Sisteme de producere a energiei electrice şi termice

I. Introducere

Termenul de „energie“ are o istorie lungă. De origine din limba greacă veche, este folosit mai întâi de Kepler în sensul de putere care emană din corpuri. În sensul actual, este introdus pentru prima oară în literatura ştiinţifică de către Thomas Young, în anul 1807. Termenul de „energie cinetică“ a fost introdus de W. Thomson, iar cel de „energie potenţială“ de Rankine.

În ceea ce priveşte căldura, acest termen a fost folosit într-un sens dublu: ca „energie internă“ (Claussius) şi ca „mărime de proces“ în sensul de căldură transferată de la un corp la celălalt. Aceste accepţiuni ale termenului de căldură trădează menţinerea modelului de fluid, dar şi extinderea acestui model asupra conceptului de energie nou introdus.

De atunci au rămas în terminologia tehnică termeni cum ar fi: pierderi de energie, stocare de energie, economie de energie şi alte expresii care sugerează existenţa unei „materii imateriabile“ distinctă de sistemele fizice.

1.1. Istoria conceptului de EnergieIstoria dezvoltării conceptului de energie până la forma actuală este lungă şi plină de

nuanţări semantice. În 1665, G.W. Leibnitz a introdus termenul de „vis viva“ (forţa vie) pentru a

desemna cantitatea mv2 care apărea în calculele lui mecanice. Deşi Leibnitz a dat această denumire prin analogie cu termenul de „forţă“, folosit de I. Newton pentru produsul ma, alegerea sa nu a fost prea inspirată.

În 1673, C. Huygens observă că în timpul ciocnirii a două sfere perfect elastice, suma produselor dintre masa şi pătratul vitezei acestora, înainte şi după ciocnire, rămâne constantă.

În 1807, Th. Young a făcut trecerea de la forţa vie la energie. Mai târziu, W. Thomson (viitorul lord Kelvin) introduce termenul de „energie cinetică“, iar Rankine pe cel de „energie potenţială“.

În 1826, J.V. Poncelet introduce termenul de „lucru mecanic“, contribuind astfel la crearea premiselor pentru descoperirea legii conservării energiei.

În 1853, W. Thomson nota: „Numim energie a unui sistem material aflat într-o stare determinată, contribuţia măsurată în unităţi de lucru a tuturor acţiunilor produse în exteriorul sistemului, dacă acesta trece (indiferent în ce mod) din starea sa într-o stare fixată arbitrar“.

În 1897, M. Planck clarifică conceptul de energie, considerând că „energia este aptitudinea unui sistem de a produce efecte exterioare“. Pentru Planck, energia este o funcţie de stare, prin energia unui corp (sau a unui sistem de corpuri) înţelegându-se o mărime care depinde de starea fizică instantanee în care se găseşte sistemul.

Planck subliniază de asemenea faptul că variaţia energiei depinde doar de starea iniţială şi de cea finală. În acest fel s-au curmat toate discuţiile asupra naturii energiei:

Energia este materie imponderabilă? Energia este un fluid care poate să se transforme în tot felul de energii, inclusiv în

căldură? Răspunsul este NU! Toate aceste plăsmuiri aparţin ultimelor sechele ale mecanicismului. Energia este o funcţie de stare şi nimic altceva.

La nivelul actual de cunoştinţe şi dezvoltare tehnologică, se consideră că Universul care ne înconjoară există sub două forme: de substanţă (materie) şi câmp de forţe. Materia este caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa şi energia. Masa este măsura inerţiei şi gravitaţiei, iar energia este măsura mişcării materiei.

1.2. Definiţia EnergieiDicţionarele definesc conceptul de energie ca fiind „capacitatea unui sistem fizic de

a efectua lucru mecanic, la trecerea dintr-o stare în altă stare“, această definiţie reflectând o anumită mentalitate mecanicistă. Etimologic, cuvântul „energie“ are la bază cuvintele de origine latină „energia“ şi de origine greacă „enerhia“, care aveau înţelesul de „activitate“.

Conceptul de „energie“ este fundamental datorită legăturii existente între materie şi mişcare, dar şi datorită producerii şi transformării diferitelor forme de mişcare ale materiei. Aceste forme de mişcare se pot transforma reciproc unele în altele, în raporturi cantitative strict determinate, fapt ce a permis introducerea noţiunii de energie ca o măsură comună a lor („ceva ce rămâne constant“ - H. Poincaré).

