PROCESE TEHNOLOGICE DE VALORIFICARE A RESURSELOR ENERGETICE

7.1 Surse de energie Energia exprimă capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic atunci când

suferă o transformare dintr-o stare în alta. În natură, energia se află acumulată în surse de energie. Unele forme de energie se găsesc în natură în cantităţi insuficiente (exemplu energie magnetică, cinetică, energia termică etc.), sau inaccesibile (energia electrică din fulgere). Energiile se pot obţine în cantităţile dorite prin transformări energetice, pornind de obicei de la sursele naturale de energie.

Sursele de energie de care dispune omenirea sunt: 1. Surse primare (naturale) de energie: epuizabile şi inepuizabile; 2. Surse secundare (transformate) de energie; 3. Alternative energetice.

Sursele primare epuizabile se refac într-un timp geologic îndelungat, ce nu poate fi

luat în considerare din punct de vedere tehnic şi economic. În această categorie sunt incluşi cărbunii, ţiţeiul, gazele naturale şi combustibilii nucleari.

Cărbunii sunt roci sedimentare caustobiolitice, rezultate din fosilizarea prin

încarbonizare a substanţelor vegetale. Se găsesc aglomeraţi în scoarţa pământului sub formă de zăcăminte, la adâncimi variabile, de la suprafaţă, la sute sau chiar la peste o mie de metri adâncime. Zăcămintele pot fi sub formă de masive, sau de straturi, iar durata de exploatare se estimează la peste 100 de ani.

După gradul de încarbonizare se deosebesc: cărbuni superiori: antracitul şi huilele; cărbuni inferiori; cărbunele brun, lignitul, turba şi şistul bituminos. Principalele caracteristici tehnologice după care se apreciază cărbunii sunt: conţinutul

de carbon, cenuşă, umiditatea, materiile volatile şi puterea calorică. Umiditatea (W) reprezintă conţinutul exprimat în procente de apă din cărbune.

Materiile volatile (V, %) reprezintă conţinutul de substanţe gazoase şi lichide existente în cărbune şi care se degajă la încălzirea acestuia la 850°C, în absenţa aerului. Cenuşa (A, %) este formată din oxizi metalici (de fier, aluminiu, etc.) şi dioxid de siliciu, care rămân după arderea cărbunilor. După îndepărtarea materiilor volatile şi a umidităţii din cărbune se obţine cocsul (K, %). Dacă din cocs se îndepărtează şi conţinutul de cenuşă se obţine cărbunele fix (Cf, %). Aşadar:

)VW(100K +−= , %

AK)AVW(100Cf −=++−= , %

7

Puterea calorică reprezintă cantitatea de căldură degajată prin arderea unui kilogram de combustibil. Se consideră combustibil convenţional, un combustibil teoretic cu puterea calorică de 7000 kcal/kg, respectiv de 7000 kcal/kg ·4,186kJ/kcal ≅ 30000 kJ/kg.

Orice cantitate de cărbune (A) de o anumită putere calorică (P) poate fi convertită în tone de cărbune convenţional (t.c.c.) cu ajutorul relaţiei:

7000/P.Ac.c.t = Cărbunii cu grad mare de încarbonizare şi o putere calorică de peste 7000 kcal/kg sunt

consideraţi superiori, iar ceilalţi sunt consideraţi inferiori. Compoziţia cărbunilor determină puterea lor calorică. Astfel, un conţinut mare de apă, materii volatile şi de cenuşă reduce conţinutul de cărbune fix, scăzând puterea calorică. În plus, un conţinut mare de materii volatile măreşte lungimea flăcării. Cenuşa în cantitate mare îngreunează arderea, scăzând randamentul, înfundând grătarele, etc.

Principalele caracteristici ale cărbunilor şi utilizările lor sunt prezentate în tabelul 7.1. Conţinutul de carbon s-a calculat faţă de cărbunele uscat.

Caracteristicile cărbunilor şi domeniile de utilizare

Tabelul 7.1

Cărbune C, % W, % Pc, kcal/kg Utilizări Antracit 89,5-96,5 2 7800-8350 chimie, metalurgie Huile 76-90 2-7 7000-9000 semicocs, cocs Cărbune brun 67-79 5600-7500 energetică Lignit 65-75 30-50 2600-4100 energetică Turbă 40-60 60-70 2000-5000 energetică Şist bituminos 600-700 energetică Şistul bituminos poate avea şi 70% cenuşă, ceea ce explică puterea calorică foarte

redusă. Cărbunii inferiori sunt utilizaţi în SUA şi Africa de Sud şi pentru obţinerea benzinelor sintetice.

Ţiţeiul este o rocă caustobiolitică, care se găseşte în scoarţa pământului la adâncimi

variabile, fie aglomerat între straturi impermeabile (roci rezervor), fie impregnat în roci poroase. Se extrage numai din roci rezervor, de la adâncimi de peste 3.000 m. Rezervele de petrol sunt estimate la câteva zeci de ani. Se valorifică astfel:

prin prelucrare în rafinărie, în care se obţin: carburanţi (benzine şi motorine), lampant, păcură, uleiuri mineral şi smoală;

prin prelucrarea fracţiilor de ţiţei în petrochimie, pentru obţinerea de produse de mare tonaj (mase plastice, cauciucuri sintetice, fibre sintetice, detergenţi, solvenţi, negru de fum etc.), de tonaj mediu, sau de mic tonaj.

Produsele de rafinărie se obţin în cantităţi mult mai mari faţă de produsele petrochimice, dar se comercializează la preţuri mai mici. Păcura se utilizează şi în energetică, la ardere, având puterea calorică de peste 8000 kcal/kg, arzând cu randament mare şi nelăsând cenuşă.

Gazele naturale pot avea diferite conţinuturi, dar importante sunt cele de gaz metan. În

România, zăcămintele de gaz metan sunt de mare puritate, conţinând 99% CH4, 1% gaze inerte, fiind deci lipsite de sulf.

Valorificarea gazului metan are loc în: • energetică, deoarece are puterea calorică mare 8560 kcal/m3, randament mare de

ardere, fără cenuşă ; • industria chimică, pentru obţinerea unei game foarte diverse de produse.

Combustibilii nucleari sunt consideraţi astăzi minereurile de uraniu şi de thoriu.

Aceştia se utilizează în centralele nuclearo-electrice pentru obţinerea energiei electrice, pe baza fenomenului de fisiune nucleară. Conversia energiei nucleare la energie electrică este mai avantajoasă decât conversia energiei chimice. Astfel, din 500g cărbune se obţin 1,5 kWh, din 500 g petrol - 2 kWh, iar din 500g uraniu - 82 kWh. Marea problemă o constituie depozitarea pe termen nelimitat, în deplină siguranţă a deşeurilor radioactive.

Sursele primare neepuizabile sunt constituite din apă, energia solară, eoliană,

geotermală, a mareelor şi biomasă. Sunt considerate inepuizabile, deoarece se găsesc în cantităţi foarte mari, sau se regenerează continuu.

Apa se utilizează în enegetică ca agent termic, sub de formă de abur în centralele termo- şi nuclearoelectrice şi ca atare, în centralele hidroelectrice.

Energia solară ajunsă pe Terra ca flux luminos, reprezintă doar 0,04% din radiaţia

solară îndreptată spre pământ. Se utilizează pentru evaporarea apei, uscarea unor produse, încălzire, fotosinteză. Pentru obţinerea de apă caldă, se folosesc panouri cu suprafaţa înnegrită, peste care trece o serpentină străbătută de apă, sau oglinzi parabolice, prin focarul cărora trece conducta de apă.

Cu ajutorul semiconductorilor, energia solară poate fi convertită la energie electrică, folosind efectele fotovoltaic sau termoionic. De exemplu, cu semiconductori de tip Si/Si impur, GaAs/ AlGaAs, sau Cd/S, prin iradierea joncţiunii create se obţine tensiune electrică. Aplicaţiile se regăsesc în telecomunicaţii, module solare, semnalizări rutiere, etc. Proiecte de extindere a utilizării energiei solare vizează continentul african, în care energia solară are o intensitate deosebită, pe suprafeţe mari.

Energia eoliană poate fi convertită la energie mecanică, sau electrică, prin utilizarea

unor motoare eoliene. O centrală construită în Spania are două rotoare cu diametrul de 40 m fiecare, fixate pe un catarg de 45 m înălţime, generând curent electric cu puterea de 3 MW. Instalaţiile de puteri mai mici sunt utilizate în zone izolate, cu viteza relativ constantă a vântului.

Energia valurilor sau a mareelor poate fi convertită în energie electrică, folosind

instalaţii tip turbină, tip coloană oscilantă, sau panouri oscilante. Pentru valuri de 20 m înălţime s-au obţinut randamente de 13% şi puteri de 75 W. Problemele ridicate se referă la fiabilitatea instalaţiilor, consumul mare de materiale, randamentele scăzute de conversie, utilizarea doar în unele zone pe glob.

Energia geotermală este constituită din energia acumulată în roci, sau din apele

termale. Apele termale se utilizează eficient pentru obţinerea de curent electric doar dacă au temperatura de peste 60°C. Utilizarea căldurii acumulate în roci, prin introducerea de ţevi străbătute de apă, pentru transformarea acesteia în abur, în zonele cu magmatism de mică adâncime trebuie să evite producerea de modificări ecologice majore (erupţii vulcanice, cutremure).

Biomasa este reprezentată atât de masa vegetală, cât şi de deşeurile fermentabile, rezultate din consumul casnic, agricultură, industria alimentară. De exemplu, din trestie de zahăr se extrage zahărul, care apoi prin fermentaţie alcoolică produce alcoolul etilic, ce poate fi utilizat drept carburant în motoare adaptate. Dejecţiile din zootehnie pot fi fermentate anaerob, la temperatură de 38°C, pentru obţinerea de biogaz (un amestec de gaze conţinând 50-70% CH4, H2, NH3, vapori de apă). Biogazul se poate utiliza la ardere şi totodată se reduce volumul dejecţiilor. Cu excepţia apei, celelalte surse inepuizabile de energie se utilizează în proporţie de aproximativ 5% pe glob, datorită unor particularităţi zonale (intensitate energie solară, vânt, existenţa de ape termale, etc.), costurilor mari de invenstiţii şi costului mare al kW-ului produs. Ele se mai numesc şi surse neconvenţionale de energie. Se preconizează să crească ponderea lor la 15% pe glob, până în anul 2010, pentru a diminua efectele poluante ale utilizării combustibililor chimici şi nucleari.

Surse secundare de energie Energia utilă care se foloseşte în procesele industriale sub diferitele ei forme: termică,

mecanică, electrică, chimică rezultă în urma unor transformări energetice succesive, prin lanţuri de transformări, începând de la energia primară (denumită sursă de energie) (fig.7.1.).

CA = camere de ardere, cuptoare industriale.

În procesele tehnologice, cea mai utilizată formă de energie este energia electrică, ce poate fi convertită în funcţie de necesitate în: energie termică, mecanică, magnetică, luminoasă etc. Energia electrică se realizează la scară industrială în instalaţii denumite centrale electrice, cu ajutorul turbogeneratoarelor (agregate în care turbina acţionează rotorul generatorului electric, inducând în statorul acestuia curent electric).

După natura energiei utilizate pentru acţionarea rotoarelor generatoarelor electrice deosebim următoarele tipuri de centrale: termocentrale, atomocentrale sau centrale electrice nucleare, hidrocentrale, centrale eoliene, helioelectrice etc.

Energie solară

Efect fotovoltaic (celule solare)

Combustibili fosili Combustibili nucleari Căderi de apă

Energie termică

Energie mecanică

Energie electrică

CACazane cu aburi Reactoare

nucleare Turbine

hidraulice Captatoare

solare

Generatoare electrice

Fig. 7.1 Lanţuri de transformări energetice.

Turbine cu gaz

Alternative energetice Alternativa energetică pentru cazul epuizării combustibililor o reprezintă hidrogenul

Acesta se găseşte în hidrocarburi şi în apă. Ideea este de descompunere a apei în componente, hidrogen şi oxigen şi de ardere apoi a hidrogenului, cu producere de energie electrică şi refacere a apei.

2 H2O → 2 H2 + O2 2 H2 + O2 → 2 H2O + curent electric

Principiul denumit al „pilelor de combustie” s-a aplicat la navele spaţiale şi în prezent se introduce şi în alte domenii (de exemplu centrala aeroportului din Munchen funcţionează cu hidrogen).

O altă alternativă energetică o constituie metanolul obţinut din biomasă sau din cărbuni inferiori.

7.2 Procese tehnologice de obţinere a energiei termice prin utilizarea

combustibililor convenţionali

Combustibilii fosili (solizi, lichizi sau gazoşi) sunt materiale de natură organică sau derivate ale acestora, care prin combustie degajă o anumită cantitate de căldură

Pentru o combustie completă trebuie să se folosească un exces de aer, calculat pentru fiecare tip de combustibil: excesul mare de aer duce la răcirea flăcării şi la pierderi mari de căldură în gazele arse. Printr-un aport de oxigen suplimentar, temperatura rezultată prin combustie creşte substanţial. Prin preîncălzirea aerului necesar combustiei se pot obţin temperaturi ridicate şi implicit o economie de combustibil, sporind eficienţa procesului.

Combustibilii fluizi se transportă uşor prin conducte, prezintă uşurinţă în reglarea şi în

controlul procesului de combustie, de obicei automatizat, nu lasă reziduu (cenuşă) în instalaţiile de ardere, au putere calorică mare. Întrucât majoritatea combustibililor fluizi sunt formaţi din hidrocarburi, materii prime importante pentru industria chimică, epuizabile într-un număr mai mic de ani decât cărbunii, există tendinţa valorificării superioare a acestora şi substituirea lor la ardere cu alte surse energetice.

Combustibilii solizi (cărbunii, în special) prezintă dezavantajul că au un conţinut

relativ mare de balast (apă, materii volatile şi cenuşă), ceea ce măreşte mult costul cantităţii de căldură produsă. Arderea lor este dificil de controlat şi de automatizat; evacuarea cenuşii din focare şi depozitarea acesteia ridică probleme dificile din punct de vedere tehnic şi economic. Totuşi, cărbunii inferiori îşi menţin o pondere ridicată în balanţa energetică, datorită rezervelor mari de zăcăminte, înlocuind combustibilii lichizi şi gazoşi.

Energia termică obţinută prin utilizarea combustibililor fosili, sau nucleari serveşte la realizarea unor procese tehnologice sau la producerea aburului în generatoarele de abur.

Generatoare de abur Generatorul de abur este un utilaj care transformă apa în abur de presiunea şi

temperatura necesară, cu ajutorul căldurii produse prin arderea combustibililor clasici, sau din reacţii nucleare. Clasificarea generatoarelor de abur se poate face din mai multe puncte de vedere, ca de exemplu:

• după scop: încălzire, obţinere de abur tehnologic, energetic sau combinat; • după sursa de căldură: cu combustibil fosil, nuclear, electrice, solare etc.;

• după presiune: de joasă presiune (0,7-6 atm), de medie presiune (6-50 atm), de înaltă presiune (60-220 atm) şi de presiune supracritică;

• după circulaţia apei: cu circulaţie naturală sau forţată; • după volumul de apă: cu volum mare sau mic.

