1

Titlul cursului: SISTEME ENERGETICE CLASICE I NUCLEARE

Acronim: SECN

Perioada de desfurare: semestrul 8

Titular: prof. dr. ing. Oprea Ion Departamentul Termotehnica, Motoare, Echipamente Termice si Frigorifice Facultatea Inginerie Mecanic i Mecatronic

Forma de verificare: Pe parcursul semestrului

EVALUARE: Activitate curs ....................... 10 p Examinri pariale* .............. 40 p ( 2 lucrri x 20 p) Examinare final*.................. 20 p Laborator ** ......................... 30 p

*10 p/lucrare obligatoriu pt. promovare ** 15 puncte obligatoriu pentru promovare

BIBLIOGRAFIE

1. Mihescu L., Oprea I., Negreanu G., P I., Ceclan M., Prisecaru M., Pop E., Georgescu M., Berbece V., Sisteme i echipamente termice pentru producerea energiei, Ed. Printech, Bucureti 2012, ISBN 978-606-521-872-7;

2. Mihescu, L, Popper, L., Iliescu, M.,Eficiena economic a sistemelor de energie, Ed. Perfect & Printech, Bucureti 2005, ISBN 973-7984-28-5

3. Oprea I., Turbine cu abur i gaze, Ed. Printech, Bucureti 2004, ISBN 973-652-922-3.

4. Oprea I., Turbine cu abur, Ed. Printech, Bucureti 2014, ISBN 978-606-23-0335-8.

5. Mihescu L., Ceclan M., Oprea I., Prisecaru T., P I., Ene A., Prisecaru M., Pop E., Instalaii termice neconvenionale, Ed. Perfect, Bucureti 2002, ISBN 973-85729-4-0

2

Capitolul 1. Introducere

1.1. Definirea sistemelor energetice

a) Noiunea de sistem Sistemul se poate defini ca fiind un ansamblu de elemente interconectate dinamic, capabil de a se individualiza de mediul ambiant prin realizarea unei funcii sau a unui grup de funcii specifice.

(Termenul de sistem provine de la grecescul "sistema", care nseamn ansamblu, reunire a mai multor obiecte.)

ntre elementele componente sau ntre nsuirile acestora se realizeaz relaii cu proprieti integrative, relaii de dispunere i succesiune ale acestora ntr-o anumit ordine. Aceste relaii conduc la apariia unor proprieti noi la nivelul ansamblului, distincte de cele ale prilor componente. Existena acestor relaii face ca o modificare a funcionrii unei componente s se transmit asupra funcionrii celorlalte. Din acest motiv elementele unui sistem trebuie s fie interconectate dinamic.

b) Sistem energetic Sistemul energetic este ansamblul de instalaii i echipamente destinate producerii,

transportului, distribuiei i utilizrii energiei electrice i termice. Energia este o mrime de stare a unui sistem fizic i ca atare, n general, orice sistem fizic reprezint un sistem energetic. Aceasta generalizare nu ne satisface ns, deoarece nu aduce informaii suplimentare despre:

- procesele i structura funcional a unui sistem; - interaciunile lui cu mediul ambiant; - funciile obiectiv pe care le are de ndeplinit.

Un sistem energetic este acel sistem a crui mrime fundamental de stare este energia, iar interaciunile cu mediul ambiant satisfac cerinele legii de conservare i transformare a energiei. Sistemul Energetic Naional (SEN), este un sistem energetic teritorial alctuit din toate instalaiile i echipamentele prin care se realizeaz producerea, transportul i distribuia, precum i utilizarea energiei electrice i termice (produs n termoficare).

Scopul tuturor acestor instalaii i echipamente este alimentarea cu energie a tuturor sectoarelor de activitate economice i social-culturale, precum i a populaiei.

Obiectivul principal al SEN este s asigure alimentarea consumatorilor cu energie electric i termic n condiii de siguran i n mod economic, conform unor parametri stabilii.