Energia este o funcţie de stare şi nimic altceva: energia este o mărime de stare a unui sistem fizic. Energia defineşte calitatea schimbărilor şi proceselor care au loc în Univers, începând cu deplasarea în spaţiu şi terminând cu gândirea. Unitatea şi legătura formelor de mişcare a materiei, capacitatea lor inepuizabilă de transformare reciprocă, a permis măsurarea diferitelor forme ale materiei printr-o măsură comună: ENERGIA. Energia este unul dintre cele mai importante concepte fizice descoperite de om. Înţelegerea corectă a noţiunii de energie constituie a condiţie necesară pentru analiza sistemelor energetice şi a proceselor energetice.

Energia se prezintă ca un cristal cu multe faţete. Cristalul este ansamblul acestor faţete, iar nici o faţetă luată singură nu îl poate explica. Faţetele acestea sunt, în cazul energiei, de natură fizică, matematică, tehnologică, economică, ecologică, sociologică, politică. Timpul apare aici ca un numitor comun, intervenind prin durate mergând de la milioane de ani (necesare pentru formarea naturală a cărbunilor fosili), până la perioade de 30-50 de ani la care se referă evaluările energetice obţinute.

1.3. Principii generaleEnergia constituie un exemplu de problema interdisciplinară. Energia nu poate fi înţeleasă în afara principiilor termodinamicii, unde timpul este un parametru esenţial:

principiul I - energia se conservă, principiul II - energia se degradează. Totodată, orice politică energetică este confruntată cu problema costului energiei, iar

aceasta din urmă este în ultimă instanţă o problemă de timp. Rămânând în limitele fixate de al doilea principiu al termodinamicii, lucrul mecanic este ales ca normă fizică pentru evaluarea conţinutului calitativ al energiei. Este vorba de cantitatea de energie, sub forma de lucru mecanic, care poate fi convertită, în ipoteza unor condiţii ideale.

Procesele spontane sunt controlate de două tendinţe: o tendinţă este orientată spre atingerea celui mai scăzut nivel de energie, cealaltă tendinţă este orientată spre o stare de echilibru cu probabilitate maximă.

Câteva principii generale pot fi enunţate: Energia este o abstracţie matematică, o măsură a mişcării în fenomenele de

transformare a formelor în mişcare. Energia disponibilă nu este întotdeauna sub forma dorită. Pentru a obţine forma

dorită, trebuie procedat la conversie. Uzual, nu toată energia disponibilă poate fi transformată într-o altă formă de energie.

Cantitatea totală de energie rămâne neschimbată în orice transformare a formelor în mişcare - legea conservării energiei. Această lege permite deducerea modului de funcţionare a sistemului în care au loc transformări, dacă cunoaştem expresiile matematice ale diferitelor forme de energie.

Deoarece energia nu poate fi creată sau distrusă, suma energiilor care intră în proces trebui să fie egală cu suma energiilor care rezultă din proces.

Utilizarea diferitelor forme de energie implică cunoaşterea transformărilor dintr-o formă de energie în alta. S-a descoperit astfel, legea fundamentală privind ireversibilitatea în timp a fenomenelor reale, ce ne permite să aflăm câtă energie disponibilă avem. Astfel s-a introdus noţiunea de entropie (evoluţie) a cărei creştere în timpul proceselor fizice determină ireversibilitatea.

Energia defineşte calitatea proceselor, entropia defineşte sensul evoluţiei proceselor. Cunoaşterea proprietăţilor sistemelor fizice şi a legilor de desfăşurare a proceselor se face folosind noţiunile şi principiile termodinamicii (care sunt exprimările matematice ale legii conservării şi legii entropiei). Se consideră că reprezentările macroscopice constituie un sistem teoretic destul de cuprinzător pentru înţelegerea generală a lucrurilor.

2. Energia şi UniversulLa nivelul actual de cunoştinţe şi dezvoltare tehnologică, se consideră că Universul

care ne înconjoară există sub două forme: de substanţă (materie) şi câmp de forţe. Materia este caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa şi energia. Masa este măsura inerţiei şi a gravitaţiei, iar energia este măsura scalară a mişcării materiei. Cuvântul ENERGIE are o răspândire foarte largă, dar, cu toate acestea, conţinutul concret al noţiunii nu este la fel de răspândit sau riguros analizat, datorită îndeosebi unor particularităţi mai subtile, caracteristice anumitor forme de energie. Cea mai generală definiţie, prezintă energia ca măsură a mişcării materiei. Această formulare, deşi corectă, prezintă inconvenientul unei exprimări mai puţin explicite, având în vedere diversitatea mare a formelor de mişcare a materiei.

