Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută 1 MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA DIN ORADEA FACULTATEA DE INGINERIE ENERGETICĂ ŞI MANAGEMENT INDUSTRIAL PANEA CRINA TEZĂ DE DOCTORAT Rezumat STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND PERFORMANŢELE ENERGETICE ŞI DE DISPONIBILITATE ALE SISTEMELOR DE VALORIFICARE A RESURSELOR GEOTERMALE CU ENTALPIE SCĂZUTĂ Conducător ştiinţific: Prof. dr. ing. Ioan FELEA ORADEA 2012
Transcript
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
1
MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI
UNIVERSITATEA DIN ORADEA FACULTATEA DE INGINERIE ENERGETICĂ
ŞI MANAGEMENT INDUSTRIAL
PANEA CRINA
TEZĂ DE DOCTORAT Rezumat
STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND PERFORMANŢELE ENERGETICE ŞI DE DISPONIBILITATE ALE
SISTEMELOR DE VALORIFICARE A RESURSELOR GEOTERMALE CU ENTALPIE SCĂZUTĂ
Conducător ştiinţific:
Prof. dr. ing. Ioan FELEA
ORADEA
2012
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
2.3. Energia geotermală ………………………………………………………………18
2.4. Energia din biomasă şi biocombustibil ………………………………………….……21
2.5. Energia eoliană ……………………………………………………………………....24
2.6. Energia hidraulică ………………………………………………………………27
2.7. Concluzii ………………………………………………………………………………28
3. STADIUL ACTUAL PRIVIND UTILIZAREA RESURSELOR ENERGETICE
GEOTERMALE ……………………………………………………………………...30
3.1. Introducere ……………………………………………………………………...32
3.2. Stadiul actual al utilizării directe a energiei geotermale în lume ……………….33
3.2.1. Stadiul geotermalismului în România ………………………………………………38
3.2.2. Sisteme de încălzire centrală ………………………………………………………43
3.3. Stadiul actual de dezvoltare al sistemelor de conversie a energiei geotermale în energie
electrică ………………………………………………………………………47
3.3.1. Principiul conversiei indirecte a energiei geotermale. Valorificarea energiei pe plan
mondial ………………………………………………………………………………47
3.3.2. Soluții de valorificare pentru utilizarea indirectă a energiei geotermale ………..51
3.4. CONCLUZII ……………………………………………………………………….63
4. CONTRIBUŢII LA EVALUAREA FIABILITĂŢII SISTEMELOR DE
VALORIFICARE A ENERGIEI GEOTERMA………………………………………..65
4.1. Consideraţii generale privind fiabilitatea sistemelor ………………………………..67
4.2. Studiul fiabilităţii SVEG pe baza DEF ………………………………………..70
4.2.1. Modelul general ………………………………………………………………..70
4.2.2. Studiu de caz. ………………………………………………………………………..73
4.3. Studiul fiabilităţii SVEG prin metoda lanţurilor Markov cu parametru continuu
(MLM) ………………………………………………………………………………..81
4.3.1. Modelul general pentru sisteme serie ………………………………………...81
4.3.2. Studiu de caz ………………………………………………………………………..84
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
3
4.4. Aplicarea metodei de simulare Monte – Carlo pentru evaluarea fiabilităţii SVEG …91 4.4.1. Algoritmul metodei ………………………………………………………………..91 4.4.2. Pachetul software pentru simularea fiabilităţii SVEG pe baza metodei Monte Carlo...93 4.4.3. Studiu de caz ………………………………………………………………………..95 4.5. Simularea funcţiilor de fiabilitate ale SVEG prin aplicarea programului de simulare @Risk Monte Carlo ………………………………………………………………………107 4.5.1. Metodologia de lucru ………………………………………………………………107 4.5.2. Rezultatele obţinute pentru SVEG2 ………………………………………………111 4.6. Concluzii ……………………………………………………………………...178 5. MODELAREA ŞI SIMULAREA PERFORMANŢELOR ENERGETICE ALE SVEG ……………………………………………………………………………………..183 5.1. Structura şi modelul centralei electro-geotermale cu ciclul binar ………………185 5.1.1. Ciclul ORC şi componentele CEGB ………………………………………………185 5.1.2. Calculul ciclului ideal şi real pentru ciclul analizat ………………………………189 5.1.3. Dimensionarea schimbătoarelor de căldură ………………………………………195 5.2. Modelarea ciclului ORC în programul Matlab Simulink ………………………216 5.2.1. Modelarea ciclului real (referinţă) în Simulink ………………………………217 5.2.2. Modelarea ORC-ului analizat în Simulink ………………………………………223 5.3. Rezultate ale rulării pentru variaţii ale mărimilor de intrare ………………………245 5.4. Concluzii ……………………………………………………………………...253 6. CERCETĂRI PRIVIND OPERAŢIONALIZAREA PERFORMANŢELOR ENERGETICE ŞI ECONOMICE ALE SVEG ………………………………………257 6.1. Cercetări experimentale privind performanţele energetice ale SVEG ……….259 6.2.1. Descrierea SVEG investigat ………………………………………………………259 6.2.1. Bilanțul termic al schimbătoarelor de căldură apă geotermală – agent intermediar…………………………………………………………………………………263 6.2.3. Pachetul Software elaborat pentru realizarea bilanţului termic şi exergetic (BTE) ...265 6.2.4. Studiu de caz ………………………………………………………………………268 6.2. ANALIZA FEZABILITĂŢII SVEG ………………………………………………276 6.2.1. Criterii şi indicatori de fezabilitate aplicabili pentru SVEG…………………………………………………………….…………………………276 6.2.2. Metodologia de analiză ………………………………………………………278 6.2.3. Studii de caz. ………………………………………………………………………279 6.3. Concluzii ………………………………………………………………………291 7. CONCLUZIILE FINALE ………………………………………………………294 BIBLIOGRAFIE ……………………………………………………………………..305 ANEXA 1………………..………………………………………………………………..313 ANEXA 2…………..……………………………………………………………………..368
