336602926-Capitolul-2-Sisteme-de-Cogenerare-trigenerare.pdf

Capitolul 2 Sisteme de cogenerare şi trigenerare Din punct de vedere istoric,  sectorul energiei a fost o preocupare a statelor membre în exclusivitate. exclusivitate. Treptat insa , a crescut importanța acestui sector sector și a devenit în  prezent o prioritate pentru Uniunea Europeana . Primul și cel mai important cadru legal  pentru sectorul energiei este Tratatul de la Lisabona (TFUE),   în care art.4 litera (i) din acest act, arată că, energia este una dintre competențele partajate între Uniunea Europeană și statele membre. In acest tratat , articolul 194 stabilește baza legală de competențe ale Uniunii în sectorul energiei. În acest context, politica Uniunii în domeniul energiei trebuie să: • asigure funcționarea pieței pieței de energie; • asigurarea securității aprovizionării cu energie în Uniune; • să promoveze eficiența energetică și economia de energie, precum și dezvoltarea unor forme noi și regenerabile de energie; • să promoveze interconectarea rețelelor energetice. Parlamentul European și Consiliul, stabilesc măsurile ne cesare pentru atingerea obiectivelor și adopta măsuri de apropiere a actelor cu putere de lege și a actelor administrative ale statelor membre care au ca obiect instituirea și funcționarea pieței interne de energie (articolul 114.1), fără a aduce atingere dreptului unui stat membru de a  stabili condițiile de exploatare a propriilor resurse energetice, dreptului său între diferite surse de energie și structura generală a aprovizionării sale cu energie. 2.1 Situaţia legislativă privind legislativă privind promovarea cogenerării, a eficienţei energetice şi a utilizării energiei din surse regenerabile

Controlul consumului de energie în Europa şi intensificarea utilizării energiei din surse regenerabile, împreună cu economiile de energie ş i creşterea eficienţei energetice, constituie componente importante ale pachetului de măsuri necesare pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră şi pentru respectarea Protocolului de la Kyoto la Convenţia-cadru a Organizaţiei Naţiunilor Unite privind Unite privind schimbările climatice. climatice. Beneficiul utilizării rapide a energiei din surse regenerabile,   este acela de a combate poluarea aerului şi şi de a împiedica sau reduce eliberarea de substanţe periculoase în mediul înconjurător, statele membre trebuie să ia în considerare

contribuţia surselor regenerabile de energie la îndeplinirea obiectivelor de mediu şi a celor  privind schimbările climatice, în special atunci când acestea sunt comparate cu instalaţiile  pe bază de energie neregenerabilă neregenerabilă. 2.1.1 Directivele europene privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile

Respectarea Protocolului de la Kyoto la Convenţia -cadru a Organizaţiei Naţiunilor Unite privind schimbările climatice ,pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră din Comunitate şi dependenţa ace steia de importurile de energie, UE a propus dezvoltarea energiei din surse regenerabile. In acest acest sens, initial UE a emis Directiva 2001/77/CE 2001/77/CE a Parlamentului European şi a Consiliului din 27 septembrie 2001 privind promovarea electricităţii produse din surse regenerabile de energie  pe  piaţa internă a electricităţii şi 23

Directiva 2003/30/CE a Parlamentului European şi a Consiliului din 8 mai 2003 de  promovare a utilizării biocombustibililor şi a altor combustibili  regenerabili pentru transport au stabilit definiţiile pentru diferite ti puri  puri de energie energie din surse regenerabile. regenerabile. Politica Uniunii Europene prin cele doua directive s-a armonizat în Directiva 2009/28/EC care unifică într -un -un singur act legislativ prevederi privitoare la energia electrică, termică (căldură şi frig) şi transport, produsă din surse reg enerabile de energie, Ea este completată de directiva 2010/31/EC privind eficienta energetica a cladirilor , obiectivul principal la nivel UE27 fiind atingerea ţintei de 20-20-20 adica 20% reducere gaze efect sera sera ,20 % pondere a energiei energiei din surse regenerabile regenerabile în consumul final brut brut de energie precum şi de 20% crestere a eficientei energetice. 2.1.2 Directivele europene privind promovarea cogenerării şi a eficienţei energetice pe baza cererii de energie A. Noţiunea Noţiunea de cogenerare

Promovarea cogenerării (recuperarea pierderilor) cu randament ridicat, pe baza cererii de energie termică utilă este o prioritate comunitară, având în vedere beneficiile  potenţiale ale cogenerării din punct de vedere al economisirii energiei primare, al evită rii  pierderilor în reţele şi al reducerii reducerii emisiilor, în special special de gaze cu cu efect de seră. seră. Folosirea eficientă a energiei produse prin cogenerare poate contribui pozitiv la securitatea aprovizionării cu energie şi la poziţia concurenţială a Uniunii Europene şi a statelor membre. În directiva 2004/8/CE se defineşte cogenerarea, se definesc energiile care apar în  procesul cogenerarii, se specifică tehnologiile care intră sub incidenţa cogenerării, se arată modul de calcul a energiei produs ă  prin cogenerare şi a economiilor de energie primară PES (Primary Energy Savings). Toate acestea au fost preluate în directiva 2012/27/CE urmând ca directiva 2004/8/CE să fie abrogată de la 5 iunie 2014. Termenii utilizaţi conform acestor directive au următoarele semnificaţii: (a) „cogenerare” înseamnă producerea simultană, în acelaş i proces, a energiei termice şi a energiei electrice şi/sau mecanice; (b) „energie termică utilă” înseamnă energia termică produsă într -un -un proces de cogenerare, pentru a satisface o cerere de încălzire sau răcire, justificată din  punct de vedere vedere economic; economic; (c) „cerere justificată din punct de vedere economic” înseamnă cererea care nu depăseste necesarul de încălzire sau răcire şi care ar putea fi satisfăcută altfel în condiţiile pieţei, prin alte procese de producere a energiei, în afară de cogenerare; (d) „energie electrică produsă prin cogenerare” înseamnă energia electrică produsă util ă; într-un proces legat de producerea de energie termică utilă; (g) „randament global” înseamnă suma anuală a producţ iei de energie electrică şi mecanică şi a producţiei de energie termică utilă, împărţită la energia conţinută de cantitatea de combustibil folosită pentru producerea energiei termice într -un -un  proces de cogenerare cogenerare şi în producţia brută de energie electrică ş i mecanică; (h) „randament” înseamnă randamentul calculat pe baza „puterii calorifice nete” a combustibililor (numită şi „putere calorifică inferioară”); (j) „valoare de referinţă a randamentului pentru producere separată” înseamnă randamentul producerii separate alternative de energie electrică şi termică, pe care procesul de cogenerare este menit s- o înlocuiască; (k) „raportul dintre energia electrică şi energia termică” înseamnă raportul dintre energia electrică produsă prin cogenerare şi energia termică utilă la funcţ ionare 24

Directiva 2003/30/CE a Parlamentului European şi a Consiliului din 8 mai 2003 de  promovare a utilizării biocombustibililor şi a altor combustibili  regenerabili pentru transport au stabilit definiţiile pentru diferite ti puri  puri de energie energie din surse regenerabile. regenerabile. Politica Uniunii Europene prin cele doua directive s-a armonizat în Directiva 2009/28/EC care unifică într -un -un singur act legislativ prevederi privitoare la energia electrică, termică (căldură şi frig) şi transport, produsă din surse reg enerabile de energie, Ea este completată de directiva 2010/31/EC privind eficienta energetica a cladirilor , obiectivul principal la nivel UE27 fiind atingerea ţintei de 20-20-20 adica 20% reducere gaze efect sera sera ,20 % pondere a energiei energiei din surse regenerabile regenerabile în consumul final brut brut de energie precum şi de 20% crestere a eficientei energetice. 2.1.2 Directivele europene privind promovarea cogenerării şi a eficienţei energetice pe baza cererii de energie A. Noţiunea Noţiunea de cogenerare

Promovarea cogenerării (recuperarea pierderilor) cu randament ridicat, pe baza cererii de energie termică utilă este o prioritate comunitară, având în vedere beneficiile  potenţiale ale cogenerării din punct de vedere al economisirii energiei primare, al evită rii  pierderilor în reţele şi al reducerii reducerii emisiilor, în special special de gaze cu cu efect de seră. seră. Folosirea eficientă a energiei produse prin cogenerare poate contribui pozitiv la securitatea aprovizionării cu energie şi la poziţia concurenţială a Uniunii Europene şi a statelor membre. În directiva 2004/8/CE se defineşte cogenerarea, se definesc energiile care apar în  procesul cogenerarii, se specifică tehnologiile care intră sub incidenţa cogenerării, se arată modul de calcul a energiei produs ă  prin cogenerare şi a economiilor de energie primară PES (Primary Energy Savings). Toate acestea au fost preluate în directiva 2012/27/CE urmând ca directiva 2004/8/CE să fie abrogată de la 5 iunie 2014. Termenii utilizaţi conform acestor directive au următoarele semnificaţii: (a) „cogenerare” înseamnă producerea simultană, în acelaş i proces, a energiei termice şi a energiei electrice şi/sau mecanice; (b) „energie termică utilă” înseamnă energia termică produsă într -un -un proces de cogenerare, pentru a satisface o cerere de încălzire sau răcire, justificată din  punct de vedere vedere economic; economic; (c) „cerere justificată din punct de vedere economic” înseamnă cererea care nu depăseste necesarul de încălzire sau răcire şi care ar putea fi satisfăcută altfel în condiţiile pieţei, prin alte procese de producere a energiei, în afară de cogenerare; (d) „energie electrică produsă prin cogenerare” înseamnă energia electrică produsă util ă; într-un proces legat de producerea de energie termică utilă; (g) „randament global” înseamnă suma anuală a producţ iei de energie electrică şi mecanică şi a producţiei de energie termică utilă, împărţită la energia conţinută de cantitatea de combustibil folosită pentru producerea energiei termice într -un -un  proces de cogenerare cogenerare şi în producţia brută de energie electrică ş i mecanică; (h) „randament” înseamnă randamentul calculat pe baza „puterii calorifice nete” a combustibililor (numită şi „putere calorifică inferioară”); (j) „valoare de referinţă a randamentului pentru producere separată” înseamnă randamentul producerii separate alternative de energie electrică şi termică, pe care procesul de cogenerare este menit s- o înlocuiască; (k) „raportul dintre energia electrică şi energia termică” înseamnă raportul dintre energia electrică produsă prin cogenerare şi energia termică utilă la funcţ ionare 24

exclusiv în regim de cogenerare, utilizând datele opera ţionale ale unei unităţi specifice; el se mai numeste si indice de cogenerare (l) „unitate de cogenerare” înseamnă acea unitate care poate funcţ iona în regim de cogenerare; (m) „unitate de microcogenerare” înseamnă o unitate de cogenerare cu o capacitate maximă sub 50 kWe (kWe se referă la puterea electrică) ; (n) „cogenerare la scară redusă” înseamnă unităţ i de cogenerare cu capacitate instalată mai mică de 1 MWe; (o) „producţie în cogenerare” înseamnă suma dintre energia electrică şi mecanică ş i energia termică utilă produsă prin cogenerare. Cogenerarea (CHP  –  Combined Heat and Power) înseamnă producerea simultană, în acelaşi proces, a energiei termice t ermice şi a energiei electrice şi/sau mecanice. Cogenerarea (CHP) poate prezenta o excelentă eficienţă energetică globală şi  permite economisirea de energie primară semnificativă comparativ cu producerea separată de energie electrică şi termică. Apă caldă

Combustibil  primar

Motor termic  primar

Căldură

Generator electric

Energie electrică

Fig. 2.2 –  Structura  Structura unui sistem de cogenerare

Un sistem de cogenerare integrat are în componenţă un motor termic primar cuplat cu un generator şi un schimbător de caldură pentru recuperarea căldurii. Aceste componente sunt integrate sub forma unei unităţi cu subsistemele electrice şi mecanice aferente. Tipul de sistem de cogenerare este determinat de tipul echipamentului de generare a energiei electrice folosit, deoarece acesta impune tehnologia de recuperare a căldurii. În Figura 2.2 sunt prezentate fluxurile energetice ale unui sistem de cogen erare. Centralele termice clasice cu combustie externă obţin randamente electrice de ordinul a 30 la 35 %, oricare ar fi combustibilul utilizat (lichid, c ărbune, gaz). În soluţia cu ciclu combinat (asocierea combustiei interne şi externe), randamentele tre c de 50  –  55   55 %. În cogenerare (producţia de electricitate în ciclu sim plu sau dublu cu producere de căldură), randamentul global atinge 80 – 90 –  90 %. Oricare ar fi mijlocul de producţie utilizat, gazul permite obţinerea celor mai bune bilanţuri energetice şi ecologice. B. Indicatori de performanţă ai cogenerării

Mărimile care interesează şi care sunt utile şi necesare în analiza şi studiul cogenerarii sunt:  –  indicele  indicele de cogenerare;  – eficienţa  –  eficienţa globală;  –  economiile primară –  PES  economiile de energie primară –   PES (Primary Energy Savings). B.1 Indicele de cogenerare,

notat cu γ, reprezintă raportul dintre energia electrică

şi energia termică:

25

  

 E  

Q H 

 