2.3. Energia şi SocietateaProgresul omenirii, din cele mai vechi timpuri până astăzi, este legat de folosirea

energiei. Etapele energetice ale societăţii umane au fost demarcate de apariţia: energiei hidraulice şi eoliene, în prima etapă; energiei combustibililor, într-o etapă ulterioară; energiei nucleare, cel mai recent.Dezvoltarea societăţii este direct dependentă de consumul de energie. Prelucrarea

statistică a corelaţiilor dintre consumul de energie, dezvoltarea industrială a societăţii şi venitul naţional arată o strânsă legătură între aceşti factori. Caracterul limitat al resurselor energetice ridică problema opţiunilor energetice în viitor. Formele de energie primară care participă actualmente în cea mai mare măsură la satisfacerea necesităţilor energetice sunt: cărbunii, hidrocarburile lichide şi gazoase, energia hidraulică şi energia nucleară. Pe baza verificărilor şi prospecţiunilor în curs ale rezervelor de energie, acestea sunt suficiente până în anii 2010-2020.

Studiile efectuate pe plan mondial, privind oferta de energie şi cererea în următorii 50 de ani, au arătat că lumea va reuşi să traverseze această perioadă de criză energetică cu preţul unui efort maxim, în două etape dificile: 1. trecerea de la hidrocarburile lichide naturale la combustibili lichizi sintetici.

2. dezvoltarea tehnologiei de extragere a energiei din resurse nelimitate: energia solară şi energia nucleară.

Utilizarea intensivă a combustibililor fosili a modificat substanţial nivelul de CO2 din atmosferă, rezultând o încălzire generală datorată efectului de seră.

Una dintre soluţii constă în exploatarea de noi surse de energie, cum ar fi: energia soarelui, energia apelor termale, energia vântului, energia valurilor, energia nucleară.

II. Resursele naturale ce stau la baza producerii energiei electrice şi termice

Energia electrică este produsă de termocentrale (care folosesc petrol, gaze naturale, cărbuni), hidrocentrale şi atomocentrale.

Resursele utilizate în producerea de energie electrică sunt:Combustibilii fosili sunt folosiţi în termocentrale. După repartiţia lor geografică,

termocentralele se pot clasifica în: termocentrale amplasate în bazinele de cărbune superior: Donetk (Nikitovka), Ruhr (Duisburg, Walsum, Buer), Pittsburg (Du Bois) etc.; termocentrale amplasate în bazine de cărbune brun şi lignit: Moscova (Konakovo, Kostroma), Lausitz (Boxberg, Lubenau) etc.; termocentrale din bazinele de exploatare a hidrocarburilor: în Rusia, Sainsk, Volga-Ural, cele din jurul Golfului Mexic şi Midcontinentului (SUA), cea de la Lacq (Franta); alte termocentrale sunt amplasate lângă mari centre consumatoare (Paris, New York, Moscova etc.)

Resurse hidroenergetice: Cea mai mare parte a potenţialului hidroenergetic este amenajată în ţările cu o industrie dezvoltată. Peste 75% din resursele hidroenergetice aparţin însă ţărilor din Asia, Africa, America de Sud, fiind amenajate într-o proporţie foarte mică. Amenajări hidroenergetice sunt amplasate în zonele de înaltă cădere, de cădere mijlocie sau pe firul apei (de derivaţie).

În tabelul de mai jos este prezentată producţia de energie electrică pe tipuri, şi pe ţări în anul 1993 -milioane kWh-

ŢARA Total Termo Hidro NuclearăAustria 51180 315098 36082 -Belarus 37600 37582 18 -Belgia 72259 27639 1156 43456Franta 462263 51296 72522 338445Germania 537134 357176 21115 158804Norvegia 117682 422 117260 -Polonia 132750 129180 3570 -Romania 55476 42708 12768 -Fed. Rusa 1008450 716201 172594 119626

În 1997, Canada, Mexic şi Statele Unite au globalizat 86% din consumul de energie şi 80% din producţia de energie din cele două Americi. Aproximativ 57% din energia produsă în America e termică, 25% de hidrocentrale, 16% nucleară, iar geotermală şi alte surse neconvenţionale 2%. În 1997 energia generată în America a totalizat circa 1,083 GW, aproximativ o treime din totalul mondial.