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
4
I. INTRODUCERE
1.1.Actualitatea temei
Cererea mondială de energie este în continuă creştere, pentru a se putea satisface
necesarul de energie atât în prezent, cât şi pe termen mediu şi lung, având un preţ accesibil, la
un standard de viaţă civilizat, în condiţii de calitate, siguranţă în alimentare, ţinându-se cont
de principiile dezvoltării durabile. Soluţia este utilizarea resurselor regenerabile care sunt
surse reînnoibile, la o scară de timp scurtă şi previzibilă, şi au avantajul că sunt, practic,
nepoluante. Din această categorie fac parte: energia radiaţiei solare, energia eoliană, energia
apelor, energia înmagazinată în scoarţa pământului (energia geotermală, geotermică) şi
energia obţinută în urma proceselor biologice.
Fiabilitatea instalaţiilor de producere a energiei electrice şi termice din resurse
convenţionale este tratată în literatura de specialitate, dar asupra noilor tehnologii nu s-au
făcut studii aprofundate de fiabilitate. Astfel de studii de fiabilitate sunt deosebit de utile
pentru personalul de proiectare şi care activează în aceste instalaţii, atât la nivel managerial,
cât şi operaţional.
Actualitatea temei acestei lucrări se justifică prin următoarele considerente:
•Necesitatea accelerării ritmului de valorificare a energiei din resursele regenerabile;
•Reducerea gradului de poluare, la nivelul global, acesta având consecinţe grave
asupra omenirii, florei, faunei şi asupra climei Pământului;
•Sporirea interesului investitorilor în vederea valorificării energiei din resurse
regenerabile;
•România dispune de un potenţial ridicat în ceea ce priveşte resursele hidro-
geotermale;
•Necesitatea estimării în faza de studiu a fezabilităţii performanţelor sistemelor de
valorificare a energiei din resursele geotermale, în condiţiile concrete din România;
•Necesitatea efectuării unor studii privind performanţele operaţionale ale instalaţiilor
de valorificare ale resurselor regenerabile, prin prisma ajustării modelelor de evaluare
previzională.
Având în vedere toate cele specificate mai sus, considerăm că, tema se înscrie în
tendinţele şi preocupările specialiştilor cu privire la evaluarea performanţelor energetice şi de
disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor energetice hidrogeotermale.
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
5
Obiectivele şi structura lucrării
Obiectivul principal urmărit în cadrul tezei este aprofundarea analizelor de
disponibilitate şi de eficienţă energetică a sistemelor de valorificare a energiei din resursele
hidrogeotermale cu entalpie scăzută şi identificarea soluţiilor de creştere a performanţelor
acestor sisteme.
Lucrarea tratează aspecte analitice şi aplicative vizând următoarele obiective specifice:
• Realizarea unei sinteze bibliografice cu privire la sistemele de valorificare a
energiei geotermale;
• Analiza situaţiei actuale, respectiv a evoluţiilor şi prognozelor privind oferta şi
cererea de energie la nivel mondial, european, naţional;
• Evaluarea potenţialului SRE ale României şi exemplificarea acestora cu
ajutorul hărţilor ce descriu fiecare zonă geografică din punct de vedere a surselor regenerabile
de energie;
• Elaborarea modelelor de evaluare, a algoritmilor şi programelor de calcul
pentru analiza fiabilităţii previzionale a sistemelor de valorificare a energiei geotermale cu
entalpie scăzută;
• Simularea funcţionării sistemelor cu ciclu binar cu scopul evaluării
performanţelor energetice ale acestora;
• Determinarea prin măsurători directe a indicatorilor de calitate a
echipamentelor din structura sistemelor de valorificare a energiei geotermale şi identificarea
de soluţii pentru creşterea performanţelor energetice şi de disponibilitate ale acestora;
• Utilizarea şi elaborarea de pachete software destinate facilitării evaluării
performanţelor energetice şi de disponibilitate a sistemelor de valorificare a energiei
geotermale.
Lucrarea este structurată în 7 capitole la care se adaugă cuprinsul, lista de notaţii şi
abrevieri, lista referinţelor bibliografice şi patru anexe.