(2.1)

unde: E este cantitatea de energie electrică produsă prin cogenerare; QH este cantitatea de energie termi că utilă produsă prin cogenerare . Indicele de cogenerare este utilizat pentru calculul energiei electrice produse prin cogenerare. Această  energie electrică  produsă prin cogenerare se determină pe baza exploatării estimate sau efective a unităţ ii în condiţii normale de utilizare. Pentru unităţile de microcogenerare, calculul se poate baza pe valori certificate. Producţia de energie electrică obţ inută din cogenerare se consideră egală cu  producţia totală anuală de energie electrică a unităţii respective, măsurată la ieş irea din generatoarele principale (pentru unităţ ile de cogenerare cu un randament global anual minim 75 % specificate la tehnologiile de cogenerare, mai pu ţin turbine cu gaz şi turbine cu abur cu condensaţie care trebuie să aibă un randament global anual de minim 80%). În unităţile de cogenerare cu un randament global anual mai mic decât valorile specificate în paragraful anterior, energia electrică produsă se calculează cu următoarea formulă: (2.2)  E       Q H    unde: E - este cantitatea de energie electrică produsă prin cogenerare; γ - este indicele de cogenerare; QH - este cantitatea de energie termică utilă produsă prin cogenerare (calculată, în acest sens, ca produc ţia totală de energie termică minus orice cantitate de energie termică  produsă în cazane cazane separate sau prin prin extracţ ie de abur viu din generatorul de abur, înainte de turbină). B.2 Eficienţa globală

Valorile utilizate pentru calculul randamentului cogenerării şi a economiilor de energie primară se determină pe baza exploatării estimate sau efective a unităţ ii, în condiţii normale de utilizare. Faţă  de cogenerarea simpla, c ogenerarea cu randament ridicat îndeplineşte următoarele criterii: -  producţia în sistem de cogenerare de la unităţile de cogenerare asigură economii de energie primară calculate în conformitate cu relaţia de definiţie a PES de cel  puţin 10 %, comparativ cu valorile de referin ţă pentru producerea separată de energie electrică şi termică; - producţia de la unităţile la scară redusă şi de la unităţile de micro-cogenerare care asigură economii de energie primară poate fi considerată drept cogenerare cu randament ridicat. La generarea energiei cu un sistem SHP, „eficienţa globală” - the overall efficiency  EFF SHP  ( EFF  SHP ) se defineşte ca sumă   a producţiei de energi e electrică şi mecanică (E) ş i a  producţiei de energie termică utilă (QH), împărţită la energia corespunzătoare combustibililor consumaţi pentru a produce cele două energii, şi se poate calcula cu relaţia:  EFF SHP  

 E  Q H  Q H   E   EFF  EFF P



(2.3)

EFF H 

 –  este unde:  E  –   este producţia netă de energie electrică din sistemul SHP; Q H  –  este  este produc producţia de energie termică utilă din sistemul SHP ;  EFF  P  –  este  este eficienţa generării energiei electrice;  EFF  H  –  este  este eficienţa generării energiei termice. 26

Faţă de generarea separată , eficienţa globală  (sau randamentul global) pentru  producerea prin cogenerare ( EFF CHP ), într-un sistem CHP, se defineşte ca sumă a  producţiei de energie electrică şi mecanică (E) şi a producţiei de energie termică utilă (Q H), împărţită la energia corespunzătoar e a combustibilului total consumat (Q F ), în echivalent energie termică (în kWh), şi se poate calcula cu relaţia :  EFF CHP  

 E  Q H  Q F 

 

(2.4)

unde: E  –  este producţia netă de energie electrică din sistemul CHP; Q H  –  este producţia de energie termică utilă din sistemul CHP; QF  –   este cantitatea de energie conţinută de combustibilul consumat în procesul de cogenerare pentru producerea energiei electrice şi termice. Pentru comparaţie, mai întâi să analizăm eficienţa energetică în cazul producerii separate a căldurii şi energiei electrice . Se observă faptul că, în comparaţie cu sistemul SHP, la sistemul CHP eficienţa energetică este mai mare, ca urmare a recuperarii energiei pierdute şi tranformării acesteia în energie utilă. Spre exemplu, se   consider ă  cazul prezentat în figura 2.3 în care consumatorul are nevoie de 33 de unităţi de energie electrică şi 1 8 unităţi de energie termică. În cazul unui sistem SHP, sunt necesare 120 unităţi de energie primară, în ti mp ce implementând cogenerarea într-un sistem CHP, sunt necesare doar 100 de unităţi. SHP CHP

100 33

100 18

20

Fig. 2.3 Bilanţul energetic al producerii separate vs. combinate a energiei utile

Rezultă că efectul recuperării pierderilor de energie, folosind conceptul de cogenerare, este creş terea eficienţei globale. Pentru a evalua acest efe ct, se foloseşte indicatorul numit eficienţa utilizării combustibilului.  ţa utilizării combustibilului (în engleză FUE - Fuel Utilization Efficiency) Eficien  se defineşte ca raportul dintre energia electrică produsă ş i consumul de carburant net, în care consumul de carburant net exclude partea de combustibil utilizat pentru producerea de energie termică utilă. Combustibilul utilizat pentru producerea de energie termică utilă se calculează presupunând eficienţa st andard a boilerului de 90%.  FUE   se poate calcula cu relaţia:  FUE 

 E  Q H 

Q F  

(2.5)

 EFF  H 

Energia termică recuperată de la diferitele motoare termice primare este disponibilă în următoarele două forme, gaze fierbinţi de evacuare ş i a pă caldă. Pot fi luate în considerare două opţiuni pentru recuperarea că ldurii din gazele de evacuare fierbinţi ale motoarelor termice primare:

27

1. Utilizarea directă a gazelor de evacuare pentru procesul de furnizare a energiei termice cu care operează  chillerul cu abs orbţie; 2. Utilizarea indirectă prin intermediul schimbătoarelor de căldură   pentru  producerea de abur. Aburul produs poate fi folosit pentru a acoperi nevoile de încălzire ale spaţiilor. În aplicaţii care necesită mai multă energie termică sau temperaturi mai mari decât cea disponibilă de la echipamentele de generare a energiei electrice, necesarul suplimentar de căldură este furnizat cu ajutorul unui arzător. Tabel 2.2 Eficienţele sistemelor SHP şi CHP Sistem

SHP

Eficienţa electrică

 EFF  E  

Eficienţa termică

 EFF  H  

Eficienţa globală

CHP

 E 

 EFF  E  

Q F  Q H 

 EFF  H  

Q F 

 E   Q H  Q H   E 

 EFF SHP  



 EFF  E 

 EFF CHP  

 EFF  H 

 E  Q F  Q H  Q F 

 E   Q H  Q F 

Aşa cum rezultă clar din tabelul de mai sus, datorită relaţ iilor diferite de calcul a eficienţei globale, în sistemele de cogenerare se consumă mai puţ in combustibil decât în sistemele de producere separată, pentru aceeaşi cantitate de energie utilă. Se defineşte astfel al treilea indicator de performanţă al cogenerarii, şi anume, combustibilu l economisit  – PES (Primary Energy Savings). B.3 Economia de energie primară –  PES

Diferenţa dintre energia primară în cazul producerii separate şi energia primară în cazul producerii combinate reprezintă energia primară corespunzătoare combustibilului economisit. Combustibilul economisit - PES  (Primary energy savings or Percent fuel  savings) în producerea combinată, se obţine raportând această energie, la energia primară în cazul producerii separate şi se calculează cu relaţia:       Q F     PES   1   100% Q H    E       Eref     Href       

(2.6)

Valorile pozitive reprezintă economii de combustibil în timp ce valorile negative indică faptul că sistemul de cogenerare utilizează mai mult combustibil decâ t la producerea separată. Cantitatea de energie primară economisită   în urma producerii în sistem de cogenerare, definită în conformitate cu directivele europene [31], se calculează pe baza următoarei formule (Directiva 2004/8/CE –  anexa III, Directiva 2012/27/CE –  anexa II):       1    PES   1   100%     HCHP    ECHP         H   f     E   f    Re Re    

(2.7)

în care: 28

PES reprezintă economi ile de energie primară; ηΗ CHP reprezintă randamentul termic al producţ iei prin cogenerare, definit ca raport între  producţia anuală de energie termică utilă şi energia corespunzătoare a combustibilului utilizat pentru producerea de energie termică utilă şi energie electrică din cogenerare ; ηΗ Ref  reprezintă valoarea de referinţă a randamentului pentru producerea separată de energie termică; ηE CHP reprezintă randamentul electric al producţ iei prin cogenerare, definit ca raport între  producţia anuală de energie electrică produsă prin cogenerare ş i energia corespunzătoare a  combustibilului utilizat pentru producerea de energie termică utilă şi energie electrică din cogenerare  (suma celor două enegii produse ). În cazul în care o unitate de cogenerare produce energi e mecanică, cantitatea anuală de energie electrică produsă prin cogenerare poate fi mărită cu un factor suplimentar, care reprezintă cantitatea de energie electrică echivalentă cu cea de energie mecanică; ηE Ref  reprezintă valoarea de referinţă a randamentului pentru producerea separată de energie electrică. Posibilităţile şi nivelul de recuperare a pierderilor de energie sunt dependente de tehnologia de conversie a energiei în sistemele CHP. Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European şi a Consiliului  stabileşte un cadru comun pentru promovarea energiei din surse regenerabile. Aceasta stabileşte obiective naţionale obligatorii privind ponderea globală a energiei din surse regenerabile în cadrul consumului final brut de energie şi ponderea energiei din surse regenerabile utilizată în transporturi. Pentru România, ţinta prevăzută de directiva 2009/28/EC este la nivelul anului 2020 de 24% ca pondere a energiei din surse regenerabile în consumul final brut de energie, reprezentând o creştere de 6,2% faţă de anul de referinţă 2005 (valoarea de referinţa pentru 2005 este de 17,8%). Este semnificativ că ponderea cererii finale de căldură în consumul final de energie este de 75-80%, energia electrică şi carburanţii având ponderi, practic, egale de 10 -15%. Din cer erea finală de căldură se estimează că cca. 60% este sub 100°C. Pondere potenţial Energie solară Energie eoliană Energie hidro sub 10MW Biomasă Energie geotermală Total

% 13,0 16,8 4,4 64,4 1,4 100,0

Potenţialul naţional tehnic al surselor regenerabile de energie din România însumează 11.794 mii tep din care 22% ca energie electrică şi 78% energie termică (utilizând tehnologiile disponibile în prezent, fără a ţine seama de restricţiile economice şi de mediu).

29

Potenţialul surselor regenerabile din România

1,40%

13% 16,80%

4,40%

64,40%

energie solară

energie eoliană

energie hidro

 biomasă

energie geotermală

Fig. 2.1 Potenţialul surselor regenerabile din România

Deşi consumul a depăşit 5000 mii tep în 2008, valorificarea potenţialului de energie din surse regenerabile este în România, în prezent, în fază incipientă, ponderea cea mai importantă, în total, având -o lemnele de foc, respectiv energia regenerabilă cea mai uşor de obţinut şi folosit. În România potenţialul biomasei este de cca. 7.600 mii tep/an (15,5 % reziduri din exploatări forestiere şi lemn de foc, 6,4% rumeguş şi alte resturi din lemn, 63,2% deşeuri agricole, 7,2% deşeuri menajere). În domeniul energiei eoliene capacitatea instalată în 2009 era de numai 14 MW, însă au fost aprobate realizarea a 3.800 MW din care urmau să fie finalizate în cursul anului 2010 peste 500 MW, dar au fost raportate ca finalizate doar 448 MW. Realizarea obiectivului naţional global asumat la nivel european înseamnă un consum de energie din surse de energie regenerabile de peste 7000 mii tep. În conformitate cu articolul 4 (3) al Directivei 2009/28/CE se pune problema ca România să valorifice până în anul 2020 circa două treimi din potenţialul total de resurse regenerabile de care dispune. Sursele de energie care pot fi utilizate pentru satisfacerea tuturor nevoilor energetice (electricitate, energie termică –  căldură/frig) sunt combustibilii fosili şi sursele de energii regenerabile. Tabel 2.1 Sursele regenerabile Resursa energetică

Solar Eolian Biomasa Geotermal Hidro

Energia produsă

Termică Electrică Electrică Termică Electrică Termică Electrică 

Echipament-dispozitiv

Panouri termice solare Panouri fotovoltaice Turbine eoliene Boilere Motoare Stirling Pile de combustie Motoare cu ardere internă Pompe de căldură Hidrogeneratoare

Eficienţa energetică

85% 10-15% <50% 85% 10-35% 40-60% 25-45%

Într-un mod schematic, sintetic, au fost puse în evidenţă în tabelul 2.1, sursele regenerabile, energia produsă, dispozitivul utilizat în producerea energiei şi eficienţa energetică.