România dispune de rezerve de cărbune, petrol şi gaze, dar în cantităţi limitate şi specifice acestei zone geografice:

Huila este estimată ca rezervă probabilă de 925 mil. tone, din care rezerve sigure, estimate la 390 mil., tone sunt concentrate în două câmpuri miniere: Valea Jiului şi Banat; huila din resursele interne este insuficientă; pentru centralele termoelectrice din CONEL se aduce huilă din import cu putere calorifică de 4500-5400 kcal/kg din Rusia, Polonia sau alte zone; din perspectiva dezvoltării, centralele termoelectrice nu se pot baza pe acest combustibil şi numai pe acesta fără import prealabil; Lignitul şi cărbunele brun reprezintă rezerva sigură a României; cea mai mare parte (88%) a rezervelor confirmate de lignit (2.800 mil tone) şi cărbune brun (20 mil tone) sunt situate în Oltenia;

Considerăm că nu se poate renunţa la această sursă de energie pentru producerea de energie electrică şi implicit pentru producerea de energie termică, care să fie folosită local în mari blocuri energetice (puteri unitare de peste 200 MW) în termocentralele de bază ale Sistemului Energetic Naţional. Petrolul (ţiţeiul) constituie încă o rezervă a României; ultima valoare estimată a rezervelor de ţiţei recuperabile este de cca 90 mil tone; termocentralele au utilizat pentru acoperirea cererii de energie electrică şi termică din centralele sale 65-70% din consumul de păcură al ţării; deoarece păcura rezultată din rafinarea ţiţeiului din producţia internă va fi insuficientă, acoperirea necesarului se va face din import; Gazele naturale constituie şi ele o rezervă de combustibil a României; rezerva de gaze naturale a fost estimată de ROMGAZ la cca 407 miliarde m3; în prezent se face import masiv de gaze din CSI (cca 30%); capacitatea de depozitare este de 4,2% din consum şi ar fi necesar să crească la 25% pentru a preîntâmpina scăderea presiunii şi respectiv neasigurarea debitului la consumatori pe timp friguros.

Evoluţia preţurilor combustibililor este elementul determinant pentru analiza programelor de dezvoltare cu costuri minime ale capacităţilor de producere a energiei electrice şi termice având drept combustibil gazele (GNL sau GPL).

Din punct de vedere al energiei hidraulice putem menţiona că puterea instalată în centrale hidroelectrice (CHE) este de cca 5800 MW ceea ce revine la aproape 30% din totalul potenţialului hidroenergetic. Potenţialul hidroenergetic tehnic amenajabil se ridică la 40 miliarde kWh/an, din care peste 10 miliarde kWh/an este cota ce revine ţării noastre din potenţialul Dunării.

În prezent, capacitatea medie de producţie, într-un an mediu hidrologic, a centralelor hidroelectrice este estimată la cca 16,2 miliarde kWh/an.

Costul de realizare al energiei electrice din surse hidroenergetice este foarte atrăgător pentru a utiliza energie electrică la încălzirea locuinţelor. Costurile de investiţii mari (cca 1.800-2.400 USD/kW), durata relativ lungă de realizare a unor astfel de lucrări, necesitatea unor studii complexe de specialitate (hidro, geologice ş.a) conduc însă la obstacole mari în realizarea unor astfel de obiective.

În România sunt începute şi neterminate cca 240 de MHC, care se află în diverse stadii de construcţie.

III.Moduri de producere a energiei electrice (soluţii clasice)

II.1 Producerea energiei electrice în centrale termoelectrice.

Producerea energiei electrice în centrale termoelectrice.

O centrală electrică reprezintă un complex de instalaţii care transformă o formă primară de energie, în energie electrică. O centrală termoelectrică reprezintă o uzină unde combustibilul fosil (cărbune, gaze naturale, păcură) este ars într-un echipament special denumit cazan sau cameră de ardere, în vederea obţinerii unei cantităţi de energie termică (sub formă de abur sau gaze de ardere) care este apoi transformată în energie electrică.Ca tehnologie folosită, centralele termoelectrice pot fi după cum urmează:

- centrale termoelectrice cu turbine cu abur (de termoficare sau de condensaţie);- centrale termoelectrice cu turbine cu gaze;- centrale termoelectrice cu motoare termice;

Producerea energiei electrice prin destinderea aburului într-o turbină cu abur, care antrenează un generator.

Componentele unei centrale termoelectrice sunt variate şi cuprind aproape toate specialităţile tehnice din domeniile: mecanic, electric şi automatizări, instalaţii hidrotehnice. La centralele termoelectrice au o importanţă deosebită instalaţiile mecanice (valoric 70%) şi instalaţiile electrice.