1.2. Moduri de producere a energiei electrice si termice

Etapele energetice ale societii umane sunt demarcate de utilizarea diferitelor surse de energie:

Etapa I - energia hidraulic i eolian; Etapa II - energia combustibililor fosili; Etapa III - energia nuclear; Etapa IV - energia din surse regenerabile

3

Dezvoltarea societii este direct dependent de consumul de energie. ntre consumul de energie, dezvoltarea industrial a societii i venitul naional exist o strns legtur. Caracterul limitat al resurselor energetice ridic problema opiunilor energetice n viitor. Sursele de energie primar care particip astzi n cea mai mare msur la satisfacerea necesitilor energetice sunt: crbunii, hidrocarburile lichide i gazoase, energia hidraulic i energia nuclear. Prospeciunile privind rezervele de combustibili fosili arat c acestea sunt limitate, fiind suficiente pn ntr-un viitor apropiat. Utilizarea intensiv a combustibililor fosili a modificat substanial nivelul de CO2 din atmosfer, contribuind la nclzirea general datorit efectului de ser. Pentru a evita o criz energetic i de mediu sunt necesare eforturi susinute pe dou direcii: 1. trecerea de la hidrocarburile lichide naturale la combustibili lichizi sintetici. 2. dezvoltarea tehnologiei de extragere a energiei din resurse nelimitate sau regenerabile: energia solar, geotermal, eolian, nuclear, a valurilor marine, biomasa.

Soluii clasice (convenionale) de producere a energiei electrice - centrale termoelectrice (CTE) i electrotermice (CET - produc energie electric i energie termic. Ambele utilizeaz combustibili fosili.

- cu turbine cu abur (de termoficare sau de condensaie) - cu turbine cu gaze; - cicluri mixte gaze - abur - cu motoare termice Soluii neconvenionale de producere a energiei electrice i termice

(utilizeaz combustibili neconvenionali) - centrale nucleare CNE - centrale eoliene - centrale solare - centrale geotermale - centrale marine - centrale cu biomas

Cogenerarea de energie este producerea simultan de energie electric i termic n aceeai instalaie

Trigenerarea de energie este producerea simultan de energie electric, termic (cldur) i frig n aceeai instalaie.

1.3. Resursele naturale care stau la baza producerii energiei electrice i termice n Romnia

Potentialul fosil are un caracter limitat Tabelul 1.1. Resursele naturale nationale

Rezerve Consum energetic Durat (ani) Lignit 1490 mil.t (expl. 445) 31,2 Crbune Huil 705 mil.t (expl. 105) 2,9

50-70

Petrol 73,7 mil.t 5 mil.t 17-22 Gaze naturale 184,9 mld m3 12,3 mld. m3 (69% din consum) 15 Uraniu Circa 22

Potenialul hidroenergetic - total 36.000 GWh/an ; P = 10.000 MW - amenajabil 32.000 GWh/an P = 8.888 MW

4

Puterea instalata n centralele hidroelectrice este de circa 6528 MW (ceea ce reprezint 73 % din potenialul amenajabil i 65% din potenialul total). Potentialul national de resurse regenerabile

Tabelul 1.2. Potentialul national de resurse regenerabile Sursa Potential anual Aplicatie Echivalent economic

energie mii tep Energie solara 60 PJ/an

1,2 TWh/an Energie termica Energie electrica

1433 103.2

Energie eoliana 23 TWh/an Energie electrica 1978 Energie hidro - din care sub 10 MW*

36 TWh/an 3,6 TWh/an

Energie electrica 3440 516

Bimasa si biogaz 318 PJ/an Energie termica Energie electrica

7957

Energie geotermala 7 PJ/an Energie termica 167 * considerat regenerabil

- Unitatea de msur convenional utilizat pentru combustibili este tona echivalent petrol. Aceasta reprezint un combustibil convenional cu puterea calorific de 41868 kJ/kg (10000 kcal/kg).

- 1 PJ (petajoule) = 1015 J

Costul eectricitii produse difer funcie de natura sursei regenerabile de energie

Fig. 1.1. Costurile energiei electrice produse din surse regenerabile

Viitorul energetic se bazeaz, n perspectiva UE, pe 3 piloni: siguran n alimentare, dezvoltare durabil i competitivitate. P1. Sigurana n alimentarea cu energie const n:

- asigurarea necesarului de resurse; - limitarea dependenei de resursele din import; - diversificarea surselor i a tehnologiilor energetice; - dezvoltarea reelelor naionale de transport a energiei, gazelor naturale i a petrolului; - garantarea accesului la energie al cetenilor i ntreprinderilor.