30

2.2 Tehnologii de cogenerare

Tehnologiile CHP se referă la conversia, recuperarea şi man agementul energiei astfel încât, din arderea unui combustibil, să se obţină căldură şi energie electrică . În sistemele bazate pe aceste tehnologii, motoarele primare joacă un rol deosebit de important; ele reprezintă componentele de bază şi, într -o oarecar e măsură, determină arhitectura acestor sisteme. Caracteristicile de performanţă ale unui sistem CHP sunt : eficienţa globală, eficienţa electrică, energia electrică  produsă, raportul dintre puterea electrică ş i cea termică, şi timpul de pornire. Eficienţa globală este dependentă de mai mulţ i factori cum ar fi: tehnologia utilizată, tipul combustibilului, punctu l de operare, mărimea unităţii şi  potenţialul de căldură. Toate aceste caracteristici sunt strâns legate de motorul primar al sistemului CHP. De ace ea, tehnologiile de cogenerare pentru aplicaţii rezidenţiale, pot fi clasificate în funcţie de motorul primar şi sursa de energie utilizată. Directiva 2004/8/CE privind promovarea cogenerării pe baza cererii de energie termică utilă pe piaţa internă a energiei arată că raportul dintre energia electrică ş i energia termică este o caracteristică tehnică ce trebuie definită pentru a calcula cantitatea de energie electrică din cogenerare. Energia electrică produsă   prin cogenerare îns eamnă energia electrică generată într-un proces legat de producerea de energie termică utilă şi se calculează în conformitate cu relaţia (2.2) . Tehnologiile actuale de cogenerare în sistemele mCHP se bazează pe recuperarea energiei termice a următoarelelor tipuri de motoare primare: Turbine cu abur, care sunt capabile să funcţioneze pentru o gamă largă de presiuni de abur. Acestea sunt proiectate pentru a oferi cerinţele termice ale aplicaţ iei de cogenerare prin utilizarea aburului de contrapresiune sau abur de extracţie la  presiunea şi temperatura necesară; Turbine cu gaz , care produc o putere termică de î naltă calitate (temperatură mare);  Motoare cu piston, care sunt bine adaptate pentru aplicaţ ii care necesit ă apă caldă sau abur de joasă presiune;  Motoare Stirling ; Celule de combustie, în cazul în care căldura reziduală poate fi utilizată  în principal  pentru producere de apă caldă menajeră şi de încălzirea spaţiului de locuit. În conformitate cu Directiva 2004/8/CE şi Directiva 2012/27/CE , promovarea cogenerării de înaltă eficienţă pe baza cererii de energie termică utilă este o prioritate comunitară, având în vedere beneficiile potenţiale ale cogenerării din punct de vedere al economisirii energiei primare, al evitării pierderilor în reţele şi al reducerii emisiilor, în special cele cu efect de seră. În plus, utilizarea eficientă  a energiei prin cogenerare poate contribui pozitiv la securitatea aprovizionării cu energie şi la competitivitatea Uniunii Europene. Sub aspectul puterii, în conformitate cu aceea şi directivă, sistemele CHP sunt clasificate astfel: unităţile de producere combinată, cu puteri electrice nominale de la câţiva kW până la 50 kW, sunt considerate micro-CHP, şi sunt denumite generic mica cogenerare (micro-cogeneration), în timp ce între 50 şi 1000 kW  sunt denumite generic medie cogenerare, iar între 1000 kW şi maxim 10 MW –  mare cogenerare. Producţie la scară redusă în micro-unităţile de cogenerare care furnizează economii de energie primară se poate defini drept cogenerare cu randament ridicat . 

 

 

31

2.2.1 Turbine cu abur

Turbinele cu abur reprezintă cea mai utilizată tehnologie în centralele el ectrice din domeniul industrial. Ciclul termodinamic care stă la baza funcţionarii centralelor convenţionale cu abur poate fi cel cu abur supraîncălzit (ciclul Hirn ) sau cel cu abur saturat (ciclul Rankine).  p1=150kPa

Qin

1

TA

GE

2

 p2=4kPa

GA

K

Qout

PA

4

3

Fig. 2.4 CHP cu turbina cu abur cu condensaţie [53] În Fig. 2.4 este pr ezentat un sistem CHP cu turbină cu abur, unde: GA - generator de abur; TA - turbină cu abur; GE - generator electric; K - condensator; PA - pompă de alimentare. Generatorul de abur are rolul de a vaporiza apa şi de a o transforma în abur saturat sau supraînc ălzit. Acest proces se realizează folosind căldura dată  de arderea unui combustibil. În turbină aburul se destinde, producând energie meca nică, pe care generatorul electric o transformă în energie electrică. Condensatorul asigură condensarea vaporilor de apă eşapaţi din turbină şi reprezintă sursa rece a ciclului termodinamic. Pentru evacuarea căldurii spre exterior se poate utiliza drept ag ent de răcire apa sau (mai rar) aerul atmosferic. Randamentul termic al sistemului este : .

  Rank 



.

Qin  Qout  .

.

 

sau

 1

Qout  .

  ori

  Rank 

Q in

Q in

Pentru un proces adiabatic,

  Rank 

  p     2  T 1   p1  

T 2

 1

T out  T in

k 1 k 

unde k este raportul căldurilor s pecifice (C p/Cv).

Efectul raportului presiunilor asupra randamentului este aratat in figura

32

Principalele metode posibile de crestere a randamentului termic sunt: a. Metode care actioneaza asupra sursei de căldură precum creşterea presiunii iniţiale şi a temperaturii iniţiale introducerea supraîncălzirii intermediare  

b. Metode care acţionează asupra sursei reci

-

scăderea temperaturii (presiunii) de condensaţie co-trigenerarea

A. Metoda bazată pe creşterea presiunii şi temperaturii la sursa caldă

furnizat de sursa caldă , conduce în mod nemijlocit, la creşterea randamentului termic. Această metodă de creştere a randamentului este grevată, însă, de o serie de restricţii de ordin tehnologic, precum rezistenţa mecanică a componentelor circuitului termic (îndeosebi a celor aparţinând generatorului de abur). Creşterea presiunii iniţiale are ca efect o creştere a umidităţii aburului în zona finală a turbinei. Prezenţa în număr mare a picăturilor de apă în ab urul ce se destinde cu mare viteză (>200 m/s) conduce la un fenomen de eroziune pronunţată şi de distrugere a paletelor rotor ice din zona finală a turbinei. Creşterea temperaturii iniţiale are un efect contrar asupra umidităţii la eşaparea din turbina cu a bur. În consecinţă, creşterea presiunii iniţiale trebuie însoţită în mod necesar , de o cr eştere a temperaturii iniţiale. Această metodă de creştere a randamentului se realizează  prin supraîncălzirea intermediară a agentului termic ce provine de la sursa ca ldă a ciclului termodinamic. Metoda presupune ca destinderea aburului în turbină să fie întreruptă, iar acesta să fie trimis înapoi la generatorul de abur. Aici el este din nou supraîncălzit până la o temperatură comparabilă cu cea iniţiala şi , apoi, se destinde, în continuare în turbina cu abur. În Fig.2.5 este prezentată schema simplificată a unui sistem cu supraîncălzire intermediară, unde: GA –  generator de abur; SÎI - supraîncălzitor intermediar; CIP - corp de înaltă  presiune; CMJP - corp de medie şi joasă presiune; GE - generator electric; K condensator; PA - pompă de alimentare; PR –  preîncălzitor regenerativ. Creşt erea presiunii şi temperaturii agentului termic,

GA

SÎI

CIP

CMJP

GE K

PR PA

Fig. 2.5 Schema unui sistem cu supraîncă lzire intermediară [29] Supraîncălzirea intermediară presupune o complicare a circuitului termic şi a generatorului de abur, cu efecte directe asupra investiţiei iniţiale. În consecinţă SÎI este  justificat, în general, doar pentru grupuri de mare putere (>100 MW) cu o durată anuală de utilizare a puterii instalate suficient de ridicată. B. Metoda bazată pe scăderea temperaturii şi presiunii la sursa rece Scăderea temperaturii şi/sau presiunii de condensaţie reprezintă o metodă de

creştere a randamentului, deoarece cu cât temperatura aburului în condensator este mai 33

scăzută, cu atât randamentul termic creşte. Se afirmă că efectul produs de o scădere a temperaturii de condensaţie cu 1°C poate echivala cu cel produs de creşterea cu 10 –  15°C a temperaturii iniţiale a agentului termic. Deci, această metodă de creştere a randamentului termic este foar te eficace. O temperatură scăzută de condensaţie este condiţionată de existenţa unor fluide de răcire, având un debit şi un nivel termic corespunzător. În figura 2.6 este prezentată schema termică simplificată corespunzătoare a unui astfel de sistem, care utilizează o turbină cu abur cu contrapresiune. La o astfel de turbină  presiunea de eşapare este sensibil mai ridicată decât în cazul turbinelor cu condensaţie ş i depinde de tipul consumatorului, după cum urmează: - 0,7...2,5 bar pentru consumatorii urbani (încălzire, preparare apă caldă sanitară, etc.); - 1...40 bar pentru consumatorii industriali.

Fig. 2.6 Turbina cu abur cu a. contrapresiune b. cu condensaţie şi priză reglabilă Turbinele cu abur cu contrapresiune funcţionează cu o presiune de evacuare  cel  puţin egală cu presiunea atmosferică şi utilizează abur la presiune intermediară. Spre deosedire de acestea, turbi nele cu condensaţie funcţionează  cu o presiune de evacuare mai mică decât presiunea atmosferică ş i au avantajul conversiei independente a energiei electrice şi termice.Fiind o tehnologie matură, mult studiată şi îmbunătăţită, turbinele cu abur au o durată de viaţă mare iar în condiţiile unei mentenanţe adecvate, sunt foarte fiabile.Totuşi câteva aspecte limitează utilizarea acestor turbine, şi anume randamentul conversiei termic-electric, procesul relativ lun g de pornire şi slabe performanţe în sarcină. Caracteristicile şi indicatorii de performanta ai sistemelor CHP cu turbine industriale şi ai sistemelor mCHP cu microturbine cu abur sunt redate sintetic în Tab. 2.3. Tabel 2.3 Turbine cu abur - indicatori de performanţă [35] Caracteristici

Turbine industriale cu abur

Microturbine cu abur

Randament electric

15-38%

18-27%

Randament termic

80%

65-75%

Eficienţa globală

75%

50-75%

Raportul puterilor

0,1-0,3

0,4-0,7

Timp de pornire

1h-1zi

60 sec

Gama puterilor Utilizarea energiei termice Cost USD/kW Avantaje

50 kW – 250 MW

5-250KW Căldura, apa caldă, aburi de joasă  presiune 1300-2500 Fiabilitate ridicată (număr mic de  piese în mişcare); Instalare simplă;

Aburi de joasă şi înaltă presiune 300-900 Raport ener gie electrică/energie termică flexibil în funcţie de regimul de funcţionare;

34

Capacitate de adaptare la cerinţ ele mai multor tipuri de consumatori de energie termică; Varietate mare de tipo-dimensiuni Durată mare de viaţă Raport căldură/electricitate mare; Cost investiţional mare; Pornire lentă

Dezavantaje

Construcţie compactă; Greutate redusă;  Nivel de zgomot acceptabil; Temperatură ridicată la recuperatorul de căldură Costuri ridicate

2.2.2 Microturbine cu gaz

Turbinele cu combustie internă sunt motoare primare utilizate frecvent în cogenerare, datorită nivelului ridicat de siguranţă şi fiabilitate şi a domeniului larg de  putere. Un sistem CHP cu turbină de gaz conţine un compresor, o cameră de combustie şi o turbină pe acelaşi ax cu compresorul (Fig. 2.7). La acest ax turbina furnizează  lucrul mecanic util. Combustibil (Qin) Agent de lucru

Aer comprimat Camera de combustie

Aer

Evacuare gaze Sarcina Turbina

Compresor

Turbina de forţă

Fig. 2.7 Schema unei turbine cu gaz Microturbinele sunt turbine mici cu gaz în care g azele fierbinţi şi sub presiune (obţinute prin arderea combustibililor cu un exces de aer d at de un compresor) se destind într-o turbină de rotaţie, acţionând astfel arborele motorului. Acestea sunt folosite pentru a  produce electricitate. Majoritatea microturbinelor au puterea de ieşire în domeniul 25 -300 kW şi pot fi alimentate cu gaze naturale, motorină, benzină sau alcool. Procesul unei microturbine este similar cu cel al unei turbine industriale ce are în structură un recuperator, pentru a recupera o p arte din căldura de evacuare ş i a o folosi pentru  preâncălzirea aerului de combustie. Schema din Fig. 2.8 arată componentele principale ale unei microturbine. La coş Recuperare căldură din gazele evacuate

Electricitate 50 Hz AC

Invertor

Generator

Recuperator Combustor

Redresor

Compresor

Gaze recuperate

Combustibil

Turbină

Aer

Evacuare gaze

Fig. 2.8 Schema unei microturbine [21, 55, 66] 35

Majoritatea turbinelor sunt cu o sin gură treaptă şi au viteza de rotaţie de la 90000 la 120000 rpm (firmele Capstone şi Elliott). Majoritatea producătorilor folosesc un singur arbore (având montate pe el compresorul, turbina ş i generatorul electric), la care ungerea lagărelor este uşoară. Generatorul electric este cu magneţi permanenţ i iar pentru adaptarea mărimilor electrice la reţea este nevoie de un grup redresor invertor. În Fig. 2.9 este  prezentată o turbină cu generator cu magneţi permanenţi a firmei Capstone.