Schema simplificată a unei centrale termoelectrice cu abur este următoarea:

Combustibilul (gaze naturale, păcură, deşeuri lemnoase etc.) este ars în cazanul de abur cu ajutorul aerului de ardere, energia chimică a combustibilului transformându-se astfel în căldură. Căldura este preluată sub formă de abur care iese din cazan, la presiune şi

temperatură ridicate (ex.: 330 bar, 600ºC). Aburul având aceşti parametrii, şi care urmează a fi destins în turbină, se numeşte abur viu. În turbină aburul se destinde, imprimând în acelaşi timp o mişcare de rotaţie rotorului turbinei. După cum reiese din figură, rotorul turbinei este în legătură directă cu rotorul generatorului, imprimându-i şi acestuia mişcarea de rotaţie. În acest fel, căldura este transformată în lucru mecanic. La rândul sau, lucrul mecanic este transformat de către generator în energie electrică. La ieşirea din turbină aburul este apoi trecut printr-un condensator care, prin procedeul de răcire, preia căldura latentă a aburului, acesta redevenind lichid (condensat), respectiv apă. Apa este apoi preluată de pompa de condensat şi trimisă către cazan, unde ciclul se reia.

Ciclul după care funcţionează o astfel de centrală este ciclul Rankine:

1-2 – procesul de pompare a apei în cazan2-3 – încălzirea apei3-4 – vaporizarea apei4-5 – supraîncălzirea aburului5-6 – destinderea în turbină6-1 – condensarea

Pentru mărirea randamentului unei centrale termoelectrice se folosesc diverse tehnici printre care enumerăm: creşterea presiunii iniţiale a ciclului, creşterea temperaturii iniţiale a ciclului, creşterea atât a presiunii cât şi a temperaturii, supraîncălzirea intermediară, utilizarea ciclurilor suprapuse, preîncălzirea apei de alimentare etc.

Folosirea unei centrale pentru a produce doar un singur tip de energie nu este rentabilă în foarte multe situaţii, de aceea o centrală termoelectrică se utilizează pentru producerea a cel puţin încă unui tip de energie, respectiv energie termică şi/sau frig. Acestea sunt aşa numitele centrale de cogenerare sau trigenerare.

Schema simplificată a unei astfel de centrale este următoarea:

La una din prizele turbinei este extrasă o cantitate de abur care este folosită într-un schimbător de căldură pentru obţinerea apei fierbinţi, folosită mai departe în alimentarea cu căldură a diverselor instalaţii industriale.

Dacă acest procedeu nu este suficient pentru a acoperi consumul de energie termică existent la un moment dat, atunci se folosesc echipamente speciale, numite instalaţii de vârf, cum ar fi CAF-urile (cazane de apă fierbinte).

În România există un număr destul de mare de centrale termoelectrice, construite în perioada 1960-1985. Majoritatea acestora sunt construite pe lângă marile oraşe (Bucureşti, Craiova, Iaşi, Constanţa) asigurând cererea de energie termică pentru încălzire şi apă caldă de consum ale locuitorilor prin procedeul numit cogenerare (termoficare).

O parte importantă din aceste centrale funcţionează pe cărbune inferior (lignit), situaţie care este în contradicţie cu normele europene privind protecţia mediului. Cărbunele inferior are avantajul de a fi un combustibil ieftin şi în cantităţi destul de mari în România, dar are un conţinut ridicat de sulf. La arderea lignitului se formează acidul sulfuric care poate să corodeze instalaţiile şi, la părăsirea centralei, poate să fie sursă ploilor acide. În următorii ani, toate centralele care funcţionează pe cărbune inferior vor trebui să fie dotate cu instalaţii de desulfurare, pentru respectarea normelor de mediu. Acest lucru va duce la o creştere a preţului energiei electrice în România.

I.b. Producerea energiei electrice într-o centrală cu turbine cu gaze.

Schema simplificată a unei centrale cu turbine cu gaze este următoarea:

Motorul M antrenează la pornire compresorul de aer CA. Aerul comprimat este introdus în camera de ardere împreună cu combustibilul (gaz natural) unde are loc arderea. La ieşire din camera de ardere gazele rezultate, cu temperaturi şi presiuni ridicate, sunt introduse în treapta de înaltă presiune a turbinei TG, unde are loc destinderea. În urma destinderii se imprimă rotorului turbinei o mişcare de rotaţie, care este transmisa rotorului generatorului de energie electrică GE.