P2. Dezvoltarea durabil a sectorului energetic const n: - promovarea producerii de energie din surse regenerabile; - reducerea impactului asupra mediului utiliznd tenologiile curate; - utilizarea raional a resurselor energetice primare;

5

- ncurajarea tehnologiilor performante (cogenerarea de energie electric i termic, ciclurile combinate gaze-abur);

- ncurajarea cercetrilor n domeniul producerii, transportului i consumului de energie. P3. Competitivitate const n:

- deschiderea pieelor de energie; - dezvoltarea pieelor concureniale de energie electric, gaze naturale, petrol, uraniu,

certificate verzi; - creterea capacitii de interconexiune a reelelor electrice; - stimularea investiiilor pentru producerea de energie curat i eficient.

1.4. Structura sistemul energetic naional (SEN)

Dup tehnologia de producere a energiei electrice, n SEN sunt n funciune ase tipuri de productori:

- termoelectric clasic; - nuclearelectric; - hidroelectric: - eolian; - biomasa; - solar fotovoltaic.

Astfel sunt n funciune: - grupuri termoelectrice clasice cu un domeniu larg de variaie a puterii unitare instalate:

de la civa MW pn la 330 MW; (330 MW este puterea unitar a grupurilor n condensaie pe lignit din centralele Rovinari i Turceni).

- cele 2 unitati nucleare de la Cernavod cu puterea 706,5 MW fiecare. - grupuri hidroelectrice cu puteri unitare de la sub 10 MW (microhidrocentrale) pn la

194,4 MW (194,4 MW este puterea instalat dup reabilitare a grupurilor din CHE Porile de Fier I);

- grupuri eoliene cu puteri unitare de circa (0,5 2,5) MW. Puterea instalat n SEN era la 30 sept. 2014 era de 24.433 MW, avnd structura prezentat n (fig. 1.5). n comparaie cu aceeai perioad a anului trecut s-a nregistrat o cretere semnificativ de 9%, datorat noilor centrale eoliene (circa 800 MW) i fotovoltaice (circa 1000 MW).

Fig. 1.5. Putere instalat la 30 septembrie 2014 (24.433 MW) (sursaTranselectrica)

Puterea produs n SEN difer uneori semnificativ ca structur de cea a puterii instalate. Acest lucru se poate observa n tabelul 1.2, ndeosebi pentru energia nuclear

6

produs n Centrala de la Cernavod, dar i pentru energia eolian sau hidro. n ultimii patru ani consumul anual brut a nregistrat valori medii de (6000...7000) MW, cu maxime de circa 9500 MW. Se remarca creterea produciei din surse regenerabile (solar, eolian) si scderea produciei hidro n contextul unor ani secetoi.

Tabelul 1.2. Structura actuala a SEN pe tipuri de resurse primare februarie 2014 (putere net instalata, putere produs);

Tehnologia energetica Putere instalat

[%] Putere produs

[%] Carbune 26,04 24,90

Termo Gaz natural 21,83 19,55

Termoelectric total 47,87 44,45 Hidro 33,02 23,26 Nuclear 6,83 22,70

Eolian 11,79 5,33 Fotovoltaic 0,23 2,88 Regenerabil Biomasa 0,26 1,38

Regenerabil total 12,28 9,59

Structura actual a produciei de energie electric n Romnia pe tipuri de combustibili i implicit tehnologii de producere este ilustrat n (fig. 1.6) pentru luna februarie 2015

Fig. 1.6. Structura produciei momentane de energie electric n Romnia pe tipuri de combustibili

Se remarca creterea produciei din surse regenerabile (solar, eolian) si scderea produciei hidro (datorita secetei).

Structura puterii instalate i a puterii produse a evoluat n timp prin: - scoaterea din funciune a unor grupuri energetice vechi, cu durata de via epuizat,

grupuri care utilizau combustibili fosili; - construcia de centrale termoelectrice clasice n ciclu combinat; - valorificarea potenialului hidro n microhidrocentrale - valorificarea surselor regenerabile, ndeosebi solar i eolian

Starea tehnic a echipamentelor energetice Grupurile termoenergetice

7

majoritatea (circa 80 %) au durata de via epuizat (datnd din 1970-1980); sunt in curs de dotare cu instalaii de denoxare i desulfurare