Elementele constructive ale unui generator de abur sunt: focarul (în cazul utilizării combustiblilor fosili), fierbătorul (vaporizatorul sau cazanul), supraîncălzitorul de abur, economizorul (preîncălzitorul de apă) şi preîncălzitorul de aer.

Focarul. Sub aspect constructiv diferă în funcţie de proprietăţile fizice şi energetice

ale combustibilului utilizat, cât şi de specificul instalaţiilor complexe în care este integrat. Focarul este dotat cu grătare pentru combustibilii solizi, cu injectoare pentru combustibilii lichizi şi cu arzătoare pentru combustibilii gazoşi.

Instalaţiile de ardere a combustibililor sunt prevăzute cu dispozitive de introducere a aerului (normal sau îmbogăţit în oxigen), la temperatura ambiantă, sau preîncălzit. Suflantele de aer trebuie astfel dimensionate încât să asigure un exces de oxigen faţă de cel stoechiometric şi să asigure totodată presiunea necesară pentru tiraj în instalaţie.

Când se utilizează lignit pulverizat, sau şist bituminos se prevăd suplimentar, injectoare de păcură pentru pornirea şi menţinerea stabilităţii arderii. Acestea sunt plasate în focar la mai multe nivele. Prin pornirea sau scoaterea din funcţiune a acestor injectoare se reglează şi temperatura de supraîncălzire a aburului.

Vaporizatorul (fierbătorul sau cazanul) este agregatul în care se produce vaporizarea

apei, datorită schimbului de căldură dintre gazele fierbinţi şi apa supusă încălzirii. Schimbul de căldură se realizează în condiţii optime, cu cât conductivitatea termică a pereţilor este mai ridicată, ceea ce se realizează utilizând apă dedurizată, sau demineralizată.

Sub aspect constructiv, generatoarele de abur se diferenţiază în: • generatoare cu cazane ignitubulare, la care prin ţevi circulă gazele de ardere, ţevile

având o dispoziţie longitudinală şi sunt imersate în apa care se vaporizează (cazanul de tip Cornwall). Aceste cazane au un domeniu limitat de utilizare, deoarece funcţionează cu cantităţi mari de apă în raport cu suprafaţa încălzită, se încălzesc greu (au inerţie mare) şi lucrează la o presiune relativ joasă, de maxim 8 atm;

• generatoare cu cazane acvatubulare, alcătuite dintr-un sistem fascicular de ţevi fierbătoare, aşezate vertical, prin care circulă apa care preia căldura de la gazele de ardere, care circulă în exterior. Gazele fierbinţi rezultate în focar în urma arderii combustibilului cedează cea mai mare parte din căldura lor în zona ţevilor fierbătoare şi a supraîncălzitorului. Pe măsură ce se formează, vaporii de apă se acumulează în colectoare cilindrice (domuri), de unde sunt trimişi în supraîncălzitor.

Generatoarele acvatubulare au cea mai largă răspândire, atât în industria energetică, cât şi în alte industrii unde se utilizează aburi, deoarece lucrează cu randament superior celor ignitubulare. Prezintă suprafaţă mai mare de încălzire şi deci capacitate mai mare de a produce vapori. Lucrează la presiuni mai mari, de 25-40 atm, ajungând şi la 100 atm, presiune care se atinge în timp relativ scurt. Prezintă siguranţă în exploatare şi livrează vapori supraîncălziţi. Dezavantajul constă în înlocuirea periodică a unor părţi din ţevile fierbătoare, datorită depunerilor de săruri pe pereţii interiori.

Supraîncălzitorul este constituit dintr-un sistem de serpentine legate în paralel la unul

sau mai mulţi colectori de intrare şi ieşire a aburului. Se plasează în partea superioară a focarului, în zona de temperatură de 800-900°C. Prin supraîncălzirea aburului se obţine creşterea presiunii acestuia, necesară pentru acţionarea turbinelor. De exemplu: la 1000C presiunea este de 1 atm, la 5000C - 140 atm, 6000C – 240 atm, 6500C – 340 atm.

Pentru realizarea unei economii de căldură, reducerea consumului specific de combustibil şi exploatarea cât mai raţională şi economică a instalaţiei, generatoarele sunt izolate la exterior cu materiale termoizolante. În acelaşi scop, sunt prevăzute cu dispozitive schimbătoare de căldură, care recuperează căldura gazelor înainte de a fi evacuate prin coş, denumite preîncălzitoare pentru apă (economizoare) şi pentru aer.

În fig.7.2 se prezintă schema unui generator de abur cu circulaţie naturală, prevăzut cu cazan acvatubular. Apa epurată din rezervorul 6 se introduce în preîncălzitorul 7, şi de aici în sistemul fierbător (căldarea de abur), format din ţevile fierbătoare 4 şi tamburii colectori 9. Se obţine abur la presiune scăzută, care trece apoi prin supraîncălzitorul 5, pentru creşterea presiunii odată cu creşterea temperaturii şi este trimis la consumator, care în cazul centralei electrice este turbina.

În afară de acest circuit apă-abur, în generator există şi al doilea circuit, aer-combustibil-gaze arse. Astfel aerul preîncălzit în schimbătorul de căldură 1 asigură arderea combustibilului în focarul 2, iar gazele arse produse, care au o temperatură ridicată, străbat sistemul de ţevi fierbătoare prin exterior, apoi cele două preîncălzitoare (7 şi l) şi sunt evacuate la coş (8). Generatorul de abur se găseşte într-o incintă izolată termic.

Fig. 7.2 Schema de principiu a generatorului de abur.

Bilanţul termic stabileşte eficienţa funcţionării generatorului pe baza calculului căldurii produse în focar şi a căldurii conţinute în aburul produs. Diferenţele ce apar între cele două mărimi reprezintă pierderile de căldură. La întocmirea unui bilanţ termic riguros trebuie să se ţină seama şi de cantitatea de căldură intrată cu aerul, apa şi combustibilul şi cea pierduta cu gazele arse, cenuşa etc. In cazul unui generator ce utilizează combustibil gazos, bilanţul termic total poate fi scris sub forma:

ΣQi = Σ Qe + ΣQp unde: Σ Qi - reprezintă căldura intrată

Σ Qe reprezintă căldura ieşită ΣQp reprezintă căldura pierdută

Σ Qi se compune din : a) Qf - căldura produsă prin arderea combustibilului în focar ;

Qf = mc . Pc unde: mc - masa combustibilului

Pc - putera calorifică a combustibilului

b) Qc - căldura combustibilului Qc = mc . cc . tc ,

unde: cc - reprezintă căldura specifică, tc - reprezintă temperatura combustibilului

c) Qapă - căldura apei: Q apă = m apă . c apă . t apă

d) Qaer - căldura aerului Qaer = maer . c aer . t aer

∑ Qe se compune din: a) Qu - căldura utilă, existentă în cu aburul produs

Qu = m abur . H abur unde : H - entalpia aburului (conţinut caloric)

b) Qga - căldura pierdută în gazele arse, evacuate la coş Qga = mga . c ga . t ga

unde : mga - reprezintă masa gazelor arse Se poate scrie ecuaţia bilanţului: Qf + Qc + Qapă + Qaer = Qu + Qga + Qper

În cazul combustibililor solizi apare şi căldura pierdută prin evacuarea cenuşii. Randamentul transformărilor termice într-un cazan de abur este dat de relaţia:

100QQ

f

u ⋅=η (%)

Depinde de tipul cazanului, în general având valori cuprinse între 70 şi 90%. Randamente mai mici au cazanele în care se ard combustibili inferiori solizi, iar randamente mai mari au cazanele în care se ard combustibili lichizi şi gazoşi, sau praf de cărbune.

O premieră industrială în acest domeniu a fost realizată de firma franceză Pechiney, care a făcut posibilă arderea în strat fluidizat a praful de cărbune , cu randament de combustie de 99%, randament termic global de 93,3%, obţinând o producţie de 145 t/abur de 112-145 bari şi 4450C. Concentraţia emisiilor poluante este de asemenea sub normele prevăzute în standardele internaţionale.

Generatorul de abur cu circulaţie forţată (Benson) În generatoarele cu circulaţie forţată lipseşte tamburul de apă, ţevile fierbătoare fiind

sudate câte două pe ambele părţi ale unei platbande din oţel, formând pereţi membrană. Agregatul devine mai suplu, mai uşor, pericolul de explozie e diminuat, dar necesită apă total demineralizată, pentru a nu se depune săruri pe pereţii membranei, cât şi o reglare elastică şi exactă a temperaturii (fig. 7.3). Apa trece prin economizorul 3, coboară în vaporizatorul 8, urcă în vaporizatorul rezidual 5, unde aburul se şi supraîncălzeşte puţin. Aburul parcurge apoi supraîncălzitorul principal 6, după care este livrat la consumator.

Generatorul este în formă de turn, cu coşul de gaze amplasat deasupra. Este executat

din pereţi membrană, izolaţi termic de învelişul metalic exterior. Combustibilul utilizat este praful de lignit sau un amestec de lignit cu şist bituminos. Aceste generatoare se impun din ce în ce mai mult în special la debite unitare mari şi parametrii ridicaţi ai aburului. (de exemplu, 20-1745 t abur/h, presiune abur de 40-340 atm, temperatura de supraîncălzire de până la 650°C).

Randamentul termic este mai mare la generatoarele cu circulaţie forţată, unde poate atinge valoarea de 95%. La alegerea variantei de generator de abur se are în vedere şi consumul de combustibil, care depinde de producţia de abur, randamentul termic şi modul de exploatare.

Prin utilizarea sistemelor de preîncălzire se obţin următoarele avantaje: • reducerea consumului specific de combustibil; • intrarea mai rapidă în regimul de lucru; • evitarea contracţiilor şi a dilatării ţevilor fierbătoare, deci mărirea duratei de

funcţionare, prin preîncălzirea apei; • creşterea randamentului termic.

Schimbătoare de căldură Pentru realizarea transferului de căldură de la un fluid cu nivel termic ridicat (aer cald,

gaze de combustie, abur, apă caldă, uleiuri minerale calde etc.) la un fluid cu nivel termic scăzut (apă rece, aer rece, amestecuri refrigerente etc.) se utilizează utilaje numite schimbătoare de căldură. În funcţie de operaţia pe care o efectuează, schimbătoarele de căldură se numesc: răcitoare, condensatoare, preîncălzitoare, evaporatoare, boilere, fierbătoare etc. În cazul în care servesc la recuperarea căldurii reziduale, sau la menţinerea temperaturii optime într-un utilaj se numesc recuperatoare respectiv regeneratoare de căldură.

Fig. 7.3 Schema unui generator Benson. 1-pompă; 2-dispozitiv de laminare; 3-economizor; 4-suprafaţă de încălzire suplimentară; 5-vaporizator rezidual; 6-supraîncălzitor; 7-arzător; 8-vaporizator; 9-aparat pentru măsurarea diferenţei de temperatură.

Fig. 7.4 Perete membrană. 1-ţevi; 2-izolaţie termică; 3-tablă; 4-ancore.

Eficacitatea transferului termic depinde de suprafaţa de transfer (mărime, natura materialului), natura fluidelor, diferenţa de temperatură ∆t şi direcţia de deplasare a celor două fluide (în echicurent, în contracurent, în curent încrucişat, sau mixt).

Fluxul termic Q este dat de relaţia:

Q = K·A·∆t unde: K = coeficientul total de transfer termic, J/m2·grad·h; A = suprafaţa de transfer termic, m2; ∆ t = diferenţa medie de temperatură:

t"t'ln

t"t't

∆∆

∆−∆=∆

∆t’ şi ∆t” au semnificaţiile prezentate în figura 7.5

Cele mai utilizate schimbătoare de căldură sunt schimbătoarele de căldură tubulare

(fig.7.6.), cu circulaţie în contracurent, în care se realizează un transfer termic eficient. Acest tip de utilaj poate fi utilizat şi în calitate de reactor catalitic, în care caz în spaţiul tubular se aşează catalizatorul.

Fig. 7.5 Circulaţia fluidelor şi variaţia temperaturii în lungul unui schimbător de căldură.

Pentru schimbul termic realizat sub 500°C se utilizează schimbătoare de căldură din

oţel carbon, până la 900°C, din oţeluri aliate, iar în cazul purtătorilor de căldură cu temperaturi suprinse între 900°C şi 1400°C se construiesc recuperatoare de căldură din materiale refractare (şamotă etc.).

7.3 Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice în centrale termoelectrice Energia chimică a combustibililor fosili este transformată în energie termică a gazelor

arse prin procesul de combustie, care se desfăşoară în focarul generatorului de abur, sau într-o cameră de ardere; această căldură este preluată de agentul de transfer termic (apă sau gaze) utilizat în centrala termoelectrică. Astfel, energia termică a gazelor arse este transmisă apei dedurizate (demineralizate), care se transformă în abur, ce acţionează turbinele de abur, sau este transmisă unor gaze (CO2, N2, He, aer), în cazul termocentralelor cu turbine cu gaze .

Centralele termoelectrice folosesc ca sursă de energie primară cărbunele, gazele naturale sau păcura. Ele cuprind utilajele şi agregatele necesare etapelor de transformare a diferitelor forme de energie.

În funcţie de agentul motor care produce transformarea energiei termice în energie mecanică, centralele termoelectrice sunt:

• termocentrale cu turbine cu abur, când agentul motor îl reprezintă aburul supraîncălzit; • termocentrale cu turbine cu gaze, când agentul motor îl reprezintă gazele cu presiune

ridicată; • centrale termoelectrice cu ciclu mixt: abur-gaz, când transformarea energiei termice în

energie mecanică se realizează atât prin utilizarea aburului supraîncălzit, cât şi a gazelor la presiune.

7.3.1 Centrale termoelectrice cu turbine cu abur În funcţie de modul în care se valorifică energia potenţială a aburului ce intră în

turbine se disting următoarele tipuri de termocentrale: cu condensaţie, cu termoficare (con-trapresiune), cu prize de abur.

Lanţul transformărilor energetice este următorul: Echimică → Etermică → Eabur → Emecanică → Eelectrică

Fig. 7.6 Schimbător de căldură tubular (în contracurent). 1-manta; 2-placă tubulară; 3-ţevi şi spaţiu tubular; 4-capace; 5-flanşă de prindere a capacului. Montarea ţevilor în plăcile tubulare: a) după hexagoane regulate; b) după cercuri concentrice.

a

b

Primele două transformări energetice au loc în generatorul de abur, următoarea transformare are loc în turbină şi ultima în generatorul electric.

Turbina cu abur Este un dispozitiv care transformă energia acumulată în aburul produs de cazan la

presiuni ridicate, în energie mecanică prin intermediul unor palete aflate în mişcarea de rotaţie. Prin urmare, energia potenţială a aburului este transformată în energie cinetică.

În centralele termoelectrice cu condensaţie se utilizează turbine multietajate (în trepte) la care presiunea finală de ieşire a aburului din utilaj este apropiată de cea atmosferică. În acest fel se consumă cea mai mare parte a energiei conţinute în abur, randamentele acestor turbine fiind ridicate.

În centralele cu contrapresiune, aburul este evacuat la presiuni superioare celei atmosferice în vederea utilizării lui în alte scopuri, de ex. ca abur tehnologic, abur pentru termoficare etc. Randamentele propriu-zise ale acestor turbine sunt mai scăzute, însă dacă se ia în considerare utilizarea căldurii aburului secundar, acest tip de instalaţii sunt mai eficiente.