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
6
2. RESURSE ENERGETICE REGENERABILE
Capitolul 2 evidenţiază importanţa resurselor energetice regenerabile pentru obţinerea
de energie electrică şi termică.
Subcapitolul 2.1. sunt prezentate câteva noţiuni introductive cu referire la energiile
regenerabile şi sunt aduse argumente privind importanţa cercetării şi exploatării resurselor
regenerabile.
În al doilea subcapitol este tratată succint energia solară, prin prezentarea unui scurt
istoric a primelor utilizări a acestei forme de energie, cât şi o descriere sumară a metodelor de
conversie a energie solare şi totodată prezentarea valorilor fluxurilor medii anuale ale energiei
solare incidente în cele mai importante zone cu potenţial solar ridicat ale României.
Subcapitolul 2.3. conţine o scurtă evocare a aspectelor privind energia geotermală,
prin definirea acestei resurse de energie, clasificarea zăcămintelor în funcţie de temperatura
acestora şi descrierea domeniilor de utilizare în funcţie de temperatura zăcământului.
În subcapitolul 2.4. se prezintă aspecte legate de energia produsă din biomasă şi
biocombustibil, precizând noţiunile generale, tehnologiile care pot fi aplicate pentru a se
obţine energie, prezentarea hărţii României cu locaţiile pentru aplicaţii energetice ale
biomasei, cât şi estimări privind resursele de biomasă la nivel local prin şi global.
Subcapitolul 2.5. conţine o scurtă trecere în revistă a energiei eoliene precizându-se
capacitatea instalată a centralelor eoliene la nivel global, avantajele şi dezavantajelor folosirii
acestei surse de energie, cât şi zonele cu potenţial ridicat din România.
În subcapitolul 2.6. se face o scurtă analiză a energiei hidraulice specificându-se
metodele de valorificare a acestei resurse cât şi a situaţiei la nivel global privind puterea
instalată în hidrocentrale.
În ultimul subcapitol 2.7 sunt prezentate concluziile şi contribuţiile autoarei cu privire
la capitolul 2.
3. STADIUL ACTUAL PRIVIND UTILIZAREA RESURSELOR
ENERGETICE GEOTERMALE
În acest capitol se tratează stadiul actual privind producerea de energie electrică şi
termică din surse geotermale pe plan naţional şi mondial, cât şi metodele de valorificare
directă şi indirectă a energiei conţinute în zăcămintele hidrogeotermale.
Subcapitolul 3.1 prezintă o scurtă descriere a energiei geotermale şi harta lumii unde
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
7
se pot observa zonele care conţin acest tip de surse regenerabile de energie.
În subcapitolul 3.2. se tratează stadiul actual al utilizării directe a energiei geotermale
în lume, prin prezentarea sumară a capacităţii instalate a fiecărei ţări cât şi ritmul de creştere a
utilizării anuale în perioada 1995-2010. În context se prezintă stadiul geotermalismului în
România, exemplificarea zonelor cu potenţial geotermal la noi în ţară şi descrierea
caracteristicilor zăcămintelor situate în România. În ultima parte a acestui subcapitol sunt
descrise câteva sisteme de încălzire centrală, acestea fiind: sisteme cu schimbător primar în
sondă, sisteme cu utilizarea directă a energiei geotermale fără retur, sisteme cu utilizarea
directă a energiei geotermale fără retur, sisteme cu circuit secundar în buclă închisă, sisteme
pentru prepararea apei calde menajere.
Subcapitolul 3.3 descrie o scurtă prezentare a stadiului actual al utilizării indirecte a
energiei geotermale în lume, prezentându-se principiul conversiei energiei geotermale în
energie electrică. În context este redată lista ţărilor care generează energie electrică provenită
din surse geotermale, cât şi o predicţie pe termen scurt pentru generarea de energie electrică
din surse geotermale pe plan mondial. În ultima parte a subcapitolului sunt descrise soluţii de
valorificare a energiei geotermale în vederea producerii de energie electrică. Ca şi soluţii de
valorificare sunt descrise: producerea de energie electrică din abur saturat uscat, utilizarea
aburului saturat umed cu o laminare, utilizarea aburului saturat umed cu două laminări,
centrale electrice cu fluid secundar şi separatoare bifazice rotative.
Ultimul subcapitol este păstrat concluziilor şi contribuţiilor autoarei aduse în
cadrul acestui capitol.
4. CONTRIBUŢII LA EVALUAREA FIABILITĂŢII
SISTEMELOR DE VALORIFICARE A ENERGIEI GEOTERMALE
Acest capitol este structurat pe 7 subcapitole şi prezintă studiul de fiabilitate aplicat
asupra trei SVEG.
În primul subcapitol sunt prezentate câteva noţiuni legate de teoria fiabilităţii
previzionale şi a metodelor de evaluare a fiabilităţii instalaţiilor.
În prima parte a subcapitolul 4.2. este redat modelul general pentru metoda analitică
DEF în vederea studierii SVEG, iar în a doua parte a subcapitolului este particularizată
metoda analitică DEF pentru o centrala termică geotermală (SVEG1) situată în Simbach
Germania.
