Modul 1BtoMASA 9r BTOENERGIA

Definirea biomasei gi a bioenergiei

Biomasa este un termen gtiinfific pentru materii vii (orice material organic carederivd din plante ca rezultat al procesului de fotosintezd). Acelagi termen estefolosit pentru produsele ce provin din organisme vii (lemn, plante recoltate, pdrlide plante gi ale reziduuri), plante acvatice 9i degeuri animale. Biomasa reprezintdfractia biodegrdabila a produselor, degeuri gi reziduuri din agriculturd (inclusivsubstantele animale gi vegetale), industria forestierd gi prelucrarea lemnului,precum gifracliile biodegradabile ale degeurilor industriale gi municipale.Energia potentiala a biomasei (bioenergia) se gaseste sub formi de energiechimicd gi include combustibili solizi, lichizi sau gazogi (biocombustibili), din eaputAndu-se produce energie electricd (bioelectricitate) prin intermediul produselorchimice derivate, direct din plante sau indirect din degeuri industriale,comerciale, urbane, agricole sau forestiere ce provin tot din plante. Valoareaenergeticd a biomasei provine din energia solard prin procesul de fotosintezd.in naturd toate tipurile de biomasd se descompun in molecule elementare inprezenla razelor solare cu degajare de cdldurd. Pe durata procesului termo-chimic de conversie in energie utild biomasa degajd energie sub formd decdldurd, iar carbonul este re-oxidat Tn dioxid de carbon pentru a inlocui aceacantitate de carbon absorbitd pe toatd durata cregterii plantei. Este esential demenlionat cd utilizarea biomasei pentru producerea de energie este inversulfotosintezei. Bioenergia este produsi intr-un ciclu pe durata cdruia majoritateacarbonului absorbit de plante este ulterior re-introdus in atmosferd prin procesulde combustie. Degeurile primei pd(i a ciclului formeazd materii prime pentruurmdtoarele faze ale ciclului. Astfel utilizarea biomasei in scopuri energetice nuare impact negativ asupra mediului ambiant, deoarece la arderea ei nu seproduce o cantitate suplimentari de dioxid de carbon (COz) ca in cazulcombustibililor fosili.

Potenlialul energetic biomasei gi pozitia pe piafa energetici

La momentul actual in fdrile dezvoltate din biomasd se produce cca. o treime dintotalul de energie folositd. Ea a fost denumiti "combustibilul omului sdrac"deoarece folosirea ei pentru prepararea mAncdrii gi pentru incdlzire dateazd defoarte mult timp. in ultimii ani sursele de biomasi au revenit in fo(i in centrulatenliei gi in !arile dezvoltate, datoritd problemelor de poluare la nivel global. Cuo capacitate estimati de cca. 14.000 MW instalatd la nivel mondial, bio-electricitatea poate fi consideratd ca fiind cea mai importantd sursd de energieregenerabild in lume, dupa energia hidro.lndustria biomasei diferd de celelalte industrii bazate pe RER datoritd faptului cdea include atAt industriile agricold, forestierd cdt gi cea de producere a energiei.Aceste industrii deseori sunt dependente una de cealaltd. Cea mai maredezvoltare a acestora s-a atins cdnd utilizarea degeurilor gi produselor rezidualea fost facutd pe scard largd. in unele ldri dezvoltarea taxare 9i reglementdri indomeniu.Cea mai mare piald pentru bio-electricitate o reprezintd producerea de energie lanivel local. Pe termen scurt piala pentru energia electricd provenitd din biomasdpoate fi regdsitd:

. Acolo unde degeurile din biomasd creeazi probleme de stocare gidepozitare;

. Acolo unde costurile de furnizare a degeurilor de biomasd suntmici, iar cererea de energie electricd este in cregtere;

. Acolo unde se promoveazd politicile pentru protectia mediuluiambiant gi pentru diminuarea incdlzirii globale.

Potentialul de utilizare a biomasei in 29 de [5ri europene membre aleOrganizaliei de Alimentare gi Agriculturd este de 140 milioane tep (toneechivalent petrol). Aceasta reprezintd aproape de patru ori consumul propriu decombustibil al industriei agricole. Aceasta inseamnd cd industria agricold poatedeveni un producdtor de energie pe termen lung. Rata de utilizare a surselor de

biomasi in Europa este de numai 15-20%. Folosind 20-25o/o din biomasd ar fiposibil de acoperit cererea de energie termicd a industriei alimentare gi cerereade cdldurd a populatiei.

Principalele surse de producere a biomasei

Resursele de biomasiResursele de biomasd care pot fi folosite pentru producerea de energie suntdiverse. Acestea se pot clasifica in: reziduuri (degeurilor) primare, secundare,ter[iare 9i biomasa care este special cultivatd pentru scopuri energetice:

. Reziduurile primare sunt produse din plante sau din produseforestiere. Acest tip de biomasd este disponibil "in cdmp" gi trebuiecolectatd pentru utilizarea ulterioard.

. Reziduurile secundare sunt produse la prelucrarea biomasei pentruproducerea produselor alimentare gi pentru producerea altorproduse finite din lemn. Sunt disponibile in industria alimentard,fabrici de producere a hArtiei, etc.

" Reziduurile terliare rezultd in urma utilizirii biomasei. Aici suntincluse diferite degeuri, (care diferd din punct de vedere al fracfieiorganice conlinute) precum: degeurile menajere, degeurilelemnoase, degeurile de la tratarea apelor uzate, etc.

. Biomasa produsd prin cultivarea speciald de plante, utilizate dreptcombustibil pentru generarea de energie electricd; astfel de plantese mai numesc "plante energetice". Au fost dezvoltate, in acestsens, mai multe specii de plante special pentru producerea decombustibil. Plantele energetice pot fi cultivate pe terenuri agricolecare nu sunt folosite in agriculturd (de obicei terenuri care suntscoase din circuit din diverse motive sau terenuri consideratenepotrivite pentru cultivarea plantelor alimentare). in comparalie cuplantele agricole tradilionale, plantele energetice necesitd maipulind Tngrijire 9i mai putine ingrdgdminte minerale sau pesticide.

Resursele de biomasd se pot clasifica gi in urmdtoarele categorii principale:. Biomasa lemnoasd; pddurile gi plantafiile forestiere, produse

reziduale din industria prelucrdrii lemnului, gi produse lemnoasecare sunt scoase din uz.

. Biomasa din plante: plante energetice, produse agricole reziduale,produse agro-industriale reziduale gi materii finite scoase din uz.

. Biomasa din fructe gi seminte: plante energetice, produse agricolereziduale, produse agro-industriale reziduale 9i materii finite scoasedin uz.

. Altele/Amestec: produse animale reziduale, produse horticolereziduale, produse agro-industriale reziduale gi materii finite scoasedin uz.

Biomasa lemnoasdDegeurile forestiere includ degeuri care nu mai pot fi folosite, copaci imperfeclidin punct de vedere comercial, copaci uscali 9i alli copaci care nu pot ficomercializafi 9i trebuie tdiati pentru a curdla pddurea. Tdierea unor copaciconduce nu numai la Tnsdndtogirea pddurii ci gi la producerea de reziduuri carepot fi folosite pentru producerea de energie. Datoritd faptului cd aceste reziduurisunt imprdgtiate pe arii largi gi Tn locuri greu accesibile ele sunt Tn general greude recuperatiar costurile sunt ridicate.Unele specii de plante energetice fac parte de asemenea din categoria biomaseilemnoase, acestea fiind de exemplu copaci cu crestere repidd. perioada derecoltare a unor astfel de plante variazd intre 3 gi 10 ani in funclie de speciacopacului, iar perioada intre doud plantdri poate fi chiar mai mare de 20 de ani.Salcia este un exemplu de plantd pentru o rotalie scurtd a plantaliei (RSp) carepoate fi recoltati la fiecare 2-5 ani comparativ cu o perioadd de 20-25 de ani(plantd de lungd duratd). Alte specii sunt: plopul hibrid, salixul, gi eucaliptul.Reziduurile lemnoase din industria hArtiei 9i de prelucrare a lemnului sunt deobicei foarte curate gi pot fi folosite drept combustibil pentru diferite sistemeenergetice pe bazd de biomasd. in multe cazuri reziduurile lemnoase din

industria de prelucrare a lemnului sunt folosite pentru producerea aburului gienergiei electrice chiar in intreprinderea unde sunt generate.Curdlarea copacilor este o altd sursd de degeuri lemnoase care in mod normalnu este valorificatd. Degeurile similare sunt produse 9i la curilarea marginilordrumurilor, cdilor ferate 9i a sistemelor de utilitali precum linii electrice. in unelecazuri aceste degeuri lemnoase sunt folosite ca strat protector la sol sau pentruacoperirea gropilor de gunoi ecologice, dar in majoritatea cazurilor nu suntvalorificate. Proiectele energetice pot folosi cu succes aceste produse in calitatede surse primare de energie.in prezent mari cantitdli de degeuri lemnoase urbane sunt aruncate la groapade gunoi. Aceste materiale pot fi separate din degeurile urbane. Degeurilelemnoase care au o umiditate de pAnd la 5% pot fi folosite in calitate decombustibil pentru producerea energiei.Biomasa din planteUnele specii de plante energetice apartin categoriei biomasei din plante(denumitd "iarbd energeticS"). Aceste plante sunt selectate ca sd creascd rapid,sd fie rezistente la secetd gi la ddunatori iar dupd recoltare sd fie competitivepentru a fi folosite Tn calitate de combustibili. Unele plante agricole (anuale) cumsunt rapila gi cerealele sunt in prezent cultivate Tn Europa in scopuri energetice.Stuful, gi sorgul dulce sunt alte specii de plante care au fost testate Tn calitate deplante energetice.Pe de altd parte, mari cantitdti de produse agricole reziduale sunt generate infiecare an. Acestea includ reziduuri agricole cum sunt paiele de grdu, degeuri deporumb, degeuri de la curdtarea livezilor, etc. De exemplu, porumbul poategenera peste trei ori cantitatea de degeuri disponibild la momentul actual dintoate formele de degeuri lemnoase (excluzdnd degeurile forestiere).Paiele au caracteristici energetice similare cu iarba energeticd, de aceea suntacceptabile pentru a fi folosite Tn scopuri energetice. Uneori cantitdlile mari declor continut, in special in zonele costiere, pot conduce la coroziuneaschimbdtoarelor de cdldurd din centrale. La momentul actual o parte din ele sefolosegte la cregterea animalelor, dar restul nu este utilizatd deloc. Un produs

rezidual caracteristic agro-industriei este reziduul din trestia de zahdr, rdmasdupd producerea zahdrului. De obicei aceste reziduuri sunt folosite Tn centrale decogenerare, energia fiind folositd in procesul tehnologic de producere azahdrului.Biomasd din fructe gi semintein aceastd categorie sunt incluse un numdr de produse reziduale ce provin dinagriculturS. De exemplu, cojile de orez sunt un reziduu provenit din prelucrareaorezului (aproximaliv 20o/o din orez o reprezintd coaja). Aceste degeuri pot fifolosite pentru producerea aburului gi energiei electrice. in China, Pakistan,Thailanda, lndia 9i Vietnam, unde orezul se produce in cantitdfi mari, cojile deorez pot fi o sursd importantd de energie primard pentru producerea energieielectrice gi pentru inlocuirea combustibililor fosili.Tn aceastd categorie mai pot fi incluse gi unele degeuri solide din industriaalimentard, cum ar fi cojile sau resturile de fructe gi legume, sAmburi provenili dela producerea uleiului de mdsline, piersici, caise, etc. La fel industria deproducerea a uleiului sfecla gi rapita sunt foarte importante. Existd specii derapifd de primdvard gi toamnd. Specia de toamnd este mai bund deoarece aceade primdvard nu are o produclie constant5. Diferite specii se manifestd diferit fa[dde condiliile climatice gi au gi o productivitate diferitd. Rapi[a de toamnd are oproductivitate medie de 1,8 tone de seminle la hectar.Floarea soarelui gi sora sunt plante tipice fiind folosite in astfel de scopuri.Floarea soarelui necesitd un climat cald gi un suport bun de umiditate. Ea estesensibild la diferite boli, de aceea trebuie protejatd folosind insecticidele. Soiurilede floarea soarelui utilizate astdzi au un conlinut de ulei ridicat (45-50%) 9i unconfinut de coji scdzut. Hibridele de floarea soarelui sunt de asemenea popularela momentul actual gi pot conduce la o productivitate de 1,5

- 2,2 tone de

seminte la hectar. Soia este Tn principal cultivatd pentru conlinutul siu ridicat deproteine. Pentru a obline recolte mari de soia sunt necesare temperaturi ridicate(peste 30'C) si cantitati mari de precipitalii.Altele/Amesfec

lndustria alimentard produce o mare cantitate de reziduuri 9i produsesecundare care pot fi folosite ca sursi energetici. Degeurile solide includalimentele care nu intrunesc conditiile de calitate 9i standardele necesare,reziduuri provenite din filtrare 9i resturi. Degeurile lichide provin din spdlareacdrnii, fructelor gi legumelor, din prelucrarea fructelor gi legumelor, dinprelucrarea cdrnii 9i a pegtelui gi din procesul de producere a vinului. Acestedegeuri conlin zahdr, amidon 9i alte materii organice dizolvate sau Tn staresolidd, dar intr-o formd destul de diluatd. Aceste degeuri de obicei suntdepozitate sau aruncate la gropile de gunoi, iar companiile pldtesc pentru acesteservicii.