Mărimile caracteristice turbinelor sunt: puterea, turaţia, debitul de abur, (t/h), presiunea şi temperatura aburului la intrare şi ieşire. Din punct de vedere economic, prezintă importanţă puterea efectivă, Pe,, la arborele turbinei care se poate determina prin raportul:

Pe = Pn .ηg unde: Pn - puterea nominală a generatorului de curent electric aşezat coaxial cu turbina

ηg - randamentul generatorului. Generatorul de curent electric Este o maşină electrică care transformă energia mecanică primită de la turbină în

energie electrică. Mărimile caracteristice generatorului sunt: turaţia, puterea şi tensiunea la borne.

Puterea generatorului trifazat utilizat cel mai frecvent în industria electromecanică, este dată de relaţia:

P = √ 3 . U . I . cos ϕ, unde: U - tensiunea electrică dintre faze, în volţi

I - curentul de linie, în amperi ϕ - unghiul de defazaj dintre tensiunea şi intensitatea curentului. Tendinţa actuală este de a construi generatoare de puteri din ce în ce mai mari,

deoarece indicii economici cresc direct proporţional cu puterea generatorului. Se construiesc turbogeneratoare până la 1300 MW la tensiuni ce variază între 400V şi 24 kV.

Randamentul generatorului este definit prin raportul dintre puterea utilă furnizată la borne, P2, şi puterea primită de la turbină P1.

Valoarea randamentului depinde de mai mulţi factori şi creşte odată cu puterea. Astfel, pentru turbogeneratoare răcite cu aer, în plină sarcină şi la cos ϕ= 0,8, randamentul este de 92 - 95%, la puteri de 0,5 - 3MW şi 95 - 98% la puteri de 3,5 - 100 MW. Randamentul generatoarelor moderne de mare putere, răcite cu hidrogen, atinge 99%.

Centrale termoelectrice cu condensaţie În centralele termoelectrice cu condensaţie (fig. 7.7), energia potenţială a aburului cu

t = 560°C şi p = 140-240 atm este transformată în lucru mecanic de către o turbină, în care aburul se destinde total până la presiunea de 1-1,2 atm (abur mort), după care este evacuat într-un condensator. Condensul se recirculă în generatorul de abur, după ce pierderile de apă au fost completate cu apă dedurizată. Energia aburului este utilizată integral pentru obţinerea energiei electrice. Termocentralele cu condensaţie funcţionează cu un randament de cca. 16-35%.

Bilanţul energetic se calculează cu relaţia: Ei = Eu + Ep

în care: Ei - energia introdusă în sistem; Eu - energia utilă; Ep - energia pierdută / disipată

În cazul centralelor termoelectrice cu condensaţie se notează cu: Q - cantitatea de căldură dată de către combustibil; L - lucrul mecanic util executat de aburul introdus în turbină; Qo - cantitatea de căldură pierdută în condensator; q - pierderi diverse de căldură (cu gazele de ardere, prin radiaţie etc.). Bilanţul energetic devine:

Q = L + (Qo + q) Randamentul energetic:

%,100EE

i

u ⋅=η sau:

100Q

qQ1100Q

q)(QQ100QL oo ⋅

+−=⋅

+−=⋅=η

Centrale termoelectrice cu contrapresiune, sau cu termoficare În termocentrale cu termoficare (fig.7.8) aburul iese parţial destins din turbina cu

contrapresiune, la o presiune suficient de ridicată (6 atm) pentru a putea fi utilizat în unele procese tehnologice, sau la încălzirea clădirilor (industriale sau edilitare). În procesul de termoficare, aburul se condensează, după care este colectat şi recirculat în cazanul de abur. Randamentul acestor centrale este mai ridicat, ajungând 60-65%.

Fig.7.7 Schema de principiu a centralei termoelectrice cu con-densaţie: 1-cazan de abur; 2-supraîncălzitor; 3-turbină de abur; 4-generator electric; 5-condensator; 6-turn de răcire; 7-pompă; 8-rezervor apă; 9-staţie dedurizare apă.

Bilanţul energetic: Q = L1 + Q1 + q

în care: Q1 - căldura utilizată pentru termoficare. Randamentul energetic:

100Qq1100

QqQ100

QQL 11 ⋅−=⋅

−=⋅

+=η

Centrale termoelectrice cu prize de abur În aceste termocentrale (fig.7.9) o parte din abur este utilizat pentru obţinerea energiei

electrice şi iese din turbină ca abur mort (1-1,2 atm), iar altă parte din abur iese din turbină la presiunea de 6 atm, parţial destins şi este utilizat la termoficare. Punctele din care se preia aburul tehnologic se numesc “puncte de priză”, iar dispozitivele prin intermediul cărora se ia aburul se numesc prize de abur.

Bilanţul energetic: Q = L2 + Q2 + (Q’

o + q) Randamentul energetic:

o'o

o22 QQ,100Q

qQ1100Q

QL<⋅

+−=⋅

+=η

Consideraţii tehnico-economice Termocentrale cu condensaţie. Randamentul global al acestor centrale este egal cu

raportul dintre energia produsă la bornele generatorului şi energia combustibilului ars în focarul cazanului şi este cuprins între 36 şi 42% pentru centrale moderne şi poate fi chiar mai mic pentru centrale mai vechi:

100PC

E3600

c

gC ⋅

⋅

⋅=η (%)

unde: Eg - reprezintă energia electrică produsă de generator; C - consumul de combustibil al cazanului, kg /h; Pc - puterea calorifică a combustibilului, kJ/kg; 3600 - factorul de transformare energie electrică / energie termică.

Fig. 7.8 Schema de principiu a centralei termoelectrice cu termoficare.

Fig. 7.9 Schema de principiu a centralei termoelectrice cu prize.

Acest randament este egal cu produsul randamentelor fazelor ce concură la transformarea energiei chimice în energie electrică:

ηCC =ηcazan . ηturbină . ηgenerator . ηx

unde: ηx - reprezintă produsul altor randamente precum a conductelor de abur, utilizării interne de abur etc. Pentru creşterea randamentului se tinde să se mărească în primul rând randamentul

termic al cazanului, care este cel mai scăzut, în jur de 45-50%, prin ridicarea presiunii aburului, preîncălzirii recuperative, supraîncălzirii intermediare etc.

Avantajul principal al acestui tip de termocentrale îl constituie faptul că pot fi amplasate în imediata apropiere a sursei de combustibil, eliminându-se astfel cheltuielile de transport cu combustibilul, de cele mai multe ori cărbune inferior.

Centralele cu termoficare produc atât energie electrică cât şi căldură pentru

alimentarea consumatorilor termici. În funcţie de natura consumului acoperit de centrală se deosebesc termocentrale industriale, urbane şi mixte, care pot cuprinde şi sere agricole. Randamentele acestor centrale sunt cuprinse între 60 şi 65% şi depind de anotimp şi modul de utilizare a aburului secundar.

Randamentul global al acestor centrale este dat de relaţia :

100PC

QE3600

c

tg ⋅⋅

+⋅=η (%)

unde: Qt - reprezintă energia termică livrată pentru termoficare, celelalte notaţii având aceleaşi semnificaţii ca în cazul anterior. 7.3.2 Instalaţii cu turbine cu gaze Turbinele cu gaze reprezintă un tip de motor termic mai recent introdus în sectorul

energetic, dar şi în alte domenii industriale în care este necesară producerea de energie mecanică şi electrică din energia dezvoltată prin combustie, sau în diferite procese tehnologice ca energie reziduală.

Comparativ cu instalaţiile cu turbine cu abur, instalaţiile cu turbine cu gaze prezintă următoarele avantaje:

• lipsa generatorului de abur şi a instalaţiilor anexe care măresc investiţiile şi costul suprafeţelor ocupate;

• lipsa instalaţiilor de condensare şi a instalaţiilor anexe; • debit de apă foarte redus şi posibilitatea utilizării apei de răcire cu temperatură

ridicată; • dimensiuni de gabarit reduse la puteri unitare egale; • posibilitate de pornire rapidă, chiar la puteri unitare mari (15 minute faţă de 7-8 ore la

termocentralele cu abur); • posibilitatea realizării unor instalaţii mobile cât şi a unor grupuri compacte cu puteri

mici şi foarte mici în scopuri speciale; • domeniu de utilizare deosebit de extins.

În prezent, tipurile de turbine cu gaze au ajuns să aibă caracteristici comparabile cu a celor mai moderne instalaţii cu turbine cu abur, care se găsesc după o îndelungată perioadă de funcţionare.

Alegerea unui anumit tip de turbină se face în urma unei analize termodinamice, care

urmăreşte să stabilească, prin calcule preliminarii pentru fiecare variantă în parte, valorile

optime ale randamentului, debitului specific de gaze şi consumul de combustibil. Compararea variantelor din punct de vedere tehnico-economic: cost, greutate, condiţii generale de exploatare, factor de amortizare, serveşte în primă aproximaţie, la stabilirea investiţiilor şi a cheltuielilor de exploatare. După alegerea tipului de turbină şi stabilirea parametrilor termodinamici determinanţi (tipul şi parametrii ciclului de funcţionare, temperatura maximă în zona paletelor primei trepte, raportul de compresie, factorul de recuperare, pierderi hidraulice etc.), se dispune de elementele necesare pentru proiectarea diferitelor părţi constructive ale instalaţiei (turbină, compresor, cameră de ardere, schimbătoare de căldură), precum şi pentru optimizări.

În fig. 7.10 se prezintă o instalaţie de producere a energiei electrice cu turbină cu gaze (aer, heliu). Agentul termic, după trecerea prin compresor (C) şi recuperatorul de căldură (1), se încălzeşte mai întâi în schimbătorul de căldură (2) şi cu temperatura de 660-700°C şi 27 at intră în turbină (T). După destindere, căldura reziduală este utilizată în schimbătorul de căldură recuperator (1), agentul termic se răceşte apoi la 140°C şi se recirculă în sistem. Compresorul şi generatorul sunt alimentate de către turbină, când aceasta intră în regim. Puterea unitară a instalaţiei este de 200 MW.

În stadiul actual, randamentele instalaţiilor cu turbine cu gaze cu putere unitară de

10-20 MW şi care funcţionează la temperaturi maxime de 650-700°C au ajuns să egaleze şi chiar să depăşească randamentele instalaţiilor cu turbine cu aburi cu puteri de 100 MW.

Prin introducerea unor cicluri cu evoluţii noi (destindere izotermă în turbină), randamentele totale ale acestor tipuri de instalaţii producătoare de energie ar putea ajunge la valori de 45-65%, la temperaturi maxime ale gazelor de 600-1000°C.

În instalaţiile cu turbine cu gaze se poate utiliza orice fel de combustibil şi chiar gaze cu putere calorică redusă (gaze produse prin gazeificare subterană a cărbunilor, gaz de furnal, gaze de generator etc.), care prezintă dificultăţi la utilizare în focarele cazanelor generatoare de abur.

Consumul de apă în acest tip de instalaţii este de numai 25-35% din consumul instalaţiilor cu turbine cu abur, în afară de faptul că în cazul turbinelor cu abur apa trebuie să fie tratată în vederea îndepărtării durităţii. Din această cauză, instalaţiile cu turbine de gaze sunt indicate în locuri lipsite de apă, sau ca instalaţii de vârf şi de avarie.

În general, la puteri de peste 100 MW turbinele cu abur sunt de preferat; la puteri de 50 MW turbinele cu gaze pot da rezultate bune, la puteri sub 25 MW randamentul instalaţiilor cu turbine cu gaze depăşeşte net pe cel al instalaţiilor cu turbine cu abur.

Fig. 7.10 Schema centralei electrice cu turbină de gaze, cu circuit închis.

1 –schimbător de căldură; 2-preîncălzitor pentru gaze; 3-răcitor cu gaz de reciclu; CA - cameră de ardere; T - turbină de gaze; M - motor; C-compresor.

Domeniul de utilizare al instalaţiilor cu turbine cu gaze este deosebit de extins, cuprinzând domeniile de utilizare ale tuturor celorlalte tipuri de motoare termice:

Industria energetică, în centrale termoelectrice cu termoficare, centrale mobile (6200 kW, pe 2 vagoane), centrale atomoelectrice (10-60 MW). În circuitul turbinelor cu gaze se pot utiliza, în calitate de agenţi termici: aerul, azotul, CO2, He etc. Cele mai mari avantaje le prezintă He, care utilizat în circuit închis la presiuni de 70-90 at permite realizarea unei puteri unitare de 100 MW la dimensiuni şi greutăţi reduse ale instalaţiei.

În industria metalurgică la alimentarea cu aer a furnalelor, când consumul specific de combustibil se reduce la jumătate din consumul normal (din instalaţiile cu suflante acţionate cu turbine cu abur);

În industria chimică şi petrochimică: la fabrica de HNO3, la fabricile de NaOH, în instalaţiile de cracare termică sau catalitică, la fabricarea olefinelor, pentru acţionarea turbocompresoarelor şi agregatelor frigorifice etc.;

În industria petrolieră, pentru menţinerea presiunii de zăcământ (se introduc în zăcământul de ţiţei gaze naturale sau de sondă la presiunea corespunzătoare acestuia);

În transporturile aeriene, unde turbinele cu gaze au un rol predominant, la motoarele navale, locomotivele de mare putere, automobile etc.

Necesitatea creşterii randamentului de transformare a energiei combustibililor fosili a condus nu numai la dezvoltarea procesului cu abur, dar şi la utilizarea instalaţiilor cu ciclu mixt abur-gaz (ICAG), la care creşte randamentul energetic faţă de centralele cu abur cu 4-5%.

7.4 Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice în centrale nuclearoelectrice În energetica nucleară se utilizează energia termică degajată în procesul de fisiune a

nucleelor grele de combustibili nucleari, care pot fi materiale fisionabile naturale ( )U23592 ,sau

materiale fisionabile artificiale ( U23392 , )Pu239

94 .

Izotopul ( )U23592 se găseşte în proporţie de 0,7% în minereul de uraniu, restul de 99,3%

fiind U23892 , care nu fisionează uşor. Izotopul U238

92 poate fi transformat, în reactorii reproducători cu neutroni rapizi, în Pu239

94 , care fisionează; în mod similar, Th23290 este transformat în U233

92 . Izotopii U233

92 , U23592 şi Pu239

94 sunt substanţe fisile (fisionează), iar U23892 şi Th232

90 - sub-stanţe fertile, materii prime pentru producerea materialului fisil.

Reacţiile de fisiune nucleară se produc prin bombardarea nucleelor izotopilor

fisionabili cu neutroni, când fiecare nucleu se rupe în două fragmente inegale, cu punerea în libertate a unei cantităţi uriaşe de energie termică şi cu eliberarea a 2-5 neutroni. Astfel, la bombardarea izotopului U235

92 cu neutroni termici se formează iniţial izotopul U23692 instabil.