În subcapitolul 4.3. este realizată o scurtă trecere în revistă a metodei lanţurile Markov
cu parametru continuu pentru studiul fiabilităţii SVEG. În a doua parte a acestui subcapitol
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
8
este aplicată metoda lanţurilor Markov cu parametru continuu pentru studierea fiabilităţii a
două CEGB existente în Svartsengy, Islanda, acestea fiind centrale cu fluid secundar care
utilizează zăcămintele hidrogeotermale cu entalpie scăzută pentru producerea de energie
electrică.
Subcapitolul 4.4. conţine în prima parte descrierea algoritmului metodei Monte-Carlo,
cât şi descrierea pachetului software Monte Carlo acesta fiind utilizat pentru determinarea
indicatorilor de fiabilitate a sistemelor cu ajutorul simulărilor. În a doua parte a acestui
subcapitol sunt realizate trei studii de caz pentru determinarea indicatorilor de fiabilitate a
SVEG cu metoda de simularea Monte Carlo, utilizând mediul Matlab. În final se face o scurtă
comparaţie a rezultatelor obţinute în urma simulărilor cu rezultatele obţinute pe cale analitică.
În subcapitolului 4.5. este prezentată simularea funcţiilor de fiabilitatea a celor trei
SVEG utilizând programul de simulare @Risk. Programul utilizează mediul Excel pentru
realizarea simulărilor. Pentru fiecare SVEG s-au utilizat câte 4 distribuţii, acestea sunt:
triunghi, exponenţială, normală şi pert. Pentru realizarea simulărilor s-a pornit de la valorile
indicatorilor fundamentali ai elementelor (λ , µ). În ultima parte a acestui subcapitol după
determinarea indicatorilor de fiabilitate s-a făcut analiza senzitivă a fiecărui SVEG, pentru a
evidenţia influenţa variaţiilor mărimilor de intrare asupra fiabilităţii sistemului.
Subcapitolul 4.6. conţine concluziile autoarei şi contribuţiile acesteia în acest capitol.
5. MODELAREA ŞI SIMULAREA PERFORMANŢELOR
ENERGETICE ALE SVEG
În acest capitol se face analiza performanţelor energetice ale unui sistem de valorificare a
energiei geotermale, acesta este compus din 4 subcapitole.
În primul subcapitol este prezentată schema simplificată a unei centrale geotermale
binare care stă la baza studiului efectuat. Este descris calculul ciclului real şi ideal al centralei
electrice binare care funcţionează după ciclul Rankine. Acestea stau la baza modelării
centralei geotermale. Tot în acest subcapitol este redat modelul matematic utilizat pentru
dimensionarea schimbătoarelor de căldură utilizate în CEGB, cât şi rezultatele obţinute în
urma calculelor de dimensionare. Aceste calcule fiind realizate cu ajutorul software-ului Till
Media XLL care conţine proprietăţile apei şi refrigeranţilor astfel facilitând calculul de
dimensionare a schimbătoarelor de căldură.
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
9
În prima parte a subcapitolului 5.2. este realizată modelarea ciclului real în mediul
Matlab/Simulink şi simularea acestuia, arătând în final corectitudinea modelului realizat în
Matlab/Simulink prin compararea rezultatelor obţinute cu cele din Excel.
În a doua parte a acestui subcapitol este realizată modelarea ORC-ului analizat în
Simulink. Această centrală s-a proiectat pentru condiţiile existente la noi în ţară, după care s-a
trecut la simularea performanţelor energetice ale acesteia pentru variaţii ale debitului de apă
geotermală.
În subcapitolul 5.3. sunt prezentate rezultatele rulării modelului în urma variaţiei
debitului de apă geotermală, iar în subcapitolul 5.4 sunt redate concluziile şi contribuţiile
autoarei cu referire la studiul realizat în acest capitol.
Fig.5.1. Structura primară a ORC-ului în Simulink
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
10
În subcapitolul 5.3. sunt prezentate rezultatele rulării modelului în urma
variaţiei debitului de apă geotermală, iar în subcapitolul 5.4 sunt redate concluziile şi
contribuţiile autoarei cu referire la studiul realizat în acest capitol.
6. CERCETĂRI PRIVIND OPERAŢIONALIZAREA
PERFORMANŢELOR ENERGETICE ŞI ECONOMICE ALE SVEG
Acest capitol este structurat în două părţi, unde în prima este realizat un studiu asupra
schimbătoarelor de căldură dintr-o centrală termică geotermală sub aspectul performanţelor
energetice operaţionale. În scopul analizei, s-a realizat un pachet software pentru determinarea
bilanţului termic şi exergetic a schimbătoarelor de căldură în contracurent, cât şi pentru
determinarea indicatorilor de calitate a acestor aparate. În final acest pachet software are şi
opţiunea de a reprezenta grafic rezultatele obţinute. Această primă parte mai cuprinde şi două
diagrame Sankey realizate una pentru o măsurătoare din anul 2008, iar ce-a de-a doua este
pentru o măsurătoare din anul 2012.