Fig. 2.9 Microturbina cu gaz tip Capstone [www.capstone.com]

Cum poate fi văzut în Fig. 2.9, în recuperator, aerul din compresor este preî ncălzit  pentru combustie. Apoi, în camera de combustie, aerul se amestecă cu combustibilul, iar amestecul combustibil rezultat arde şi expandează în turbină. Rotirea turbinei pune î n mişcare arborele compresorului şi generatorului. Gazele evacuate din turbină sunt trimise înapoi, prin recuperator, pentru a preî ncălzi aerul de combustie. Turbinele nerecuperative produc electricitate din gaz natural cu un randament de aproximativ 15%. Microturbinele echipate cu recuperator au un randament electric în domeniul 20-30%. Diferenţa în ceea ce pri veste randamentul electric este gen erată de  preâncălzirea aerului în recuperator care reduce cantitatea de combustibil necesar. Randamentul global al sistemului poate fi de 85% ş i poate fi atins atunci când microturbinele sunt cuplate cu componente termice pentru a recupera căldura. Căldura pierdută într -o microturbină este, în principal, conţinută în gazele fierbinţi de evacuare. Această căldură este de dorit să fie folosită  pentru alimentarea unui generator de abur, pentru încălzirea locuinţei sau pentru alimentarea unor sisteme de răcire pe bază de absorbţie. Felul în care căldura pierdută poate fi folosită depinde de configuraţia turbinei. Într o turbină nerecuperativă, gazul de evacuare iese la o temperatură între 538 -594 oC. O turbină recuperativă valorifică căldura pierdută, prin utilizarea acesteia pentru încă lzirea spaţiilor sau pentr u încălzirea agentului termic într-un sistem de răcire pe bază de absorbţie, unde temperatura de evacuare este în jurul valorii de 271 oC. . Microturbinele au un bun potenţial în aplicaţii de cogenerare, deoarece, comparativ cu alte sisteme CHP, produc o mare cantitate de gaze de evacuare fierbinţi. Caracteristicile de performanta ale microturbinelor sunt redate în Tab. 2.4.

36

Tab. 2.4 Caracteristici de performanţă ale microturbinelor utilizate în sisteme de cogenerare [55] Model Capstone micro-turbina 330

Turbec T 100

Putere electrică (kW) Raportul căldură/putere electrică (Btu/kWh) HHV Eficienţa electrică (%) HHV

30

100

14,581

12,639

23.4

27.0

Combustibil intrare (MMBtu/h)

0.437

1.264

55

75

Debit evacuare (Ibs/s)

0.72

1.74

Temperatura gaze evacuare (F) Temperatura schimbator caldura evacuare (F) Căldură obţinută (MMBtu/h)

500

500

150

131

0.218

0.555

Căldură obţinută (kW equivalent)

64

163

Eficienţa globala (%) HHV

73

71

Indice de cogenerare

0.47

0.62

Rata netă de căldură (Btu/kWh)

5509

5703

62

60

Presiune combustibil intrare (psig)

Eficienţa electrică efectivă (%) HHV

Principalele dezavantaje ale m icroturbinelor vin din faptul că au valori scăzute  pentru randamentul electric. De asemenea, în condiţii de altitudine mărită şi temperatură a mediului ridicată, microturbinele suferă o scădere a puterii de ieşire şi a randamentului. Temperatura mediului afectează direct temperatura aerului la captare. 2.2.3 Motoare termice cu combustie internă

Motoarele cu combusti e internă pe bază de carburant fosilizat sunt larg răspândite şi au utilizări diverse. Un motor cu combustie internă este acţionat de explozia amestecului carburant care arde în contact direct cu motorul. Pentru funcţionare, motoarele cu combustie internă  au nevoie de combustibil, aer şi un mecanism care să realizeze comprimarea amestecului aer-carburant. Elementele de bază ale unui motor cu ardere internă dintr -un sistem de cogenerare sunt: motorul, generatorul, sistemul de recuperare de căldură , sistemul de evacuare gaze, sistemul de control. Generatorul este acţionat de motor, iar energia termică utilă este recuperată din sistemul de evacuare a gazelor fierbinti şi din sistemele de răcire. Schema principiala a unei instalaţii CHP cu motoare termice cu combustie este redată în Fig. 2.10.

37

Evacuare gaze

Schimbător de căldură Schimbător  pentru căldura în exces

Motor Recuperator căldură

Cutie de viteze

Ulei cooler

Circuit de răcire cu a ă

Fig. 2.10 Sistem CHP cu motoare termice de combustie [21, 66]

Se diferenţiază două tipuri de motoare cu combustie internă, utilizate pentru generarea de energie, şi anume: motoarele cu aprindere prin scânteie (cu bujie, ciclul Otto); motoarele cu combustie internă cu aprindere prin compresie, la care amestecul, înainte de intrare în cilindri, este adus la o presiune mare (Diesel). Motoarele cu piston sunt disponibile, de la cele cuplate la generatoare mici (0,5 kW) până  la cele cuplate la generatoare mari (7 MW). Acestea folosesc combustibili obişnuiţi, cum ar fi benzină, gaz natural, motorină, şi sunt convenabile î ntr-o multitudine de aplicaţii, datorită dimensiunilor lor mici şi a costurilor  reduse. În producerea de energie, funcţionarea motoarele cu piston include, atât funcţionarea continuă, cât şi funcţ ionarea la vârfuri de sarcină, ca sursă de rezervă. Motoarele cu piston sunt ideale pentru aplicaţii în care există o nevoie substanţială de apă caldă sau aburi la presiune scăzută. În cazul unui sistem CHP folosit pentru producerea de energie electr ică pe scară largă, randamentul  este în jurul valorii de 30%, în timp ce într-un ciclu de exploatare combinat, randamentul este de aproximativ 4 8%. Căldura din gazele de ardere este  pierdută, odată cu evacuarea acestora în atmosferă . Spre deosebire de acest caz, la sistemul mCHP bazat pe moto are termice cu combustie internă  se recuperează căldura din apa de răcire, din circuitul de ungere al maşinii şi din circuitul de evacuare a gazelor de ardere. Cu căldura recuperată pot fi obţinuţi vapori la presiune mică sau apă caldă, care apoi se pot folosi pentru încălzire, pentru obţinerea apei calde menajere şi pentru refrigerare. Căldura de la circuitul de răcire din mantaua motorului este capabilă să producă apă caldă la 93oC şi reprezintă aproximativ 30% din energia de intrare a combustibilului. Motoarele care lucrează la presiune înaltă sunt echipate cu sistem de răcire pe ntru temperaturi foarte înalte şi pot lucra până la o temperatură de 129 oC. Căldura evacuată din maşină poate reprezenta între 10 ş i 30% din energia de intrare a combustibilului, iar temperatura pe evacuare este în mod normal între 455-649 oC. Pentru că temperatura gazelor evacuate tre buie ţinută deasupra limitei de condensare, numai o parte din căldura conţinută de aceste gaze poate fi recuperată. Unitaţile de recuperare a că ldurii sunt de regulă  proiectate  pentru o temperatură de 149-177 oC, pentru a evita efectele corozive,  precum şi apariţia condensului în tubulatura de evacuare. Se produce abur la presiune joasă şi apă caldă la 110oC folosind căldura evacuată din maşină. Căldura recuperată din fluidul de răcire şi din gazele rezultate în procesul de ardere poate atinge aproximativ 7 0-80%. Caracteristicile de performanţă ale motoarelor cu combustie internă sunt redate î n tabelul 2.5.  

38

Tabel 2.5. Caracteristicile de performanţă ale motoarelor cu combustie internă  [59] Putere (MWe) Raportul putere electrică/putere termică  Eficienţa electrică (%) Eficienţa termică (%) Eficienţa totală (%) Tip combustibil

0,005-2 ( până la 6) 0,75 25-45 40-60 70-95 O varietate de combustibili lichizi şi gazoşi

Sisteme mCHP cu motoare cu ardere interna (ICE) existente pe piaţă Producator/Imagine/ Sursa

Caracteristici tehnice

Putere electrică (trifazat) 5,5 kW Putere termică (min.) 12,5 kW; cu condensator (max.) 15,5 kW Eficienţa brută (netă) 79% (88%) Max. cu condensator 92% (102%) Dimensiuni (Height x Width x Depth) 1000 x 720 x 1060 cm Masa 530 kg Presiune max de lucru 5.0 bar Presiune alimentare combustibil 20-50 mbar http://www.baxiZgomot (la 1 m) 52-56 dB senertec.co.uk/html/baxi_  Interval service 3,500 h senertec_dachs.htm Durata de viaţă 80.000 ore Cost £13000 Disponibil din 2003 (UK) Putere electrică 1.2kWe Putere termică 3kWt ECOWILL HONDA Cost £5600 Disponibil din 2003 (Japan) 2005 (USA) BAXI DACHS

http://www.microchap.inf  o/internal_combustion_en gines.htm

Specificaţii generale

Unităţile m-CHP Dachs pot fi alimentate cu gaz natural, GPL şi alte opţiuni de combustibil. Firma Baxi Dachs are peste 10.000 de unităţi instalate (în Germania, 2500 pe an). Aceste unităţi sunt potrivite pentru conectarea în paralel cu reţeaua. Dotate cu interfaţa G83 se pot conecta direct la panoul de distribuţie al clădirii. Montarea condensatorului de gaze de evacuare - po ate creşte producţia de energie termică la 15,5 kW. Unitatea de cogenerare Honda de 1kWe a fost prima unitate mCHP din lume pentru utilizare rezidenţială. În Japonia instalaţiile sunt exterioare locuinţei şi nu au limite joase  pentru zgomot şi noxe. Încorporarea de convertoare catalitice şi un sistem elaborat de atenuare acustică, împreună cu un design nou, au dus la obţinerea de unităţi competitive şi în afara Japoniei. Pe piaţa japoneză, preţul ridicat al energiei electr ice şi subvenţiile de capital au îmbunătăţit viabilitatea economică, ajungând la aproape 100.000 unităţi. Din anul 2003, este comercializat şi în SUA. 39

Produsul a fost lansat pe piaţa germană la începutul anului 2011. Similar în performanţă cu  produsul Ecowill, dar diferit în unele aspecte semnificative: 1) Este potrivit pentru instalarea în interior, deşi destul de voluminos când se ţine cont de numeroase componente suplimentare necesare pentru a finaliza instalarea. 2) Are un randament electric mai ridicat (26%) şi randament global mai bun (92%), comparativ cu un randament http://www.vaillant.de/Pr  global de 85% pentru Ecowill. odukte/ Această performanţă îmbunătăţită vine la un preţ, mai mult decât dublu faţă de  produsul japonez. Putere electrică 2,0 –  4,7 kW NG Produsul este bazat pe motorul ECOPOWER  cu gaz Marathon şi poate fi / 2,2 –  4,7 kW LPG Putere termică 6,6 –  12,5 kW NG modulat pentru a se adapta la sarcina electrică. Această / 6,6 –  13,8 kW LPG Eficienţa globală > 90% ( ~25% caracteristică este considerată de către dezvoltatorii săi să ofere elec.~65% termic)  beneficii semnificative faţă de Motor 1 cilindru în 4 timpi cu 3 capacitate de 170 cm  produsele similare. Turaţia 1700 - 3600 RPM EcoPower a fost achiziţionată de către Vaillant, producătorul http://www.marathonengi Combustibil Gaz natural, GPL german, care are în dezvoltare, ne.com/cogeneration.html (propan) Temperatura gaze evac. < 90 ° C de asemenea, o unitate de Tensiune monofazată  230 V cogenerare cu pilă de combustie şi o unitate de 1kWe bazat pe 50/60 Hz PF = 1 Dimensiuni (Height x Width x motorul Honda. Depth) 137 x 76 x 109 cm Masa 390 Kg VAILLANT

Putere electrică 1kWe Putere termică 2,5kWt Eficienţa electrică 26,3% Eficienţa totală : >92% Motor 1 cilindru în 4 timpi cu capacitate de 163 cm 3 Turaţia 1950 RPM Cost €23.000 Disponibil din 2011 (Germania)

40

2.2.4 Motoare Stirling

Motorul Stirling este un motor cu combustie externă, care foloseşte o diferenţă de temperatură pentru a crea mişcare la arbore. Funcţ ionarea unui motor Stirling este bazată  pe comportarea unei cantităţi fixe de aer, sau gaze - cum ar fi heliu sau hidrogen - închisă în cilindrii motorului. Două proprietăţ i ale gazelor stau la baza funcţ ionarii motorului Stirling: în cazul unei cantităţi constante de gaz, avînd un volum fix, pe măsură ce temperatura creşte, presiunea va creşte; când o cantitate fixă de gaz este comprimată, temperatura acelui gaz va creşte. 



Schimbător de căldură

Preîncălzitor aer 

Aer

Regenerator Economiser Gaze de ardere

Generator G Aer

Motor Stirling

Răcitor 

Consumator căldură

Biomasă Arzător 

Fig. 2.11 Schema unui sistem CHP cu motor Stirling [17]

Aplicaţiile pentru motorul Stirling includ unităţi de generare a energiei pentru nave cosmice şi vehicule, avioane mici, refrigerare, sisteme mCHP, şi, la o scară mai mică, generatoare de energ ie rezidenţiale sau portabile. Un sumar al caracteristicilor motorului Stirling este prezentat în Tab.2.6. Tabelul 2.6. Caracteristicile principale ale motorului Stirling [59] Domeniu de puteri (MWe)

0,003-0,1

Raportul putere electrică / putere termică 

1/2-1/7

Eficienţa electrică (%)

15-35

Eficienţa termică (%)

40-80

Eficienţa (%) Tip combustibil

<90 Toate tipurile de combustibil

Motoarele Stirling au eficienţă electrică de 15-35%. Dacă însă, căldura pierdută este recuperată î n sisteme de tip CHP, atunci randamentul global al acestor sisteme poate să crească semnificativ. Temperaturile tipice normale de operare variază între 650 - 800°C. Căldura poate fi recuperată folosind schimbătorul de căldură de la sursa rece a motorului,  precum şi schimbător ul de căldură prin care se evacuează  în atmosferă gazele arse.