Milioane de tone de degeuri menajere sunt colectate in fiecare an 9i majoritateadintre ele sunt aruncate la gropile de gunoi. Compozifia degeurilor solide urbanevariazd Tn funclie de localie gi de tipul serviciilor de colectare. Combustibilulprodus din prelucrarea degeurilor solide urbane se numegte Refuse Derived Fuel(RDF) sau Solid Recovered Fuel (SRF). Definirea SRF propusd de comitetul destandardizare CEN (TC343) este urmdtoarea: "combustibilul produs din degeuricare nu sunt toxice pentru a fi utilizat in centralele de incinerare sau de co-combustie".Materialele non-combustibile cum ar fi sticla gi metalele sunt in general eliminateTnainte de producerea RDF. Materialele reziduale sunt folosite ca atare, sau suntcomprimate in brichete sau cdrdmizi. lnstalaliile pentru procesarea RDF sunt deobicei situate aproape de sursa degeurilor solide urbane, iar instalalia deincinerare a RDF poate fi amplasatd in alti parte. Deoarece RDF are incompozifia sa nu numai biomasd puterea sa calorifici este afectatd de celelaltematerii, de exemplu plasticul. RDF este o sursd regenerabild datorita confinutuluide biomasd.Multe dintre degeurile animale pot fi de asemenea folosite in calitate de sursd deenergie, cum ar fi dejecliile de la porcine, pdsdri gi vite. Aceste animale suntcrescute in locuri speciale unde produc o cantitate mare de degeuri pe osuprafald micd. in trecut aceste degeuri erau folosite in calitate de ingrdgdmdntin agriculturd, dar introducerea normelor de protecfie a mediului impune un

management gi un control mai bun a acestor degeuri. O metodd de conversie aacestor degeuri este digestia anaerobi (descrisd maijos).Apele uzate sunt 9i ele o sursd de energie similari cu cea provenitd dindegeurile animale, fiind deja analizatd si aplicata Tn multe ldri de mult timp.Energia poate fi extrasd din apele uzale folosind digestia anaerobd pentru aproduce biogazul. Ndmolurile care rdmdn pot fi incinerate sau pot fi tratatefolosind procesul de pirolizd pentru a produce mai mult biogaz gi ulei de pirolizd(sau bio-ulei).

ENERGIE DIN BIOMASA

Situatia Ia nivel mondialPotrivit O.N.U., consumul de energie provenita din biomasa a fost in 1990 deaproape 6,7 o/o din totalul consumului global. Pentru anul 2000, datele obtinutede Agentia lnternationala pentru Energie (A.l.E.), dintr-un sondaj realizal in 133de tari, indica faptul ca energia obtinuta din biomasa reprezinta 10,5 % din totalulconsumului de energie.Obiectivul strategic propus in Cartea Alba a Uniunii Europene pentru o StrategieComunitara consta in dublarea pana in anul 2010 a aportului surselorregenerabile de energie al tarilor membre ale Uniunii Europene, care trebuie saajunga treptat, de la 6 % in anul 1995, la 12% din consumul total de resurseprimare, pana in2010, respectiv in unitati fizice de la 74,3mi|. t.e.p. la 182 mil.t.e.p.

Trebuie remarcat ca ponderea cea mai mare in cadrul surselor regenerabile deenergie o are biomasa. ln anul 2001, din totalul de 74,3 mil. t.e.p. obtinut dinsurse regenerabile, ponderea biomasei a fost de 56 M.t.e.p. Pentru a se atingetinta privind utilizarea surselor regenerabile de energie S.R.E. de 12 % in 2010este nevoie de mai multa biomasa, adica o productie aditionala din biomasa decca74 M.t.e.p., aceasta va duce la o produc[ie totala de energie din biomasa de130 M.t.e.p. in 2010. Fiecare sector energetic trebuie sa contribuie la crestereaenergiei din biomasa, astfel: energie electrica - 32 M.t.e.p.; energie termica - 24M.t.e.p.; biocombustibili - 18 M.t.e.p.

Situatia la nivel nationalln Romania resursa energetica regenerabila cu cel mai mare potential pe termenscurt si mediu este biomasa

- lemnoasa si agricola. Acest potential este putin

utilizat in prezent, iar utilizarea energetica se rezuma doar la producerea deenergie termica prin procedeul clasic

- arderea in centrale termice industriale,

mai mult de 80% din dotarile acestor centrale fiind depasite fizic si moral. lnprezent exista in Romania cazane de abur si de apa calda pe combustibil

lemnos. Strategia guvernamentala de valorificare a surselor regenerabile deenergie (HG 1535/2003) prevedea ca obiective la nivelul anului 2010, realizareaunorcapacitati instalate noi de 3250 mii t.e.p. pentru,,biomasa termal" si de 190MWh pentru ,,biomasa electrica" lucru ce concorda cu obiectivele la niveleuropean ce presupun 75 mil. t.e.p pentru ,,biomasa termal" si circa 200 TWhpentru ,,biomasa electrica". Conform datelor oficiale publicate de lnstitutulNational de Statistica, ponderea biomasei in totalul resurselor energeticegenerale la nivel national a oscilat in ultimii ani intre 6,5 %si 8,7o/o. Doar cca. 11o/odin totalul energiei obtinute din biomasa este produsa in instalaltii relativmoderne.Diferite unitati industriale, in special din industria lemnului, au achizitionat inultimii ani cazane industriale de abur si apa calda utilizand deseuri lemnoase(inclusiv rumegus) drept combustibil. De asemenea, in cateva orase din zonamontana au fost introduse cazane cu apa calda petnru incalzire urbanafunctionand cu combustibil lemnos. ln Romania exista: )peste 550 cazaneindustriale de abur sau apa fierbinte utilizand combustibil lemnos; )10 cazanede apa calda cu puteri intre 0,7 MW si 7 MW pentru incalzire (total 45MW)

Orientari, prioritati si directii in evolutia pieteiSistemele standard utilizate pentru tratarea termica a biomasei, sunt diverseletipuri de incineratoare adaptate caracteristicilor fizico - chimice. ln prezent noitehnologii ca termoliza, piroliza si gazificare (denumite generic non-oxidante)disponibile la nivel pilot se prezinta ca o alternativa la procesul de incinerare. Lanivelul anului 2004 ponderea tehnologiilor non-oxidante in domeniul tratariibiomasei era de aproximativ 23 o/o, restul fiind acoperit de tehnologiile oxidante(incinerare). Politica din acest domeniu in tarile dezvoltate s-a axat in ultimuldeceniu pe imbunatatirea ratei de recuperare a energiei; conversia in subprodusienergetici cu o putere calorifica ridicata, utilizabili in situ sau la distanta insectorul producerii de energie si reducerea emisiilor poluante (cantitativ si canocivitate). Avand in vedere rolul important ce il va avea biomasa in sectorul

energetic din Romania exista premize favorabile de dezvoltare a pietei in treietape:

ln prima etapa pot fi realizale circa 300 centrale termice cu putere instalata totalade 1.400 MWt pentru incalzire urbana functionand cu combustibil lemnos inorasele din zona de munte si subcarpatica. ln ceea ce priveste producerea deenergie electrica pe baza de biomasa in aceasta etapa pot fi realizate circa 60 deinstalatii de cogenerare cu putere totala de circa 160 MWe in intreprinderile dinindustria lemnului care au disponibil de deseuri de lemn. ln a doua etapa seprevede realizarea a circa 450 centrale cu putere instalata totala de 5.200 MWtpentru incalzirea urbana functionand cu resturi agricole in orasele din zonele decampie. De asemenea, se vor realiza centrale functionand cu biogaz si/sau cugaz combustibil (landfield gas) colectat din gropile de gunoi ecologice. Putereatotala produsa din biomasa si biogaz se poate ridica la aproximativ 400 MWe. Atreia etapa se va axa pe incurajarea producerii descentralizate de energie pentruconsumatorii casnici, cu puteri instalate de 10

- 150 kWe, avand la baza

tehnologia de gazeificare si utilizare a gazului de sinteza in turbine cu gaz saumotoare cu gaz.Prin realizarea actiunilor propuse privind marirea consumului de biomasa inscopuri energetice in Romania, s-ar realiza o reducere a emisiei de gaze cu efectde sera de circa 10,7 mil. tone echivalent CO2.

Modul2

Cara cterizar ea bio masei

Compozi{ia fizico-chimici a biomasei

Termenul de biomasi are in vedere substanlele de origine biologicd in forminefosild: materialele gi degeurile de origine agricold qi forestier5, produqii secundari qideqeurile din industria agro-alimentard, degeurile de origine zootehnici, dar qi reziduurileumane (in care frac{iunea organicd ajunge la valoarea medie de 40 Yo din greutate), algele qimulte specii vegetale utilizate pentru epurarea substanlelor organice.

Prin intermediul procesului de fotosintez[ a clorofilei, vegetalele utilizeazd aportulenergetic reprezentat de energia solar6, pentru a transforma anhidrida carbonicd atmosfericdqi apa in molecule complexe, din care sunt alcdtuite sau care insolesc procesele lor vitale:carbohidra{ii, proteinele, lipidele qi altele care se afld intr-un numdr nelimitat de produqisecundari de orice tip. Agadar, fotosinteza realizeazd fixarea carbonului atmosferic gitransformd energia solari in energie chimicd.

in continuare termenul de biomasd are in vedere in exclusivitate materialele deorigine agro-alimentard gi lemnul provenit din culturile energetice.

Biomasa este constituitd in propor{ie de 88 -

99,9 o din compugi organici. Dintreaceqtia principalul este celuloza. Compozilia tipicn a speciilor de bioamasd este prezentatdin tabelul 1.

Celuloza, (C6H16O5)', este un homopolimer linear cu un grad ridicat de polimerizare(aproximativ 10 000), formatd de o catend de glucoz6, caructerizatd de legdturi de tip B.Legdturile de hidrogen, care stau la baza substanlei, conferd celulozei o inaltd rezistenJdmecanicd qi reduce insolubilitatea in majoritatea solvenfilor.

Figura 1. -

StructurareprezentaJi atomi

moleculard a celulozei, vdzutd tridimensional: in roqu suntde 02, in alb atomi de Hz iar cu negru cei de C.

Semiceluloza este un eteropolimer cu un grad de polimerizare mai mic de 200,constituit din catene mici de zahdr, foarte ramificate. Iar celuloza este o componentdparticulard.

Din structura celulari a biomasei fac parte componentele anorganice gi impuritn!ile.in esentd sunt substanle care se oblin din biomasd printr-un atac chimic .u ,otu.n1i care nurup structura, generat pentru a se putea realiza extragerea. Aceste substanle sunt de diversetipuri, in functie de planta de la care provin: r6gini, cauciuc, grdsimi, zahdr qi altele.Extracfii sunt principalele responsabile de caracteristicile cromatice gi olfactive, care variazd"de la specie la specie.