Practic, izotopul U23592 suferă o fisiune nucleară de tipul:

)52(1o

23692

1o

23592 ÷=++→→+ xnxBAUnU

care poate decurge, spre exemplu, astfel: nBaKrnU 1

o11456

9236

1o

23592 3++→+ sau:

nXeSrnU 1o

14054

9138

1o

23592 3++→+

Elementele formate sunt izotopi instabili, datorită numărului mare de neutroni pe care îl conţin în nucleu şi de aceea sunt puternic radioactive. Ele se transformă prin dezintegrări radioactive (emisie de radiaţii: α, β, γ) în izotopi stabili. Radiaţiile α sunt nuclee de heliu, β sunt electroni în mişcare, iar γ sunt radiaţii ondulatorii, de natură electromagnetică. Printre produşii de fisiune au fost identificate circa 34 de elemente (molibden, staniu, cesiu, stronţiu, iod, tecteţiu, xenon, kripton etc.).

Neutronii rezultaţi în reacţia de fisiune nucleară pot fi captaţi de nuclee de U23592 ,

provocând fisiunea lor. Reacţia se continuă astfel de la sine, se multiplică, conducând la o reacţie în lanţ, ce se desfăşoară cu viteze foarte mari.

Probabilitatea ca neutronii rezultaţi dintr-o reacţie de fisiune să întâlnească alte nuclee creşte odată cu creşterea numărului de nuclee de combustibil nuclear din jurul punctului unde a avut loc reacţia.

Pentru a micşora pierderile de neutroni prin ieşirea neutronilor rapizi din reactor, aceştia sunt frânaţi prin ciocniri elastice cu nucleele atomilor de elemente uşoare (moderatori) când cedează o parte din energia lor cinetică. Frânarea (termalizarea) are loc prin reducerea vitezei neutronilor rapizi prin ciocniri elastice, până la nivelul energiei termice (≅ 0,025 eV).

În calitate de moderator se utilizează hidrogenul sau deuteriul, sub formă de apă obişnuită sau apă grea, carbonul sub formă de grafit, beriliul (Be) ca metal sau oxid şi chiar unele substanţe organice bogate în hidrogen. Acestea pot fi intercalate printre materialele fisionabile în mod omogen sau în mod eterogen. Prin procesul de moderare neutronii rapizi sunt transformaţi în neutroni termici sau lenţi.

Dacă reacţia în lanţ se autoamplifică, aceasta corespunde unui regim supercritic; scăzând numărul de reacţii de fisiune, reacţia în lanţ încetează, regimul devenind subcritic. Dacă reacţia în lanţ este în regim staţionar atunci regimul este denumit critic. Pentru a menţine reacţia de fisiune a U235

92 în lanţ neîntrerupt prin neutroni termici, urmează ca din cei 2-5 neutroni rezultaţi la o fisiune pierderile de neutroni să nu depăşească 1-5 neutroni.

Cantitatea minimă de material fisionabil: U23592 , U233

92 , Pu23994 , Pu241

94 , necesar ca să menţină şi să întreţină în reactor reacţia de fisiune în lanţ se numeşte “masă critică”.

Masa critică (masa de combustibil nuclear suficientă pentru a menţine regimul critic

într-un reactor) este o valoare caracteristică pentru fiecare material fisionabil. De exemplu, masa critică pentru U235

92 în stare metalică este de 22,8 kg, iar pentru Pu23994 metalic, de numai

5,6 kg. Pentru a menţine un reactor în funcţiune, acesta trebuie înzestrat cu o cantitate mai

mare de combustibil nuclear decât masa critică, deoarece concentraţia materialului fisionabil scade prin procesul de fisiune, respectiv prin ardere.

La pornirea reactorului, de asemenea, este necesar un mic exces de reactivitate. Reactorul, are astfel mai mult combustibil nuclear şi de aceea se impune crearea unor posibilităţi de reglare. În acest scop se utilizează materiale cu putere mare de absorbţie a neutronilor termici (de exemplu: oţel cu bor, cadmiu sau hafmiu) sub formă de bare de control şi supercontrol - bare de reglare. Acestea, după necesitate sunt imersate, mai mult sau mai puţin, în interiorul masei active a reactorului.

7.4.1 Reactoare nucleare Energia nucleară este valorificată în scopuri tehnologice şi energetice prin conducerea

reacţiilor de fisiune, în reactoare nucleari.

Reactoare nucleare cu neutroni termici Reactoarele în care fisiunea U235

92 este produsă cu neutroni lenţi (termici) se numesc reactoare cu neutroni termici, sau de generaţia I.

În principiu, un reactor nuclear cu neutroni termici (fig. 7.11) este alcătuit din:

• zona activă, în care se petrece reacţia nucleară de fisiune, constituită din combustibilul nuclear (sub formă de bare, plăci, ţevi sau suspensie);

• barele de reglare, care au rolul de a controla desfăşurarea reacţiei de fisiune (respectiv pornirea, intensificarea, încetinirea, oprirea) prin utilizarea unor substanţe puternic absorbante de neutroni liberi: aliaje ce conţin bor, hafmiu sau cadmiu. La scoaterea barelor de reglare din zona activă, reacţia de fisiune porneşte fiind cu atât mai intensă, cu cât adâncimea de pătrundere a barelor în miezul reactorului este mai mică;

• moderatorul are rolul de a reduce viteza neutronilor “rapizi”, astfel încât aceştia să poată avea o suficientă energie, încât să ciocnească o cantitate corespunzătoare de nuclee grele. În calitate de moderatori, se utilizează apa, apa grea, grafitul, berilul, oxidul de beriliu ş.a. În sistem eterogen - combustibilul nuclear se află sub formă de bare înconjurate de moderator (reactorii eterogeni sunt cel mai frecvent utilizaţi), iar în sistem omogen, combustibilul nuclear şi moderatorul formează un amestec: soluţie sau suspensie de combustibil în moderator;

• sistemul de răcire. Căldura produsă în zona activă a reactorului nuclear este preluată şi transferată prin intermediul unui agent de transfer termic (apa, apa grea, gaze: CO2, heliu, metale topite: Na, sau substanţe organice termostabile ca difenilul), care circulă în zona activă prin ţevi;

• protecţia biologică alcătuită din pereţi groşi de beton şi alte materiale de protecţie în vederea diminuării sau stopării complete a procesului de difuzie a radiaţiilor radioactive către mediul exterior zonei active.

Caracteristicile principalelor tipuri de reactori cu neutroni termici sunt prezentate în tabelul 7.2; denumirea prescurtată provine din limba engleză: G.C.R. (Gaz Cooled Reactors), PWR (Pressurised Watter Reactors), sau BWR (Boiling Watter Reactors) şi PHWR (Pressurised Heavy Watter Reactors).

Asigurarea combustibilului nuclear solicită eforturi de cercetare-dezvoltare, în vederea punerii la punct a unor procese industriale de mare fineţe şi complexitate, pentru toate fazele ciclului: extragerea din mină, concentrarea minereului, respectiv obţinerea pastei galbene

Fig.7.11 Schema de principiu a unui reactor nuclear cu neutroni termici. 1-bare de combustibil nuclear;2-bare de reglare a procesului de fisiune nucleară; 3-dispozitiv de acţionare a barelor de reglare; 4-moderator (de ex.,apă grea); 5,6-protecţie biologică.

U3O8; conversia oxidului de uraniu U3O8 în hexafluorură de uraniu UF6; îmbogăţirea în izotopul U235

92 , reconversia hexafluorurii de uraniu în bioxid de uraniu UO2; fabricarea elementelor combustibile.

Caracteristicile unor reactoare nucleare

Tabelul 7.2

Agent de transfer termic Tip de reactor nuclear

Combustibil nuclear Moderator tip pres. (atm) temp. (°C)

GCR uraniu grafit CO2 He

30 90

400 500

PWR uraniu 3,5% îmbogăţit

apă sub presiune

apă sub presiune 145 320

BWR uraniu 2,5% îmbogăţit apă apă şi abur 70 285

PHWR uraniu apă grea sub presiune

apă grea sub presiune 100 300

Pentru 1 kg de uraniu îmbogăţit la 3% U235

92 sunt necesare 5,5 kg de uraniu natural sub formă de hexafluorură de uraniu UF6 şi aproximativ 4,3 kg de unităţi de lucru de separare (SEU) - unitate convenţională de măsurare a cantităţii de muncă vie necesară prelucrării uraniului, exprimată în kg.

Pentru reducerea consumului energetic de îmbogăţire a uraniului se utilizează laser, consumându-se de 1000 ori mai puţină energie în comparaţie cu metoda difuziei gazoase.

După un anumit timp de funcţionare, reactorul este oprit, barele de uraniu se scot şi se supun unei prelucrări chimice prin care izotopii radioactivi sunt separaţi de uraniul nefisionat, care se reutilizează. Separarea şi purificarea izotopilor formaţi în reactor prezintă dificultăţi considerabile, din cauza puternicei lor radioactivităţi.

Reactoarele cu neutroni termici asigură un grad mic de utilizare a uraniului natural. Reactoarele reproducătoare FBR Reactoarele reproducătoare de generaţia a II-a funcţionează cu neutroni rapizi, fără

moderatori. Eficienţa reactoarelor reproducătoare sau convertoare constă în producerea energiei

concomitent cu obţinerea unui combustibil nuclear artificial ( U23592 , Pu239

94 ) cu un consum de combustibil foarte redus.

Reactoarele reproducătoare au o zonă activă în care se găseşte o cantitate mică de Pu239

94 sau U23592 necesară funcţionării reactorului, în sensul producerii de neutroni rapizi. În

jurul acesteia se găseşte substanţa fertilă, uraniul natural U23892 sau thoriu Th232

90 care prin reacţii de transmutare (eliminare β) se transformă în Pu239

94 , respectiv, în U23392 , conform

reacţiilor:

Pu - Np .

- U n + U 23994

23993

23992

10

23892 zile2,3min23

ββ→

U

- Pa

- Th n + Th 23392

23391

23390

10

23290

ββ→

Întrucât procesul decurge în prezenţa neutronilor rapizi, reactoarele reproducătoare funcţionează fără moderator. Se obţin astfel izotopii U233

92 şi Pu23994 , materiale fisionabile cu un

factor de conversie de 1,2 - 1,5. Prin transformarea U238

92 , reactorul cu neutroni rapizi produce o cantitate de Pu23994 , mai

mare decât cantitatea de Pu23994 consumată pentru producerea neutronilor rapizi. Timpul de

dublare a cantităţii de Pu este de 10-15 ani. Atunci când se va realiza un timp de dublare a cantităţii de combustibil nuclear egal cu timpul de dublare al producţiei de energie electrică în CNE - teoretic, nu va mai fi necesar să se extragă nici un kg de minereu de uraniu, toată cantitatea de combustibil necesar funcţionării CNE fiind livrată de reactorul reproducător.

Reactorul cu neutroni rapizi LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor) utilizează drept agent de transfer termic sodiu lichid, care nu absoarbe şi nici nu reduce viteza neutronilor rapizi. Căldura preluată de Na în procesul de fisiune este transferată într-un schimbător de căldură, apei care se transformă în abur.

Aburul energetic rezultat în reactoarele cu neutroni lenţi sau în reactoarele cu neutroni rapizi este utilizat în scopul producerii energiei electrice în centrale atomoelectrice.

Perspective în obţinerea energiei termice prin utilizarea reacţiilor de fuziune nucleară Cantităţi mari de energie termică se degajă şi în procesul de fuziune nucleară, când,

prin unirea nucleelor foarte uşoare în nuclee grele, se transformă 0,4-0,7% din masă în energie.

Deuteriul sau tritiul, izotopii grei ai hidrogenului, se găsesc din abundenţă în “oceanul mondial” (în proporţie de 1/5.000), ceea ce reprezintă de circa 500 ori mai mult faţă de energia conţinută în toţi combustibilii fosili ai planetei. Dintr-un litru de apă obişnuită se poate extrage echivalentul energetic a 3.000 l de benzină.

Spre deosebire de fisiunea nucleară, fuziunea se poate obţine dintr-o cantitate infimă de materie: un mare reactor pe bază de fuziune va conţine doar aproximativ 2 grame de combustibil într-un ciclu de reacţie, iar reziduurile sale vor fi de 1.000 ori mai puţine decât în reactoarele nucleare clasice.

Reacţiile de fuziune nucleară de exemplu: nHeHH 1

042

31

21 +→+

nHeHH 10

32

21

21 +→+

pot avea loc doar în condiţiile în care nucleele sunt apropiate foarte mult, astfel încât forţa de respingere electrostatică să poată fi învinsă şi să intervină forţele nucleare.

Metoda cea mai eficientă pentru obţinerea unor reacţii de fuziune este “încălzirea” nucleelor prin realizarea unor temperaturi cât mai înalte, respectiv 108-109 K. La asemenea temperaturi, gazul cu deuteriu sau deuteriu-tritiu devine plasmă - stare a materiei neutră formată din electroni liberi, nuclee şi din atomi neutri. Pentru a obţine o densitate cât mai mare de nuclee este necesară îngrădirea într-un volum cât mai mic a acestora (confinarea) pentru un timp îndelungat.

Valoarea caracteristică care interesează pentru producerea procesului de fuziune nucleară este produsul dintre numărul de nuclee (n) şi timpul de confinare (µ). La o temperatură de 8x108 K valoarea (n·µ) va trebui să fie pentru sistemul deuteriu-tritiu mai mare de 1016 cm-3·s.

Realizarea acestor două condiţii se face prin două metode: • confinarea magnetică la care încălzirea plasmei se realizează cu ajutorul curenţilor ce

circulă în interiorul acesteia, iar confinarea este asigurată de câmpul magnetic în care se află;

• confinarea inerţială, în care căldura se realizează prin focalizarea pe o minusculă sferă de deuteriu solid a unui fascicul laser sau de electroni relativişti, astfel încât încălzirea nucleelor să aibă loc într-un timp foarte scurt în care inerţia împiedică expansiunea plasmei.

La noi în ţară, cercetările se desfăşoară pe instalaţii de plasme focalizate, care datorită densităţilor şi temperaturilor deosebit de mari prezintă interes deosebit pentru studiul unor parametri esenţiali ai plasmelor termonucleare: densitate, temperatură, timp de confinare.

Fuziunea nucleară ar prezenta avantajul, faţă de producerea energiei termice prin fisiune, unei mai uşoare accesibilităţi la materia primă - hidrogenul, practic inepuizabilă, cât şi din punctul de vedere al lipsei de nocivitate a deşeurilor. Investiţiile foarte mari pentru realizarea instalaţiilor şi utilizarea lor pentru un timp foarte redus, de ordinul secundelor, nu au permis aplicarea industrială a principiului fuziunii nucleare în producerea energiei termice şi electrice.

7.4.2 Centrale nuclearoelectrice (atomoelectrice) Centralele nucleare sunt instalaţii complexe care utilizează energia termică produsă în

reactoare nucleare pentru producerea energiei electrice, conform următorului lanţ de transformări energetice:

CNE se pot clasifica în funcţie de tipul de combustibil utilizat, de tipul de moderatori

şi de agenţii termici care preiau căldura ce se degajă în urma reacţiei de fisiune nucleară în zona activă a reactorului.

În funcţie de agenţii termici utilizaţi, CNE sunt dotate fie cu turbine cu abur, fie cu turbine cu gaze.