41

Sisteme mCHP cu motor Stirling existente pe piaţă Producator/Imagine/Sursa

Caracteristici tehnice

Unitate compactă de cogenerare P electrică : 1,5-3 kW P termică : 4,5-10,5 kW Randament electric : 20-25% Randament global: aprox. 90% Temp. max. la işire : 85°C Zgomot : 49-54 dB Greutate : aprox. 350 kg Motor Stirling tip alfa Capacitate cilindrica : 520 cm 3 Viteza : 500-1000 rot/min Gaz de lucru : azot Presiune de lucru : 33 bar Randament motor : 33-36% http://www.sunmachine.fr/pr  Mentenanţa : 80 000 ore od_pellets.htm SUNMACHINE ® PELLET

Specificatii generale Sunmachine Pellet reprezintă o soluţie inovatoare pentru sistemele mCHP bazate pe arderea de peleţi. Caracteristica suplimentară a acestui produs este  posibilitatea de alimentare automată cu peleţi. Acest lucru  permite produsului să fie utilizat perioade relativ lungi nesupravegheat. Produsul are un tanc pentru peleţi cu capacitate de stocare de 50l şi  posibilitatea de alimentare dintr-un rezervor de stocare  peleţi ce poate fi o cameră de depozitare peleţi sau un rezervor subteran.

P electrică (fără consumul intern Modulul SEM (Stirling Energy  propriu) aprox. 1,2 kW Module) funcţionează de Randament electric : 18% (25% manieră complet automatizată, ca un boiler convenţional (cu  proiect) reglaje de temperatură) care Randament global : > 90% Performanţe termice (Stirling + încălzeşte apa, dar simultan arzator suplimentar) 5 kW  produce curent electric. Acesta (performanţa de vârf 15kW)  poate fi utilizat local sau alimentează reţeaua publică. Gaz de lucru Hélium Acest aparat modern prezintă Presiune de lucru 35 bari Temperatura superioară de avantaje: consum redus, randament maxim şi o  proces 650 ºC Temperatura inferioară de funcţionare silenţioasă, fără http://stirlingîntreţinere şi uşor de integrat î n  proces 30°C - 60 ºC systems.ch/en/home.html sistemele preexistente din interiorul locuinţelor. Cleanergy Motor Stirling tip alpfa cu 2 Unitatea CHP Cleanergy este cilindri, 90° V un produs cu 2 milioane ore de Arzător 16-40 kW statistici de performanţă Presiune gaz 50 +15/-5 mbar acumulate pe parcursul Putere electrică 3-9 kW (±5%) ultimilor 15 ani. Iniţial aceste Capacitate cilindrică 160 cm3 sisteme au fost fabricate în Putere termică 8 - 26 kW Germania, dar în 2009 a Conectare 400 V, 50 Hz, trifazat început producţia de unităţi de Eficienţa electrică 25 % (±1) cogenerare Cleanergy într-o Eficienţa totală 92 - 96 % uzina nouă, în Sue dia. http://www.cleanergyindustri Consum 3 - 7 Nm 3/ h Cleanergy oferă unităţi de es.com/produktbeskrivningar  Gaz de lucru Helium cogenerare la o gamă largă de Stirling Systems SA SUISSE

42

/Cleanergy_Combined_Heat_  Presiune de lucru 20 - 150 bar and_Power_Unit.pdf  Interval service 4000 –  6000 h Emisii CO (la 5% O2) 50 mg/m3 Emisii NOx (5% O2) 80 mg/m3 Dim. 1280 x 700 x 980 mm Greutate 460 kg SenerTec CHP Systems Sistem cu motor Stirling cu GmbH  piston liber (cuplat cu un generator liniar) Combustibil: Gaz natural, GPL (propan) Zgomot <45 dB (A) Putere electrică : 1.0kW Putere termică : 3,0 –  6,1 kW (18 kW la cerere prin intermediul unui sistem integrat de boiler cu gaz) Indice de cogenerare: 0,16 Eficienţa totală : 97% Dimensiuni: (WxDxH) 86,0 x 134,0 x 190,0 cm Greutate : 100 kg Temperatura max : 70 ° C http://www.bhkw(încălzire max la 50 ° C)  prinz.de/senertec-dachsTemperatura retur: 30 ° C stirling-se-mikro-kwk/1812 Alimentare : 230 V, 50 Hz

clienţi.

WhisperGen

Unitatea mCHP WhisperGen e comercializată de compania de energie din Marea Britanie, E.ON (fosta Powergen). Aceasta este o unitate cu patru cilindri, care funcţionează fără vibraţii, cu un nivel de zgomot redus. Unitatea MkV, care încorporează un arzator suplimentar, a fost introdus în 2005 pentru a oferi mai multă flexibilitate, ceea ce face unitatea potrivită pentru case mai mari. Această variantă încorporeaza o incintă acustica integrantă făcând posibilă instalarea în bucătărie. WhisperGen produce sisteme de cogenerare off-grid şi ongrid. Unităţile off -grid produc 12 sau 24V şi sunt utilizate în aplicaţii off -grid cum ar fi mici ambarcatiuni sau case mici izolate.

Putere electrică 1kWe Putere termică 7,5-12kWth

www.whispergen.com

Unitatea CHP cu Stirling de la Sener Tec este o soluţie compactă, cu costuri relativ reduse de instalare pentru case cu necesarul de căldură moderată de până la 35.000 kWh pe an. Cu o capacitate de 1,0 kW electric şi până la 6,1 kW termic, unitatea este destinată alimentării cu energie a locuinţelor unifamiliale cu o cerere scăzută de căldură. Atunci când cererea de căldură atinge punctul maxim, porneşte un arzător ce este integrat în unitate, cu o putere de 18,0 kW sau mai mult.

43

Putere electrică 0,5-3kWe Putere termică 12-17,4kWt Disenco HomePowerPlant utilizează un motor Stirling tip  beta Putere electrică de vârf 3kW Putere termică de vârf, (cu tanc de stocare) până la 25kW http://www.disenco.com/html Salvează între 3 şi 12 tone de emisii CO2 /product-1.htm Reduce amprenta de carbon cu  până la 66% Eficienţa totală 92% Disenco

Infinia (STC) http://www.microchap.info/st Putere electrică 1kWe Putere termică 4-40kWt irling_engine.htm

http://www.infiniacorp.com/ micro-chp.html

DisencoHomePowerPlant este un sistem m-CHP, pe baza unei motor Stirling cinematic care utilizează heliu ca gaz de lucru. Motorul Stirling actionează un generator pentru a produce 3 kW de energie electrică. Se anticipează că Disenco HomePowerPlant va genera, în medie, până la 50% din nevoile interne de energie electrică şi între 60 şi 70% din cererile de vârf de sarcină de căldură şi de apă caldă. INFINIA (anterior STC)  produce motorul Stirling cu  piston liber (LFPSE) care este acum folosit de către MTS, Bosch şi Enatec în Europa,  precum şi Rinnai în Japonia. Aceste sisteme utilizează circa 95 % din energia conţinută în combustibil, reducând nevoia de electricitate, care este  produsă la o eficienţă medie de aproximativ 30 %. Rinnai produce modulul LFPSE pentru integrarea în unităţi mCHP de către ceilalţi  parteneri pentru piaţa europeană, cu aprox. 1000 de unităţi planificate pentru  perioada 2008-2010. Rinnai va  produce, de asemenea, o unitate m-CHP pentru piaţa  japoneză.

44

2.2.5 Pile de combustie

Pilele de combustie (sau celulele de combustie) transformă energia electrochimică în electricitate şi căldur ă, prin combinarea hidrogenului şi oxigenului în prezenţa unui catalizator (Fig. 2.12).

. Fig. 2.12 Conversia electrochimică într-o pilă de combustie http://www.ballard.com/files/images/aboutballard/How-a-fuel-cell-works.jpg Printr-o reacţie catalitică, hidrogenul de la anod produce ioni şi electroni. Ionii pot trece prin electrolit şi ajung la catod iar electronii ajung la catod prin circuitul electric extern. Reacţia de la catod conduce la generarea de căldura şi apă . O celulă individuala ce funcţionează pe acest principiu şi produce 0, 5-0,9 V este redată în Fig. 2.13

Fig. 2.13 Celula de combustie http://nano.mtu.edu/images/HydrogenFuelCell.gif

45

În afara hidrogenului mai pot fi utilizate şi alte gaze precum metanul, în s pecial  pentru celulele de mare putere. În acest caz schema este redată în Fig. 2.14. Amestecul combustibil-oxigen se poate realiza în exteriorul sau în interiorul celulei, în funcţie de temperatura de lucru a celulei de combustie. Căldură şi apă Evacuare gaz uscat

Căldura utilă

Gaz  Natural

Reformer combustibil

Gaz bogat n hidrogen

Conversie energie

Putere CC

Conversie energie

Putere CA

Aer

Fig.2.14 Sistem de conversie cu celulă  de combustie [26], [29] (www.dodfuelcell.com)

Pilele de combustie sunt similare bateriilor electrice şi au capacitatea de a produce curent continuu printr-un proces electrochimic. În timp ce o baterie electrică produce energie pe o durată, care este limitată de energia chimică stocată, pilele de combustie pot opera un timp nedefinit. Cinci mari tipuri de celule de combustie s unt cunoscute până în prezent, ş i sunt clasificate după tipul electrolitului utilizat. Acestea sunt:     

alcaline (AFC), cu acid fosforic (PAFC), cu carbonat topit (MCFC), cu oxid solid (SOFC), cu membrană de schimb de protoni (PEMFC).

Pilele de combustie sunt generatoare de energie silenţioase, compacte, fără piese în mişcare, care utilizează hidrogen şi oxigen pentru a produce electricitate şi care, în mod simultan, pot asigura căldură pentru o gama largă de aplicaţii. În general, pilele de combustie dau randamente electrice ridicate, sub sarcină variabilă, şi au emanaţii reduse. Sectorul de transport reprezintă  principala piaţă potenţială pentru pilele de combustie. Totuşi, generarea de energie pare să constituie o altă piaţă promiţătoare pe care pilele de combustie ar putea pătrunde. De fapt, cu excepţia PAFC, pilele de combustie nu sunt încă complet viabile pentru comercializare. În lume este instalată o capacitate totală de peste 40 MW, pile de combustie de tip PAFC. O comparaţie detaliată a caracteristicilor acestor  pile de combustibil se prezintă în tabelul 2.7 şi tabelul 2.8.

46

Tabel 2.7 Caracteristicile unor pile de combustie Purtător de sarcină

PEMFC

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

Ioni H+

Ioni OH+

Ioni H+

Ioni CO32-

Ioni O2-

Hidroxid de Membrană  potasiu saturat cu Tip de electrolit  polimerică apa în matrice

Construcţie Catalizator Oxidant Combustibil

Soluţii de acid fosforic

Matrice cer amică stabilizată cu zirconiu şi cu ioni liberi oxidanţi

Acid fosforic

Metale la Plastic, metal Carbon, ceramică Plastic sau metal temperaturi înalte, sau carbon  poroasă ceramică poroasă Platina Platina Platina Nichel Aer sau oxigen

Aer purificat sau oxigen

Aer sau aer îmbogăţit cu O-2

Hidrocarburi Hidrogen pur sau Hidrocarburi sau sau metanol alcooli hidrură

Temperatura de operare

50-100oC

Gama de mărime

3-250 kW

60-80 oC 10-200 kW

Ceramică, metale la temperaturi înalte Impurităţi

Aer

Aer

Hidrogen pur, gaz natural, propan, diesel

Gaz natural sau  propan

100-200 oC

600-700 oC

600-1000 oC

100-200 kW

0,25-5 MW

1-10 MW

Randament 30-50 % 32-70 % 40-55 % 55-57 % 50-60 % * Randamentele electrice sunt bazate pe valori ale hidrogenul ui şi nu includ energia necesară îmbunătăţirii hidrogenului

Tabel 2.8 Caracteristici de performanţă pentru sisteme de cogenerare reprezentative cu celule de combustie alimentate cu gaze naturale [34, 55, 66] Tip celula de combustie

PEMFC

PEMFC

PAFC

SOFC

MCFC

10

200

200

100

250

12

10.3

10

8

8.4

Capacitate electrică nominală (kW) Raportul putere electrică / putere termică (MJ/kWh), HHV Eficienţa electrică (%) HHV Intrare combustibil (MJ/hr)

30

35

36

45

43

105

2,110

2,005

845

2,110

Temperatura de operare [°C]

70

70

200

950

650

Căldura la ieşire (MJ /hr)

42

760

780

200

465

Căldura la ieşire (kW equivalent)

13

211

217

56

128

Eficienţa totală (%) HHV Raportul putere electrică/putere termică Raportul net căldură (MJ/kWh) Eficienţa electrică efectivă (%) HHV

68

72

75

70

65

0.77

0.95

0.92

1.79

1.95

6.7

5.5

5.1

5.5

6

53,6

65,0

70,3

65,6

59,5

Caracteristici cogenerare

Celulele de combustie sunt prognozate să ajungă să domine piaţa sectorului unităţilor de cogenerare pentru sectorul rezidenţial, datorită eficienţei energetice bune a acestora şi datorită marelui avantaj că sunt silenţioase.

47

Sisteme mCHP cu pile de combustie existente pe piaţă Producator/Imagine/ Sursa

Hexis Ltd.

http://www.hexis.com/ind ex_e.htm Ceramic Fuel Cells Limited

Caracteristici tehnice

Putere electrică 1,0kWe Putere termică 2,5kWt (+20kWt)

Unitatea «Galileo 1000 N» este o celula de combustie de tip SOFC, compactă, cu emisii reduse şi silenţioasă. Reprezintă un sistem m -CHP cu randament ridicat, care generează energie electrică şi termică din gaze naturale într-o formă descentralizată  pentru o rezidenţă cu nevoi foarte mici de energie. Costul extrem de mare a acestor unităţi creează provocări importante pentru a se apropia de viabilitatea economică.