Componentele anorganice reprezintd un procent modest din compozilia global6:intre 0,1 Yo qi 12 Yo. Ele pot fi intdlnite in cantitdfi mari in biomasa de origine forestierd sauin biomasa de culturS: paie gi cereale. Dupd o combustie totald, partea anorganicd abiomasei este transformat[ in cenuqd. Dintre principalele componente, un rol important il aualcanii K, Si gi Mg, care influenleazS formarea cenuqii, ce pot regisili in patul de combustiesub formd de aglomeralii sau sub form5 de coroziune qi emisie de particule volatile.

Anuliza

Precum majoritatea materialelor carbonice, biomasa uscatd are o compozilie chimic[elementar5, simpl6. Diferen{a faJi de acestea constd in aceea ci biomasa se caracterizeazdprintr-o concentralia neglijabiln de sulf, clor, fluor qi brom.

Proprietifile energetice ale biomasei

Datoritd densitdlii scdzute (tabelul 3) gi formei iregulate qi eterogene, biomasa,respectiv combustibilii obfinuli pebaza ei, prezintd mari insuficien{e de stocare gi transport,impun6ndu-se existenla unor suprafefe extinse pentru aprovizionarea cu combustibil.

Tabelul Istructurula a de biomasd

BIOMASA Celuloza Semiceluloza Lignina InertLemn 44.6 31.8 t9 4.6Paie de grdu 48.9 27.3 16.4 7.4Sansa 44.8 18.5 28 8.7Resturi de struguri 36.8 t7.2 30.4 1s.6Resfuri de orez 53.4 24.3 14.3 8

Tabelul2Analiza chimicd a britelor de biomasd

BIOMASA C H o N CenugiLemn 46.4 5.9 47.6 0.08 0.45Paie de grdu 43.6 6.2 49.9 0.3 5.5Sansa 50.9 6.3 41.4 r.37 2.8Resturi de struguri 47.9 6.2 43.8 2.11 5.1Resfuri orez 40.3 5.7 53.7 0.3 15.3

Costurile cu transportul dubleazd practic costul biomasei neprelucrate (6 12euroAvlWhuiomasa). Se induce astfel o inrdutdtire semnificativi a bilan{ului energetic final.

Pe l6ngd acestea, datoriti cregterii conJinutului de oxigen, biomasa are o slabd puterecalorificS, de obicei intre 4 000 qi 6 000 kcallkg, gi o inalti reactivitate. Scdderea puteriicalorifice se datoreazi creqterii gradului de umiditate a biomasei, care are o valoare marepentru cidura latentd de evaporare. Biomasa uscatl conline intotdeauna apd, care in timpulcombustiei este transformatd in vapori. Trebuie specificat cd o parte din energia chimicd abiomasei este folositd pentru evaporarea umiditdJii confinute de combustibil.

Cunoscdnd compozilia chimicl este posibil s5 se calculeze puterea calorificd prinaplicarea formulei empirice valabild pentru combustibilii fosili. Aceste formule sunt ingeneral oblinute printr-o regresie liniar[ a rezultatelor seriilor experimentale gi, inconsecin!5, prezintd valori ugor diferite de la un autor la altul, fiind influenlate de instalaliaexperimentalS gi de metoda de lucru. in continuare sunt prezentate cdteva expresii.

Din punct de vedere al compozitiei chimice, puterea calorificd superioard a biomaseipoate fi objinutl cu ajutorul formulei lui Demirbas:

HHV : 0.335 [C] + 0.t423 [H] - 0.1s4 [o] - 0.145 [N] (MJ/kg)Unde [C], [H], [O], [N] sunt procentele masei componentelor uscate, fdrd cenug6.Expresia puterii calorifice in funclie de conlinutul de lemn pur a fost obiectul

analizei divergilor autori. Printre acegtia a fost gi Demirbas. El propune urmdtoarea relalie,cate atatd cum puterea calorificd a biomasei creqte odatd cu mdrirea con{inutului de lemnlll:

HHV:0.0889 [L] + 16.8218 (kJ/kg)Puterea calorifica poate fi scrisd qi sub formd procentuali, In func{ie de masa de

material volatil [MV] 9i de carbonul fix [FC], adicd in funcJie de produqii gazogi qi volatiliai combustiei (excluzdnd apa) qi de carbonul rezultat dupi incdlzirea biomasei, dupl ometodd prescrisS.

In acest caz,tot Demirbas, a propus urmStoarea formul6:

Tabelul3Densitatea & de combustibili.

Tipuri de combustibil Densitatea energeticiGJ/m3Combustibil lichid 3s

-40Cdrbune 22

-25Rumeguq lemnos 2,5-4Brichete lemnoase l0-14Rumegug provenit din resturi agricole 0,5

- 0,8

Brichete provenite din resturi agricole 6,5 -

10,5

Dejec{ii animale 1,3 -

1,7

HHV:0.312 [FC] + 0.1534 [MV] (MJ/kg)Alfii au sugerat o formuli de tipul:

HHV: 0.3s43 [FC] + 0.1708 [MV] (MJ/Kg)Aceste rela{ii generale reproduc destul de bine valorile oblinute pe cale

experimentald, cu un coeficient de coreclie foarte aproape de unitate.

Modul3

Conversia biomasei

Principalii factori care influenleazdalegerea procesului de conversie sunt:o forma energiei,o tipul biomaseio calitatea biomasei,

o utilizarea produgilor finali,o factorii ambientali,o factorii economici.

Utilizarca biomasei ca formd de energie regenerabil[ a atras aten{ia cercetdrii gtiin{ifice dinultimii ani ducdnd la dezvoltarea de noi tehnologii de conversie, multe dintre ele afldndu-seinc[ in faz[ experimentald.in cele mai multe cazuri stocurile de biomasS nu pot fi utilizate direct qi ele trebuieconvertite in combustibil solid, lichid sau gazos. Tehnologiile de conversie a biomasei potimpd(ite in trei categorii debazd:

Procese de conversie termo-chimicd (combustia directi, gazeifrcarea, piroliza);Procese bio-chimice (digestia anaerobd, fermentarea);Procese fizico-chimice (esterifi carea ).

Fi$chsmic*l rsilvraisn

I

Procesele de co nversie termo-chimicdSunt bazate pe acfiunea cdldurii gi formarea reacliilor chimice, care sunt necesare pentrutransformarea materiei in energie. Aceste procese se utilizeazd pentru produqii qi reziduurilecelulozice gi lemnoase in care raportul CAll ajunge la valoarea de 30, pentru o umiditate numai mare de 30 %o. Biomasa este foarte potrivitd pentru a participa la procesul de conversie

termochimicd (lemnul qi derivalii sf,i, cdt qi paiele de la cereale etc.).Conversia termo-chimicd include toate procesele de conversie a biomasei bazate pe energie

termic6: combustia, piroliza si gazeificarea. Dintre acestea numai combustia este folositi pescard largd la momentul actual. Gazeificarea pentru producerea de energie electricd este oop{iune promildtoare ce a intrat deja pe piata producatorilor de energie. Piroliza, proces deinterfata intre produsul brut si un combustibil derivat superior este parte integranta aprocesului de dezvoltare afilierelor de conversie in energie a biomasei.

Combustia directd este cel mai cunoscut proces de conversie termo-chimic[. Lemnul qi altetipuri de biomasd solid[, cum sunt diferite deqeuri, dejeclii animale sau paie pot fi incineratefErd a fi procesate in prealabil, pentru producerea de cdldur[. Combustia biomasei se face inpatru etape: uscarea, (la temperaturi intre 100'C qi 160'C), eliminarea volatilelor dincombustibil (la temperaturi de de pana la 800"C), combustia volatilelor qi a componentelorsolide din combustibil (carbon) la temperaturi intre 850"C si 1200"C.in procesul teroretic de combustie toatd energia este folosit[, ceea ce rdmdne fiind cenuga.Tehnologia combustiei directe este bine cunoscut[ qi este disponibild pe pia{[. Aceastitehnologie poate fi foarte economicd mai ales dacd sursa de biomasd este in vecinatateacentralei. Singura problem[ a acestei tehnologii este eficien(a sa redusa. Pentru a avea ocombustie eficienti sunt necesare trei elemente: o temperaturi ridicatd (peste 850"C),suficient aer (exces de aer intre 1,2-1,8), gi un timp de sta{ionare suficient pentru ocombustie complet6.

Cdldura generatd este utilizatd pentru producere de energie electrica in cicluri Rankine -Hirn. Este posibil[ arderea oric[rui tip de biomasd cu o umiditate mai mici de 50 % dinmasa sa.

in general, instalatiile de combustie directi pot oferi o putere de la 2 -

5 MW la 300 MW.in cazul unei co-combustii cu cdrbune sau cu alli combustibili fosili se poate ajunge la un

nivel al randamentului de 20 % -

40 %. Aportul de biomasd poate varia intre 10 gi 15 %, cuo semnificativd reducere a gazelor poluante, in special a NOx qi a SO2.

Pirolip, se deruleazi in lipsa oxigenului, in urma acesteia se produc substanle solide,lichide gi gazoase. Pe toatd durata procesului de pirolizd, care se desfasoara la temperaturi

intre 275"C-800oC, majoritatea celulozei gi a hemi-celulozei qi o parte din lignind sedezintegreazii in molecule mai mici qi mai ugoare formdnd gaz de pirolizi. in timp gazele serlcesc, unii vapori condenseazl qi formeazd un lichid care este uleiul de pirolizd.Partea rimasd din biomasa, in special lignina, se gase$te in formi solidd (cocsul). Esteposibil de a influenta intr-o oarecare mlsuri cantitatea de substanle gazoase, lichide sausolide produse in urma procesului" Piroliza poate avea loc gi in prezenfa unei cantit5li micide oxigen ('auto-piroliza'), a apei sau a hidrogenului ('hidrogenarea').

Principalele avantaje oferite de tehnologiile de pirolizi sunt:. nivelul de temperaturd poate fi strict controlat qi deplasat in limite largi;. diminuarea volumului de efluenli gazoqi: aproximativ 1/3 comparativ cu incinerarea;. prin nivelul de temperaturi, prin controlul echilibrelor chimice qi prin regimul

gazodinamic se poate reduce substan{ial emisia de noxe (praf, produse sulfurice,produse clorice, metale grele, etc);

. oblinerea de produse valorificabile energetic Ai tehnic: ulei, gaz qi cocs de piroliza.

. neutralizarea a99,99yodin degeuri;

. nevolatilizarea metalelor grele qi fixarea acestora in cocs;

. inexistenta emisiilor de NOx.r timp redus de reaclie pentru piroliza de inalta temperatura : 15-20 minute;r omogenizarea deseurilor multicomponente de tipul celor urbane. Se obtine astfel un

produs cu caracteristici termo-fizico-chimice quasi-constante.

' neutralizarea produselor cu impact olfactiv major gi facilitarea depozitarii pe termenlung gi a transportului la distanta. De exemplu deseurile din industria zootehnica (resturidin prelucrarea carnii, cu descompunere rapida) pot fr pirolizatq obtinandu-se un cocs(carbon + inerte) ce poate fi stocat qi transportat la distanta pentru a fi ars intr-o centralaclasica pe combustibil conventional;

r raspuns bun la variatii de sarcina: 25 -

125%;. unitati modulare in gama 10000

- 50000 t/an.

Inconvenientele procesului de pirolizaPrincipala limitare a acestui procedeu este datd de caracterul de interfa{d intre deqeul brut gitehnologia de eliminare finalI. Pirolizanu este un procedeu de eliminare a degeurilor ci doarde prepare in vederea unei valorificdri energetice superioare.

Principalele dezavantaje sunt generate de:' caracterul de degeu al cocsului produs. Deqi este un combustibil omogen asimilabil

cdrbunilor de putere calorificd medie, din punct de vedere juridic este un deqeu ce sesupune legisla{iei respective.