În funcţie de gradul de protejare biologică, CNE pot funcţiona cu un singur circuit, cu

două circuite sau cu trei circuite. CNE cu un singur circuit prezintă avantaje tehnologice şi economice, funcţionează cu randamente ridicate, dar aburul (sau gazele) care preia căldura din zona activă a reactorului prezintă un grad avansat de radioactivitate şi deci pericol de iradiere. Centralele cu două (fig.7.12.) şi trei circuite funcţionează cu randamente globale mai mici, însă prezintă siguranţă mai mare în funcţionare şi pericol redus de poluare a sistemului ecologic.

Energie nucleară

Energie termică

Energie mecanică

Energie electrică

Fig. 7.12 Centrala nucleară cu reactor cu neutroni termici. A-sala reactorului; B-sala turbinelor; C-sala schimbătoarelor de căldură. 1-reactor nuclear; 2-turbină cu abur; 3-generator curent electric; 4-condensator; 5-pompă de recirculaţie; 6-schimbător de căldură.

Notând cu I investiţia, η randamentul şi P protecţia oamenilor, cu indicii 1,2,3 numărul de circuite ale unei CNE se pot scrie relaţiile:

I1 < I2 < I3 ; η1 > η2 > η3 ; P1 > P2 > P3 unde: η1 = 50%, η2 = 30%, η3 = 18-20%.

CNE cu două circuite CNE cu două circuite funcţionează cu un reactor nuclear eterogen, unde combustibilul

nuclear este dispus sub formă de bare, care alternează cu barele de reglare şi moderatorul - apa grea, care circulă prin conducte de presiune.

În calitate de combustibil nuclear se utilizează bare de U23592 , iar ca agent de transfer

termic se foloseşte chiar moderatorul - apa grea, sau dioxid de carbon sub presiune (pentru primul circuit). În unele variante apa grea circulă prin conducte de mare presiune în care este dispus combustibilul nuclear U235

92 ; prin aceasta se realizează paralel cu termalizarea neutronilor şi un transfer termic eficient. În cel de al doilea circuit, se utilizează în calitate de agent de transfer termic apă sau apă grea.

Prima CNE din România funcţionează cu reactor PHWR tip CANDU care utilizează combustibil uraniu natural sub formă de pastile ceramicate, iar ca agent de transfer termic cât şi ca moderator apa grea - apa deuterată (fig.7.13). Denumirea de CANDU este prescurtarea cuvintelor CANADIAN-DEUTERIUM-URANIUM.

Fig. 7.13 Schema CNE tip CANDU

1-calandria; 2-tub de zircalloy; 3-ţevi din oţel refractar; 4-maşină de încărcare; 5-cazan de abur; 6-turbină cu abur; 7-generator electric; 8-condensator; 9-pompă apă de răcire; 10-pompă de recirculare.

În principiu, rectorul PHWR-Candu-6 este construit din: vasul de oţel calandria

traversat de ţevi prin care circulă sub presiune agentul de transfer termic (apa grea), ţevi de Zircaloy (aliaj pe bază de zirconiu) care conţin combustibilul nuclear (pastile de oxid de uraniu natural), circuitul principal al căldurii primare, respectiv circuitul agentului de transfer

termic cu pompele de recirculare a acestora şi vasul de presurizare (p = 100 atm), circuitul moderatorului cu pompa de recirculare şi generatoarele de abur.

În calandria există cca. 380 canale care conţin tuburile de zircaloy cu pastilele de oxid de uraniu natural. Aceste tuburi sunt “spălate” permanent de agentul de transfer termic (apa grea) sub presiune, care preia energia termică dezvoltată în procesul de fisiune nucleară şi o transmite apei în generatorul de abur. Mult răcită, apa grea este adusă în calandria cu ajutorul pompelor şi circuitul se reia. Apa grea este şi moderatorul, ce menţine procesul de fisiune în limitele de securitate nucleară.

În generatoarele de abur se obţine abur energetic (sub presiune) care se destinde la nivelul turbinei, realizându-se astfel transformarea energiei termice în energie mecanică şi apoi, cu ajutorul generatorului electric, în energie electrică.

Calandria este echipată cu dispozitivele necesare reglării supravegherii procesului de fisiune nucleară. Un element inedit îl constituie maşinile de încărcat şi descărcat combustibil nuclear, operaţie ce se realizează în mod automat, în tot timpul funcţionării reactorului, fără oprirea acestuia. Maşinile sunt comandate de către un sistem de calculatoare de proces şi lucrează în contra timp: în timp ce una încarcă combustibil nuclear, cealaltă primeşte şi extrage pachetele de ţevi cu combustibil epuizat (deşeuri radioactive). Ţevile extrase se depun într-un bazin cu apă, în care se răcesc şi încep să se dezactiveze. Stocarea poate avea loc şi 30 de ani, până la închiderea reactorului şi îngroparea acestuia în beton.

Un alt mare avantaj al reactorului PHWR-Candu-6 îl constituie utilizarea oxidului de uraniu natural, faţă de alte tipuri de reactoare care necesită uraniu îmbogăţit.

Tehnologia de fabricare a combustibilului nuclear constă în presarea pulberii de oxid

de uraniu în dispozitive, care îi dau formă de pastilă cilindrică, care este apoi sinterizată, obţinându-se pastila de bază (fig.7.14). Pastilele se introduc în ţevile de Zircaloy; o ţeavă conţinând 29 pastile formează un “element”; 37 elemente formează un fascicul şi câte 12 fascicule se introduc în fiecare canal din calandria.

Reactorul PHWR-Candu este prevăzut cu o instalaţie de automatizare, care se diferenţiază de concepţia de automatizare a CNE cu reactori PWR sau BWR. Caracteristica esenţială a instalaţiei de automatizare este utilizarea pe scară extinsă a calculatorului de proces pentru conducerea reactorului şi a blocului nuclear. Blocul nuclear este prevăzut cu un sistem de calculatoare de proces care are următoarele funcţiuni:

a) de reglare numerică directă: reglarea puterii reactorului, reglarea temperaturii moderatorului, reglarea presiunii în generatorul de abur etc.;

Fig. 7.14 Tehnologia de pre-parare a combustibilului nuclear.

b) funcţiuni informaţionale: afişarea valorii momentane a tuturor parametrilor tehnologici, semnalizarea situaţiilor anormale a parametrilor, înregistrarea prin protocoale orare a mărimilor importante etc.;

c) funcţiuni ocazionale: pornirea automată a turbinei, controlul funcţionării maşinilor de încărcat-descărcat combustibil nuclear etc.

La căderea unuia din calculatoarele în lucru, acesta este înlocuit automat de calculatorul aflat în rezervă. La defectarea ambelor calculatoare, sistemele de automatizare opresc funcţionarea reactorului, prin coborârea barelor de reglare şi control şi răcirea cu apă aflată în rezervoare, sub presiune de azot.

CNE cu trei circuite (FBR)

Centrala nuclearoelectrică cu trei circuite (fig. 7.15) funcţionează cu un reactor cu

neutroni rapizi, care are zona activă formată din Pu23994 sau U235

92 , înconjurată de zona recuperatoare formată din U238

92 sau Th23292 care joacă rol de reflector şi care, preluând neutronii

rapizi, se transformă în combustibili nucleari artificiali. Datorită lipsei moderatorului, miezul reactorului are un volum mic şi se obţine o

densitate mare de energie termică pe unitatea de volum. Agentul de transfer termic folosit în primul circuite este sodiul metalic, sau un aliaj

eutectic sodiu-potasiu; în circuitul al doilea pot fi gaze (CO2, He), sau apă grea. În ultimul circuit, agentul de transfer termic este apa, care se transformă în vapori ce acţionează asupra turbinei cuplată cu generatorul electric.

Datorită transferurilor multiple, randamentul global este mai mic decât în cazul unui circuit direct, dar se evită poluarea sistemului prin iradiere. Datorită consumului de combustibil deosebit de scăzut sistemul este eficient în competiţie cu cel de generaţia (I), cu neutroni lenţi.

Competitivitatea centralelor nucleare Comparaţiile între o centrală convenţională şi alta nucleară, aproximativ de aceeaşi

putere, conduc la următoarele concluzii: Centralele nucleare sunt aproape de două ori mai scumpe decât cele clasice, dar odată

cu mărirea capacităţii centralelor nucleare la puterea de peste 500 MW, investiţia specifică este mai mică decât la cele clasice;

Unele centrale nucleare funcţionează sub capacitatea maximă, din motive de securitate. Factorul de capacitate satisfăcător este de 60%. Când valoarea este de 40%, se înregistrează acelaşi cost pentru electricitate ca în centralele electrice care folosesc cărbune, petrol sau gaze naturale, ceea ce ilustrează eficienţa centralelor nucleare. CNE Cernavodă are

Fig. 7.15 Centrală nucleară cu reactor cu neutroni rapizi.A-sala reactorului nuclear; C-schimbătoare de căldură. 1-reactor; 2-turbină de abur; 3-generator electric; 4-răcitor; 5-pompe; 6-schimbătoare de căldură.

o putere instalată de 700 MW şi lucrează la aproximativ 90% din capacitate. Este o centrală de putere medie, pe glob funcţionând centrale şi de 1.500 MW.

Marile probleme ale centralelor nuclearoelectrice le constituie siguranţa în funcţionare şi depozitarea permanentă a deşeurilor radioactive. Siguranţa în funcţionare este asigurată prin sistemele constructive ale reactorului, sudarea la ambele capete a ţevilor cu combustibil nuclear, sistemele de răcire, anvelopa, automatizarea complexă a procesului, delimitarea unei zone de 1 km în jurul reactorului ca zonă de excludere, în care sunt interzise alte activităţi nelagte de centrală ş.a. Aerul din interiorul clădirii în care este amplasat reactorul (anvelopa) este spălat înainte de evacuare. Apele reziduale din anvelopă se depozitează în bazine, sau în subteran, la mare adâncime. Ţevile cu deşeuri radioactive se răcesc în bazine cu apă, după care se depun în containere de titan, împreună cu argilă. Containerele se depozitează în formaţiuni de sare sau de granit, prin îngropare, adăugând argilă în exteriorul fiecărui container.

7.5 Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice în centrale hidroelectrice

Energia hidraulică a cursurilor de apă, singura formă de energie primară inepuizabilă utilizată în prezent pe scară largă în scopul obţinerii energiei electrice va avea şi în viitoarele decenii o contribuţie importantă la acoperirea necesarului de energie electrică pe plan mondial. Valorificarea energiei hidraulice în scopuri energetice se realizează în hidrocentrale.

Hidrocentralele sunt instalaţii complexe în care energia căderilor de apă, naturale sau artificiale este transformată cu ajutorul turbinelor hidraulice în energie electrică, conform următorului lanţ energetic:

Energia hidraulică depinde de debitul de apă al cursurilor, variabil în timp, de

înălţimea căderii de apă, specifică fiecărei amenajări şi de condiţiile geologice şi climatologice. În funcţie de variaţiile debitului în decursul unui an se stabilesc pentru fiecare curs de apă, debitele caracteristice: debitul maxim Vmax; debitul minim Vmin; debitul mediu Vmed.

Debitul instalat în centralele hidroelectrice Vi este întotdeauna superior debitului

mediu.

Raportul: VV =K

med

i se numeşte coeficient de suprainstalare şi depinde de rolul care i

se atribuie centralei hidroelectrice în sistemul energetic. Puterea suprainstalată în CHE este oricând la dispoziţie pentru intervenţie, înlocuind

astfel o putere echivalentă din sistemul energetic naţional. Centralele hidroelectrice cu lac de acumulare sunt prevăzute cu coeficienţi importanţi

de suprainstalare, de exemplu: CHE Bicaz: K = 4; CHE Argeş: K = 5; CHE Porţile de Fier: K = 10.

Dacă CHE ar avea o putere instalată mai mică şi ar funcţiona ca centrală de bază, partea superioară a curbei de sarcină ar fi preluată de centralele termoelectrice, care vor funcţiona în regim neeconomic, din cauza variaţiei sarcinii şi a unor opriri şi porniri repetate.

Energia hidraulică teoretică (E) este dată de relaţia: E = m · g · HT = 9,81 · ρ · W · HT , J

Energie hidraulică

Energie mecanică

Energie electrică

sau: E = W · HT/367, kWh

unde: m - masa de apă; g - acceleraţia gravitaţională (9,81 m/s2); ρ - densitatea apei (1.000 kg/m3); W - volumul de apă scurs în perioada de timp examinată (m3); HT - căderea totală amenajată (m).

Energia hidraulică reală ţine seama de randamentul global al hidrocentralei ηG:

kWh 367

H . W = E GTa , η⋅

unde: ηG = ε · ηt · ηg · ηh şi ε’ = Wu/Wa ; ηh = Hn/HT, iar, Wa- volumul de apă natural; ε- coeficientul de utilizare al debitului; Wu- volumul de apă utilizat; ηt-randamentul turbinei hidraulice; ηG-randamentul generatorului; ηh - randamentul hidraulic; Hn - căderea netă de apă.

Limitele uzuale de variaţie ale acestor randamente sunt: ε = 0,90-0,98; ηh = 0,94-0,96; ηt = 0,88-0,92; ηg = 0,96-0,98; ηG = 0,70-0,85.

Cursurile de apă se amenajează pentru a avea un debit constant şi o cădere cât mai mare. Lungimea sectorului amenajat pentru realizarea unei anumite căderi de apă depinde de tipul uzinei hidraulice. În funcţie de modul de realizare a diferenţei de nivel dintre amonte şi aval se deosebesc:

a) hidrocentrale cu baraj - pe firul apei; b) hidrocentrale cu derivaţia cursului natural al apei; c) hidrocentrale cu baraj şi derivaţie (mixte).

Pentru realizarea unei hidrocentrale se fac următoarele construcţii şi amenajări hidroenergetice:

• barajul are scopul de a crea o acumulare de apă, sau o cădere de apă, sau ambele scopuri, prin închiderea văii unui curs de râu. Barajele pot fi joase şi cu lungime mare (cele fluviale), sau înalte, mai scurte, situate în văi înguste (de exemplu: barajul de la Bicaz are H = 127 m, fiind unul din cele mai înalte din Europa);

• lacul de acumulare constituie o rezervă “tampon” de apă, care compensează variaţiile de debit are râului. Lacul de acumulare permite ca apa care se scurge din amonte într-un interval de timp (24 ore) să fie reţinută şi trimisă spre turbinele hidraulice într-un interval de timp mai scurt, realizându-se astfel, în mod artificial, o mărire a debitului râului. De exemplu, lacul de acumulare de la Bicaz are o capacitate de 1,2 miliarde m3 apă;

• canalul de aducţiune asigură circulaţia apei între captare şi castelul de echilibru, cu o pierdere minimă de nivel. Poate fi sub formă de canale deschise, de conducte din beton sau metalice, sau de tuneluri cu diametrul de 8-12 m. Viteza de circulaţie a apei în canalul de aducţiune este limitată, din motive de pierdere de sarcină, sub 2 m/s;

• castelul de echilibru este un rezervor înalt, situat la capătul canalului de aducţiune, care face legătura între acesta şi conducta forţată; serveşte la limitarea suprapresiunilor în conducta forţată şi la evitarea propagării acestora în canalul de aducţiune; asigură debitul necesar în primele momente ale pornirii turbinelor, sau ale sporirii sarcinii acestora, funcţionând ca rezervor de compensare;

• conducta forţată uneşte castelul de echilibru cu sala turbinelor. Având panta mare, apa îşi măreşte presiunea până la intrarea în turbine;

• canalul de fugă este conducta prin care se evacuează apa din turbinele hidraulice, în cursul natural al râului.