În partea a doua se prezintă analiza de fezabilitate a centralei electrice la care s-
au analizat performanţele tehnice în capitolul 5. Analiza este realizată cu programul de
simulare @Risk determinându-se distribuţia riscului ca indicatorii de fezabilitate să
depăşească valoarea estimată. Acest studiu s-a realizat utilizând două distribuţii acestea sunt:
distribuţia triunghi şi distribuţia normală.
7. CONCLUZIILE FINALE
1. Resursele epuizabile de energie, precum combustibilii, conţin energie limitată la
durata de existenţă a zăcămintelor respective. În consecinţă, omenirea se confruntă cu
necesitatea creşterii gradului de valorificare al SRE care s-a dovedit a fi o soluţie bună pentru
rezolvarea problemei energetice globale.
2. Din hărţile prezentate la acest capitol se poate observa că România dispune de RER,
ceea ce încurajează utilizarea acestora în vederea producerii de energie termică şi electrică.
3. În România generarea de energie electrică din energie eoliană a avut o creştere
puternică în ultimii 4 ani, ritm de creştere preconizat şi în următorii ani, ceea ce înseamnă că
această RER va fi importantă în mixul energetic al României în viitorul apropiat.
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
11
4. Utilizarea energiei solare în vederea producerii de energie electrică şi termică este în
continuă creştere, predicţia fiind că, până în 2030, energia solară va reprezenta 7% din
consumul energetic global.
5. În strategia energetică a UE şi a statelor membre figurează ca şi ţintă importantă
creşterea gradului de valorificare energetică a biomasei, Comisia Europeană stabilind în anul
2005 Planul de Acţiune pentru Biomasă, în vederea asigurării şi promovării bioenergiei în
Europa.
6. România este o ţară care dispune de resurse energetice geotermale, având
temperatură medie, cu real interes în folosirea acestei resurse de energie în vederea producerii
de energie electrică şi termică, cât şi pentru folosirea ei directă în scop balneologic.
7. Se constată existenţa a numeroase proiecte la nivelul UE şi al României, pentru
utilizarea resurselor regenerabile de energie.
8. În contextul epuizării rezervelor de combustibili fosili, al creşterii preţului acestora,
dar în primul rând al schimbărilor climatice şi necesităţii reducerii emisiilor de gaze cu efect
de seră, este clar că direcţia durabilă de dezvoltare energetică este creşterea eficienţei
energetice şi utilizarea surselor regenerabile de energie. România are un potenţial considerabil
în acest sens, ce nu a fost explorat îndeajuns. Spre deosebire de resursele convenţionale cele
regenerabile nu pot fi utilizate pentru orice tip de consumator în orice condiţii şi oriunde.
9. Principalele avantaje ale utilizării energiei geotermale pentru producerea de energie
electrică sunt:
• Scăderea consumului de combustibili fosili necesari acoperirii cererii de
energie electrică;
• Scade poluarea şi impactul acesteia asupra mediului.
Acest tip de centrale trebuiesc amplasate în imediata vecinătate a resursei geotermale,
ceea ce va rezulta o răspândire neuniformă a acestei categorii de centrală electrică, în funcţie
de potenţialul geotermal al fiecărei regiuni geografice. Fiecare consumator funcţie de
particularităţile acestuia şi zona în care este situat permite utilizarea numai a anumitor resurse
regenerabile de energie.
10. Metoda cea mai eficientă pentru producerea de energie electrică din resursele
geotermale cu entalpie scăzută, resurse de care dispune şi România, este centrala electrică
geotermală cu ciclu binar. Analizând centralele binare care funcționează după ciclul Rankine
şi centralele binare care funcţionează după ciclul Kalina, prima folosind ca fluid de lucru un
fluid organic, iar cea din urmă folosind ca fluid de lucru o soluţie apoasă pe bază de amoniac,
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
12
s-a constatat că ciclul cu randamentul cel mai bun este ciclul Kalina, acesta fiind o
îmbunătăţire a ciclului Rankine.
11. Centralele electrice geotermale reprezintă una din soluţiile cele mai avantajoase
pentru alimentarea unor consumatori izolaţi, eliminând astfel necesitatea unor linii lungi de
transport a energiei electrice, ceea ce generează costuri investiţionale şi de mentenanţă mult
mai scăzute.
12. Tehnologiile utilizate pentru centralele electrice geotermale nu sunt sofisticate,
bazându-se pe echipamente mature din punct de vedere comercial, iar resursa de energie
geotermală este practic inepuizabilă. Deşi dispunem de acest tip de resurse, în prezent acestea
se pot utiliza în principal, în sisteme de utilizare directă a energiei geotermale.
13. Analizele de fiabilitate ale sistemelor de valorificare a energiei geotermale (SVEG)
se pot face pe baza metodologiei consacrată pentru analizele de fiabilitate ale sistemelor, atât
în faza de proiectare (fiabilitatea previzională), cât şi în faza de exploatare (fiabilitatea
operaţională).
14. Analizele de fiabilitate a SVEG sunt o necesitate, atât pentru producătorii acestor
sisteme, cât şi pentru clienţi. Totuşi, în literatura de specialitate numărul lucrărilor dedicate
acestui subiect este redus.