' conlinutul de metale grele. Datoritd temperaturilor joase (

3%), pdr\i de hidrocarburi superioare cum sunt etanul qi etenul, apd, azot (dacd este folositaerul in calitate de agent oxidant) gi diferite particule cum sunt particule de smoald, cocs giuleiuri.

Oxidarea pafiiald poate fi frcuti folosind aer, oxigen, abur sau un amestec al acestora. Seproduce astfel gazul de gazogen dacd se foloseste aer, care poate fi folosit in cazan, motorcu ardere intemd sau turbinl dar nu poate fi transportat datoritd. in cazul utilizlriioxigenului ca agent de gazeificare se produce asa numitul gaz de sintezd, care poate fitransportat la distan{e limitate.

Avantaj e ale gazeificariiIn general avantajele pirolizei se regdsesc Ai in gazeificare. In ceea ce priveqte deqeurile cepot fi tratate prin acest procedeu, se poate spune cI toate deqeurile organice sunt tratabileprin gazeificare.

Tipurile de degeuri procesabile la scar6 comerciald sunt : deqeuri urbane gi asimilate, deqeurimedicale, degeuri industriale.

' Posibilitatea atingerii unor temperaturi ridicate permite o bund eliminare a fracfieiorganice. In plus, spre deosebire de pirolizd", frac\ia de solide este minimizat[.

' Tratamentul efluentilor este in general conven{ional exceptdnd necesitatea de tratare aunor volume superioare de gaze de ardere in raport cu piroliza.

' De exemplu, volumele uzuale de gaze de ardere sunt de aproximativ 5000Nm3/tdegeu,in comparatie cu 2000 * 3000 Nm3/tdeqeu din piroliza. Aceste volume rdmdn totuqiinferioare volumelor degajate din incinerarea clasic[

- 6000Nm3/tdeqeu.

r cantitdtile de efluen{i lichizi (rdcire, epurare) vuiazl,intre 0,4 qi 2 m3 pe tond.

Dezavantaje ale gazeificarii

Tindnd cont de temperaturile atinse gi de prezen{a aerului (in unele tehnologii),concentraliile oxizilor de azotin gazele de ardere sunt comparabile cu incinerarea.Cheltuielile de exploatare cresc datoritd necesitblii echipamentelor rezistente latemperaturd inalt[. Investdiile corespunzatoare sunt in general egale sau char mai maridecat in cazul incinerdrii clasice.Complexitatea procesului de operare implicl personal inalt calificat. Aportul decombustibil suplimentar s-a dovedit a fi necesar pentru a men{ine temperaturaprocesului. Acest aport este in general furnizat prin arderea de gaz natural.

' Pulberile (in medie 5gA{m3) impreund cu temperatura inaltd a gazului la intrarea incazanul recuperator, poate provoca colmataje importante la nivelul supraincalzitoarelor.

Comparafia calitativi a tehnologiilor pentru producerea energiei electrice gi termiceTehnologia

Tehnologic Economic MediuPotenfialul

de piatiDezvoltarea

prezentiCombustie -

Cdldurd+++

+# +++ ++

Combustie -

Electricitate++(+)

++(+) +++ ++

Gazeificare +(+)

+(++) +++Pirolizd (+)

(+++) ++(+)(+ relativ scdzut, +*+ relativ bine,

relativ ieftin, relativ scump)

Procese de conversie bio-chimicdPermit recuperarea energeticf, pentru reactiile chimice prin intermediul enzimelor,ciupercilor gi micro-organismelor, care se formeazdin biomasd in condiJii particulare.Procesele de conversie bio-chimicd folosesc transformdrile biologice pentru conversiabiomasei. Cele utilizate sunt cele de producere a alcoolului din biomasd, deoarece acestaconfine zahdr, amidon gi / sau celulozd. Prin digestia anaerobd a biomasei sau a degeurilororganice in general, se produce biogaz. Ambele tehnologii sunt deja folosite la scaraindustriala pentru producerea de energie.

Digestia anaerobd este un proces biologic prin care deqeurile organice sunt transformate inbiogaz, adic6 un amestec de CF{+ (60-66% per volum) gi CO2. Pe durata acestui procesmacromoleculele organice ale biomasei se degradeazd printr-un proces nafural de popularecu bacterii intr-un mediu anaerob (Ibrd oxigen). Aceastd bioconversie are loc in digestoare,containere etange, oferind condilii ideale pentru fermentarea bacteriilor ("fermentare,,) giproducerea de biogaz.Se poate defini biogazul vegetal gi comunal. Producerea de biogaz se poate realiza ladiferite temperaturi, fiecare corespunzdnd diferitor grupuri de bacterii, gi anumepsychrophilrc (la temperatura mediului ambiant), mesophilic (temperatura intre: 28 qi 36"C),qi thermophilic (temperatura ?ntre: 48 qi 53'C). O central[ de producere a biogazului poatefr cu stocare sau cu producere pentru utilizare directd. Primul tip are de obicei o capacitate

mai mare gi o duratd de digestie mai mare, al doilea tip fiind caracteizat de o capacitate maimic[ qi un timp mai scurt de digestie.in timpul digestiei anaerobe 30-60% din solidele introduse in proces sunt convertite inbiogaz. Produsele secundare sunt reziduuri qi diferite substan{e solubile in apd. Etapeleaferente procesului de digestie anaerobf, sunt urmltoarele:

' Lichidul gi solidele sunt colectate in rezervoare separate pentru a asigura alimentareacontinud pentru digestor. Alte materiale sunt colectate in rezervoare separate.

' Solidele gi lichidele sunt introduse ulterior intr-un vas de amestec respectdnd proporfiilepentru a forma un amestec omogen.

' Amestecul omogen este fermentat in digestorul anaerob. Un agitator pennanent are rolulde a evita segregarea amestecului. Durata procesului de producere abiogazului depindede temperaturd qi de con{inutul amestecului. Temperatura corectd este menlinuti cuajutorul unui schimbdtor de cdldur6.

. Biogazul este stocat intr-un rezervor.

' Biogazul trebuie purificat (desulfurat, dehidrat) qi trebuie sd-i fie presurizat inainte deutllizare.

' Produsele rdmase in urma fermentdrii (compostul) este stocat Tn bazine izolate.Compostul este de obicei refolosit in agriculturd.

Fermentarea cu generarea de etunol reprezinta o fermentare a substanJelor vegetale careconlin o cantitate suficient[ de polimeri de zahdr, cum sunt amidonul sau celuloza(porumbul, trestia de zahdr, sfecla de zahdr, porumbul energetic, etc.) sau a plantelor cu unconlinut ridicat de celulozi. Pentru a extrage zahdrul din polimerii de zah1r aceqtia trebuiesi treacd printr-un proces de hidrolizS. Cu toate acestea, unele plante, cum sunt trestia dezahdr, sfecla de zahdr con{in zahir sub formd de monomer, qi atunci nu este nevoie dehidroliz6.

Produsul fermenta{iei, etanolul (de asemenea denumit etilglicol) este folosit dreptcombustibil sau combustibil secundar. in Europa principalele culturi pentru producerea bio-etanolului sunt culturile care conlin amidon (grdul) gi sfecla de zahdr. Sfecla de zahdr secultivd in majoritatea lSrilor IJE-25, si poate produce cu mult mai mult etanol la hectar decdtgr0ul. Dezavantajul producerii de bio-etanol este acela c[ resursele primare sunt importantegi pentru industria alimentarS. Principalele etape de producere a bio-etanolului sunturm[toarele:

Mdcinarea produselor agricole;

Prelucrarea termicd a amidonului sau a suspensiilor de zahdr;Fermentarea;

Distilarea;

Concentrarea alcoolului pAn[ la concentralie de pdnl la 95o/o;Colectarea alcoolului de 95Yo prin dehidrare chimici sau prin filtrare cu membrane.

Procese de co nversie fizico-chimicdCele mai importante procese de conversie fizico-chimic[ sunt procesele de producere auleiului vegetal qi esterificarea acestui ulei in acid metil-ester ca un inlocuitor alcombustibilului diesel. Aceastd tehnologie este folositd pe larg in Europa. Uleiul vegetal dinseminle de rapi!6 gi floarea soarelui poate fi folosit direct in motoare cu ardere intemS, daraceasti utilizare are unele dezavantaje, dar care sunt eliminate prin esterificare. Pe durataacestui proces moleculele mari de ulei sunt rupte in molecule mai mici. Semin{ele colectatesunt introduse intr-o presi unde se extrage uleiul care apoi este amestecat cu alcool metilicsi apoi decantat. Glicerina este extras[ din partea de jos a vasului, iar partea methyl-esterizatd este extrasf, din partea de sus. Dupd o re-esterizare, combustibilul este tratat cuapd iar excesul de alcool metilic este eliminat. Produsul final a esterificdrii este biodieselul.Pe ldngd uleiurile vegetale si alte uleiuri naturale qi grdsimi pot fi folosite pentruesterificarea biodieselului. Scopul principal a esterificdrii este de a reduce viscozitatea astfelincat biodieselul sd poatd fie folosit in orice motor diesel. Reziduurile solide au un continutridicat de proteine, fiind brichetate qi folosite ca furaj.

Valorificarea energetica a resurselor geotermale

Continutul cursului:1. Aspecte generale privind energia geotermal5. Tipuri de surse geotermale. Explorarea

zacamintelor de resurse geotermale. Utilizarea resurselor geotermale ;Z. Centrale electrice geotermale. Principii de baza ale pompelor de caldura. Instala{ii

geotermale cu pompe de cdldur[. Surse geotermale in Romania.3. Elemente caracteristice ale radialiei solare receplionate pe suprafa{a PdmAntului. Sisteme

pasive de valorificare termicd si electrica a energiei solare.4. Captatori cilindrici ai energiei solare. (avantaje qi dezavantaje, suprafele de absorblie

cilindrice, performan{ele colectoarelor cilindrice). Captatori cu concentratori ai energieisolare

Aplicatii;1. Bilantul energetic alunei instalatii de pompa de caldura cu absorbtie.

Aspecte generale privind energia geotermali

Necesitatea asiguraii unei dezvoltari energetice durabile, concomitent cu protejarea mediuluiinconjurator a condus, in ultimii l0

- 15 ani, la intensificarea preocuparilor privind promovarea

resurselor regenerabile de energie si a tehnologiilor industriale suport. Politica UE in acestdomeniu, exprimata prin Carta Alba si Directiva Europeana 2001177lCE privind producerea deenergie din surse regenerabile, prevede ca,pana in anul 2020,IJniunea Europeana largita sa isiasigure necesarul de energie in proporlie de circa 12%oprin valorificarea surselor regenerabile.In acest context, in multe tari europene dezvoltate (Franta, Italia, Germania, Austria), posesoarede resurse geoterrnale similare cu cele ale Romaniei, preocuparile s-au concretizat prinvalorificarea pe plan local/regional, prin conceperea si realizarea unor tehnologii eficiente sidurabile, care au condus la o exploatare profitabila, atat in partea de exploatare a resurselor(tehnologii de foraj si de extractie din sondele geotermale), cat si in instalatiile energetice desuprafata.

Potentialul energetic geotermal

Fig. 1 Potenfialul energiei geotermale.@rcprezint6c5lduraacumulat5inrociqiinfluideleceumpluporiiacestora.

D,,....., +^-*:^. I Fluxultermic mediu de cdldurd {$plgg1g1fo"Igf-iqf?#$gLl_8__ry!y/!n1_rruxurrermrc: l-;; l; . . .**;-**;---:;;"-j*-lluul-ts[g]t-s-g{is 4q q4l4!ra pqqlru "fuese," \4ylKn_'-

Cantitatea de cdldura con{inutd in interiorulPdmAntului este estimatd la 126 x 1030 .Ioule.

Acest lucru echivaleazd cu3.5 x 102a kwh:3.5 x 102' Mwh.