Procesul are loc cu pierderi de energie, randamentul fiind în intervalul 35-40%. Pe lângă pierderile mecanice, în lagăre, au loc şi pierderi de energie termică, prin izolaţii, dar cele mai semificative pierderi termice se regăsesc în gazele evacuate. Pentru îmbunătăţirea eficienţei, se procedează la recuperarea căldurii din gazele evacuate şi folosirea ei pentru producerea de apă fierbinte şi/sau abur. Pentru o mărire semnificativă a eficienţei centralei, se folosesc şi alte procedee tehnologice, printre care:

Preîncălzirea aerului la intrarea în compresor Ridicarea temperaturii de ardere şi coborârea temperaturii de aspiraţie în

turbină Fracţionarea destinderii şi a comprimării ş.a.

Schema simplificată cu recuperarea căldurii din gazele evacuate într-un schimbător de căldură (transformarea în centrală de cogenerare):

Ciclul teoretic este reprezentat de două izobare şi doua adiabate, astfel:

1-2 – transformare adiabatică (procesul de compresie) 2-3 – transformare izobară (procesul de ardere) 3-4 – transformare adiabatică (procesul de destindere în turbină) 4-1 – transformare izobară (procesul de răcire)

Tipuri de turbine cu gaze: turbina cu gaze în circuit deschis – maşină cu ardere internă, cu ardere izobară şi destinderea gazelor în turbină turbina cu gaze în circuit închis – maşină termică cu ardere externă, la care fluidul de lucru în circuit închis (aer sau gaze inerte) este încălzit şi răcit prin schimbătoare de căldură de suprafaţă turbine cu gaze în circuit mixt, combinaţie a primelor două

Turbinele cu gaze se folosesc, în general, pentru asigurarea energiei electrice şi termice necesare proceselor industriale. În România sunt instalate câteva grupuri de turbine cu gaze (la combinate petrochimice) şi, pe viitor, urmează să se instaleze un grup de turbină cu gaze la o centrală termoelectrică din Bucureşti.

I.c. Producerea energiei electrice într-o centrală cu motoare termice.

Motorul Diesel este o maşină în care arderea se face în mod teoretic parţial sub volum constant şi parţial sub presiune constantă. Acest ciclu se desfăşoară în patru timpi, (în două rotaţii de arbore) folosit mai ales la motoarele rapide cu putere sub 1000 kW sau în doi timpi (la fiecare rotaţie) folosit la motoarele cu putere mare.

Căldura produsă prin arderea combustibilului se repartizează în motor în părţi aproape egale între căldura utilă (regăsită sub formă de lucru mecanic), cea evacuată prin fluidele de răcire (apă şi ulei) şi cea evacuată direct în mediul înconjurător, prin gazele de ardere şi radiaţie.

Deoarece se încearcă de fiecare data obţinerea unui randament global cât mai mare, căldura evacuată în fluidele de răcire şi în gazele eşapate este recuperată şi folosită în obţinerea de apă caldă.

Tot pentru mărirea randamentului motorului se folosesc diverse metode tehnologice, dintre care se remarcă metoda de creştere a presiunii medii efective. Acest lucru se realizează prin supraalimentarea motorului.

Combustibili folosiţi în motoarele termice sunt: motorina, pentru toate tipurile de motoare păcura, pentru motoare cu dimensiuni peste 150 kW pe cilindru gazele: gaz de furnal, gaz metan, gaz de huilă, cu condiţia să nu conţină

praf.

Schema de principiu a unui astfel de motor termic ce merge în cogenerare este următoarea:

Spre deosebire de motoarele de automobile, motoarele folosite în energetică funcţionează permanent la o turaţie riguros constantă, care să permită obţinerea de energie electrică având o frecvenţă de 50Hz. La momentul actual, aplicaţiile de motoare termice în energetică sunt împărţite în două tipuri:

- producerea energiei electrice şi termice la consumatori industriali (fabrici de medicamente, etc)

- producerea energiei electrice şi termice pentru alimentarea blocurilor de locuinţe (primele aplicaţii la Sibiu şi Cluj-Napoca)

Dacă se discută despre puterea produsă în centralele termoelectrice, modul de utilizare a diverselor tehnologii este următorul:- pentru puteri electrice foarte mari (200-1000 MW) se utilizează grupuri cu turbine

cu abur;- pentru puteri electrice medii (20-200 MW) este indicat să se folosească grupuri de

turbine cu gaze;- pentru puteri electrice mici (0,5-20 MW) se folosesc motoarele termice.

