamentului global al ciclului este aproape aceeai pentru toate ciclurile cu cogenerare.

Mrimea indicelui de cogenerare este legat direct att de mrimea randamentului de producere a energiei electrice la bornele generatorului ct i de mrimea gradului de recuperare a cldurii evacuate din ciclu.

Randamentul care ine seama de pierderile de energie care nu au fost exprimate prin intermediul altor mrimi trebuie definit pentru fiecare tip de main termic n parte. Astfel, pentru ciclurile termodinamice cu cazane i turbine cu abur, el este cel mult egal cu randamentul energetic al cazanului de abur (0,80 0,92). Pentru ciclurile termodinamice cu turbine cu gaze, el este cel mult egal cu randamentul camerei de ardere (0,98 0,99). Pentru ciclurile termodinamice cu motoare cu ardere intern cu piston, el este considerat a fi ntre 0,94 0,96 i ine seama de pierderile directe de cldur prin anvelopa motorului.

Valorile recomandate att pentru acest randament ct i pentru gradul de recuperare al cldurii evacuate din ciclu sunt valabile pentru cazul n care QBb este definit pornind de la puterea calorific inferioar a combustibilului consumat n centrala de cogenerare.

n condiiile n care parametrii ciclului rmn aceeai, randamentul de producere a energiei electrice i indicele de cogenerare teoretic i pstreaz valoarea. Aceste mrimi se modific doar odat cu gradul de ncrcare a capacitii de producere a energiei, tendina fiind de scdere la scderea ncrcrii. Trebuie precizat faptul c performanele ciclurilor deschise mai sunt influenate i de temperatura aerului atmosferic aspirat n main.

Definirea gradului de ncrcare nu este la fel pentru toate tipurile de maini, ns la majoritatea el este legat de capacitatea de producere a energiei electrice i este exprimat de regul prin raportul ntre puterea electric produs i puterea electric nominal la bornele generatorului electric antrenat de maina respectiv. Excepie face turbina de cogenerare cu abur cu condensaie i priz reglabil, unde exprimarea gradului de ncrcare se poate face prin intermediul debitului de abur admis n turbin, al puterii electrice la borne sau al sarcinii termice la priza reglabil. Din pcate, niciuna dintre cele trei variante nu reflect n mod riguros gradul de ncrcare al mainii.

Gradul de recuperare al cldurii coninute n gazele de ardere se modific la modificarea regimului termic al recuperaturului. Aceasta nseamn modificarea debitului sau a temperaturii de intrare a oricruia dintre agenii termici. De regul, ntr-un regim normal de funcionare, aceste modificri apar fie la modificarea gradului de ncrcare fie la modificarea temperaturii aerului atmosferic. Trebuie amintit faptul c temperatura aerului atmosferic influeneaz att performanele ciclurilor deschise ct i mrimea cererii de cldur i parametrii agentului termic.

Coninutul acestui paragraf se refer strict la cogenerarea realizat ntr-un singur ciclu termodinamic. n cazul schemelor de cogenerare avnd la baz ciclul combinat gaze-abur, care include dou cicluri termodinamice cuplate termic astfel nct sursa rece a ciclului superior s fie sursa cald a ciclului inferior, apar complicaii care trebuie tratate individual pentru fiecare schem. Complicaiile sunt generate de faptul c sursa cald a ciclului inferior poate primi pentru prelucrare o cantitate de cldur mai mic sau mai mare dect cantitatea eliminat din ciclul superior la sursa rece. Aceast decuplare parial exclude tratarea celor dou cicluri ca un tot unitar (ca un monolit) i oblig deci tratarea lor separat cel puin pentru calculele de tip estimativ.

Diferena ntre cele dou fluxuri de cldur poate fi datorat prelurii directe de ctre agentul termic al unei pri din cldura evacuat din ciclul superior, care nu mai ajunge astfel n ciclul inferior. Este cazul n care cantitatea de cldur evacuat din ciclul superior este mai mare dect cantitatea de cldur preluat de sursa cald a ciclului inferior. Diferena merge direct la consumatorul de cldur, fr a mai fi prelucrat n ciclul inferior. Justificarea unei asemenea soluii este de regul legat de creterea gradului de recuperare n ciclul superior. Al doilea caz presupune arderea unei cantiti de combustibil direct la sursa cald a ciclului inferior. Procedeul este cunoscut sub denumirea de ardere suplimentar sau post-ardere i majoreaz cantitatea de cldur care intr prin intermediul sursei calde n ciclul inferior, care va fi mai mare dect cantitatea de cldur evacuat din ciclul superior. Prezena turbinei de cogenerare cu abur cu condensaie i cel puin o priz reglabil n ciclul inferior complic la rndul su situaia, deoarece ciclul inferior nu poate funciona n regim de cogenerare pur.

Dintre toi indicatorii de performan, complicaiile cele mai mari intervin la calculul indicelui de cogenerare, deoarece ciclul combinat cu decuplare parial permite identificarea mai multor cicluri componente prin suprapunerea crora rezult situaia real i deci calculul mai multor indici de cogenerare, cte unul pentru fiecare ciclu component. De asemenea, pot apare complicaii i la definirea coeficientului nominal de cogenerare, deoarece ciclul combinat ca instalaie de baz are dou surse de cldur distincte i anume turbina cu abur i cazanul recuperator, care este de regul dotat i cu un schimbtor de cldur gaze de ardere ap de reea, avnd ca scop majorarea gradului de recuperare al cldurii coninute de gazele de ardere.

n cazul n care se cunosc caracteristicile energetice particulare ale fiecruia dintre cele dou cicluri, acestea se pot trata separat, rezultatele obinute fiind apoi combinate n scopul calculului acelorai mrimi definite anterior. Metoda necesit mai multe informaii i duraz mai mult. Singurul caz n care cele dou cicluri pot fi tratate ca un tot unitar este cel al cuplajului total, n care cantitatea de cldur evacuat din ciclul superior este transmis integral ciclului inferior, fr ardere suplimentar i cu o turbin cu abur cu contrapresiune n ciclul inferior.

3.2 Indici i indicatori care caracterizeaz centrala de cogenerare n ansamblul ei.

Mrimile i indicatorii care caracterizeaz modul de dimensionare i funcionarea centralei de cogenerare n ansamblul ei sunt urmtoarele :

a. coeficientul de cogenerare;

b. gradul de cogenerare;

c. indicele de structur;

d. randamentul global;

e. economia de energie primar realizat prin producerea combinat (cogenerare) n comparaie cu producerea separat a energiei electrice i termice.

Coeficientul de cogenerare este cel mai important indicator i caracterizeaz att modul de dimensionare ct i funcionarea unei centrale de cogenerare. Coeficientul nominal (instalat) de cogenerare se definete ca raportul ntre capacitatea de producere a cldurii instalat n baz i sarcina termic maxim pe care centrala de cogenerare trebuie s o asigure i care acoper cererea maxim net de cldur a consumatorilor alimentai, pierderea de cldur pe reeaua termic i consumul propriu tehnologic de cldur al centralei n acest regim nominal de funcionare. Coeficientul nominal (instalat) de cogenerare reflect deci raportul ntre capacitatea de producere a


Recommended