DacE toatd cdldura ar fi degajatd pe durata unuisingur an ar rezulta o putere echivalentd de 4 x 10r7MW.Source: O 2000 Geothermal Education Office

Energia qeotermala reprezintd cdldura acumulatd ?n roci gi in fluidele ce umplu porii acestora.Energia geotermala este energia termica continuta de materia anorganica din interiorulPamantului sub forma de caldura sensibila si produsa in cea mai mare parte din descompunerealenta a substantelor radioactive naturale existente in toate tipurile de roca. Cdldura provine dinenergia care se propagd radial de la centru cdtre exteriorul PdmAntului qi este furnizatd continuu.Temperatura inalti de la centrul Pdm6ntului se explicd prin originea PdmAntului, prin existenlaizotopilor radioactivi de uraniu (Uz:s, gz:s;, thorium (Thz:2, gi potasiu 1K40; in PdmAnt. Procesulde propagare se desldgoard in permanen{d gi se poate spune cd energia geotermald este o sursd deenergie inepuizabilS. Energia geotermalb este una din alternativele care pot satisface nevoiaomului pentru energie, minimiz6nd impactul asupra mediului.In zona in care, din cauza temperaturii ridicate, rocile se gasesc in stare topita (de magma),caldura se transmite in cea mai mare parte prin convectie datorita rniscarii masei topite si princonductie in proportie mai redusa. In zonele cu temperaturi mai scazute, caracterizate prin faptulca materia se gaseste in stare solida, caldura se transmite numai prin conductie.Gradientul geotermal exprimd creqterea temperaturii cu adAr,cimea, valoarea medie fiind de2,5-3'C1100 m, ceea ce corespunde unei temperaturi de 100 'C la 3000 m adAncime. Existdnumeroase zone unde valoarea gradientului geotermal diferd considerabil fali de valoarea medie.Spre exemplu in zonele unde platoul de rocd a suferit prdbuqiri rapide gi bazinul este umplut cusedimente ,,foarte tinere" din punct de vedere geologic, gradientul geotermal poate fi mai mic de1"C/100 m. Pe de altd parte in alte zone geotermale gradientul depdqeqte de cAteva ori media.In general, valoarea acestui gradient este de 25 }Clktn, insa exista numeroase zone in caregradientul termic din apropierea scoaftei este mult mai mare. Aceste zone sunt adevaraterezervoare termale subterane, de energie geotermica de potential ridicat, care, in anumite conditiifavorabile, pot fi exploatate pentru a deservi instalatiile de incalzire si instalatiile de preparare aapei calde menajere.Sistemele geotermale pot fi gdsite in zone cu un gradient geoterrnal normal sau aproape normalqi in regiuni joase, unde gradientul geotermal poate fi semnificativ mai ridicat decAt media. inprirnul caz sistemele vor fr caracterizate de temperaturi scdzute, de obicei ajungAndu-se pdnd la100"C pentru ad6ncimi optime din punct de vedere economic. in al doilea caztemperaturile sepot situa intr-o plajd largd, de la foarte scdzute pAnd la foarte inalte, atingAnd 400"C.Un sistem geotermal poate fi descris ca un sistem in care apa este folositd ca agent de transporl,prin intermediul cdruia cdldura este preluatd de la sursa din subsol gi transmisd la suprafa{a cdtreun consut-nator.Un sistem geotermal este compus din 3 elemente principale: o sursd de cdldur6, un rezervor pi unfluid. Sursa poate fi o intruziune de rocd magmaticd de temperaturd foarte inaltd (> 600'C),situatd la adAncimi relativ mici (5-10 km). Rezervorul este un volum de roci fierbin1i,permeabile, de la care fluidele transpofioare extrag cdldura. Rezervorul este de obicei acoperit deun strat de roci impermeabile gi conectat cu o zond de incdrcare de suprafa{d, prin care apa dinprecipitalii poate inlocui total sau par{ial fluidele ce se pierd din rezervor prin izvoare sau suntextrase prin sonde. Fluidul geotermal este apa, in majoritatea cazurilor din precipita{ii, in starelichidd sau vapori, func{ie de temperaturd gi presiune. Aceastd apd transporti de aserneneaelemente chirnice qi gaze precum COz, HzS etc.Sistemele geotermice se clasifica in functie de temperatura si presiunea sistemului si de modul incare energia termica este transferata spre sol. Se identifica urmatoarele tipuri de sistemegeoterrnice:

Tipuri de surse geotermale (sisteme geotermale)

Se disting patru categorii de surse geotermale:

A) Surse lridrotermuleAceste surse se bazeazS, pe circulalia apelor meteorice (de suprafald) care se infiltreazd in scoa(aPdmAntului pAnd la adAncirni cuprinse in intervalul 100 m

- 4,5 km (vezi Figura 2). Circula{ia

este asiguratd in mod natural pe baza diferen{ei dintre densitatea apei reci, respectiv a apeifierbinli sau a vaporilor de ap6.

(Sursi : Boyle, 1998).

O sursd hidrotennald necesitd trei elemente principale:o sursd de cdldurd ;. un rezervor de apd alimentat cu apa de suprafaJd ;. un strat de roci impermeabile care sd sus{ind rezervorul de apd.

in mod uzual o sursd hidrotermalS este exploatatd prin executarea unor foraje pdni ta rezervorulde apd qi extragerea apei fierbinli sau a vaporilor de ap6. Apa din rezervor poate ajunge lasuprafald qi prin mijloace naturale cum ar fi izvoarele calde (fumarolele si gheizerele).Din punct de vedere alnivelului termic se disting :

. Surse geotermale de inaltd temperaturd (temperaturi cuprinse in intervalul 180 -

350 "C):incdlzirea apei se datoreazd contactului cu roci fierbin1i.

. Surse hidroterrnale de joasd temperaturd (< 180 'C): incdlzirea apei se realizeazd princontactul cu roci fierbinfi, dar qi datoritd altor cauze cum ar fi fisiunea unor substanleradioactive.

in funclie de starea de agregare a apei din rezervorul hidrotermal se intAlnesc urmdtoarelesitua{ii:

. Rezervoare in care apa se gdsegte predominant sub fonnd lichidd;o Rezervoare in care apa se gdseqte predominant sub formd de vapori.

Sursele hidrotermale sunt cvasi-regenerabile" O exploatare nera{ionalS a acestora poate conducela diminuarea potenlialului rezervoarelor subterane de apd.

B) Surse sub presiune

Apa continuta in aceste rezervoare are salinitate scazuta si in compozitia sa se gdseqte metandizolvat. Apa qi metanul sunt linute captive de straturi de roci imperrneabile in rezervoareexistente la mari ad6ncimi (3

- 6 km) caracterizate prin valori deosebit de ridicate ale presiunii.

Temperatura apei se situeazd in general in intervalul 90 -

200 "C.Sursd geotermalS sub presiune se caracterizeazd.prin trei forme de energie :

Fig. 2 Sec{iune simplificati printr-o sursi hidrotermali

r Cdldurd ;. Energie chimic[ datoratd gazului metan dizolvat in apd ;r Energie hidraulicd (intr-o mai micd m[surd) datoratd presiunii existente in rezervor.

Sistemele geopresurizate pot fi exploatate atat termic, cat si hidraulic. Cele mai importante sursegeotermale sub presiune au fost descoperite in parlea nordicd a Golfului Mexic.

C) Roci.fierbinli

Acest tip de sursd constd din straturi de roci fierbinli existente in scoarfa terestrd. Spre deosebirede sursele hidotermale in acest caz ntr existd rezervoare subterane de apd sau posibilitdtri deinfiltrare a apelor de suprafald.Exploatarea se realizeazd prin forare. In zona rocilor fierbin{i, se pompeaza apa rece in scopulconstiturii unui rezervor. Apa preia cdldura de la roci qi este adusd ulterior la suprafa{d printr-unput de extractie.Tinand cont de aceste aspecte, aceasta resursa este practic nelimitatd qi este mai accesibili dec6tresursele hidrotermale. PdnA in prezent se menlioneazd preocupdri in acest sens in MareaBritanie qi in Statele Unite.

D) Magma

Magma reprezintd, cea mai mare sursd geotermali, fiind format[ din roci topite situate laaddncimi mai mari de 3

- l0 km. Temperatura magmei se situezd in general in intervalul 700 *

1200'C. Nu au fost realizate cercetari privind utilizarea acestei resurse, in principal qi datoritdaccesului anevoios la adAncimile la care se gdsegte magma.

Explorarea zacamintelor de resurse geotermale

Pentru a determina parametrii de exploatare ai resurselor geotermale, este necesar sd se facdcercetdri. Cercetdrile sunt de naturd hidro-geologicd, geofizicd gi geochimicd. Studiile geologicesi hidro-geologice au un rol important in toate fazele cercetdrii geotermale, pAnd la amplasareaobiectivului gi crearea sondelor. Deasemenea, oferd informa{iile suport pentru interpretareadatelor oblinute de la alte metode de explorare qi, in final, pentru construc{ia unui model realistal sistemului geotermal qi stabilirea poten{ialului resurselor.Datele de explorare care sunt utrlizateinfaza de produclie furnizeazd informa{ii valoroase desprerezervor gi tehnologia de producere. Cercetdrile geochimice (inclusiv chimia izotopilor) suntmetode utile pentru a stabili dacd sistemul geotermal este preponderent format din apd sauvapori, pentru a stabili care este temperatura minimd, precum qi omogenitatea apei furnizate.Cercetdrile geofizice au drept scop oblinerea indirectd de informaJii, de la suprafa{d sau de laanumite addncimi stabilite, privind parametrii fizici ai formaJiunilor geologice ale subsolului.Activitatea seismicd, gravitalia gi magnetismul pot oferi informaJii prelioase despre forma,mdrimea, addncimea gi alte caracteristici irnportante ale structurilor geologice ale subsolului.lnforma{ii despre existenla fuidelor geotermale in structurile geologice se pot obline pe caleelectricd sau electromagneticS. Toate tehnicile geofizice sunt costisitoare, dar pot fi utilizate inmajoritatea condiliilor sau situafiilor, oferind rezultate excelente in ceea ce privegte structurageologicd.

. Obiectivele explordrii geotermale sunt:r Identificarea fenornenelor geotermale ;. Asigurarea cd existl o zond de producere geotermald utild ;o Estimarea mdrimii resursei ;r Detenninarea cAmpului geotermal ;. Localizarea zonelor productive ;

r Determinarea continutului de cdldur5 al fluidelor descircate de izvoare in cdmpurilegeotermale ;

. Stabilirea unor date de bazh prin care sd se poatd realiza ulterior monitorizarea ;r Determinarea valorilor de pre-exploatare ale unor parametri sensibili ;r Colectarea de cunoqtin{e despre orice aspect care poate crea probleme in timpul

dexploatdri i resursei.

ForureaDupd diverse activitAtri de cercetare a zonei, urmdtorul pas in dezvoltarea proiectului geotermal ilreprezintd, forarea" PuJurile geotermale, indiferent dacd sunt de explorare sau produc{ie, suntrealizate utilizdnd tehnologii de forare rotativd, adoptate masiv din industria petrolierS. Acesteaau fost modificate pentru a lucra la temperaturi inalte qi in formaliuni de rocd specifice.AdAncirnea pu{urilor geotermale in cAmpurile actuale de produclie este intre 500 qi 5 000 m, cu ornedie a addncimii de 1 500 m.Costurile specifice de forare (/m) cresc cu addncimea. Costurile specifice pentru acces,amplasarea pu{urilor gi echipamentul folosit sunt constante, deci se poate face o evaluaregenerald a costului puJului. Costurile sunt ?n general anticipate pentru fiecare proiect gi chiardacd variazd cu 30

- 50 o/o, media este de 0,9 -1,1 milioane pentru realizarea unui pu{.

Calculele pentru costul energiei produse {in cont de un pre{ de 1,1 - 1,3 milioane , incluzAndpre{ul fordrii gi al explordrii. Aceste costuri includ qi cheltuieli cu pregdtirea terenului deamplasare a pulului qi cu crearea de drumuri de acces.

Utilizarea resurselor geotermale

Utilizarea energiei geotermale depinde de parametrii termici ai resursei. Spre exemplu resurselecu fluide geotermale ce depdqesc 150'C pot fi utilizate la producerea de energie electricd, fiindpe deplin justificate tehnic qi economic (pragul minirn actual pentru producerea de energieelectricd este de 97'C). Sub aceastd temperaturd, energia geotermald este utilizatd in tehnologiide prelucrare directd, majoritatea construite ca sisteme in cascadd (vezi figura 3).