Putere electrică 1,0kWe Putere termică 0,3kWt Bluegen APU 2kWe Eficienţa electrică >60%

CFCL este un lider mondial în dezvoltarea de celule de combustie de tip solid oxid (SOFC), pentru a furniza energie eficient, de înaltă calitate, cu emisii reduse, din gaze naturale disponibile pe scară largă şi din combustibili din surse regenerabile. CFCL dezvoltă produse SOFC de mici dimensiuni şi unităţi de cogenerare  pentru acoperirea nevoilor de electricitate şi căldură pentru uz casnic. Producătorul a vândut mai mult de 200 unităţi m-CHP BlueGen la clienţi din Italia, Germania, Marea Britanie, Elveţia, Olanda, Japonia, Australia, SUA. CFC a câştigat DuPont 2010 -11, premiu de inovare durabilă viitoare şi Microgeneration UK 2011, premiul de inovaţie tehnică. Ceres Power este un lider mondial al tehnologiei pilelor de combustie, cu sediul în UK, pentru unitati de cogenerare în sectorul rezidenţial. Primul produs al companiei este o soluţie integrată de m-CHP de perete cu celule de combustie. Este destinat să înlocuiască un boiler convenţional, utilizând gaze naturale, dar furnizand în  plus electricitate. Colaborarea cu Centrica (British Gas), a determinat lansarea unei comenzi naţionale pentru 37500 de unităţi.

http://www.cfcl.com.au/

Ceres Power

http://www.cerespower.co m/

Specificaţii generale

Putere electrică 1,0kWe

48

Acumentrics

http://www.acumentrics.c om/ Kyocera

Vaillant

Putere electrică 250 W la 2 kW AC sau DC

Putere electrică 0,7k W

Putere electrică 14,6kWe Putere termică 25 50kWt

http://www.microchap.inf  o/pem_fuel_cells.htm Putere electrică 1kW Topsoe Temperatura de operare http://www.topsoefuelcell. 750-850°C com/

Acumentrics produce sisteme m-CHP cu celule de combustie (SOFC) nepoluante, eficiente şi fiabile destinat  pentru site-uri off-grid industriale şi militare. Funcţionează pe combustibili convenţionali cum ar fi gaze naturale şi  propan pentru aplicaţii industriale, şi combustibili lichizi pentru aplicaţii militare. Un sistem m-CHP de 250 W cu celule de combustie va economisi între 2.200 şi 6.000 dolari pe an gaze naturale şi 50 de tone de emisii de CO 2. Kyocera colaborează cu Osaka Gaz  pentru lansarea unui sistem m-CHP cu  pila de combustie de 0,7 kW pe tehnologie SOFC.

Vaillant, producător german de boilere, a stabilit un parteneriat cu PlugPower (SUA), pentru a integra celule de combustie PEM într-un sistem de micro-cogenerare. Până în prezent accentul a fost pus pe sisteme pentru case multi-familiale, care cuprinde 4 sau mai multe case. Un număr de aceste unităţi sunt testate în cadrul proiectului european VPP (Virtual Power Plant) Proiect.

Celula de combustie Topsoe se concentrează pe o tehnologie SOFC care este cea mai eficientă tehnologie a celulelor de combustie. Funcţionează pe diferite tip uri de combustibili, cum ar fi gazul natural,  biogaz sau biomasă. În colaborare cu Wartsila si Dantherm, compania finlandeză Topsoe, realizeaza unităţi mCHP de 1kWe şi lucrează la sisteme cu puteri de până la 20 kWe.

49

Baxi Innotech

Putere electrică 1kWe Putere termică 2-40kWt

Baxi INNOTECH în colaborare cu Ballard dezvoltă din 2009 un sistem m CHP cu pile de combustie în tehnologie PEM.

Putere electrică 1kWe

Viessmann are în curs de dezvoltare un sistem de cogenerare în tehnologie PEM, în colaborare cu universităţile germane

Putere electrică 1kWe

Celulele de combustie PEM incluse în  proiectul japonez ENE FARM au caracteristici similare (1kWe), excepţie făcând Eneos care au o putere mai mica (750We). Toate sunt echipate cu un radiator suplimentar pentru a oferi flexibilitate operaţională, încorporate într-un dulap separat care găzduieşte, de asemenea, rezervorul de stocare a apei calde. Programul de încercări a implicat companiile japoneze de gaz: Osaka Gaz, Toho Gaz şi Tokyo Gaz, şi a însumat peste 2000 de unităţi instalate.

http://www.microchap.inf  o/pem_fuel_cells.htm Viessmann

http://www.microchap.inf  o/pem_fuel_cells.htm Panasonic

http://www.ebara.co.jp/

50

Toyota

Putere electrică 1kWe

Celulele de combustie PEM incluse în  proiectul japonez ENE FARM au caracteristici similare, şi anume 1kWe. Programul de încercări a implicat companiile japoneze de gaz: Osaka Gaz, Toho Gaz şi Tokyo Gaz, şi a însumat  peste 2000 de unităţi instalate.

Putere electrică 1kWe

Celulele de combustie PEM incluse în  proiectul japonez ENE FARM au caracteristici similare, si anume 1kWe.

Putere electrică 1kWe

Celulele de combustie PEM incluse în  proiectul japonez ENE FARM au caracteristici similare, şi anume 1kWe. Problema care rămâne este costul iniţial care e cel puţin un ordin de mărime mai mare faţă de costurile de producţie ţintă.

http://www.microchap.inf  o/pem_fuel_cells.htm Toshiba

http://www.microchap.inf  o/pem_fuel_cells.htm Ebara Ballard

http://www.microchap.inf  o/pem_fuel_cells.htm

51

2.2.6 Analiza comparativă a tehnologiilor de cogenerare în sistemele mCHP

Un rezumat al caracteristicilor tipice cost şi performanţă în funcţie de tipul tehnologi ei de cogenerare este prezentat în tabelul 2.9. Tabel 2.9 Caracteristici şi performanţe ale sistemelor CHP funcţie de tehnologie* [21, 29, 66, 67, 74] Tehnologie Motor pe Turbine Motor Turbine pe Celule de gaz Microturbine  pe abur  Diesel gaz combustie natural Eficienţa 15-38% 27-45% 22-40% 22-36% 18-27% 30-63% electrică (HHV) Eficienţa globală 80% 70-80% 70-80% 70-75% 65-75% 65-80% Eficienţa 75% 70-80% 70-80% 50-70% 50-70% 60-80% electrică efectivă Capacitate 0,2-800 0,03-5 0.03-5 1-500 0,03-0,35 0,01-2 (MWe) Raportul tip 0,1-0,3 0,5-1 0,5-1 0,5-2 0,4-0,7 1-2 Pel/Pth Sarcina parţială ok bun ok slab ok bun Costuri instalare 2.700300-900 900-1.500 900-1.500 800-1.800 1.300-2.500 ($/kWe) 5.300 O&M cost 0,0050,0070,0030,01 0,005<0,004 ($/kWe) 0,015 0,02 0,0096 (proiectat) 0,04 near Disponibilitate 90-95% 92-97% 90-98% 90-98% >95% 100% Ore de 25.00024.00030.00010.000> 50.000 5.000-40.000 funcţionare 30.000 60.000 50.000 40.000 Timp de pornire 1hr-1zi 10sec 10sec 10 min-1 hr 60 sec 3 hr-2 zile Presiune 120-500 40-100 n/a <5 1-45 0,5-45 combustibil (psi) (compresor) (compresor) Hidrogen, gaz,  Natural gas,  Natural gas, gaz Diesel, toţi Combustibil  biogaz,  biogaz,  biogaz, natural, motorina  propan  propan  propan  propan, metanol Zgomot mare mare mare moderat moderat slab Apa Apa Apa Apa Apa Agent termic la Abur LPfierbinte, fierbinte, fierbinte, fierbinte, fierbinte, ieşire HP abur LPabur LP abur LP abur LP abur LP HP Densitate de >100 35-50 35-50 20-500 5-70 5-20  putere (kW/m2)  NO2x, lb/MMbtu 0,03-0,3 1-1,8 0,18 0,05 0,03 0,004 lb/MWhTotalOutput

0,13-1,3

4,3-8,2

0,8

0,25

0,15

0,02

* Datele reprezintă valori tipice pentru sisteme CHP existente;

52

Dintre tehnologiile CHP prezentate,  pentru sistemele de mică putere, cel mai bine se pretează tehnologiile redate î n tabelul 2.10. Tabel 2.10 Caracteristici tehnice ale sistemelor de micro-cogenerare [21, 29, 55, 59, 74]

Mărimi tehnice caracteristice

Tehnologii bazate pe energii regenerabile

Tehnologii bazate pe combustibili fosili

Motoare Stirling

Pile de combustie PEM

Motoare cu ardere internă

Microturbine

Putere electrică (kW)

2-50

2-200

10-200

25-250

Eficienţa electrică la sarcină întreagă (%)

15-35

40

24-45

25-30

Eficienţa electrică la sarcină jumătate (%)

35

40

23-40

20-25

Eficienţa totală (%)

75-85

75-85

75-85

75-85

Raport căldură/putere electrică

1.4-3.3

0.9-1.1

0.9-2

1.6-2

Temperatura ieşire (°C)

60-80

60-80

85-100

85-100

Combustibil

Biogaz sau gaz natural, GPL, unii combustibili solizi sau lichizi

Hidrogen, gaze cu conţinut  bogat în hidrogen, methanol

Biogaz sau gaz natural, motorină

Biogaz sau gaz natural, motorină, gasolină, alcool

Interval mentenanţă (h)

5.000

N/A

5000-20.000

20.000-30.000

Cost investiţie ($/kW)

1300-2000

2500-3500

800-1500

900-1500

Cost mentenanţă ($/kW)

1,5-2,5

1,0-3,0

1,2-2,0

0,5-1,5

Eficienţa electrică a motoarelor cu combustie internă este mai mare comparativ cu micro-turbinele şi motoarele Stirling. Pe de altă parte, celule le de combustie promi t să ofere cea mai mare eficienţă electrică  pentru aplicaţii de cogenerare rezidenţiale la scară mică în comparaţie cu alte tehnologii, dar se confruntă cu lipsa de performanţă demonstrată.

53

Observaţii

1. O caracteristică importantă  a sistemelor de micro-cogenerare (mCHP) o reprezintă r aportul dintre puterea electrică ( P  E ) şi puterea termică a motorului primar ( P th) numit indice de cogenerare (power to heat ratio). Indicele de cogenerare are o importanţă  deosebită  în sistemele de cogenerare deoarece calculul energiei electrice produse prin cogenerare se bazează pe raportul dintre  puterea electrică şi puterea termică. O valoare supraunitară  a indicelui de cogenerare indică energie electrică  preponderentă  produsa de sistemul mCHP faţă  de energia termică. Majoritatea tehnologiilor de cogenerare au indice de cogenerare subunitar. Tehnologiile promovate de directivele europene 2004/8/CE şi 2012/27/CE sunt: (a) Turbină de gaz cu ciclu combinat cu recuperare de căldură ; (b) Turbină de abur cu contrapresiune; (c) Turbină de abur cu condensatie; (d) Turbină de gaz cu recuperare de căldură ; (e) Motor cu ardere internă; (f) Microturbine; (g) Motoare Stirling; (h) Pile de combustie; (i) Motoare cu abur; (j) Cicluri Rankine pentru biomasă. Calculul energiei electrice  produse prin cogenerare trebuie să aibă la bază raportul efectiv dintre energia electrică şi energia termică. Dacă nu se cunoaş te indicele de cogenerare, se  pot folosi valorile implicite, în special pentru scopuri statistice, pentru unităţ i de tipurile (a), (b), (c), (d) şi (e) menţionate, cu condi ţia ca energia electrică produsă în cogenerare să fie mai mică sau egală cu producţia de energie electrică totală a unităţii  conform tabel 2.11. Tabel 2.11 Valorile indicelui de cogenerare [31] Ra portul energie electrică/energie Tipul unităţii termică, γ (valori implicite) Turbină de gaz în ciclu combinat, cu 0,95 recuperare de căldură Turbină de abur cu contrapresiune 0,45 Turbină de abur cu condensaţ ie 0,45 Turbină de gaz cu recuperare de căldură  0,55 Motor cu ardere internă  0,75 2. Pentru calculul eficienţei globale a sistemului CHP randamentele de referinţă sunt redate în capitolul 1 pe tipuri de combusti bil şi anul realizării sistemului CHP.