15. Pentru calculul indicatorilor previzionali ai SVEG se recomandă aplicarea
metodelor:
• Analitice acestea fiind metoda Lanțurilor Markov cu parametru continuu și
metoda funcției de structură bazată pe DEF;
• Metoda de simulare Monte Carlo.
16. Rezultatele obţinute în urma aplicării metodei analitice a lanțurilor Markov cu
parametru continuu şi a metodei Monte Carlo utilizând mediul de programare Matlab sunt
foarte apropiate, ceea ce demonstrează acuratețea rezultatelor.
17. Pentru analiza fiabilității SVEG cu ajutorul pachetului software @Risk Monte
Carlo s-a recurs la 4 distribuții, acestea fiind: distribuția triunghi, exponențială, pert și
normală. În urma simulărilor realizate pentru cele 3 SVEG pentru fiabilitatea sistemului s-au
obținut următoarele valori:
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
13
Tabelul 7.1. Valoarea fiabilităţii pentru cele 3 SVEG
Sistemul Distribuția Fiabilitatea pentru
probabilitatea de 90%
Valoarea testului/
Test
0 1 2 3
SVEG1
Triunghi 0,9978 ÷ 0,9980 ▪ 85,91/ChiSq
▪ 0,33/AD
▪ 0,0058/KS
Exponențială 0,953 ÷ 0,998 ▪ 77335,87/ChiSq
▪ 270,89/AD
▪ 0,3945/KS
Pert 0,9978 ÷ 0,9980 ▪ 61,12/ChiSq
▪ 0,30/AD
▪ 0,0051/KS
Normală 0,9977 ÷ 0,9981 ▪ 87,60/ChiSq
▪ 2,87/AD
▪ 0,0136/KS
SVEG2
Triunghi 0,9489 ÷ 0,9567 ▪ 84,66/ChiSq
▪ 0,61/AD
▪ 0,0074/KS
Exponențială 0,672 ÷ 0,95648 ▪ 11958,27/ChiSq
▪ 734,36/AD
▪ 0,2275/KS
Pert 0,9493 ÷ 0,9564 ▪ 47,67/ChiSq
▪ 0,13/AD
▪ 0,0043/KS
Normală 0,9441 ÷ 0,9600 ▪ 101,69/ChiSq
▪ 3,37/AD
▪ 0,0146/KS
SVEG3
Triunghi 0,9754 ÷0,9789 ▪ 47,72/ChiSq
▪ 0,39/AD
▪ 0,0064/KS
Exponențială 0,672 ÷ 0,991 ▪ 11958,27/ChiSq
▪ 734,36/AD
▪ 0,2275/KS
Pert 0,9756 ÷ 0,9788 ▪ 69,50/ChiSq
▪ 0,39/AD
▪ 0,0067/KS
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
14
Se constată o dispersie semnificativă a valorilor funcției de fiabilitate în principal, în
cazul distribuției exponențiale și în cazul valorilor minime.
18. Prin prisma valorilor obținute în urma aplicării celor trei teste statistice conținute
de programul @Risk, constatăm:
• Pentru SVEG1 distribuția cea mai potrivită este distribuția triunghi, urmată de
distribuția Pert și distribuția normală. Constatăm că distribuția exponențială este una
nerealistă cu referire la fiabilitatea SVEG1.
• Pentru SVEG2 distribuția cea mai potrivită este distribuția Pert, urmată de
distribuția triunghi și normală, distribuția exponențială fiind nerealistă și în acest caz.
• Pentru SVEG3 distribuția cea mai potrivită este distribuția Pert, urmată de
distribuția triunghi și normală, distribuția exponențială fiind nerealistă și cu referire la
fiabilitatea acestui sistem.
19. Valorile medii ale funcției de fiabilitate sunt aceleași în oricare ipoteză de
distribuție a variabilei aleatoare diferențe mici (de ordinul orelor) se constată la indicatorii
MTBF și MTD.
20. Studiul realizat cu referire la SVEG, în cadrul cărora asupra unui echipament din
centrală căruia i s-a aplicat o rezervă activă, a condus la o creștere a fiabilității sistemului în
proporție de 22 % - SVEG1, 22% - SVEG2 și 22 % pentru SVEG3. Pentru o decizie
definitivă privind oportunitatea utilizării echipamentelor de rezervă în cadrul SVEG este
necesar ca analiza de fiabilitate să fie însoțită de o analiză privind fezabilitatea economică.
21. Programul @Risk oferă posibilitatea analizării influenţei datelor de intrare asupra
datelor de ieşire, pentru diferite valori ale datelor de intrare la valori procentuale diferite, acest
studiu fiind posibil prin analiza senzitivă. Analiza permite determinarea variabilelor „critice"
a modelului acele variabile ale căror variaţii, au cel mai mare impact asupra performanţei
sistemului analizat. Analiza de senzitivitate evidenţiază efectul modificării uneia dintre
variabilele de risc asupra întregului sistem. Pe baza rezultatelor obținute rezultă următoarea
ierarhizare a echipamentelor din structura SVEG sub aspectul impactului asupra fiabilității
acestora:
• SVEG2 echipamentele care influenţează cel mai mult comportarea sistemului
sunt: vaporizatorul şi pompa,
• SVEG3 cel mai mare impact asupra fiabilităţii sistemului sunt: generatorul,
condensatorul şi turbina.