'L*_l':*lndustrie

a lirn e nta raLocuinte

i . : :.: --::.1 Il-i,!! L--',, J1 .::uL",,,,.:,- -i-,,_.,,1

lnstalatiefrigo rifi ca

Ferrnapiscicola

Centralaelectrica

?flsifl +Fig. 3: Sistem cascadi ce utilizeazi energia geotermali

(Sursa: Geo-Heat Centre, Klamutlt Falls, USA).

Cu toate cd energia geotermald este prezentd pe toatd suprafala scoar-fei terestre, utilizarea ei esteposibild doar in anumite condilii:

o Din considerente economice, sursa geotermald trebuie sd fie accesibi16 prin foraje laadAncimi care si nu depigeascd in general 3 km. Doar in conditrii favorabile aceastdadAncime poate creqte pAnd la 6

- 7 km ;

. Sursa geotermali trebuie s[ aibd un potenlial suficient de ridicat (atAt cantitativ cAt gicalitativ) pentru arezulta o exploatare a acesteia in condilii economice avantajoase.

o Distanta pAnd la care poate fi transportatd cdldura prin intermediul unui agent termic(ex. apa) este limitatd la valori de ordinul kilometrilor. in consecinld, consumatorii

^ sunt captivi, ei trebuind sd fie amplasafi in apropierea sursei geotermale.

In Tabelul I sunt prezentate posibilitd{ile de utilizare ale surselor geotermale, in funclie depoten{ialul lor termic.

abelul I Posibi tle utilizare a surselor seotermale

Tip sursiTipul de fluidaferent sursei

geotermaleDomeniu de

utilizare Tehnologie

De inaltd temperaturi( > 220 'c) Apd sau abur

Producere energieelectricd

. Ciclu cu abur

. Ciclu binar

Utilizare directA

o Utilizare directd a agentuluitermic

r Schimbdtoare de cdldurdr Pompe de cdlduri

De medie temperaturi( loo - 220 oc) Apd

Producere energieelectricI

. Ciclu cu abur

. Ciclu hinar

Utilizare directi

. Utilizare directi a agentuluitermic

o Schirnbitoare de cdldurd. Pompe de caldurd

De joasd temperaturd( 50 - 1oo "c) ApI Utilizare directi

. Utilizare directd a agentuluitermic

o Schimbdtoare de cdldurir Pompe dc caldurd

Pe ansamblu, energia geotermali prezinld, o serie de avantaje certe :. Este o surs6 locali de energie primard care poate reduce importul unor combustibili

fosili scumpi (gaz natural, petrol) ;. Are un impact pozitiv asupra mediului inconjurdtor prin inlocuirea unor cornbustibili

fosili puternic poluanli (cdrbunele) ;. Spre deosebire de alte forme de energie regenerabili (solard, eoliand) poate fi

exploatatd in mod continuu, indiferent de condi{iile atmosferice ;o Reprezintd o sursd de energie primard sigurd care nu necesiti instala{ii de stocare.

Centrale electrice geotermale

Producerea energiei electrice avAnd labazd energia geotermald reprezintd o opliune deosebit deinteresantd pentru {6rile care posedd un potenlial important din aceastd resursd de energieprimard. Se men{ioneazd,in acest sens urmdtoarele avantaje :

. Scade consumul de combustibili fosili necesar acoperirii cererii de energie electricd ;

. Scade impactul produs asupra mediului prin arderea combustibililor fosili.Dupd cum s-a precizat mai sus, principalul dezavantaj constd din faptul cd o centrald electrici deacest tip trebuie amplasatA in imediata vecin[tate a sursei geotermale.In general, tehnologiile de producere a energiei electrice sunt:

o Centrale geotermale pe bazd de .,abur uscat": Folosesc abur la temperaturd ridicatd(:>235 oC) gi doar o micd cantitate de apd din rezervorul geotermal. Aburul este adus de larezervor printr-o conductd direct in turbind, pentru a antrena un generator ce produceenergie electricS.

r Centrale geotermale cu "abur saturat umed": este varianta uzuald pentru centrale de 5MW pdnd la 100 MW capacitate instalatd. Aceste centrale folosesc apd fierbinte(>182 oC) din rezervorul geotermal. Apa este pompatd in expandor la presiunea furnizatdde rezervorul subteran. Aici are loc o scddere bruscd de presiune, ceea ce determinl ca oparte din apd sd vaporizeze, aburul format antrenAnd turbina.

. Centrale cu ciclu binar: in sisternele binare, fluidele geotermale fierbinli sunt vehiculateprintr-una din pdr{ile unui schimbdtor de cdldurd, pentru a incdlzi un fluid de lucru.Fluidul de lucru. cu un punct de fierbere scdzut, vaporizeazd gi strdbate o turbind pentru agenera energie electricd. Un exernplu este ciclul Kalina in care ca agent de lucru estefolositd o soluJie apoasd pe bazd de amoniac. Autorii acestuia sus{in cd ciclul mdreqteeficien{a unei centrale geoterrnale cu 20

- 40 % qi reduce costurile de construc{ie ale

centralei cu 20 -

30 yo, in plr-rs scdzAnd costul generdrii puterii geotermale. Capacitateainstalatd uzuald la aceastd categorie este in gama 500 kWe - 10 MWe.

r Ciclul cornbinat (ciclu cu abur $i ciclu binar): Acesta constd dintr-o cornbina{ie intre celedoud precizate mai sus, care permite atingerea unei eficien{e ridicate a centralei.

l. Centrald electricii geoterntalci cn crbur uscatReprezintd cea mai veche variantd de centralf, electrica geotermald. Solu{ia poate fi utilizatd incond(iile existen{ei unei surse geotermale care produce abur uscat sau cu un con{inut redus deumiditate.in figura 4 este prezentat| schema pentru acest tip de centrald. Aburul care alimenteazdturbtnaprovine direct din sursa geotermald. Dupd curn s-a precizat mai sus, aburul nu trebuie sd con{indumiditate deoarece schema nu prevede instala{ii de separare a picdturilor de apd. DLrpddestinderea in turbind, aburul condenseazd, iar condensul este reinjectat in rezervorul geotennal.

Fig, 4 Schema unei centrale electrice geotermalc cu abur uscat.

Prima centrala de acest tip a fost pusd in func{ir"rne la Larderello. in Italia, in anul l90zl.Totugi, sursele geotertnale care sd ofere direct abur uscat sunt foarte rare. in prezent, cea maimare centrald existent[ se gdsegte la Geysers (SUA), avdnd o putere de aproximativ I 130 MW qicuprinz6nd grupuri cu puteri unitare de 55 gi 110 MW.

2. Centralii electricii geotermald utiliz,und upa fierbinte

Zacanal iantlunal

Centrala electricd geotermali cu abur umed reprezintd solu{ia cea mai des intAlnitd (vezi Figuras).

Abrr

Expandrrr

Fig. 5 Schema unei centrale electrice geotermale cu abur umed.

Principiul constd din prelevarea de apd fierbinte sub presiune dintr-o sursd hidrotermald giintroducerea acesteia intr-un expandor. Aburul format se destinde intr-o turbind producAnd lucrumecanic qi apoi condensAnd. Condensul astfel format se amestecdcufaza lichidd rezultatd de laexpandor gi este reinjectat in rezervorul geotermal sau este trimis cdtre un consummator termic.Puterea unitard pentru o astfel de unitate energeticd se situeazd in intervalul 5

- 100 MW.

In func{ie de nivelul termic al sursei hidrotermale este posibilS realizarea unei scheme cu doudnivele de presiune, in care produclia de abur se realizeazd in doui expandoare inseriate. Apaevacuati din expandorul de inaltd presiune este introdusd in expandorul de joasd presiune,producAnd o cantitate de abur ce este iniectatd in turbind.Un alt exemplu, prezentat in figura 6, este constituit de prima centrala geotermala construita inGermania la Neustadt care produce energie electrica utilizand o resursa geotermala cu cel mairedus nivel termic (98 oC).

fun de rarueCondtns atar

?ompaFanpa derecuculse15 kll'elnj ectr e in

rl:*-r'{f

Fig. 6 Schema centralei electrice geotermale de la Neustadt (Germania).

Spre deosebire de schema anterioara, in cazul centralei de la Neustadt condensatul rezultat incondensator este preincalzit inainte de a intra in expandor. In felul acesta, apa fierbinte extrasadin rezervorul geotermal este trecuta prin doua schirnbatoare de caldura, unul de amestec si unulde suprafata, inainte de a fi reinjectata in rezervor.

I

I

I

AY

lrrt deextraatiF

3. Centruld electricii geotermaki cu ciclu binur

O mare parte a rezervoarelor geotermale se caractetizeazd prin temperaturi relative coborate, subnivelul de 180'C. in acest caz pentru conversia energiei geotermale in energie electricd solu{iaoptimd este utilizarea ciclurilor binare (vezi Figura 7).Apa provenitd din sursa geotennald cedeazd cdldura (prin intermediul unui schirnbdtor decdldurd) cdtre un alt fluid (ex. pentan, butan) care evolueazdin ciclul motor al centralei. Acestfluid se caraclerizeazd printr-o temperaturd de fierbere sensibil rnai coborAtd decdt cea a apei. inacest mod poate fi utilizat un poten{ial termic geotermal relativ scdzut.

Buta:rfrap ori)

Fig. 7 Centrali electrici geotermali cu ciclu binar.

Dezvoltarea centralelor electrice geotermale

Dupd curn s-a precizat mai sus, centralele electrice geotermale trebuiesc amplasate in imediataapropiere a surselor de cdldurd. Va rezulta o rdspdndire neuniformd a acestei categorii de centraldelectricS, in funclie de poten{ialul geotermal al fiecdrei regiuni geografice. in Tabelul 2 suntprezenta{i principalele ldri producdtoare de energie electricd pebazd de energie geotermald.Prima centrald geotermald din lume a lost pusd in funcjiLrne in 1904 la Lardarello, Italia, avAnd labazd.un ciclu cu abur uscat. A doua centrald a intrat in exploatare in anii '50 la Waikarei (NouaZeelandd), fiind unlatd in anii '60 de Geysers (SUA).Centralele electrice geotermale cu abur uscat reprezintd filiera cea mai rdspdnditd la ora actuald.Totuqi, se remarcd qi o preocupare inspre dezvoltarea unor unitdli de micd putere bazate pecicluri binare.Centralele electrice geotermale reprezinld una din soluJiile cele mai avantajoase pentrualimentarea unor collsulllatori izola{i. Se elimind astfel necesitatea unor linii lungi de transport aenergiei electrice care genereazd costuri investi{ionale qi de mentenan{d importante. Tehnologiileutilizate nu sunt sofisticate, baz6ndu-se pe echipamente mature din punct de vedere comercial,iar sursa de energie geotermalS este practic inepuizabild. Rezultd o disponibilitate de timpdeosebit de ridicatd in raport cu alte categorii de centrale electrice. Centralele electricegeotermale sunt utilizate cu precddere pentru acoperirea bazei curbei de sarcind a unui sisternelectroenergetic.

.*,., lj,/

-::'.'l -{rr si .'apori dr apa{fl.'].", ]3utan , Conden:atot

Tabelul 2 Capaciti{i instalate in centralele electrice geotermaleInlernali o nal Ge othe r mal As s oc ialion

Australia 0.17China 29.t7

Costa Rica t42.5E,l Salvador' 161

Franta 4.2Guatemala 33.4

Islanda r70Indonezia 5 89.5

Italia 785Japonia 546.9Kenva 45Mexic 755

Noua Zealandi 437Nicaragua 70Filipine 1909

Portuealia 16Rusia IJ

Thailanda 0.3Turcia 20.4

Statele Ilnite ale Americii 2228

Utilizarea directl a energiei geotermale

in afara produc{iei de energie electricS, energia geotermald are o gamd largd de utilizaredirectd :

. Balneologie

. Agriculturd : sere, incdlzire terenuri de culturdo Industrie : incdlzire gi uscare produseo Acoperirea cererii de cdldurd a consumatorilor rezidenJiali

Se men{ioneazl cd in peste 35 de ldri existd o capacitate instalatd de utilizare directd a energieigeotermale de peste 12 000 MWt.IJtilizarea energiei geotermale presupune o serie de investilii relativ ridicate, indeosebiin ceea ceprivesc opera{iunile de foraj. O utilizare eficientd a energiei geotermale este cea in cascadd:

. Termoficare la o temperaturd de 90 - 60 "C;I Alimentare sere sau procese industriale la o temperaturd de aproximativ 60 "C;. Preparare api caldi menajerd pentru temperature sub 60 "C.