54

2.3 Sisteme de trigenerare

Trigenerarea este o formă de pol igenerare. Termenul descrie un proces combinat de conversie a energiei cu producere de căldură, răcire şi generare de energie electrică (CCHP Combined Cooling, Heat and Power ). Sistemul constă, în esenţă dintr -o unitate CHP (Combined  Heat and Power ) care produce energie electrică şi termică, precum şi o unitate termică generatoare de frig (chiller). Chillerul este condus cu energia termică livrată de către unitatea CHP. În funcţie de cerere, căldura generată de unitatea CHP poate să fie utilizată pentru încălzire sau răcire.Sistemele de trigenerare pot fi clasificate astfel: - sisteme centralizate, - sisteme descentralizate. Sistemele de trigenerare pot găsi aplicare ori de câte ori există cerere de căldură, frig şi de energie electrică. Acest lucru înseamnă că zona de aplicare este foarte vastă, de la locuinţe mici, la mari spaţii comerciale, la birouri sau spa ţii de altă natură (sportive, centre de divertisment, spitale, şcoli, aeroporturi, hoteluri, etc). Trigenerarea poate fi benefică în industria alimentară în cazul în care de multe ori există nevoie simultan pentru răcire, încălzire şi energie electrică. În clădiri, sistemul C CHP produce căldură pentru apă caldă menajeră, încălzirea spaţiului sau dezumidificare şi frig  pentru aer condiţionat, în timp ce în industria alimentară, este, de regulă nevoie de încălzire şi răcire (congelare, pasteurizare, etc). În afară de domeniile de aplicare menţionate, trigenerare a  poate fi o soluţie adecvată în multe alte domenii diferite ale economiei. În sistemele centralizate CCHP, căldura, frigul şi energia electrică sunt generate la nivel central şi apoi distribuite către utilizatorii finali , (fig. 2.15). Această configuraţie creşte eficienţa producerii temperaturilor ridicate, frigului şi energiei electrice, dar în acelaşi timp necesită costuri iniţiale ridicate. Trebuie să fie instalate reţele de termoficare şi reţele de răcire pentru a distribui căldură şi frig pentru utilizatorii finali. Funcţionarea şi întreţinerea sistemului este costisitoare, cu un mare ef ort de distribuţie şi pierderi mari. De obicei, o conductă dublă instalată  pentru distribuţie este insuficientă pentru căldură / frig şi este necesară o reţea secundară de distribuţie. Atunci când sunt instalate 4 conducte în loc de 2, costurile suplimentare pentru î ncă o reţea secundară sunt relativ mari. În cazul reţelei existente de apă caldă, instalarea suplimentară a înca unei reţ ele pentru răcire, este de regulă neprofitabilă. Reţeaua de răcire ar servi mai ales în zonele urbane limitate sau pentru grupuri de bi rouri şi clădiri administrative, clădiri publice şi private, de servicii şi societăţi comerciale. Sistem centralizat

Chiller cu absorbţie

Reţea distribuţie frig

     a      r      u        d        l        ă      c

combustibil

Consumator

Reţea termoficare CHP  .   r    t   c   e    l   e

Reţea energie electrică

Fig. 2.15 Sistem de trigenerare centralizat [59] 55

În sistemele CCHP centralizate cu generarea descentralizată de frig, căldura şi energia electrică sunt generate la nivel central şi distribuite către utilizatorii finali, unde chillerul produce local frigul, (figura 2.16). Avantajele şi dezavantajele acestei configuraţii sunt numeroase. Generare descentralizată frig Chiller cu absorbţie

frig

consumator

Sistem centralizat combustibil

Reţea termoficare CHP  .   r    t   c   e    l   e

Reţea energie electrică

Fig. 2.16 Sistem de trigener are centralizat cu generare descentralizată de frig [59]

Sistemele de trigenerare pot funcţiona într -o gamă largă de configuraţii. Sistemul cel mai comun şi flexibil este de trigenerare descentralizată, figura 2.17. În acest caz, căldura şi frigul sunt generate şi consumate la faţa locului, în timp ce energia electrică este consumată, fie la faţa locului fie livrată în reţea. Avantajul principal al acestei configuraţii este faptul că în această situaţie căldura şi frigul, nu trebuie să fie transportate, ce ea ce înseamnă reducerea costurilor de distribuţie şi a pierderilor. Sistem descentralizat      a      r      u        d        l        ă      c

combustibil

  g    i   r    f

Chiller cu absorbţie

CHP

căldura

 .   r    t   c   e    l   e

Reţea energie electrică

Fig. 2.17 Sistem de trigenerare descentralizat [59] Trigenerarea constă în producerea simultană, într -o instalaţie unică, de energie mecanică, convertită în electricitate, şi energie termică, putând ea însăşi genera căldură şi frig, cu randamente ridicate, permiţând economii de energie primară şi reducerea emisiilor  poluante. Un sistem de trigenerare integrat utilizează un motor termic primar cuplat cu un

56

generator sau direct o pilă de combustie, schimbător de căldură pentru recuperarea căldurii, răcire prin activare temică şi dezumidificare. Trigenerarea de mică şi medie putere permite : reducerea pierderilor de energie electrică şi termică la transport şi distribuţie; o mai bună adaptare la condiţiile locale privind variaţia cererilor de energie; o mai mare siguranţă în alimentarea locală cu energie; adaptarea la combustibilul disponibil local, prin utilizarea  –  eventuală –  a deşeurilor şi resurselor ener getice locale; realizarea modulară, eventual etapizată în timp, în funcţie de evoluţia cererilor de energie; reducerea riscurilor financiare, prin investitii mici, eşalonate în timp, simultan cu evoluţia cererilor de energie; reducerea locală a emisiilo r poluante; motor al deschiderii şi dezvoltării pieţei locale de energie; reducerea facturii energetice a consumatorilor, inclusiv a ecotaxelor locale.    





  

Conceptul de trigenerare este o extensie a conceptului CHP prin adaugarea unui echipament de producere a frigului pentru perioada de var ă. Energiile produse de s istemul CCHP sunt dependente de tipul instalaţiei frigorifice dar şi de faptul că  sistemul este, sau nu , conectat la reţ eaua naţională de electricitate. Dacă se doreşte o generalizare  pentru un sistem de trigenerare, este posibil de privit unitatea ca o cutie neagră (Fig. 2. 18) cu o serie de intrări şi ieşiri multiple. Stocare C

E Q Q

QF

C

USG    l    i    b    i    t   s   u    b   m   o    C

E QF

CHP

E

Reţea

E

  r   o   l    t   a   a   z   c    i   o    l    i    l    t    U

Q

Q

Surse regenerabile

Fig. 2.18 Sistem de trigenerare [25] În schema sistemului de trigenerare, nucleul sistemului este reprezentat de două  blocuri principale fizice:  blocul CHP, care conţine un motor termic primar. Acesta produce energie electrică E şi căldură Q pentru diverse utilizări finale; unitate suplimentară de generare (USG), care poate fi compusă din diferite echipamente pentru răcire şi / sau producerea de căldură sau electricitate . 



57

2.3.1 Indicatori de performanţă ai trigenerării

Mărimile care interesează şi care sunt utile şi necesare în analiza şi studiul sistemelor de trigenerare sunt:  – eficienţa globală;  –  economiile de energie primară –  PES (Primary Energy Savings). A. Eficienţa globală a sistemului de trigenerare

Pentru definirea eficienţei sistemului de trigenerare (CCHP), trebuie analizat şi comparat sistemul de trigenerare, cu sistemul de producere separa tă a energiei electrice şi termice (SHP). Această comparaţie este similară cu cea dintre sistemele CHP şi SHP  prezentată în subcapitolul 2.1.2. La generarea energiei cu un sistem SHP, „eficienţa globală” - the overall efficiency ( EFF SHP ) se defineşte ca sumă a producţiei de energie electrică (E), a producţiei de energie termică utilă (QH) şi a producţiei de energie necesară climatizării (Q C), împărţită la energia corespunzătoare a combustibililor consumaţi pentru a produce cele trei forme de energii , şi se poate calcula cu relaţia:  EFF SHP  

 E   EFF  P 



 E   Q H   QC  QC  Q H   EFF  H 



(2.8)

COP  EFF  P 

unde:  E  –  este producţia netă de energie electrică din sistemul SHP; Q H  –  este producţia de energie termică utilă din sistemul SHP; QC  –  este producţia de energie pentr u climatizare din sistemul SHP; COP – este coeficientul de performanţă al unităţii de climatizare;  EFF  P  –  este eficienţa generării electrice;  EFF  H  –  este e ficienţa generării termice. Faţă de generarea separată, eficienţa globală  (sau randamentul global) pentru  producerea prin trigenerare ( EFF CCHP ), într-un sistem CCHP, se defineşte ca sumă a  producţiei de energie electrică şi mecanică (E), a producţiei de energie termică utilă (Q H) şi a producţiei de energie necesară climatizării (Q C), împărţită la energia corespunzătoare a combustibilului total consumat ( Q F ), (în kWh), şi se poate calcula cu relaţia:  EFF CCHP  

 E   Q H   QC  Q F 

 

(2.9)

unde: E  –  este producţia netă de energie electrică din sistemul CCHP; Q H  –  este producţia de energie termică utilă din sistemul C CHP; QC  –  este producţia de energie pentr climatizare din sistemul SHP; QF  –   este cantitatea de energie conţinută de combustibilul consumat în procesul de trigenerare pentru producerea energiei electrice, termice şi pentru climatizare. În comparaţie cu sistemul SHP, la siste mul CCHP eficienţa energetică este mai mare, ca urmare a recuperarii pierdelor de energie şi tranformării acesteia în energie utilă. B. Economia de energie primară realizată prin trigenerare

Pentru definirea economiei de energie primară a sistemului de t rigenerare (CCHP), trebuie analizat şi comparat sistemul de trigenerare cu sistemul de producere separată a energiei electrice şi termice (SHP), comparaţie similară celei dintre sistemele CHP şi SHP.

58

Pentru sistemele CCHP nu există până în prezent o relaţie standardizată de calcul a economiilor de energie primară (indicatorul   PES), însă,  pornind de la modul în care se defineşte acest indicator pentru sistemele de cogenerare, se poate face o extindere şi pentru sistemele de trigenerare. Pornind de la faptul că diferenţa dintre energia primară în cazul  producerii separate şi energia primară în cazul producerii combinate prin trigenerare reprezintă economie de energie primară (economie de combustibil) î n lucrare se propune relaţia de calcul pentru indicatorul PES corespunzător sistemelor de trigenerare:       Q F     PES   1    100 QC  Q H   E        Eref     Href   COP    ref    Eref      

(2.10)

unde: - Q F  este combustibilul consumat pentru producerea de energie electrică, căldură şi frig; - E este energia electrică produsă prin trigenerare; - Q H  este energia termică (căldura) produsă prin trigenerare; - QC  este energia consumată pentru climatizare (producerea frigului); - COPref  este coeficientul de performanţă de referinţă al chiller -ului; - ηEref ηHref  sunt eficienţele de referinţă pentru producerea de energie electrică şi căldură în cazul producerii separate. Valorile de r eferinţă pentru eficienţa electrică şi termică pentru  producerea separată de energie electrică şi termică au fost  prezentate în capitolul 1. Relaţia (2.10) de calcul a indicatorului PES, ia diferite forme în funcţie de varianta  prin care se realizează răcirea, adică după   modul de transformare a energiei pentru obţinerea frigului. Astfel în varianta în care frigul se obţine din energie electrică, indicatorul PES se va calcula cu relaţia (2.11):           Q F     100  PES   1  QC     E     COP ref   Q H        Eref     Href       

(2.11)

Pentru sistemele de trigenerare la care climatizarea se realizează  prin consum de energie termică, se va calcula indicatorul PES cu relaţia (2.12):           Q F    100  PES   1  QC    Q H    COP ref     E           Href    Eref      

(2.12)

59

2.3.2 Unitatea de producere a frigului (chiller) 2.3.2.1 Instalatii frigorifice

Instalaţiile frigorifice sunt maşini termice care au rolul de a prelua căldură de la un mediu având temperatura mai scăzută şi de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată, aşa cum se observă şi pe schema energetică  din figura

Figura 2.19 Schema energetică a instalaţiilor frigorifice

Mediul cu temperatura mai scăzută, de la care se preia căldură este denumit sursa rece, iar mediul cu temperatura mai ridicată, căruia i se cedează căldură, este denumit sursa caldă. Deoarece au capacitate termică infinită, temperaturile surselor de căldură rămân constante chiar dacă acestea schimbă căldură. Fluxul de căldură absorbită de la sursa rece a fost notat cu Q o iar fluxul de căldură cedată sursei calde, a   fost notat cu Q k  . Conform  principiului doi al termodinamicii, pentru transportul căldurii, în condiţiile prezentate, este necesar un consum de energie, notat cu P. În cazul instalaţiilor frigorifice,  sursa rece se găseşte sub temperat ura mediului ambiant, iar procesul de coborâre a temperaturii sub această valoare, este denumit răcire artificială. Agentul de lucru, care evoluează în aceste instalaţii, este denumit agent frigorific. Pentru a putea să preia căldură de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mică decât aceasta.

În timpul preluării de căldură de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta în două moduri  diferite: - se poate încălzi mărindu -şi temperatura; - poate să-şi menţină temperatura constantă. Cele două posibile variaţii de temperatură (t) a agentului de lucru, de -a lungul suprafeţelor de schimb de căldură (S), sunt prezentate în figurile 2.20 a si b. Cu tr a fost notată temperatura sursei reci, iar săgeţile reprezintă sensul transferu lui termic (de la sursa rece la agentul frigorific).

a. Încălzirea agentului de lucru

b. cu menţinerea constantă a temperaturii

Figura 2.20 Absorbţia de căldură de la sursa rece( vaporizatorsau evapurator ) 60

Relaţia pentru calculul căldurii absorbite pentru cazul fără schimbarea stării de agregare este Qo  m1c p t 

unde m1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se încălzeşte, c p[kJ·kg-1 K] este căldura specifică, iar ∆t[K] este variaţia temperaturii agentului frigorific între stările de ieşire şi intrare, în contact termic cu sursa rece, Pentru cazul cu schimbarea stării de agregare, Qo  m2 r 

unde m2[kg] este cantitatea de agent de lucru care vaporizează, iar r[kJ·kg -1] este căldura latentă de vaporizar e a agentului frigorific, la temperatura de vaporizare t o  Pentru a putea să cedeze căldură sursei calde, agentul frigorific trebuie să aibă temperature mai mare decât aceasta .