Grupurile hidro 37 % au durata de via epuizat

C urmare sunt n curs de desfurare ample activiti de retehnologizare i modernizare att a centralelor termoelectrice ct i hidroelectrice

Tabelul 1.3. Evolutia puterii nete disponibile in perioada 2013-2015

Date SEN (valori nete in MW ) 2013 2014 2015

Putere neta disponibila 1 Nuclear 1295 1295 1295 2 Termo / Combustibili fosili 9075 8907 8634

2A Lignit 3892 3625 3641 2B Carbune Huila 1044 1230 1230 2C Gaz natural 2329 2336 1981 2D Pacura 0 0 0 2E Gaz metan si pacura 1810 1716 1782

3 Regenerabile (altele decat hidro) 2328 2615 3310 3A Eolian 2235 2435 3000 3A Solar 43 100 200 3C Biomasa 50 80 110

4 Hidro 6260 6319 6400 4A din care hidro regenerabile 171 190 190

5 Putere neta disponibila 18959 19136 19639

Se poate spune c n Sistemul Energetic Naional structura puterii instalate este bine diversificat, fiind apropiat de structura mondial. Structura consumului de energie electric n diferitele sectoare sociale este artat n fig. 1.7.

Fig. 1.7. Structura consumului de energie electrica

8

Emisiile poluante Din totalul emisiilor poluante, centralele termoenergetice productoare de energie

electric i cldur, sunt responsabile de urmtoarea pondere a emisiilor (prin activitile de extracie, prelucrare i ardere a combustibililor fosili):

- 88% din emisia de Nox - 72% din emisia de pulberi - 90% din emisia de SO2 - 70% din emisia de CO2

Emisia maxim de CO2 aparine arderii crbunelui, urmat de petrol i apoi de gazele naturale

Emisiile specifice de CO2 pe tipuri de surse primare i deeurile radioactive rezultate din producerea energiei electrice n Romnia n anul 2008 sunt indicate n continuare

Emisiile specifice de CO2 rezultate din producerea energiei electrice n Romnia n 2008 [g/ kWh]

Crbune 1050 Gaze naturale 510 Pcur 703 Alte convenionale 858 Media pe tara 496

1.4. Curba de sarcin

Energia electric ca i cea termic nu pot fi stocate i ca urmare ntreaga producie trebuie consumat imediat. Ca urmare n orice moment cantitatea de energie produs n centralele energetice trebuie s fie egal cu cantitatea de energie consumat de beneficiari. n cazul n care cantitatea de energie cerut de consumatori este mai mare sau mai mic dect cantitatea de energie livrat de productori, n reea apar perturbaii de tensiune i de frecven, care pun n pericol funcionarea consumatorilor, ducnd la avarii grave ale acestora.

Curba de sarcin este reprezentarea grafic a puterii electrice produse i consumat ntr-o perioad de timp specificat (o zi sau 24 ore, o sptmn, lun sau an).

Curba zilnic de sarcin are urmtoarele caracteristici (fig. 1.8): - 2 zone de vrf un vrf de zi (in jurul orei 9.00) i un de vrf de sear (in jurul orei 19.00) - 2 zone de gol un gol de noapte (n perioada orelor 2-5) i un gol de zi (n jurul orei 17)

Fig. 1.8. Curba zilnic de consum (exemplu)

Deeuri radioactive rezultate din producerea energiei electrice n Romnia n 2008

0,02 g/kWh

9

Zonele curbei de sarcina si modul de acoperire Pentru a se putea realiza echilibrul ntre producia i consumul de energie electric, curba de sarcin a fost mprit n 3 zone de consum (fig. 1.9):

Fig. 1.9. Zonele curbei de sarcin Fig. 1.10. Acoperirea curbei de sarcin

- zona puterilor constante = zona de baz n care centralele au o funcionare continu la putere constant; productorii de baz sunt centralele cu flexibilitate sczut n pornire/oprire, care funcioneaz continuu la putere constant. Acestea sunt: centralele termoelectric (CTE cu grupuri de condensaie, centrale de cogenerare CET,), centralele nuclearelectrice (CNE) i CHE pe firul apei; - zona puterilor variabile n care centralele au o funcionare intermitent (cu ntreruperi), cu