• SVEG1 variaţia tuturor echipamentele influenţează aproape în egală măsură
fiabilitatea sistemului, dar influența cea mai mare asupra fiabilităţii întregii centrale o au cele
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
15
două schimbătoare de căldură, cu precizarea că diferența de impact între echipamente este
redusă.
22. Primul pas în analiza performanțelor energetice ale CEGB pe bază de model și este
descrierea echipamentelor structurale: turbină, condensator, pompă de recirculare și
schimbătoarele de căldură. Pentru fiecare echipament se precizează schema funcțională,
mărimile de intrare și ieșire, respectiv, ecuațiile de bilanț energetic și masic.
23. Pentru identificarea soluțiilor de creștere a performanțelor energetice ale CEGB se
recomandă analiza comparativă a parametrilor pentru ciclul ideal și real.
24. Calculul termic al suprafeţelor necesare pentru schimbul de căldură dintre fluidul
de lucru și AG, respectiv apa de răcire, a permis proiectarea unor schimbătoare de căldură de
tipuri şi de dimensiuni uzuale, atât schimbătoarele de căldură în plăci, cât şi pentru
schimbătoarele cu ţevi în manta. Actualmente schimbătoarele destinate SVEG pot fi
achiziţionate din comerţ sau poate fi solicitată fabricarea lor la comandă de către producătorii
specializaţi.
25. Ciclul ORC (ciclul organic Rankine) poate fi modelat în Matlab/Simulink,
utilizând biblioteca cu proprietățile fluidelor existente în pachetul software Til Media
Simulink. Prin utilizarea facilităților de interfațare grafică cu utilizatorul ale pachetului
software Til Media Simulink se pot construi și armoniza modele – diagramă pentru
echipamentele, componentele și procesele din cadrul CEGB.
26. Existenţa posibilităţii de a rula simularea realizată prin Til Media Simulink chiar
dacă modelul construit nu este complet, permite urmărirea, pas cu pas, a corectitudinii
modelului şi a rezultatelor. În acest mod simularea se poate împleti cu proiectarea unui sistem
oarecare, prin simulare existând opțiunea de a elimina variantele necorespunzătoare astfel
reducându-se eforturile de proiectare, sau – în cazul realizării concrete a sistemului fizic –
poate conduce la economisirea unor cantităţi apreciabile de resurse, care altfel ar fi fost
cheltuite pentru testarea fizică a diverselor variante constructive.
27. Pentru modelarea în Matlab/Simulink a ciclului de referință (real) al CEGB se vor
utiliza următoarele blocuri:
• Blocul aferent datelor de pornire;
• Blocul folosit pentru calculul fluxurilor de căldură şi a debitelor de apă şi fluid
de lucru;
• Blocul pentru determinarea stării izopentanului la ieşirea din vaporizator şi
intrarea în turbină;
• Blocul pentru determinarea stării izopentanului la ieşirea din turbină şi intrarea
în condensator odată pentru zona de răcire şi un alt bloc pentru zona de condensare;
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
16
• Bloc folosit pentru determinarea stării izopentanului la ieşirea din condensator
şi intrarea în pompă;
• Blocul pentru determinarea stării fluidului de lucru la ieşirea din pompă şi
intrarea în preîncălzitor;
• Blocul folosit pentru determinarea stării izopentanului la ieşirea din
preîncălzitor şi intrarea în vaporizator;
• Blocul folosit pentru calculul randamentului real, calculul lucrurilor mecanice
şi al puterilor.
28. Pentru modelarea în Matlab/Simulink a ORC – ului analizat se vor utiliza
următoarele blocuri cu subsistemele aferente lor:
• Blocul preîncălzitor care conţine subsistemele care ajută la determinarea:
coeficientului de convecţie a apei, coeficientului de convecţie a fluidului şi geometriei;
• Blocul vaporizator care conţine subsistemele care ajută la determinarea:
coeficientului de convecţie pentru apă, coeficientul de convecţie pentru fluid, geometriei,
fluxul de căldură la fierberea nucleică, lungimea caracteristică la fierbere, stării de saturaţie şi
stării de supraîncălzire;
• Blocul de turbină are două subsisteme unul pentru saturaţie, iar cel de-al doilea
pentru supraîncălzire;
• Blocul condensator patru subsisteme pentru determinarea: geometriei,
coeficientului de convecţie a apei, coeficientului de convecţie pentru răcire şi coeficientul de
convecţie pentru condensare;
• Blocul de pompă s-a determinat lucrul mecanic al pompei şi raportul de
compresie, cât şi starea fluidului la ieşirea din acest bloc;
• Blocul de bilanţ unde s-au determinat randamentul centralei, puterea turbinei şi
puterea pompei.