Tipurile principale de turbine hidraulice sunt prezentate în tabelul 7.3.

Tipuri de turbine hidraulice

Tabelul 7.3 Turbina Căderea de apă m Putere, MW Diametru rotor m Randament η %

Pelton > 600 > 300 5,50 92 Francis 40-600 > 700 10 > 95 Kaplan < 40 > 180 10 94 Bulb < 15 50 7,50

Hidrocentralele cu baraj - pe firul apei Hidrocentralele cu baraj (fig.7.16) sunt amenajări hidroenergetice care se construiesc

în cazul râurilor cu debite mari şi pantă, sau cădere mică. Căderea de apă este dată în acest caz, de baraj, centrala fiind situată la piciorul acestuia.

În cazul marilor fluvii, căderea este în general mică, iar centrala se amplasează în

acelaşi front cu barajul, în interiorul lui (a), la una din extremităţile barajului (b), sau divizată în două (în cazul CHE construită de două ţări riverane ale aceluiaşi fluviu, ca de exemplu, la Porţile de Fier), fig. 7.16b.

Hidrocentralele fluviale se utilizează ca centrale de bază (vezi acoperirea curbei de sarcină), iar centralele cu baraj şi lac de acumulare funcţionează ca centrale de vârf.

Hidrocentrale instalate în derivaţie cu cursul natural al râului La acest gen de amenajare, apele râului sunt deviate pe un traseu care are o pantă mai

mică decât panta naturală a râului. Practic acest tip de centrale se realizează prin ridicarea nivelului în aval. CHE instalată în derivaţie, cu ridicarea nivelului în amonte. Înălţimea de cădere H

este realizată cu ajutorul barajului şi a canalului de derivaţie. Influenţa variaţiei de nivel în lacul de acumulare se reduce în acest caz, faţă de centralele situate pe firul apei (fig.7.17).

Fig. 7.16 a. Schema unei hidrocentrale cu baraj. 1-lac de acumulare; 2-cursul râului (fluviului); 3-baraj; 4-conductă forţată; 5-conductă de fugă. b. Hidrocentrala de la Porţile de Fier.

a

b

CHE cu coborârea nivelului în aval. În acest caz, apa din lacul de acumulare este dirijată printr-o conductă forţată direct spre turbinele hidraulice amplasate în subteran. În continuare, un tunel de fugă cu pantă redusă readuce apa la suprafaţă. (fig.7.18).

Înălţimea de cădere (H) este realizată din înălţimea acumulării plus adâncimea

coborârii apei. Sistemul de amenajare hidroenergetică se desfăşoară în principal subteran şi necesită

un volum mare de excavaţii. Sistemul este condiţionat de existenţa unor formaţii geologice stabile şi tari, care să permită excavaţia, eventual fără a betona stânca. Stânca aparentă din tuneluri este, în acest caz, polizată pentru ca rugozităţile suprafeţei şi pierderile de presiune la scurgere să fie cât mai reduse.

Consideraţii tehnico-economice cu privire la producerea energiei electrice în hidrocentrale Comparativ cu centralele termoelectrice şi cele nuclearo-electrice, centralele

hidroelectrice oferă următoarele avantaje tehnico-economice: folosirea unor surse inepuizabile de energie, fiabilitate ridicată, siguranţă în exploatare, durabilitate mare în timp, lucrări de reparaţii reduse şi întreţinere relativ uşoară, intrarea rapidă în regim de exploatare, sisteme nepoluante cu gaze, cenuşă, deşeuri radioactive. Totuşi, probleme de poluare apar, datorită volumul mare de apă din lac, apă ce afectează calitatea solurilor din zonele învecinate (prin apariţia de bălţi şi saturarea solurilor), şi prin presiunile mari create în straturi, generatoare de cutremure.

Fig.7.18. Hidrocentrală cu coborârea nivelului în aval. 1-lac de acumulare; 2-albia veche; 3-baraj; 4-conductă forţată; 5-canal de fugă; 8-puţ

Fig.7.17 Schema unei hidrocentrale de derivaţie, cu ridicarea nivelului în amonte. 1-lac de acumulare; 2-curs vechi; 3-baraj; 4-conductă forţată; 5-conductă de evacuare (de fugă); 6-canal de aducţiune; 7-castel de apă.

În cazul CHE este posibilă obţinerea energiei electrice imediat ce apa pătrunde în turbinele hidraulice, în timp ce la CTE este necesar un timp de 6-8 ore până când se obţine aburul la parametrii solicitaţi. Datorită acestui fapt, CHE pe firul apei sunt folosite ca “centrale de vârf” în perioade în care cererea de energie electrică în sistemul electroenergetic naţional este maximă.

Hidrocentralele pe firul apei “fluviale” funcţionează ca centrale de “bază”, producând energie electrică cu cost mai redus.

Realizarea sistemelor de CHE comportă fonduri mari de investiţii, care însă pot fi recuperate pe durate mari de timp. Odată amortizate investiţiile mari, producerea energiei electrice devine economică.

În aval de centrala de putere mare se pot construi pe acelaşi curs de apă o serie de microhidrocentrale, pentru valorificarea debitului relativ constant de apă.

Pe râuri cu debite mai reduse de apă se pot construi hidrocentrale reversibile. Acestea au două baraje pe acelaşi fir de apă, deci două lacuri de acumulare. Pentru producerea de energie electrică se utilizează apa din primul lac, care se colectează în lacul al doilea (plasat în aval). După câteva ore de funcţionare ca producător de energie, apa din lacul al doilea se pompează în primul lac, din amonte, consumând energie electrică. Aceste centrale se utilizează în perioada de cerere mare de energie electrică (de vârf).

7.6 Tehnologii neconvenţionale de obţinere a energiei termice şi electrice

7.6.1 Tehnologii de valorificare a energiei solare Soarele emite în spaţiul cosmic o cantitate enormă de energie, egală cu

22,252 x 1027 J/min. Radiaţia solară medie care atinge Pământul, este de 4 x 1033 erg/s, valoare cunoscută sub denumirea de constantă solară. Numai o parte redusă din energia solară emisă atinge Pământul, datorită unghiului redus al traiectoriei razelor solare faţă de acesta (1,0 x 1012 GWh). Totuşi trei zile de radiaţie solară sunt echivalente cu producţia de energie dată de 1,75 mil. reactoare nucleare de 1.000 MW putere, sau de cca. 20.000 ori consumul actual de energie pe plan mondial.

Radiaţia solară este diferită, în funcţie de poziţia geografică, cele mai mari valori anuale (circa 800 kJ/cm2 ·an) înregistrându-se în zona deşerturilor, unde nebulozitatea este foarte scăzută. În România, valoarea radiaţiei totale anuale este de 400 kJ/cm2·an.

Utilizarea energiei solare oferă o serie de avantaje, ca resursă inepuizabilă, nepoluată şi disponibilă practic pe suprafeţe foarte întinse ale globului terestru. Cu toate acestea, extinderea valorificării energiei solare întâmpină unele dificultăţi, datorită nebulozităţii intermitente (schimbarea anotimpului şi alternanţa zi/noapte), oscilaţii în intensitatea acestei surse, dificultăţi în captare şi stocarea energiei solare.

Energia solară este difuză şi nepermanentă, ceea ce impune captarea acestei forme de energie pe suprafeţe mari, concentrarea energiei captate asupra unor focare, realizarea unor mijloace eficiente de stocare a acestei energii, eventual utilizarea combinată cu o centrală termică convenţională sau cu o hidrocentrală.

În regiunile cu densităţi solare şi iluminare constantă, unde absorbţia energiei calorice poate ajunge până la 40%, energia solară disponibilă la sol poate fi utilizată economic pentru producerea energiei electrice, climatizarea locuinţelor, încălzirea apei menajere, desalinizarea apei de mare sau salmastre, pentru obţinerea hidrogenului, a amoniacului sau pentru realizarea unor procese metalurgice.

Valorificarea energiei solare se poate realiza prin transformarea acesteia fie în energie termică (de joasă temperatură, sau de temperatură înaltă) fie direct în energie electrică prin

fenomenul fotovoltaic. Captarea energiei radiante solare se realizează cu captatoare solare, sau convertoare heliotermice, care funcţionează cu sau fără concentrarea radiaţiei solare.

Captatoarele fără concentrarea radiaţiei solare utilizează atât radiaţia solară directă,

cât şi radiaţia difuză, aria suprafeţei de absorbţie este identică cu aria suprafeţei ce interceptează radiaţiile solare, nu necesită orientarea precisă spre soare, au o construcţie simplă şi se întreţin relativ uşor. În funcţie de forma suprafeţei absorbante, pot fi plane (fig.7.19), cilindrice (fig.7.20), semicilindrice. Domeniul de utilizare al acestor captatoare solare este cel al temperaturilor joase, de circa 100°C (peste temperatura ambiantă) şi se utilizează la instalaţiile de climatizare şi încălzire a clădirilor, încălzirea apei menajere, instalaţii de uscare, de distilare a apei etc.

Captatoare cu concentrarea radiaţiei (focalizarea radiaţiei solare), fixe şi mobile. În

funcţie de principiul de funcţionare şi construcţia concentratorului se pot obţine valori pentru densitatea fluxului de radiaţie pe suprafeţele absorbante ale receptorului de la 1,5-2,5 kW/m2 până la valori foarte mari, de ordinul 10.000 kW/m2. Cu creşterea densităţii fluxului de radiaţie creşte şi temperatura la care este preluată căldura utilă (1.970-3.000°C).

Pentru obţinerea energiei termice la parametrii ridicaţi, razele solare sunt concentrate pe arii reduse (punctiform), prin utilizarea oglinzilor parabolice (heliostate) în calitate de concentrator. Acestea se construiesc din sticlă optică polizată, pe care se depune un strat de aluminiu sau argint prin depunere epitaxială în cuptoare de vid. Suprafaţa aluminată sau argintată este protejată cu un film de silicon, sau de material plastic transparent.

Parametrii care determină mărimea intensităţii razelor focalizate sunt: deschiderea oglinzii (D), distanţa focală (f) şi raportul n = D/f - raport de concentrare. La un raport n = 2-3 în dispozitive de recepţie tip furnal se pot obţine temperaturi de 2.000-3.000°C (SUA, Franţa, Japonia etc.).

Fig. 7.19 Captatoare solare plane.

Fig. 7.20 Captator cu concentrator cilindroparabolic.

Concentratorul poate fi orientat după soare cu taimer, sau cu un servosistem. Sistemele cu focalizare punctiformă (şi chiar liniară) se aplică în instalaţii modulare,

care se pot amplasa după necesităţi într-un complex industrial. Sistemul de focalizare punctiformă este adecvat pentru generare de electricitate în localităţi izolate, sau în cele cu reţele electrice de putere redusă.

Într-un sistem turn solar ca receptor central, razele solare sunt focalizate printr-un

număr mare de heliostate (seturi de oglinzi), formând o suprafaţă mare reflectantă. Energia solară reflectată de heliostate este focalizată pe turnul solar de recepţie, care se află la o înălţime de 260 m, în mijlocul câmpului de oglinzi. O instalaţie cu turn solar cu un câmp heliostat de 1,3 km2 furnizează 10 MW, la 500-1000 dolari/kW şi se poate utiliza ca sursă energetică de vârf (SUA, în deşertul californian-Barstow).

Turnul solar ca receptor central este considerat optim pentru instalaţii energetice

centrale (fig. 7.21). Oglinzile parabolice cu un receptor central, cu mecanism de urmărire a soarelui cu dublă axă, au o eficienţă de conversie de circa 80%, faţă de 50% la focalizarea liniară şi de 30% la colectoarele plane.

Instalaţii cu turnuri solare se utilizează la obţinerea amoniacului, a hidrogenului prin electroliza apei, la obţinerea gazului de sinteză etc. Gazul de sinteză obţinut în astfel de instalaţii de exemplu se poate transporta la distanţă, pe conducte, într-o instalaţie de sinteză la metan. Reacţia este exotermă şi se consideră că astfel poate fi cedată căldura solară “stocată”.

Căldura emanată se poate stoca şi într-o soluţie eutectică de clorură de sodiu, de potasiu sau de magneziu.

Conversia directă a energiei solare în electricitate

Conversia energiei solare direct în electricitate se bazează pe efectul fotovoltaic, ca o

consecinţă a absorbţiei radiaţiei solare (fotonilor) la joncţiunea p-n de semiconductor. Când fotonii cu o energie mai mare decât cea a zonei libere (Egap) din semiconductor cad pe joncţiunea p-n, se creează o pereche electron-gol şi astfel, prin joncţiune, se va scurge un flux constant de curent electric.

Celulele solare realizate din plăcuţe de material semiconductor în care s-a creat

joncţiunea p-n generează circa 0,5 V şi se leagă în serii paralele, prin contacte metalice, după voltajul cerut formând panourile solare. Pentru a fi protejate şi a evita oxidarea contactelor, panourile solare se acoperă cu un strat transparent de sticlă borosilicatică, sau polimer

Fig. 7.21 Concentrator cu câmp de heliostate şi receptor turn.

epoxidic. Un panou solar este garantat pentru 10 ani de funcţionare, la o eficienţă de cca. 14-25%.

În celula solară de siliciu monocristalin, numai 14% din energia spectrului solar se converteşte în electricitate. De aceea, în ultimul timp s-au construit celule solare şi din alte materiale semiconductoare, ca de exemplu sulfură de cadmiu/sulfură de cupru, arseniură de galiu, semiconductori organici, semiconductori amorfi, joncţiuni semiconductoare cu lichid etc. Celulele solare pe bază de arseniură de galiu (GaAs) funcţionează la temperaturi mai ridicate decât cele considerate clasice (pe bază de siliciu monocristalin) şi cu randamente de cca. 23%. Astfel, este posibil să se concentreze radiaţia solară de 1.000 ori mai mult, fără a se consuma o cantitate prea mare de GaAs.

Conversia energiei solare în energie electrică este încă scumpă: preţul mediu al unui kW instalat astfel trebuie să fie redus de 50 ori pentru a deveni competitiv. Reducerea acestor costuri implică măsuri tehnologice şi economice, ca: reducerea costului materialului semiconductor; creşterea randamentului conversiei fotovoltaice a energiei solare; realizarea de sisteme mixte fotovoltaice şi termodinamice pentru recuperarea sub formă de căldură a energiei solare neconvertite în energie electrică etc.

În prezent şi în România funcţionează instalaţii de preparare a apei calde cu panouri solare şi o centrală solaro-electrică pilot-experimentală, realizată cu panouri solare de putere unitară de 30 kW (mică), cu ciclu termodinamic de joasă temperatură.

Conversia energiei solare în alte forme de energie

La conversia directă a energiei solare în electricitate în afară de efectul fotovoltaic ca

variante utilizate sunt şi: efectul fotoemisiv, efectul fotogalvanic, efectul fotomagnetic. Energia termică obţinută prin utilizarea energiei solare poate fi transformată în energie

electrică (direct sau indirect) prin procedee fizice de conversie ca: termoelectricitatea, efectul termoionic, efectul magnetohidrodinamic (MHD), efectul electrodinamic şi feroelectricitatea.