Principii de baza ale pompele de cildur[Pompa de cdlduri geotermald este o tehnologie de energie regenerabild foarte eficientd, care estefolositd atAt pentru clddiri de locuit cAt qi pentru cele comerciale. Pompele de cdldurd geotermalesunt folosite pentru incdlzirea sau rdcirea spaJiului, precum qi pentru incdlzirea apei. Sistemulcon{ine trei componente principale:

o Sistemul de conectare de suprafald;r Sistemul de pornpare de cdldurd geotermal;o Sistemul de distribulie a cdldurii.

Pompele de cildurd geotermale se pot folosi in zone fdrd ape freatice sau cu apariliiintAmpldtoare gi neglijabile ale acestora. AdAncimile de sondd tipice sunt cuprinse intre 100 gi200 rn. Cdnd este necesard o capacitate termicd mare, forarea se realizeazd inclinat, pentru aobline un volum mai mare de rocd exploatatS. Acest tip de pompd de c5ldurd este de obiceiconectat prin intermediul unor conducte de plastic, care extrag cdldura din rocd. Unele sistemedestinate clddirilor comerciale utilizeazd, rocd pentru acumularea cdldurii qi frigului. Datoritd

10

costului relativ ridicat al fordrii, aceastd solulie este rareori atractivd din punct de vedereeconomic pentru uz casnic.O pompd de cildurd func{ioneazd ca un rdcitor, unde fluidul de lucru este vehiculat intr-uncircuit inchis. Fluidul de lucru preia cildura din interiorul ricitorului gi o elimind in mediulinconjurdtor. in pompi fluidul de lucru extrage cdldura de la sursd prin evaporare qi o cedeazdulterior prin condensare. FuncJionarea pompei implicd o sursd de energie extern6, un compresorantrenat de un motor electric, dar se pot folosi gi alte metode precum absorblia chimicd,compresia gazului etc.Raportul intre energia furnizatd gi cea consumatd pentru funclionare, este o misurd de bazd aeficien{ei pompei de cdldurf,, care este un parametru foarte important in economicitatea pompei.Acest raport este cunoscut drept ,,coeficient de performan{d" COP. Acest indicator este foarteatractiv pentru surse de cdldurd cu temperaturi intre 20 gi 40 oC. Spre exemplu dacd resursageotermalS are 30 oC gi este rdcitd la 20 "C, iar apa pentru incdlzirea spa{iului are 55 oC, atunciCOP poate fi in jur de 4.Aceasta inseamnd cd energia oblinutd pentru incdlzirea spaliului este de 4 ori mai mare ca ceaconsumatd pentru antrenarea compresorului. Limitdrile tipice de performan!5 ale pornpelor decdldurd geotermale sunt:

o temperatura sursei geotermale in gama 18 'C -

65 'C;o debitul de ap6 geotermalf, intre 50 qi 300 m3lh;. temperatura apei de incdlzire de la 50 "C la 90 "C;. capacitatea de incilzire de la 0.5 la 30 MW.

Teoria termodinamic[ de bazi a ciclurilor pomrrelor de cdldurlCdldura livratd de o pompd de cdldurd este suma dintre cdldura extrasd de la sursa de cdldurdcare este furnizatd in sistem gi energia necesard conducerii sistemului. Ecua{ia bilanfuluienergetic a pompei de cdldurd este:

Qs+ W: Qaunde Qseste cdldura extrasd de la sursa exterioard, W este energia motrice necesard procesului, giQn este cdldura utilizabild din sistem. Majoritatea pompelor de cdldurd aflate in prezent infunc{iune se bazeazd fie pe o compresie de vapori (de ex. energia motrice W este energiamecanicd necesard antrendrii compesorului), sau pe un ciclu de absorblie (energia motrice W esteenergia termicd necesard procesului de fierbere a soluliei bogate).Aceste doud cicluri de exploatare sunt discutate in urmdtoarele sec{iuni. Teoretic, procesul cecaraclerizeazd func{ionarea unei pompe de cdldurd poate fi realizal prin diverse cicluri qi procesetermodinamice, inclusiv ciclurile Stirling gi Vuilleumier, cicluri cu o singurd fazd (ex. cu aer,COz sau gaze nobile), sisteme cu ejeclie a aburului, sisteme hibride (mai ales cele ce combindcompresia vaporilor gi ciclurile de absorblie), procese electromagnetice gi acustice. Unele dintreacestea au pdtruns pe pia{d gi au atins maturitatea tehnicd, putdnd deveni semnificative caaplica{ii practice viitoare.

Pompe de cdldurd cu compresie mecanicd de vapori

Marea majoritate a pornpelor de cdldurd funclioneazd pe principiul ciclului Carnot de compresiea vaporilor. Componentele principale ale unui asemenea sistem sunt: compresor, ventilul delaminare (vana de expansiune) gi doud schimbdtoare de cdldur[

- vaporizator gi condensator.

Componentele sunt conectate intre ele gi formeazd un circuit inchis, dupd cum este ilustrat infigura B. Un lichid volatil, fluidul de lucru sau agentul frigorific circulS prin cele patrucomponente.

11

Electricitate

dslrureir:lrata IE: II,ij

{ cornl]rrrnnrE aE"/fifrr:rlf,ret

uul lLlril I:::Hr tr

\- e:rrlrrns r-,r,e Jry'alve de et:paTrsir.tne

Fig. 8 Ciclu inchis, pompi de cildurd cu compresie mecanici de vapori gi motor electric.

in vaporizator, temperatura fluidului de lucru lichid este pistratd la o valoare mai micd decAttemperatura sursei de cdldur6, determinAnd transferul cildurii de la sursd cdtre lichid, iar fluidulde lucru se evapord. Vaporii produ$i in vaporizator sunt comprimatri in compresor, la nivele depresiune gi ternperaturd mai ridicate. Vaporii supraincdlzili intrd apoi in condensator, undecondenseazd gi degajd cdldura utild. in final, fluidul de lucru de presiune inaltd se destinde inventilul de laminare pAnd la presiunea gi temperatura vaporizatorului. Fluidul de lucru estereadus astfel la stadiul inilial gi se reia ciclul de la nivelul vaporizatorului.Compresorul este antrenat de un motor electric sau, uneori de un motor cu ardere internS. Astfelputem intdlni urmdtoarele situalii:

. un motor electric anlreneazd compresorul (vezi figura 8) cu pierderi foafte scdzute deenergie. Eficienla energetici generali a pornpei de cdlduri depinde puternic de eficien{acu care este produsd energia electricd gi de randamantul mecanic al compresorului;

. cAnd compresorul este antrenat de un motor diesel sau au gaz (vezi figura 9), cdlduracon{inutd in apa de rdcire gi gazele evacuate este utilizatd suplimentar pentru condensator.

(:ttrrkru:ltibilI

{alcl ra:--*-tE$lld

Cdlc!rsirr tre ts

EliFfin$tunE

\J*l'v'a tle expan+iurre

Fig. 9 Ciclu inchis, pompi de cilduri cu compresia aburului qi motor diesel sau cu gaz.

Er,'atrorstnr LUI IIIHI ISAIUI

El'a!.rt'riltcrl CrrTlcleng;ttcrr

12

Pompe de cdldurd cu ubsorblie

Pompele de cdldurd cu absorblie consumd de aceastd datd energie termicd din exterior, procesulde compresie mecanicd a vaporilor fiind inlocuit de un proces de absorblie, iar fluidul de lucrueste de aceastd dati un amestec binar. Pompele de cdldurd cu absorblie pentru condilionareaspa{iului sunt de obicei alimentate cv gaz, in timp ce instalaliile industriale sunt puse in func{iunede abur de inalti presiune sau cdldurd reziduald. Sistemele de absorblie folosesc capacitatealichidelor sau sdrurilor de a absorbi vaporii din fluidul de lucru (agentul frigorific). Cele maiutilizate amestecuri binare pentru sistemele de absorblie sunt:

. apd (fluid de lucru) qi bromurd de litiu (absorbant) (vezi figura l0);^

. amoniac (fluid de lucru) gi api (absorbant).In sistemele cu absorblie, compresia lichidului de lucru este realizatd pe cale termici intr-uncircuit separat, alcdtuit din absorbitor, o pompd ce asigurd circulaJia soluliei, un generator devapori qi un ventil de laminare (Figura 10).Agentul de lucru, apa, este pulverizata in vaporizator peste fascicolul de tevi prin care circula apafierbinte provenita de la sursa geotermala. Datorita vidului inaintat, 10-15 mm Hg, din corpulvaporizatorului, agentul de lucru se vaporizeaza preluand caldura de la resursa geotermala.Vaporii produsi sunt absorbiti, in absorbitor, de solutia Br-Li care se dilueaza. In urma acestuiproces, caldura de absorbtie este preluata de catre agentul secundar care se preincalzeste in primatreapta. Solutia diluata este trimisa de catre o pompa imersata, in sistemul fierbator, unde seconcentreaza prin fierbere cu ajutorul caldurii preluate de la aburul de joasa presiune (I,5

- 2

bar). Vaporii de apa produsi sunt trimisi la condensator, unde cedeaza caldura latenta decondensare agentului secundar, care se incalzeste in treapta aII-a pana la temperatura necesaraconsumatorului de caldura. Solutia de Br-Li concentrata este readusa in absorbitor prin caderelibera, reluandu-se procesul de absorbtie.Agentul de lucru condensat este trirnis la randul sau spre vaporizator prin intermediulunui ventilde laminare care ii reduce presiunea pana la nivelul din vaporizator.

D.t."

D.tc,i

Fig. 10 Schema termica de principiu a pompei de cilduri cu absorbfie.

Abur

Schimbatorde caldura

Condensator

Solutie Br-Li

13

Impactul asupra mediului

Energia geotermald reprezintd o sursd sigurd qi curatd de energie.Emisii gazoase: se constatd o emisie de COz qi HzS, dar in cantitdti mult mai mici decdt celeintAlnite in cazul centralelor electrice pe combustibili fosili (aprox. 5 %).Emisii lichide: in apele geotermale pot fi dizolvate o serie de substan{e (siruri, arsenic, mercur)care daci ar putea cauza poluarea mediului inconjurdtor. Aceastd problemd este eliminatd inmomentul in care apa este reinjectatd in rezervorul geothermal.

Surse geotermale in Romania

Depresiunea Panonica ce cuprinde zona de vest a tarii noastre, incluzand Banatul si vestulMuntilor Apuseni si teritoriul Ungariei si al fostei Iugoslavii este o zona bogaLa in zacamintegeotermale.In jurul municipiului Oradea s-au facut foraje si s-au exploatat in scopuri terapeutice apelegeotermale de peste 100 de ani. In ultimul sfert de veac s-au initiat actiuni sistematice deprospectare si evaluare atal a zacamintelor geotermale, cat si a zacamintelor de hidrocarburi dinaceasta pafte a tarii. Prin acestea s-a constatat ca in Campia de Vest, in toate formatiunilegeologice se gasesc straturi acvifere cu capacitatisiproprietalitermofrzice foarle variate.Fluxurile termice la suprafata au valori de ordinul a 85 MWm2,mai mari decat acelea din altezone. Cel mai important sistem acvifer termal al Depresiunii Panonice il constituie sistemul dinbaza panonianului superior, evidentiat prin sondaje. Apele din acest sistem se manifesta ingeneral eruptiv, datorita continutului ridicat de gaze dizolvate.Nivelul termic al apelor geotermale din zona de vest a tarii este redus: 30

- 90 0C. Din aceasta

cauza, acestea pot fi utilizate in special in scopuri terapeutice, prepararea apei calde menajereetc.In municipiul Oradea si in judetul Bihor se furnizeaza apa calda menajera pentru 800 deapartamente, se incalzesc 12 apartamente, bai, sere legumicole, stranduri, piscine, hoteluri.In judetul Timis, apa geotermala este utilizata pentru topitorii de in, pentru incalzire, pentruscopuri terapeutice, pentru prepararea apei calde menajere.Exploatarea surselor geotermale din tara cu scopul producerii energiei electrice este imposibila,intrucat un generator geotermal presupune o presiune initiala foarte mare si temperaturi alefluidului de lucru de peste 150 oC.