În timpul cedării de căldură către sursa caldă, agentul frigorific se poate comp orta, ca şi în cazul interacţiunii termice cu sursa rece, în aceleaşi două moduri diferite: - se poate răci micşorându -şi temperatura; - poate să-şi menţină temperatura constantă. Cele două posibile variaţii de temperatură (t) a agentului de lucru, de -a lungul suprafeţelor de schimb de căldură (S), sunt prezentate în figuri a 2.21 a si b . Cu t c a fost notată temperatura sursei calde, iar săgeţile reprezintă sensul transferului termic (de la agentul frigorific spre sursa rece). Este evident că menţinerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul cedării de căldură, este posibilă numai în condiţiile în care se produce transformarea stării de agregare şi anume condensarea.

a. Încălzirea agentului de lucru b. cu menţinerea constantă a t emperaturii Figura 2.21 Cedarea de căldură sursei calde(condensator ) Relaţiile pentru calculul căldurii cedate (Qk) în cele două situaţii sunt: Qk   m1c p t 

 pentru cazul fără schimbarea stării de agregare, unde m 1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se răceşte, cp[kJ·kg-1K] este căldura specifică, iar ∆t[K] este variaţia temperaturii agentului frigorific între stările de intrare şi ieşire, în contact termic cu sursa caldă, respectiv: Qk   m2 r 

61

 pentru cazul cu schimbarea stă rii de agregare, unde m 2[kg] este cantitatea de agent de lucru care condensează, iar r[kJ·kg-1] este căldura latentă de condensare a agentului frigorific la temperatura de condensare t k , egală cu căldura latentă de vaporizare la aceeaşi temperatură. Cele două aparate ale instalaţiei frigorifice, aflate în contact cu sursele de căldură, sunt unele dintre cele mai importante părţi ale acestor instalaţii şi se numesc, vaporizator (sau evaporator notat cu V) şi condensator  (notat cu K).  Efectul util al instal aţiilor frigorifice, sau frigul artificial, se realizează în vaporizator, prin preluare de căldură de la sursa rece. Conform principiului doi al

termodinamicii, căldura nu poate să treacă de la sine, de la o temperatură mai scăzută (sursa rece) la una mai înaltă (sursa caldă), fără un consum de energie (mecanică sau de altă natură) din exterior. Temperaturii t0 la care vaporizează agentul frigorific, denumită temperatură de vaporizare, îi corespunde o presiune de saturaţie unică, notată p 0 şi denumită  presiune de vaporizare.

Analog, temperaturii la care condensează agentul frigorific, denumită temperatură de condensare, îi corespunde o presiune de saturaţie unică, notată p k  şi denumită  presiune de condensare.

Figura 2.22 În figura 2.22 se observă că agentul frigorific are în orice punct al vaporizatorului temperatura mai mică decât temperatura sursei reci, atunci t0 < tr . Analog, se observă că deoarece agentul frigorific are în orice punct al condensatorului temperatura mai mare decât temperatura sursei calde, atunci tk > tc. Pentru că temperaturile surselor de căldură sunt în relaţia evidentă tc > tr, rezultă clar că temperatura de condensare este mai mare decât temperatura de vaporizare (tk > t0), deci este evident că şi p k > p0. Valorile  presiunilor de vaporizare şi condensare vor fi asigurate de alte două aparate care trebuie să intre în componenţa acestor instalaţii. 2.3.2 .2 Cicluri frigorifice

Obţinerea efectului frigorific presupune parcurgerea de către agentul de lucru a unei succesiuni de proce se energetice speciale care reprezintă ciclul frigorific. Ciclurile frigorifice sunt cicluri inversate, adică consumatoare de energie mecanică. Procesele de răcire se desfăşoară între două nivele de presiune: de vaporizare şi de condensare. Pentru determi narea celor două nivele de presiune trebuie cunoscute temperaturile de vaporizare şi de condensare ale fluidului de răcire. Procedeelor actuale de producere a frigului pot fi: cu compresor sau comprimare mecanică de vapori; cu activare termică ce poate fi:  

62

cu absorbţie; o cu adsorbţie. Ciclul cu vapori compresaţi o

este realizat prin compresie mecanică şi constă în curgerea unui fluid de răcire prin componentele sistemului din figura 2.23. În ciclul cu vapori compresaţi axul de lucru (al compresorului) compresează fluidul de răcire la valori ridicate de temperatură şi presiune. În stadiul al 2 -lea, temperatura de condensare a refrigerantului de mare presiune este mai mare decât temperatura ambientului. Vaporii refrigeranţi de mare presiune şi temperatură intră în condensator unde căldura este cedată în aerul din ambient iar vaporii condensează în lichid. Lichidul de mare  presiune în stadiul al 3-lea trece printr-o valvă de expansiune, reducând presiunea şi temperatura. Lichidul cu presiune scăzuta în stadiul 4 are o temperatură de fierbere sub temperatura aerului ambiental. Refrigerantul transferă căldura din aerul ambiental atunci când fierberea are loc în evaporator. Această evaporare produce vapori refrigeranţi de  presiune scăzută (stadiul 1) intrând în compresor ca vapori de compresie şi astfel ciclul este complet.

Fig. 2.23 Ciclul cu vapori compresaţi

Coeficientul de performanţă al unui sistem f rigorific cu comprimare mecanică de vapori este definit de relaţia: COP  

QC   P C 

(2.13)

în care: QC- puterea frigorifică (putere de răcire); PC-puterea consumata de compresor. Valorile COP sunt întotdeauna pozitive şi de regulă supraunitare, datorită  faptului că  efectul frigorific este mai mare decât puterea compresorului. În cazul sistemelor fr igorifice cu comprimare mecanică  de vapori, valorile COP uzuale sunt cuprinse în intervalul 2-3. Ciclul de absorbţie  prin compresor termic are multe din aceleaşi componente ca şi ciclul vaporilor de compresie. Figura 2.24 prez intă o diagramă a ciclului de absorbţi e de  bază. La fel ca în ciclul vaporilor de compresie, refrigerantul din ciclul de absorbţie circulă  prin condensator, valva de expansiune şi un evaporator (la stânga de linia z -z în figură).

63

Fig. 2.24 Schema de principiu a unui refrigerator cu absorbţie  [26, 29, 53]

Un sistem de absorbţie nu compresează în mod mecanic vaporii refrigeranţi de la un evaporator de presiune scăzută la un condensator de înaltă presiune. Ciclul de absorbţie depinde de un “compresor termic” pentru a muta vaporii refrigeranţi de presiune scăzută la  presiune înaltă. Componentele din dreapta liniei z -z din figura 2.20, generatorul, absorbantul, valva de ex pansiune şi pompa formează compresorul termic. Totusi, ciclul de absor  bţie foloseste diferiţi refrigeranţi şi o metodă de compresie diferită faţă de ciclul vaporilor de compresie. Ciclul de absorbţie funcţionează pe principiul că unele fluide (absorbanţii) au o afinitate pentru alte lichide şi vaporii îi vor absorbi în unel e condiţii. Un exemplu de absorbant este bromura de litiu (LiBr) care absoarbe imediat vaporii de apă. Într -un sistem de absorbţie care foloseşte apa ca refrigerant şi bromura de litiu ca absorbant, vaporii de apă care există în evaporator sunt absorbiţi în soluţia de bromură de litiu. Soluţia de  bromură de litiu şi apă este pompată în generator unde apa este separată de soluţie prin încălzire. Vaporii generaţi la o presiune scăzută în evaporator sunt absorbiţi î ntr-un lichid absorbant în celula de absorbţie în absorbant, vaporii de absorbţie sunt dizolvati în lichidul absorbant .Absorbantul care a preluat şi refrigerantul este apoi pompat către generator. Aici refrigerantul este eliberat şi se transformă în vapori prin preluarea căldurii de la mediu exterior (vapori, apă caldă sau gaze de evacuare fierbinţi). Lichidul absorbant are o temperatura de fierbere mai mare decat refrigerantul şi astfel rămâ ne în soluţie în timp ce mare parte din refrigerant (sub forma de vapori) iese din generator şi ajunge în cond ensator unde sunt din nou condensaţi. Aceast lichid cu presiune ridicată   curge printr-o valvă de extensie unde presiune a începe să  scadă înainte ca soluţia să se întoarcă în absorbant. Un absorbant puternic sau regenerabil este atunci cînd se întoarce în totalitate în celula de absorbţie şi permite eliberarea numai a agentului de refrigerare sub formă de vapori proaspeţi.

64

Tabel 2.12 Caracteristicile te hnologiilor de refrigerare cu absorbţie

Parametrii de funcţionare şi principalele caracteristici   ale unor refrigeratoare cu absorbţie sunt prezentate în tabelul 2. 12. Sunt necesare aceste date caracteristice, în capitolul următor , pentru realizarea simulării sistemului de trigenerare care are în componenţă astfel de refrigeratoare (numite în continuare chillere). Sisteme de producere a frigului prin activare termică existente pe piaţă Chiller cu adsorbţie SORTECH

http://www.sortech.de/seite/adsorption%20chiller/adsorption%20kaeltemaschine.htm Chillerul cu adsorbţie SORTECH este disponibil în două capacităţi de răcire : ACS 08/RCS 08, capacitate nominală de răcire de 8 kW; ACS 15/RCS 15, capacitate nominală de răcire de15 kW.  

Fig. 2.21 Chiller cu adsorbţie tip SORTECH 65

Cu chillerul cu adsorbţie SorTech se poate produce apă rece din energie termică. Ori de câte ori sunt disponibile: căldură solară, energie termică din deşeuri sau de la încălzirea urbană, se poate produce apă rece într -un mod mai ecologic şi mai ieftin decât cu chillere convenţionale. De asemenea, combinarea chillerelor cu adsorbţie cu unităţi de cogenerare este o opţiune viabilă pentru generarea de apă rece pentru a folosi căldura produsă de unităţile de cogenerare în perioad a de vară când nu este necesară căldură pentru încălzirea spaţiului. Chillerele cu adsorbţie SorTech sunt compacte şi sunt disponibile cu două capacităţi de răcire diferite. ACS 08 - capacitatea de răcire nominală de 8 kW - şi ACS 15 capacitate de răcire nominală de 15 kW - sunt concepute pentru game mici şi mijlocii de  performanţă de la 5 la 75 kW. Performanţe mai mari de răcire pot fi atinse prin interconectarea mai multor module. Chillerele cu adsorbţie utilizează ca agent de lucru apa, în pereche cu silicagel, apa fiind agentul frigorific. Un avantaj important al ACS, comparativ cu alte chillere de absorbţie, este gradul de eficienţă la temperaturi foarte scăzute de lucru - începând de la 55 °C. În plus, sunt foarte robuste la variaţii de temperatură pe partea de alimentare cu căldură şi pe recooler. Acest lucru este de o importanţă semnificativă, în special atunci când vine vorba de energie solară, pentru că racirea poate fi, de asemenea, garantată cu panouri solare colectoare, chiar şi cu radiaţie solară moderată. Chillerul cu adsorbţie ACS este oferit în combinatie cu re -cooler RCS. Cu toate acestea, ACS poate fi comandat, de asemenea, independent pentru alte aplicaţii. Chiller cu adsorbţie tip NAK din Marea Britanie

http://www.adsorption.de/frame-set/Frame-Set%20AK-NAK-e.html

Fig. 2.22 Chiller cu adsorbţie tip NAK 

Interesul în creştere în materie de recuperare a energiei termice în intervalul de temperatură mai mică de 100°C a dus la o creştere a posibilităţilor de a realiza din punct de vedere tehnic aceste cerinţe. O sursă de energie comună în acest sens este căldura reziduală de la motoare şi procesele de producţie. Aceasta de obicei, variază între 60°C şi 100°C şi, în cele mai multe cazuri, această căldură poate fi utilizată doar pentru încălzire. Chillerul cu adsorbţie tip NAK descris în cele ce urmează, oferă acum posibilitate de a utiliza acestă energie pe scară largă. Principala aplicaţie al acestui chiller cu adsorbţie este producerea de apă rece. 66

Fig. 2.23 Secţiune transversală prin chillerul NAK  http://www.adsorption.de/ak/nak/ES-NAK-teile-e.htm

Cererile tot mai mari pentru economisirea energiei şi utilizarea potenţialului scăzut de căldură din deşeuri sunt rezolvate prin utilizarea acestui chiller. Răcitorul de lichid în esenţă, constă într -un vas sub presiune î mpărţit în patru camere: prima camera (mai mică): evaporator; a doua şi a treia cameră (mijloc): generator / receiver, şi camera 4 (de sus): condensator. Secţiunea transversală a chillerului este dată în figura 2.23 . Capacitatea de răcire este de 50-430 kW. Chiller cu adsorbţie ECO-MAX

http://www.eco-maxchillers.com/common/content.asp?PAGE=356

Fig. 2.24 Chiller cu adsorbţie tip ECO -MAX

Chillerul cu adsorbţie are patru camere, un vaporizator, un condensator şi două camere de adsorbţie. Toate cele patru camere lucrează aproape la vid complet. Ciclurile chillerului se realizează între camerele de adsorbţie 1 şi 2, între care sunt procesele de adsorbţie şi desorbţie. În figura 2.24, vaporii de apă, pătrund pe suprafaţa tuburilor din evaporator, creând efectul de refrigerare rezultând producţia de apă răcită. Vaporii de apă intră în camera 1, prin porturile deschise în partea de jos a camerei şi sunt absorbiţi de silicagel în camera 1. Apa rece este circulată în această cameră pentru a îndepărta căldura rezultată în camera 1 prin procesul de adsorbţie.

67