7.6.2 Hidrogenul ca purtător de energie

După semnalarea crizei energetice în anul 1973, atenţia s-a îndreptat asupra

hidrogenului, care poate înlocui gazul metan şi benzina, fiind un combustibil şi un carburant de viitor. Cercetările sunt axate pe obţinerea hidrogenului prin descompunerea apei în elemente, fără un consum de hidrocarburi sau de cărbune.

În prezent, hidrogenul se obţine: prin reformarea catalitică (cu aburi) a gazului metan; prin arderea parţială sau oxidarea parţială a hidrocarburilor; prin gazeificarea cărbunilor; prin electroliza apei. Hidrogenul rezultă şi ca produs secundar, economic recuperabil în rafinării, la reformarea catalitică a benzinelor, în producţia de acetilenă din metan şi la electroliza clorurii de sodiu.

Pe plan mondial hidrogenul se obţine: cca. 77% din hidrocarburi, 18% pe bază de cărbune, 4% prin electroliza apei, 1% din alte resurse. În prezent, consumul mondial de hidrogen tinde să depăşească 400·109 m3/an. O cantitate de peste 55% din producţia de H2 se consumă la sinteza amoniacului, peste 30% la prelucrarea ţiţeiului. La prelucrarea 1 m3 de ţiţei se consumă 100 m3 H2, iar la şisturile bituminoase peste 200 m3/m3 ulei de şist.

Hidrogenul este un foarte bun purtător de energie, cu o putere calorică de 34.000 kcal/kg, iar din punct de vedere ecologic este foarte curat, întrucât prin ardere rezultă apă.

Condiţionat de realizarea unor procedee economice pentru generarea şi manipularea hidrogenului, se prevede ca până în anul 2020 circa 10% din consumul energetic mondial să fie acoperit prin hidrogen, atingând progresiv până în anul 2050 un consum mondial de 30%.

În prima perioadă se prevede ca hidrogenul să se obţină mai ales prin reformarea catalitică a metanului şi în mod progresiv, prin utilizarea căldurii reactoarelor nucleare de temperatură înaltă (HTR, HTGCR). Un reactor nuclear de temperatură înaltă de 3.000 MW energie termică, prin procedee termochimice ciclice poate genera cca. 500.000 t/an H2. În SUA se contează pe posibilitatea de a utiliza în vederea producerii de hidrogen, reactoarele nucleare regeneratoare (FBR) cu răcire cu sodiu (la 900 K).

Descompunerea termică directă a apei într-o singură etapă este nepractică, întrucât necesită temperaturi de peste 3.000 K. Temperaturile extrem de ridicate sunt necesare pentru atingerea echilibrului de disociere a apei în H2 şi O2, iar gradul de disociere creşte la scăderea presiunii de echilibru. În cazul descompunerii apei în procese termochimice ciclice pe etape (3-5), temperatura maximă se situează între 900 şi 1.760 K, în funcţie de numărul etapelor.

Procedeele (ciclurile) termochimice sunt procese catalitice realizate în prezenţa unor substanţe, care în etapele procesului îşi modifică alternativ valenţa (clorură de vanadiu, clorură de fier, clorură de cupru, oxid de fier, oxid de cesiu, iodură de arsen, cadmiu, oxid de crom etc.).

Ciclurile termochimice pentru generarea hidrogenului prezintă perspectivă prin utilizarea energiei termice furnizată de reactoarele nucleare, de turnurile sau cuptoarele solare, dar prezintă şi dezavantaje importante. Astfel, în aceste procese trebuie menţinute fără pierderi cantităţi foarte mari de elemente chimice, aproape de 200 ori greutatea hidrogenului generat, unele dintre acestea poluează mediul înconjurător (Cs, I, Br, Cl, Hg). Unele cicluri termochimice se realizează în medii extrem de corosive şi se impune utilizarea unor reactoare din materiale speciale, scumpe ca: tantal, Hastelloy-C, inconel sau ceramică antiacidă.

Pe plan mondial (SUA, Franţa, Germania etc.) s-au identificat peste 2.500 procese ciclice din care s-au selectat 365 de alternative cu eficienţă termică globală de 44-71,8%.

Producţia de hidrogen prin energie solară

Energia solară şi apa sunt două surse inepuizabile de energie, care combinate ar putea

genera H2, prin disocierea apei, în cantităţi nelimitate. Dar pe cât de simplă este această variantă energetică, pe atât de greu se poate realiza practic.

Descompunerea apei prin utilizarea energiei razelor solare incidente la sol (fotoliză) este imposibilă, întrucât spectrul solar cuprinde lungimi de undă de peste 250 nm, iar pentru descompunerea apei sunt utile radiaţii cu lungimi de undă sub 190 nm. De aceea, lumina naturală a soarelui poate descompune apa numai indirect, cu ajutorul fotocatalizatorilor care absorb fotonii din razele solare.

Fotocatalizatorii utilizaţi pot fi semiconductorii anorganici, biocoloranţii, combinaţii complexe ale metalelor tranziţionale (Cr, Cu, Nb, Ru, Mo, Rh, Ag, Pt, Au etc.).

Energia termică necesară pentru descompunerea apei se poate realiza în cuptoare solare.

În sistemul turn solar - ca receptor central, razele solare sunt focalizate printr-un număr mare de heliostate - seturi de oglinzi parabolice care formează o suprafaţă mare reflectantă. Energia solară reflectată de heliostate este focalizată pe turnul solar de recepţie care se află în mijlocul câmpului de oglinzi (la o înălţime de 260 m). Energia termică preluată de agentul de transfer termic din turnul solar este transmisă (sub formă de abur supraîncălzit) la un sistem turbogenerator şi la electrolizor. Astfel se poate obţine şi energie electrică, energie termică şi se generează hidrogen.

Pentru ca hidrogenul să devină un purtător de energie competitiv, trebuie soluţionate economic problemele legate de obţinerea, stocarea şi utilizarea acestuia în calitate de combustibil şi carburant.

Stocarea economică a hidrogenului se poate realiza în stare lichidă (criogenică la - 253°C): în stare gazoasă la 100 atm, în zăcăminte de metan epuizate sau în caverne impermeabile din zăcămintele de sare, precum şi sub formă solidă de hidruri metalice.

Hidrurile pentru stocarea hidrogenului sunt compuşi intermetalici care au un component (A) care formează hidrura şi un component (B) de stabilizare a acesteia. Hidrogenul poate fi eliberat din hidrură prin încălzire şi reducerea presiunii. Aliajele sunt de tipul AB, AB2, AB5 cu temperatură de hidrurare de 120°C şi A2B cu temperatură de hidrurare de cca. 300°C. Componentul A la tipul AB şi AB2 este titanul (30-46%), la tipul AB5 sunt pământurile rare (lantan, scandiu, ytriu), iar pentru A2B - magneziul. În calitate de component (B) se utilizează: fier, nichel, mangan etc. Astfel, de exemplu, un adaos de 50% fier la titan modifică temperatura de formare a hidrurii de la 500°C la 0°C.

Hidrogenul stocat sub formă solidă (de hidrură) prezintă o mai mare siguranţă în utilizarea lui drept carburant la motoarele cu ardere internă.

7.6.3 Bioconversia. Biomasa În general, energia solară se valorifică prin bioconversie. Pe această cale, din plante se

pot obţine în afară de alimente, celuloză şi alcool. Prin fermentarea anaerobă se pot obţine 0,5 m3 de gaze/kg substanţă organică, cu un conţinut de 50-70% CH4, la valoare calorică de cca. 5300 kcal/m3, sau cca. 2.600 kcal/kg de plantă. Producţia de plante diferă după condiţiile ecologice şi după specia de plantă, de la 1,25 kg/m2 an până la 6 kg/m2 an (de ex. la trestia de zahăr).

Luând ca bază o incidenţă de energie solară de 1.500 kWh/m2, eficienţa globală a bioconversiei este de cca. 0,25%. La trestia de zahăr eficienţa globală este de 3,4%.

Datorită eficienţei reduse de conversie (1-3%), bioconversia luată în considerare ca o sursă de energie primară impune în acest scop cultivarea plantelor pe suprafeţe mari de terenuri fertile, în detrimentul culturilor cerealiere. Rămâne însă ca o sursă reală de energie utilizarea reziduurilor vegetale în acest scop, cât şi a reziduurilor urbane; aceasta presupunând însă şi colectarea lor organizată (pe sorturi).

Ca surse de biomasă la fermentarea anaerobă se pot utiliza: reziduurile animale;

reziduurile menajere; reziduurile lemnoase forestiere (scurtături, rumeguş etc.); reziduurile agrovegetale; materiale ligno-celulozice (plopi, brazi, pini etc.); culturile cu conţinut de amidon (porumb, trestia de zahăr, sfecla de zahăr); plantele acvatice (alge, stuf, buruieni acvatice).

Bioconversia biomasei are loc prin reacţii enzimatice şi prin transformări biochimice, ca: fermentarea aerobă şi anaerobă, când se obţine biogaz şi bioproteine pentru furaje; hidroliza chimică sau enzimatică la alcool sau la alte produse organice. Procesele se desfăşoară în prezenţa unor microorganisme, ca: bacterii (eubacterium, actinomicete); ciuperci (arhimicete, ascomicete, basidiomicete şi drojdii); alge monocelulare (clorela, navicula) şi alge multicelulare.

Preferenţial, enzimele se găsesc în masa celulară, astfel că după o concentrare prealabilă, separarea acestora se realizează prin procedee de: măcinare umedă (pentru eliberarea enzimelor din masa celulară); precipitare şi separare prin centrifugare a acizilor nucleici; separarea în mod similar a proteinelor; separarea enzimelor din masa apoasă prin cromatografie; concentrarea enzimelor izolate prin ultrafiltrare urmată de uscarea acestora.

La bioconversia paielor de grâu şi a gunoiului de grajd prin fermentare anaerobă, randamentul de fermentare depinde de tipul de ciuperci utilizate şi poate varia între 20% şi 60%. La o instalaţie cu o capacitate de 450 t/zi paie uscate, poate rezulta o producţie brută de

cca. 60.000 m3/zi biogaz (50% CH4 şi 50% CO2), investiţia totală fiind de circa 12 milioane de dolari.

Pentru a se obţine o producţie simultană de biogaz şi de proteine sintetice unicelulare pentru furaje s-au elaborat sisteme combinate de fermentare a gunoiului de grajd (cu fermentare anaerobă) cu reziduuri ligno-celulozice (fermentare aerobă după pretratare chimică).

Biochimia şi biotehnologia modernă se caracterizează prin metode de selectare,

separare şi purificare a microorganismelor şi optimizarea acestora prin mutaţii speciale pentru anumite reacţii biochimice. În anul 2000, valoarea produselor obţinute la nivel mondial prin sinteze biotehnologice industriale este de cca 64,8 mild. dolari, din care 25,2% produse energetice; 20% produse alimentare; 16,3% produse chimice; 17% produse farmaceutice ş.a. Prin aceste procedee se vor valorifica diferite reziduuri şi se va diminua poluarea mediului ambiant.

7.7 Sistemul electroenergetic. Indicatori tehnico-economici utilizaţi în aprecierea

funcţionării centralelor electrice 7.7.1 Sistemul electroenergetic Prin sistem electroenergetic se înţelege ansamblul instalaţiilor electromecanice,

organizat unitar în scopul produceri, transportului şi distribuţiei energiei electrice pe un anumit teritoriu. De asemenea se urmăreşte ca sistemele energetice să producă şi să distribuie şi căldură prin centrale de termoficare. Spre deosebire însă de energia electrică, căldura este transmisă la distanţe relativ mici din considerente economice.

Teritoriul unui sistem poate fi mai mult sau mai puţin întins, coincizând cu teritoriul unei ţări sau chiar al mai multor ţări.

În ţara noastră, sistemul energetic naţional cuprinde întreg teritoriul ţării şi este interconectat cu sistemul energetic al ţărilor vecine în vederea importului / exportului de energie electrică.

Avantajele organizării în sistem a centralelor electrice faţă de cazul alimentării unor consumatori de la o centrală distinctă sunt următoarele : resursele energetice disponibile sunt folosite în condiţii mai convenabile, rezerva necesară fiind unică, este mai mică; utilizarea puterii totale instalate e maximă, datorită egalizării sarcinii, prin însumarea sarcinilor decalate în timp ale unui număr mare de consumatori; posibilităţi de aplicare riguroasă pe scară largă a unor măsuri de standardizare etc.

7.7.2 Transportul şi distribuţia energiei electrice Există două elemente care fac ca problema transportului energiei electrice să fie de

maximă importanţă: pe de o parte, uşurinţa de transformare a energiei electrice în alte tipuri de energie a făcut ca ea să fie solicitată pentru cele mai diverse utilizări (acţionarea motoarelor electrice, iluminat public, transport pe cablu etc.); pe de altă parte, imposibilitatea de a stoca în cantităţi mari energia electrică impune ca în fiecare moment să se producă atât cât este nevoie. Dar pentru că nu este economic să se întrerupă funcţionarea termocentralelor care reprezintă principalii furnizori de energie electrică şi pentru că în diverse zone din ţară condiţiile de amplasare a diferitelor tipuri de centrale este diferită, iar cererea de curent variază în mod diferit de la o zonă la alta, soluţia constă în interconectarea tuturor consumatorilor şi producătorilor de energie electrică în cadrul unui sistem energetic naţional

unic. Prin intermediul său, se pot acoperi în modul cel mai avantajos toate cererile de energie electrică, ceea ce presupune însă transportul curentului electric pe distanţe lungi de-a lungul întregii suprafeţe a ţării.

Transportul energiei electrice se face sub formă de curent alternativ trifazat de la centrală la beneficiar prin reţele de medie şi înaltă tensiune. La beneficiar are loc reducerea tensiunii de transport, în staţii de transformare ,în funcţie de specificul beneficiarilor industriali sau casnici. Conductorii electrici folosiţi pentru transport, din aluminiu sau cupru, formează linii de transport aeriene (pentru tensiuni mari ,110-400 kV) sau subterane (pentru tensiuni mici ,sub 35 kV).

Astfel, la centrală tensiunea produsă este de 6kV, în timpul transportului tensiunea are valori cuprinse între 35-400 kV iar la beneficiar tensiunea este de 220-300 V.

Este evident că în cursul transportului, datorită rezistenţei electrice a conductorilor ce servesc la transport se pierde o parte din energie.

Aplicarea legii lui Ohm permite calculul randamentului de transport ca raport între puterea produsă de centrală şi puterea primită de beneficiar.