2. Producerea energiei electrice în centrale hidroelectrice.

Centralele hidroelectrice (CHE) utilizează ca sursă primară energia hidraulică, potenţială şi cinetică a căderilor de apă naturale sau artificiale. Producerea energiei electrice prin filiera hidro are o bogată tradiţie în România, cele mai mari centrale fiind construite în perioada 1955-1975.

Faţă de centralele termoelectrice, centralele hidroelectrice au unele particularităţi diferite şi anume:

sunt dependente de înălţimea de cădere, specifică fiecărei amenajări sunt dependente de debitul de apă pe râu variabil în timp sunt dependente ca soluţionare tehnică de configuraţia geografică a zonei

şi de geologia eiDeşi centralele hidroelectrice au prin dispoziţie şi realizare caracter de unicat, se

poate face o clasificare, reţinând drept criteriu trăsăturile principale ale schemelor de amenajare în:

CHE pe firul apei CHE instalate în derivaţie cu cursul natural al apei

CHE pe firul apei este caracterizată de amplasarea acesteia chiar în albia râului, în imediata apropiere a barajului, cu care poate fi combinată constructiv.

Caracteristici: se folosesc în special pe cursuri de apa cu debite mari (amenajări fluviale);

de exemplu CHE Porţile de Fier înălţimea de cădere a apei este data succesiv de ridicarea de nivel obţinută

prin barajCHE în derivaţie: apele râului sunt derivate pe un traseu care are o pantă mai mică

decât panta naturală a râului iar înălţimea totală a amenajării este suma dintre câştigul de înălţime obţinut pe traseul amenajat şi înălţimea barajului.

Tipuri de CHE în derivaţie: cu ridicarea nivelului amonte cu coborârea nivelului aval

Ambele tipuri de centrale folosesc acelaşi principiu tehnologic pentru obţinerea energiei electrice. Principiul este relativ simplu şi se bazează pe transformarea energiei potenţiale a apei în energie electrică. Cu cât diferenţa de nivel este mai mare între nivelul apei şi nivelul turbinei cu atât energia potenţiala a apei care intră în turbină este mai mare.

Schema de amenajare a centralelor hidroelectrice pe firul apei:

1- barajul2- sala maşinilor2a- în corpul barajului2b- la piciorul barajului în ax2c- la extremităţile barajului

Schema CHE în derivaţie cu ridicarea nivelului amonte:

1- aducţiunea2- barajul3- castel de echilibru4- turbina5- conductă forţată6- canalul de fugă

Schema CHE în derivaţie cu coborârea nivelului se caracterizează prin amplasarea centralei şi a galeriilor aferente acesteia în subteran pentru mărirea diferenţei de nivel. Apa

din lacul de acumulare este dirijată printr-un puţ direct spre turbinele amplasate în subteran. La ieşirea din turbină apa este dirijată spre cursul ei normal printr-un canal de fugă.

III.1 Electricitate şi căldura produse prin cogenerare (CHP)

Cogenerarea sau CHP (combined heat and power – producerea combinată a căldurii şi electricităţii) reprezintă producerea simultană a electricităţii şi căldurii utilizând un singur combustibil cum ar fi de exemplu gazul natural, sau o varietate de combustibili pot fi utilizaţi.

Producerea căldurii din procesul de generare a electricităţii (de exemplu prin eşaparea turbinelor de gaz) reprezintă capturarea şi utilizarea gazelor eşapate pentru a furniza abur la un nivel scăzut sau înalt.

Aburul poate fi utilizat ca sursă de căldură pentru dubla întrebuinţare şi anume industrială şi casnică şi poate fi folosit de asemenea în turbinele de abur pentru generarea suplimentară de electricitate. Cogenerarea prin furnizarea simultană într-un anumit loc atât a căldurii cât şi a electricităţii este o bună metodă folosită în străinătate, şi mai ales în ţările scandinave. Avantajele cogenerării

Tehnologia de cogenerare are un randament sporit al conversiei faţă de metodele tradiţionale de generare valorificând căldura ce ar putea fi risipită. Aceasta poate rezulta în mai mult decât dublarea randamentului termic sau obţinerea de valori însemnate pentru cantitatea de energie termică livrată. De asemenea, emisiile de dioxid de carbon pot fi reduse substanţial. În plus, căldura produsă este disponibilă pentru a fi utilizată, fără a fi necesară arderea suplimentară a unui combustibil primar. Sistemele de cogenerare predominante utilizează gazul natural, ca sursă de combustibil care reduce la jumătate gazele prin efectul de seră, pe unitatea de energie produsă faţă de disponibilitatea de curăţire a centralelor de energie termică.