Tratarea apelor geotermale

Apele geotermale nu pot fi valorificate din punct de vedere termic in starea in care sunt extrasedin adancimi din urmatoarele cauze:

. gazele care insotesc jetul de lichid produc- zone de strangulare (obturare) in tevile dinschimbatorul de caldura, cu efecte defavorabile asupra procesului de transfer termic;

. presiunea apei dinl- sonda genereaza solicitari mecanice mari, cu efecte defavorabileasupra dimensiunilor si costului suprafetelor de transfer termic.

Pentru a se inlatura aceste neajunsuri, apele geotermale se supun unui proces de tratare, prin carese realizeaza separarea gazelor si eventual valorificarea lor si reducerea capacitatii de formare acrustelor de sare. In majoritatea tarilor, apele geotermale se exploateaza in regiuni vulcanice saucu fenomene seismice si din aceastacauza sunt bogate in HzS si SOz. Pentru eliminarea acestora,se folosesc schimbatoare de ioni, instalatii de distilare, procedee de tratare cu var

- soda etc.

Apele geotermale din tara noastra sunt ape geotermale cantonate in straturi sedimentare,caracterizate prin presiuni mici si incalziri modeste. Ele contin in principal biocarbonati, sulfati,cloruri, hidrocarburi in stare libera si dizolvata. Pentru apele din straturile sedimentare sefolosesc urmatoarele procedee de tratare:

I4

. modificarea indicelui pH pentru a se! obtine ape neutre (prin adaugare de HCI);o introducerea de substante! inhibitoare pentru a reduce depunerile (polifosfat de sodiu);o tratareacu-r ultrasunete;o tratatea cu flux magnetic.

In cazul trecerii apei printr-un flux magnetic (700 -

1000 A/m), se constata modificareasistemului de cristalizare, impiedicandu-se formarea crustelor de piatra.Efectul magnetizarri se mentine timp de 3-4 ore si din aceasta cauza este necesara dimensionarearetelelor termice astfel incat apa vehiculata sa reintalneasca dispozitivul de magnetizare dupaacest interval. In prezent, in Romania s-au produs dispozitive de magnetizare aapei cu magnetipermanenti.

15

Curs. 3. Valorificarea energetica a energiei solare

Integrarea sistemelor de valorificare a energiei solare in cadrul cl5dirilor

Propriet5{ile (tu) gi e afecleazd direct perfbrmanJele termice ale colectoruluisolar. Degradarea acestor proprietSli pot afecta performanJele pe termen lung,materialele selectate trebuie sd aibd proprietd{i stabile in tirnp. Suprafa{a pldciiabsorbante trebuie sd reziste la temperaturi rnaximale posibile in perioada deexploatare. Temperatura fluidului T. va fi egald cu temperatura plScii. Este evident,cd materialul selectiv sau vopseaua utilizatd trebuie sd reziste la aceste temperaturi.Pentru suprafala transparentd existd pericolul distrugerii de cdtre grindind. Dar inbazaunor experienle reale s-a ajuns la concluzia cd riscul distrugerii colectorului acoperitcu sticla cdlitd cu grosimea de 3 mm este neglijabil. Astfel, in 1979 in Colorado, SUAa avut loc o furtun6, qi a cdntt cAteva minute grindind cu diametrul de 2-3 cm, apoidupa o micd pauzd de^liniqte a cdzuI, pe parcursul a 1-2 minute, a cdzut grindind cr,rdiametrulde 3-10 cm. ln calea furtunii s-au aflat 1010 colectoare solare amplasate subunghiuri cuprinse intre 32 gi 560, din care doar la 1 1 colectoare a fost sparta sticla[22]. Imbinarea sticlei cu carcasa trebuie fbcutd fdrd muchii sau nervuri care seevidenliazd de asupra suprafelei transparente. Aceasta va facilita scurgerea apei qialunecarea zdpezii de pe suprafala colectorului.

lzolarea termici. Rolul de izolafie termicd in partea frontald a colectorului iljoacd suprafala transparentd (sticla) gi pdtura de aer forrnati intre SA qi ST. Spaliul deaer trebuie sa fie cuprins intre 25 Si 40 mm. Se consideri ca optirnd grosimea de 28mm. Celelalte pdrli ale colectorului - spatele qi pe pbr{ile laterale trebuie sd fie izolatecu un strat de 5-10 cm de vatd de sticld sau alt material izolator cu caracteristicitermice asemdndtoare. Vata din sticld are urmdtoarele avantaje:

./ Este relativ ieftind;,/ Proprietdli izolatoare foafie bune (),:0,05-0,06 W/m K);'/ Rezistd la temperaturi de peste 100 0C;./ Greutate specificd mica (p:150-200 kg/m3);

Dezavantaje: igi pierde calitAlile izolanle dacd se umezeqte.Se recomandd a se folosi panouri din vatd de sticla, astfel se evitd tasarea la

plasarea inclinatd a colectorului solar. O solulie rezonabild din punctul de vedere cost-calitate poate fi izola\ia termicd combinatd formatd dintr-un panou de vata de sticld cugrosimea de 4 cm gi unul de 3 cm din polistiren expandat. Vata de sticld, fiind rnairezistentd la temperaturi mari, se amplaseaza imediat dupd placa absorbantd, iarpolistirenul

- dupd panoul din vatd de sticld. La r6ndul, sdu polistirenul este mai

rezistent la umiditate. Pentru a ?mbundta{i izolalia termicS" a unui colector serecomandd introducerea unei folii subliri de aluminiu intre izola{ie qi placaabsorbantd. Folia va selvi ca ecran pentru radialia infrarogie care va fi reflectatd spreplaca absorbantS. intre placa absorbinta gi folie ie 1as5 un spaliu de aer ce va avea unrol de izolator termic suplimentar.

Etangarea colectorului. Pentru a preveni pdtrunderea apei qi prafului ?ninteriorul colectorului este necesard etanqarea acestuia. in condilii de cer noros vaporiide apd vor condensa pe suprafa{a interioard a sticlei ce va conduce la micgorareatransparenlei gi a randamentului. La pornirea urmdtoare a colectorului, condensul vaexista pAnd ce sticla va fi suficient de caldd pentru ca el sd se evaporeze. Astfel, uncolector al cdrui aer interior este uured va porni maitdrziu gi se va opri rnai devreme.Dacd colecton-tl nu este etang, praful va pdtrunde in interior gi se va depozita atAt pesuprafala interioard a sticlei, cdt gi pe placa transparentd. Daca din considerente

economice este dificil de realizat un etan$ perfect, atunci este indicat sd se realizeze oventilare interioard a colectorului. in acest scop, intre SA gi ST se dau cAteva gluri cudiametrul de 2-3 mm, fiind ferite de ploaie.

Carcasa. Are funclia de-a men{ine ansamblul qi de-a asigura etan$areacolectorului. Cel rnai indicat material este cornierul din aluminiu anodizat gi folii dino{el zincat. Carcasa nu trebuie sd aibd o rezisten{i mecanicd mare. De obicei,colectoarele se amplaseazd pe acoperiqul casei (figura 8) sau sunt sprijinite pe unsuport din oJel cornier (figura 9). Acest suport va prelua gi solicitdrile provocate devdnt. Carcasa are o construclie simpld gi prezintd o cutie cu un fund plat sau ondulat(pentru o rigiditate mai mare) qi patru laturi. indllimea laturilor trebuie sd corespunddcondiliilor de montare a izolatriei termice, suprafelei transparente gi celei absorbante gia spaliului de aer, in total 10-15 cm. Este important ca greutatea carcasei qi acolectorului sd fie mici pentru a ugura montarea.

Montarea colectoarelor. Se va efectua in serie sau ?n paralel (figura 7). Laconectarea in serie, api trece succesiv prin colectoare incdlzindu-se din ce in ce maimult. Colectoarele vor lucra la temperaturi diferite, av6nd randamentul de la intrarespre ieqire in scddere. Vom lua in consideralie cd rezistenla hidraulicd creqte. Dinacest motiv se recomandd pentru sisteme cu circula{ia for{atd a apei.

Figura 7. Conectarea colectoarelor solare in seri (a) sau in paralel (b)La montarea colectoarelor solare in paralel, fiecare dintre ele va asigura doar o

parte din debit qi vor avea temperaturi aproximativ egale. Rezisten{a hidraulicd scadegi sistemul poate fur-rcliona cu circula{ie naturald (termosifon) . in cazul sistemelor maipot fi practicate scheme hibride de conectare

- serie I paralel sau paralel / serie.

Figura 8. ExentpltL de sistem solar pentru incdlzirea apei: colectoarele solare sunt integrate inacoperistrl casei orientat spre sud.

Figura 9. Exemplu de sistem solar pentruincii.lzirea apei Si spaliului locativ; colectoorele solare suntmonlale pe o cctrcasii corn.ier,

Dimensionarea unui sistem solar pentru incllzirea apei

Mai sus s-a constatat cA eficienla unui SSIA scade odatd cu cre$terea diferenlei detemperaturi dintre SA qi a mediului ambiant. Este irnportant sd dimensiondm corectsuprafala colectorului solar $i a volumului rezervorului de apd iu dependenld de:

In continuare urmeazd o metodA simpld de dimensionare care permite sd se facd uncalcul preliminar a SSIA necesar, rnai ales, la prima etapa de realizare a proiectelor deutllizarea a energiei solare, inclusiv in studii de fezabilitate. Calculele dedimensionare se referd la urmdtoarele mdrimi:

martie -octombrie, regiunea centrald a Moldovei;

colectorului gi radialia medie globald lunarS;

Unghiul de inclinafie optim al colectorului solar. Se alege astfel ca in lunile maftiegi respectiv octombrie sd cadd pe suprafa{a colectorului o cantitate de energie cAt maimare, totodatd avAnd grijd ca in lunile de vari aceasta sd nu se micqoreze sub nivelulnecesar. in cazul nostru O

- B : 50 $i 9:420. in tabelul 1 sunt precizale valorileraporlului R6.Radiafia medie globall incidenti pe planul colectorului. Radia{ia globald pesuprafala colectorului se determin6 cu ecua{ia (1) neglijAnd componenta reflectatd:

1

Gn = RoB+ ' (l-cosB)Dp t'Rezultatele ilinute sunt trecute ?n tabelul 1.

Ida

(1)

belul I. Rad

Consumul zilnic de api caldd gi distribufia acestuia pe parcursul a 24 ore.Necesarul zilnic de apa caldd qi distribulia acestuia pe parcursula24 de ore depindeintr-o mare mdsurd de caracteristica specificd a consumatorului. E,l este difbrit pentrulocuinle gi o unitate de produc{ie. Admitem ca consumator o familie din patrupersoane, consurnul specific, q, fiind de 50 llzi'persoand cu tempelatura de 550C.Distribufia consumului de apd, in procente, pe parcursul de24 de ore este prezentaldintabelul2 [30].

Tabelul2. C td,

Cu datele din tabelul 2 9i consumul diurn de 4 50 :200l/zi determindm distribuJiaconsumului de apa cald6 C(t) pe parcursul zilei prin insumarea valorilor pentru fiecareo16. Rezultatele se introduc in tabelul 3, prezentarea graficd este datd in figura 10. inaceiaqi figurd se prezintd qi producerea cumulativd de apd caldd ?ntre orele 730 qi 1800.

abeluL iatia slobqld oe olanul colectorului rioada de interesLuna III IV VI VII VIII IX XRb I,5'7 1