Transportul curentului electric prin linii de înaltă şi joasă tensiune se efectuează cu pierderi de putere la extremitatea liniei, calculate cu relaţia:

P=IU - I(U-u) = Iu = RI2 , W în care: I - intensitatea curentului electric, A

U,u - tensiunile la extremităţile liniei, V U-u=∆u - căderea de tensiune, V R- rezistenţa conductorului, Ω

Având în vedere că R =ρ l/s

în care: ρ = rezistivitatea electrică (Ω . m) l = lungimea conductorului (m) S - aria secţiunii transversale a acestuia (m2)

Rezultă: P= (ρ l/S) . I2 Se observă că pierderea de putere scade direct proporţional cu pătratul intensităţii. Randamentul electric al liniei de transport este dat de expresia:

η = (IU - Iu)/IU = 1- u/U = 1- IR/U Din analiza relaţiilor de mai sus rezultă că putem mări randamentul de transport, la

putere constantă, pe două căi: fie mărind tensiunea, fie reducând rezistenţa liniei de transport. Rezistenţa liniei nu poate fi redusă sub anumite limite, deoarece trebui mărit diametrul

conductorilor ceea ce implică dezavantaje tehnice şi economice. Mărirea tensiunii oferă posibilităţi mult mai avantajoase de sporire a randamentului transportului. Ridicarea tensiunii şi reducerea concomitentă a intensităţii, la putere constantă, afectează în mod favorabil atât numărătorul cât şi numitorul fracţiei IR/U. Creşterea tensiuni implică cheltuieli suplimentare pentru staţii de transformare şi linii de transport corespunzătoare. Ca urmare se caută un optim între tensiunea de transport, puterea transportată şi randament, acesta din urmă situându-se între 92 şi 96 %. În condiţiile ţării noastre, tensiunile de transport variază de la 110 kV pentru liniile puţin importante până la 500-600 kV pentru liniile magistrale.

7.7.3 Indicatori tehnico-economici utilizaţi în aprecierea funcţionării centralelor

electrice

În intervalul de 24 ore apar solicitări variabile de energie electrică: unele reprezentând maxime - solicitări de vârf, iar altele reprezentând solicitări minime, aspecte ce ridică

probleme de coordonare a consumului în funcţie de necesităţi, dar şi în funcţie de posibilităţile de producere a energiei electrice în centrale electrice.

Toate centralele electrice sunt conectate la sistemul energetic naţional prin intermediul unui dispecer central, care indică cuplarea sau decuplarea în funcţie de necesităţile de consum ale agregatelor, liniilor sau chiar ale centralelor electrice, astfel încât să fie completate în mod judicios solicitările de vârf sau să se suplinească unele insuficienţe generate de avarii locale ale liniilor sau ale generatoarelor de energie.

În funcţionarea centralelor electrice apar următorii indicatori tehnico-economici, prin intermediul cărora se poate aprecia eficienţa economică a funcţionării acestora.

1. Curba de putere (curba de sarcină sau de încărcare) este curba care arată variaţia puterii centralei electrice într-o anumită perioadă de timp (zi, an) (fig.7.22). Această curbă se construieşte prin puncte ridicate la valori de putere medie. Puterea medie a centralei Pmed este dată de raportul dintre energia totală Wt debitată într-o anumită perioadă de timp (zi, an) şi perioada respectivă (în ore):

kW,t

WP tmed = ; kW,

24WP zi

med = ; kW,8760WP an

med =

Energia produsă zilnic sau anual de către o centrală electrică poate fi determinată prin planimetrarea ariilor înscrise sub curbele de sarcină (fig.7.22). Astfel, energia produsă zilnic se va determina prin relaţia:

∫ kWh,dtPW24

0prod ⋅=

În aceeaşi manieră, la nivelul sistemului energetic naţional se construiesc curbe de sarcină anuale.

2. Factorul de simultaneitate (s) Maximele de putere solicitate unei centrale electrice (aşa cum rezultă din curba de

sarcină) sunt determinate de cererile simultane de energie de către diverşi consumatori. Suprapunerea în timp a maximelor de consum se exprimă prin factorul de simultaneitate (s):

1P'

Psatorimax.consum

max ≤=∑

în care: Pmax - puterea de vârf a uzinei într-o anumită perioadă de timp; Σ P’max - puterile maxime ale diferiţilor consumatori în aceeaşi perioadă. Valorile optime ale factorului de simultaneitate sunt cuprinse între limitele următoare:

0,25-0,6; valorile mici reflectă o utilizare raţională a energiei.

Fig. 7.22 Construirea curbei de sarcină zilnică prin puncte, considerate valori de putere medie.

3. Indicele de aplatizare (a) indică gradul de aplatizare a curbei de putere (sarcină) şi este dat de relaţia:

1PPa

max

med ≤=

în care: Pmed - putere medie a uzinei într-o anumită perioadă de timp; Pmax - putere de vârf în aceeaşi perioadă de timp. Valorile optime pentru factorul de aplatizare, a = 0,2-0,8, indică o exploatare raţională

a centralei electrice.

4. Coeficientul de utilizare a puterii maxime produse în cursul unui an de către o centrală electrică caracterizează uniformitatea încărcării centralei în timpul de funcţionare şi respectiv, forma curbei de sarcină. Se notează Kvf şi este dat de relaţia:

maxp

anmed

maxp

anvf P

PP8760

WK =⋅

=

5. Coeficientul de utilizare a puterii instalate al unei centrale electrice este dat de

raportul dintre cantitatea reală de energie electrică produsă anual Wan şi puterea instalată Pi:

l

anmed

l

anu P

PP8760

WK =⋅

=

Acest coeficient reflectă, de asemenea, eficienţa utilizării unei centrale, în condiţii optime de exploatare.

6. Investiţia specifică pe energia echivalentă de vârf, semivârf şi bază de 1 kWh:

Acoperirea curbei de sarcină pe zone (vârf, semivârf şi bază) necesită din partea centralelor electrice anumite caracteristici tehnice şi economice, ceea ce a dus la specializarea lor.

EbEb

EsEs

EvEv E

INVi;EINVi;

EINVi ===

Costul energiei electrice echivalente:

EbEb

EsEs

EvEv E

Cc;ECc;

ECc ===

Acest indicator specific ilustrează costurile diferite ale energiei electrice furnizate pentru acoperirea zonelor de pe curba de sarcină. Costul este mai ridicat pentru zona de vârf şi mai scăzut pentru zona de bază.

Acoperirea necesarului de energie electrică Necesarul de energie electrică se furnizează în funcţie de necesităţile ce apar din

curbele de sarcină pe anumite perioade de timp (fig.7.23). Astfel: CHE fluviale (de exemplu, Porţile de Fier), CET mari şi medii şi CNE sunt utilizate

pentru acoperirea necesarului de bază şi se mai numesc şi centrale de bază; CTE şi CHE de puteri medii şi mici completează necesarul de energie în zonele de

semivârf; CHE - cu baraj şi lac de acumulare (Bicaz, de exemplu), CHE cu pompaj, CTE cu

turbine cu gaze şi centralele magnetohidrodinamice pot acoperi vârfurile de consum.

În cazul în care apare un consum mare de energie mai intră în funcţiune centralele

hidroelectrice reversibile (cu pompaj), ce funcţionează cu randamente de 66%, sau în unele ţări centralele magnetohidrodinamice MHD.

7.8. Politici energetice

În comparaţie cu celelalte ramuri ale industriei, industria energetică are o serie de

particularităţi şi anume: energia electrică şi termică nu se poate înmagazina la scară industrială, producţia

acestora fiind practic simultană cu consumul; legătura nemijlocită dintre producător şi consumator are consecinţe nu numai asupra

producătorului (producţia nu poate avea loc dacă nu există consum) ci şi asupra consu-matorului, deoarece întreruperile în funcţionarea instalaţiilor energetice atrag după sine întreruperi la consumatori;

existenţa în sistem a unei puteri de rezervă care permite sistemului energetic un anumit grad de siguranţă în funcţionarea în cazuri de avarii.

Opţiunea fiecărei ţări pentru modalităţile de producere a energiei electrice a fost influenţată de resursele energetice şi de politica proprie de protecţie a mediului.

Franţa a optat pentru obţinerea energiei electrice în proporţie de aproximativ 73% din surse nucleare, Germania a optat pentru centrale termoelectrice 66,5% din totalul producţiei de energie electrică, datorită rezervelor de cărbuni, Norvegia a optat pentru centrale hidroelectrice în proporţie de 99,64%, datorită politicii ecologice ce s-a pronunţat ferm contra centralelor nuclearoelectrice, Islanda şi Noua Zeelandă valorifică în proporţie de 4,74% şi respectiv 6,52% resursele geotermale etc. Germania se pronunţă astăzi pentru oprirea producţiei pe bază de centrale nuclearoelectrice. Tabelul 7.4 prezintă opţiunile câtorva ţări pentru obţinerea energiei electrice din diverse surse. Tabelul 7.5 se referă la ponderea surselor în balanţa energetică din România.

0 6 12 18 24 h

Zona de semivârf

Zona de vârf

P kW

Zona de bază CTE mari şi medii CHE mari CNE

CTE, CHE mici şi medii

CHE, CTEG, CHEP CMHD,

Ponderea surselor de energie în producţia de energie electrică (%)

Tabelul 7.4 Ţara Nucleară Hidro Geotermală Surse regenerabile Termică

Elveţia 39,81 57,81 - - 2,37 Franţa 72,77 15,59 - 0,13 11,51

Germania 29,54 3,93 - 0,01 66,52 Islanda - 95,15 4,74 - 0,11 Japonia 24,46 10,14 0,20 - 65,20

Norvegia - 99,64 - - 0,36 Europa 31,70 19,59 0,15 0,07 48,49

America de Nord 19,70 15,07 0,44 0,09 64,69

Ponderea surselor energetice în balanţa energetică din România (%)

Tabelul 7.5

Cărbuni Păcură Gaze naturale Hidro Nuclear 36 10 22 24 8 Utilizarea surselor primare de energie în prezent în România (tabelul 7.5) evidenţiază

ponderea mare a cărbunilor şi hidrocarburilor pentru producerea energiei electrice (68 %). România, cu toate că este ţara cu cea mai mare producţie de petrol şi de gaze naturale din regiunea Mării Negre, mai importă resurse energetice şi chiar electricitate. Resursele energetice interne reprezintă o proporţie semnificativă din necesarul energetic al ţării: 43% din petrolul prelucrat, 82% din consumul de gaze naturale, 77% din consumul de antracit şi lignit şi 99% din consumul de electricitate.

Producţia de energie electrică se va realiza şi în viitor, în proporţia cea mai mare, tot în termocentrale. Reabilitarea unor grupuri electrogene în termo- şi hidrocentrale va creşte eficienţa economică şi va prelungi durata de exploatare a unor unităţi. Până în 2005 se va da în exploatare şi unitatea numărul 2 a centralei nuclearoelectrice de la Cernavodă, cu o putere de 700 MW. Această evoluţie este prefigurată de unele date concrete cum ar fi cele prezentate în tabelul 7.6.

Structura producţiei de energie electrică în România (1998)

Tabelul 7.6

Centrală electrică Putere, MW Pondere,% Hidrocentrale 2669 53,3

Centrale pe cărbune 942 18,8 Centrale pe hidrocarburi 701 14,1

Unitatea 1 Cernavodă 693 13,8 Total 5005 100

Consumul de energie electrică se repartizează în proporţie de aproximativ 59% pentru

industrie, 4% pentru agricultură, 4,9% pentru transporturi şi telecomunicaţii şi 15% pentru consumul casnic (tabelul 7.7).

Aceste proporţii se vor menţine şi în următorii 20 de ani. Consumul casnic a crescut în România de aproape trei ori faţă de valoarea 5-6% din 1989, dar este mai mic faţă de

consumurile din alte ţări dezvoltate (de exemplu în SUA, consumul populaţiei reprezintă aproximativ 30% din consumul total).

Repartizarea consumului de energie electrică în România

Tabelul 7.7

Consum de energie electrică

2000 TWh, %

2010 TWh, %

2020 TWh, %

Industrie 26,5-58,8 35,5-57,2 44,3-56 Construcţii 0,7-1,6 1,6-2,6 2,6-3,3 Transporturi şi telecomunicaţii 2,2-4,9 3,2-5,2 4,3-5,4

Agricultură şi silvicultură 1,8-4 2,8-4,5 3,8-4,8

Servicii 7-15,6 9,5-15,3 11,6-14,7 Consum casnic 6,8-15,1 9,4-5,2 12,4-15,7

Strategia energetică a României are în vedere asigurarea cererii de energie la costuri

cât mai reduse şi la standarde calitative superioare, creşterea competivităţii sectorului energetic, protecţia mediului înconjurător. Este necesară restrângerea fabricării şi exportului produselor energo-intensive, recuperarea complectă a energiilor reziduale şi utilizarea pe plan local a tehnologiilor neconvenţionale de producere a energiei.

Din tabelul 7.8 reiese potenţialul de economisire a energiei în câteva industrii energointensive.

Consumuri specifice energetice în câteva domenii industriale

Tabelul 7.8

Consum energetic, 106 kJ/1 t produs Aluminiu Oţel Ciment Hârtie Consum teoretic 25 6 0,7 0,2 Consum actual 200 27 9 40 Consum posibil prin tehnologii moderne 170 17 3,8 25

Reducerea consumurilor energetice este imperios cerută de caracterul limitat al

resurselor energetice convenţionale, scăderea costurilor produselor şi diminuarea poluării. O cale de reducere a consumurilor energetice o constituie folosirea resurselor secundare de energie, definite ca suma tuturor pierderilor de energie şi căldură în mediu prin evacuarea de gaze , produse lichide şi solide industriale cu conţinut caloric ridicat.

Rezumat Se prezintă şi caracterizează sursele energetice actuale de care dispune omenirea. Din

sursele utile de energie se exemplifică obţinerea energiei termice şi electrice. Energia electrică este forma cea mai utilizată de energie. Se obţine în cantităţile cele

mai mari în centralele convenţionale: termo- atomo- şi hidrocentrale. Centralele neconvenţionale au încă o pondere redusă în producţia mondială de energie electrică.

Centralele convenţionale sunt prezentate prin lanţul corespunzător de transformări energetice, schema de funcţionare, aprecieri tehnico-economice.

Funcţionarea centralelor electrice se urmăreşte cu ajutorul curbei de putere (de sarcină) şi prin indicatori: indice de aplatizare, factor de simultaneitate ş.a.

Cuvinte cheie

surse de energie epuizabile putere calorică surse primare inepuizabile centrale termoelectrice combustibili nucleari centrale nuclearoelectrice centrale hidroelectrice curba de putere factor de simultaneitate indice de aplatizare

Întrebări

1. Ce sunt sursele de energie epuizabile? Exemple. 2. Ce sunt sursele de energie inepuizabile? Exemple. 3. Cum funcţionează o centrală termoelectrică cu condensaţie? 4. Cum se calculează randamentul unei centrale termoelectrice cu

termoficare? 5. Cum funcţionează o centrală atomoelectrică cu două circuite? 6. Cum funcţionează o centrală hidroelectrică? 7. Ce reprezintă curba de putere (de sarcină)? 8. Cum se calculează factorul de simultaneitate? 9. Cum intră în funcţiune centralele electrice (acoperirea curbei de

putere)?

Bibliografie suplimentară

1. VIŞAN, S., GHIGA, C., PANDURU, V.

Tehnologii industriale, Bucureşti, Editura ASE, 2000

2. IONESCU, Tr.G., POP, G.

Ingineria sistemelor de distribuţie a energiei electrice, Bucureşti, Editura Tehnică, 1998

3. LECA, A. Principii de management energetic, Bucureşti, Editura Tehnică, 1996

4. MĂRGINEAN, D.D. Energetica lumii vii, Bucureşti, Editura EDIMPEX-Speranţa, 1992

5. *** Revista de energetică nucleară 6. *** Energetica şi protecţia mediului înconjurător,

Bucureşti, INID, 1992