29. Pe baza aplicării modelului realizat în Matlab/Simulink în analiza CEGB rezultă
faptul că se poate adapta ulterior la diverse dezvoltări prin modificarea submodelelor s-au
introducerea de submodele noi, inclusiv un bloc-submodel pentru descrierea proceselor
nestaţionare în funcţie de soluţiile alese pentru automatizarea CEGB, rularea modelului fiind
de ordinul secundelor.
30. Pentru studiul de caz realizat se constată că, la o variaţie a debitului apei
geotermale între (27÷33)kg/s, cu temperatura de 90°C, se obţin următoarele rezultate care
reflectă performanțele energetice ale CEGB:
• Temperatura de ieşire a apei geotermale din preîncălzitor: variaţie sinusoidală
în intervalul (51,5 ÷ 58,1)°C;
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
17
• Fluxul de căldură real transmis prin preîncălzitor este egal cu sarcina termică a
acestuia, având o variaţie sinusoidală în intervalul (0,96 ÷ 1,13) MW;
• Lucrul mecanic masic produs în turbină este cuprins între (37 ÷ 42) kW, având
o variație sinusoidală;
• Debitul apei de răcire care intră în condensator este cuprins între (157,1 ÷ 158)
kg/s, având o variaţie sinusoidală, dar o frecventă de variație mai mare decât frecvenţa de
variație a apei geotermale;
• Lucrul mecanic masic al pompei are o variație în intervalul (-461 ÷ -375) W,
sinusoidală dar de fază diferită comparativ cu variaţia sinusoidala a debitului apei geotermale;
• Puterea generată de turbină are o variație sinusoidală în intervalul (391 ÷ 444)
kW;
• Randamentul real al ciclului analizat are o variaţie sinusoidală situată în
intervalul (9,8 ÷ 11,1)%;
Rezultatele modelării în Matlab/Simulink, s-au confruntat cu cele obținute prin
aplicarea modelului realizat în Excel, obținându-se o corespondență foarte bună, ceea ce
confirmă corectitudinea modelului realizat în Matlab/Simulink.
Randamentul obţinut în urma variaţiei sinusoidale a debitului de apă geotermală este
un randament foarte bun pentru acest tip de centrale electrice.
31. Prin utilizarea mediului Matlab/Simulink simularea funcționării CEGB pentru
diferite valori ale datelor de intrare este facilă și rapidă, durata de simulare se poate fixa în
funcţie de perioada de interes, a analistului sau a utilizatorului. Pentru cazul analizat unei
perioade de funcționare de o zi simularea a durat câteva secunde.
32. Pentru a evidenţia comportarea în timp a schimbătoarelor de căldură, din punct de
vedere al eficienței lor și a gradului de colmatare, este important a se recurge la efectuarea
bilanțurilor energetice ale acestor schimbătoare, cât și determinarea experimentală a
coeficientului de schimb de căldură.
33. Pentru elaborarea, pe bază de măsurători şi calcule, a BTE pentru schimbătoarele
de căldură din structura SVEG s-a realizat un pachet software (PS-BTE) care s-a dovedit
foarte util întrucât uşurează munca laborioasă de calcul şi de cercetare bibliografică.
34. Creșterea pierderilor și scăderea randamentelor denotă faptul că aceste
echipamente au depuneri de săruri, observându-se totodată pe lângă acest aspect o creștere a
căderii intrinseci de presiune. Datorită depunerilor care s-au produs pe schimbătoarele de
căldură analizate, s-a înrăutăţit procesul de schimb de căldură, ceea ce s-a constatat
experimental și prin faptul că temperatura agentului primar pe returul schimbătoarelor de
căldură a crescut.
Studii şi cercetări privind performanţele energetice şi de disponibilitate ale sistemelor de valorificare a resurselor geotermale cu entalpie scăzută
18
35. Ameliorarea funcţionării schimbătoarelor de căldură analizate s-a realizat prin
curăţirea sistematică a lor cu următoarele efecte: reducerea pierderilor de căldură prin radiaţie
în mediul ambiant, micşorarea presiunii şi a căderii de presiune, creşterea coeficientului
global de căldură, şi totodată scăderea diferenţei medii de temperatură dintre cei doi agenţi de
lucru fapt ce duce la creşterea randamentului exergetic.
36. Din diagrama Sankey realizată pentru evaluări aferente anilor 2008 și 2012 se
observă o creștere a pierderilor exergetice în anul 2012 cu 1,22% față de 2008.
37. Valoarea medie a coeficientului global de schimb de căldură pentru măsurătorile
efectuate este 5097,34 W/m2K, o valoare mult mai redusă față de valoarea dată de firma
constructoare, care este 2143 W/m2K. Această valoare mult mai scăzută a coeficientului
global de schimb de căldură este datorat şi unui regim de funcţionare nenominal, fiind în
strânsă legătură cu abaterea a cel puţin unui parametru dintre debit şi/sau temperatură.
38. Pentru analiza fezabilităţii CEGB se pot utiliza indicatorii de fezabilitate: durata de
recuperare a investiţiei, venitul net actualizat şi indicele de profitabilitate.
39. În cazul CEGB, pentru calculul indicatorilor de fezabilitate se necesită cunoaşterea