III.2. Cogenerarea în România

Sistemul energetic naţional a avut o mare parte dintre furnizori, instalaţii de cogenerare, amplasate în vecinătatea marilor oraşe. Ele deserveau cu energie termică (abur industrial) platformele industriale ale acestora – consum relativ constant – şi prin sistemul de termoficare, reţeaua urban de distribuţie a energiei termice către populaţie – consum variabil iarna/vara.

Datorită faptului că în mare parte platformele industriale s-au restructurat, reducându-se drastic consumul industrial, cât şi a unei politici greşite de tarifare, unităţile de cogenerare au devenit, mai ales vara, unităţi de producere numai a energiei electrice, cu randament energetic sub 30%. Consecinţa a fost creşterea preţului energiei termice şi mari fluctuaţii în livrarea ei, ducând în final, pe de o parte la debranşări ale consumatorilor de la reţea (pe ansamblul ţării: 21%), iar pe de altă parte la apariţia unei pieţe de centrale termice individuale. Rezultatul a constat în:

transformarea instalaţiilor de cogenerare în instalaţii cu randament energetic anual sub 50%; dezechilibrarea hidraulică a reţelelor de termoficare; apariţia de instalaţii de producere abur la unii consumatori industriali; pierderi în funcţionarea producătorilor de energie termică; neîncredere în sistemele centralizate de încălzire urbană; costuri mari ale energiei termice;

investiţii reduse în modernizarea şi reabilitarea sistemelor de termoficare pe tot lanţul: producător – transport – distribuţie; costul de producţie al unităţii de energie termică la furnizori, media pe ţară, depăşeşte cu peste 50% preţul naţional de referinţă plătit de populaţie.Soluţia constă în: reabilitarea şi modernizarea reţelelor de transport şi distribuţie energie termică; contorizare individuală; restructurarea, redimensionarea şi modernizarea surselor de producere a energiei termice.Soluţiile de producere eficientă a energiei termice se bazează pe următoarele: restricţiile actuale şi viitoare (după aderarea la UE) de mediu fac puţin probabilă utilizarea drept sursă de combustibil, pentru producătorii de energie termică localizaţi lângă marile oraşe, a lignitului inferior; utilizarea pentru localităţile mici şi medii a surselor alternative sau regenerabile; utilizarea la maxim a structurilor tehnologice in cogenerare; realizarea de structuri de management (sau chiar de acţionariat) complexe pe o gamă cât mai largă a serviciilor de utilitate publică (distribuţie energie termică, apa, gaz natural, energie electrică) în competenţa autorităţilor publice locale.Se estimează pentru sistemele de termoficare, la nivelul ţării, un necesar anual de 30

milioane Gcal, (în prezent sunt circa 2,1 milioane de consumatori individuali). Se estimează că peste 75% din totalul de energie se va produce în instalaţii de cogenerare. Restul se va prelua prin instalaţii ce produc numai energie termică.

La preţuri pentru gaz natural şi păcură conform pieţei europene, costul de producţie la consumator pentru instalaţii cu producere numai de energie termică va fi în jur de 30 EURO/Gcal (cea mai mică valoare tehnic posibilă).

O instalaţie în cogenerare, pe aceeaşi sursă de combustibil, cu parametrii: randament total energetic 85% raport energie electrică/energie termică mai mare de 0,4,

are următoarele costuri de producţie: energie electrică 45 Euro/MWh energie termică 22 EURO/Gcal.Cantitatea de 75% din energia termică necesară sistemelor de termoficare, la nivelul

ţării, produsă prin instalaţii de cogenerare asigură şi o cantitate adiţională de 10 milioane MWh/an.

Costul de finanţare al modernizării surselor de energie termică nu depăşeşte 2 miliarde EURO.

Finanţarea acestor proiecte se poate face prin scheme complexe de finanţare ce includ:

autoritatea publică locală; fonduri de la bugetul de stat; credite bancare; instituţii financiare externe; fonduri private de investiţii; fonduri proprii; programe comunitare de asistenţă financiară; fonduri disponibile prin mecanismele stabilite de Protocolul de la Kyoto (credite de CO2); agenţii guvernamentale cu atribuţii în eficienţa energetică.