putere variabil. n zona puterilor variabile se disting dou subzone: zona de semibaz (semivrf) - funcionarea se ntrerupe o singur dat; zona de vrf - exist dou ntreruperi. Acoperirea zonei puterilor variabile se face obinuit de ctre CHE cu acumulare sau de centrale cu turbine cu gaze, datorit capacitii lor de pornire rapid i de variaie rapid a sarcinii (fig.1.10). n sistemele energetice dezvoltate (cu puteri instalata foarte mari) n zona de semivrf se pot utiliza i centrale termoelectrice de tip CET i CTE. Pentru fiecare sistem energetic (ar), curbele de consum prezint aspecte caracteristice care depind de structura economiei i de ponderea diferitelor categorii de consumatori (industriali, casnici).

n figura 1.11 se pot vedea variaiile de sarcin zilnice i sptmnale. Se observ:

- zonele de vrf i gol de sarcin; - scderea consumului de energie electric la sfrit de sptmn (gol de week-end); - modul n care sunt preluate vrfurile i scderile accidentale de sarcin de ctre

centralele hidroelectrice dar i de ctre cele termoelectrice; - se constat producia foarte variabila de energie a turbinelor eoliene.

1.5. Energia termic (cldura)

Consumul de cldur n Romnia este de circa 9 mil. tep (tone echivalent petrol), din care n sistem centralizat 2,6 mil. tep (circa 30%)

nclzirea n sistem centralizat se fac n circa 2350000 locuine (1.900.000 familii), ceea ce reprezint 55% din total urban sau 29% din total ar.

10

1.6. Disponibilitate i siguran n funcionare Disponibilitatea este capacitatea echipamentelor energetice sau a centralei de a produce energie (procentul din timpul total n care centrala poate produce energie). Ea se exprim matematic prin relaia:

an

oaopand

= [%]

Unde: an = 7680 h = nr. de ore ale unui an op = nr. de ore de oprire planificate pentru staionri i reparaii oa = nr. de ore de oprire forat pentru staionri i reparaii

Sigurana n funcionare se definete ca fiind capacitatea echipamentelor sau a centralei de produce energie n orice moment sau la cerere (procentul din timpul total n care centrala poate porni). Ea se exprim matematic prin relaia:

an

oaand

= [%]

Disponibilitatea i sigurana n funcionare au un impact major asupra eficienei economice a centralei deoarece n timpul staionrilor nu sunt ncasri, ba chiar se pltesc penaliti, iar producerea de energie trebuie preluat de alte centrale la costuri mult mai mari. Costurile fixe de exploatare se pltesc indiferent dac centrala st sau produce energie. Disponibilitatea nu influeneaz costul energiei deoarece timpul echivalent de funcionare este variabil. n schimb o central cu grad mare de disponibilitate poate obine rezultate economice superioare, prin faptul c poate funciona un numr mare de ore pe an i astfel pot crete ncasrile. Costul energiei este puternic influenat de sigurana n funcionare. Astfel n perioadele de vrf de sarcin ponderea costurilor fixe n preul energiei livrate scade. De asemenea pentru o bun eficien economic opririle planificate pot fi prevzute n perioadele de gol de sarcin, cnd costul energiei tranzacionate pe pia este sczut. Valorile medii statistice pentru centralele funcionnd n regim de baz sunt date n tabelul 1.4.

Tabelul 1.4. Valori medii statistice pentru disponibilitatea i sigurana centralelor electrice

Tipul instalaiei (centralei) Disponibilitate [%] Siguran

[%] ITG 88 95 97 99 ITA cu crbune 82 89 94 97 Ciclu mixt 86 93 95 98 CNE 80 89 92 98 Diesel 90 95 96 - 98

Pentru centralele de semibaz i de vrf valorile sunt mai sczute datorit solicitrilor intense produse de regimurile variabile de funcionare. Factorii care influeneaz aceste valori sunt:

- calitatea proiectului i a fabricaiei - regimul de exploatare - modul de integrare al echipamentelor n sistem - tipul combustibilului - calificarea personalului - calitatea mentenanei

11

Condiiile eseniale actuale pentru noi investiii n centralele electrice - cost redus de capital - randament ridicat - emisii poluante reduse

12

Fig. 1.11. Curba de sarcina sptmnal - Structura i variaia produciei de energie electrica in perioada 07.01.2013 21.01.2013