UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ DIN BUCUREȘTI FACULTATEA DE ENERGETICĂ
LUCRARE DE LICENȚĂ Utilizarea energiei regenerabile. Aspecte tehnico economice
Coordonator științific Conf. Dr. Ing. Ștefania Popadiu c
Absolvent Luca Maria-Ruxandra Maria-Ruxandra
Anul 2014
Cuprins
CAPITOLUL 1 - STUDIU DOCUMENTAR DIN LITERATURA DE SPECIALITATE ........................................................................................................................... 3 1.1 Surse regenerabile de energie -
noţiuni generale................................................................... 3
1.1.1 Stadiul surselor regenerabile pe plan mondial ................................................................... 3 1.1.2 DE CE „BIOGAZ”?............................................................................................................ 5 1.1.3 Ce înseamnă surse regenerabile de energie? ..................................................................... 6 1.1.4 CE ESTE BIOGAZUL ? ...................................................................................................... 8
1.2 Producerea şi utilizarea biogazului pentru obţinerea de energie ........................................ 9 1.2.1 Producerea şi valorificarea biogazului............................................................................... 9 1.2.2 Factorii care influenţează producţia d e biogaz ................................................................ 11
CAPITOLUL 2 - SOLUŢII TEHNICO - ECONOMICE DE COGENERARE .. 12
2.1 Principiul cogenerării ............................................................................................................ 12 2.1.1 Descrierea unei unităţi de cogenerare .............................................................................. 13
2.2 TEHNOLOGII TRADIŢIONALE DE COGENERARE ................................................... 14 2.2.1 Cogenerare cu turbină cu abur ......................................................................................... 14 2.2.2 Cogenerare cu turbină cu gaze ......................................................................................... 15
CAPITOLUL 3 - ASPECTE ECONOMICE. EVALUAREA DE COSTURI ...... 16
3.1 Preţul de cost al energiei produse în instalaţiile de cogenerare................................................ 16 CONCLUZII ................................................................................................................................. 17 Bibliografie .................................................................................................................................... 18
2
CAPITOLUL
1
-
STUDIU
DOCUMENTAR
DIN
LITERATURA
DE
SPECIALITATE
1.1 Surse regenerabile de energie -
noţiuni generale
1.1.1 Stadiul surselor regenerabile pe plan mondial
Energiile regenerabile nu produc emisii poluante şi prezintă avantaje pentru mediul mondial şi pentru combaterea poluării locale. Obiectivul principal al folosirii energiilor regenerabile îl reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Dezvoltarea surselor regenerabile de energie ca o resursă energetică semnificativă şi nepoluantă este unul din principalele obiective ale politicilor energetice mondiale care, în contextul dezvoltării durabile, au ca scop creşterea siguranţei în alimentarea cu energie, protejarea mediului înconjurător şi dezvoltarea la scară comercială a tehnologiilor energetice viabile. De la adoptarea în 1997 a Protocolului de la Kyoto asupra Convenţiei Cadru a Naţiunilor Unite despre schimbările climatice (1992), industria surselor regenerabile de energie a fost împinsă către capitalizare pe o piaţă globală a energiei regenerabile. Prin acest protocol, ţările dezvoltate au stabilit drept ţintă reducerea până în 2012 a gazelor cu efect de seră cu 5,2 % faţă de nivelul din 1990. Protocolul de la Kyoto a fost semnat în Decembrie 1997 la Conferinţa din Japonia de către 84 de naţiuni, însă ratificat doar de către 37, majoritatea din acestea fiind ţări în curs de dezvoltare. Acestui protocol i-au urmat multe astfel de înţelegeri şi angajamente la nivel mondial şi european în dorinţa unei dezvoltări durabile a lumii, cum ar fi Agreementul de la Haga (noiembrie 2000) sau Bonn (iulie 2001). Problema adoptării unei ţinte comune în ceea ce priveşte energia regenerabilă a rămas una dintre cele mai controversate, întârziind zile întregi agreementul asupra Planului comun de implementare a surselor regenerabile de energie. Nu a fost fixată nici o ţintă, însă toate ţările au recunoscut necesitatea creşterii de surse regenerabile în totalul ener giei furnizate. În final, pe 4 Septembrie 2002 a fost semnat Planul de Implementare, inclusiv de către România, care s-a pronunţat în favoarea surselor regenerabile şi politicilor UE şi mondiale (în special Protocolul de la Kyoto). În anul 2000, ponderea surselor regenerabile în producţia totală de energie primară pe plan mondial era de 13,8 %. Din analiza ratelor de dezvoltare din ultimele trei decenii se observă că energia produsă din surse regenerabile a înregistrat o creştere anuală de 2 %. Este evident că pe termen mediu sursele regenerabile de energie nu pot fi privite ca alternativă totală la sursele convenţionale, dar este cert că, în măsura potenţialului local, datorită avantajelor pe care le au (resurse locale abundente, ecologice, ieftine, independente de importuri), acestea trebuie utilizate în complementaritate cu combustibilii fosili şi energia nucleară.
3
Figura 1.1 Combustibilii în producţia totală de energie primară pe plan mondial Studiile oamenilor de ştiinţă au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creştere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a atmosferei terestre de 2 - 6 oC, până la sfârşitul acestui secol, cu efecte dezastroase asupra mediului înconjurător. Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă şi oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de CO2 din atmosferă (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creştere permanentă a concentraţiei de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent. Estimând că la sfârşitul acestui secol populaţia globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în condiţiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populaţie, pentru a nu depăşi concentraţia de CO2 de 450 ppm în atmosferă, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor să se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru ţările dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră. Prognoza consumului de energie primară realizată de Consiliul Mondial al Energiei pentru anul 2050, în ipoteza unei creşteri economice de 3% pe an, fără o modificare a tendinţelor actuale de descreştere a intensităţii energetice şi de asimilare a resurselor energetice regenerabile, evidenţiază un consum de circa 25 Gtep, din care 15 Gtep din combustibili fosili. Pentru a se păstra o concentraţie de CO2 de 450 ppm, ceea ce reprezintă circa 6 Gt carbon, cantitatea maximă de combustibili fosili utilizabilă nu trebuie sa depăşească 7 Gtep, rezultând un deficit de 18 Gtep care ar trebui acoperit din surse nucleare şi surse regenerabile. Rezultă că pentru o dezvoltare energetica durabilă nu ar trebui să se depăşească la nivelul anlui 2050 un consum de 13 18 Gtep, acoperit din combustibili fosili 7 Gtep, din nuclear 2 - 3 Gtep şi restul de 4 - 9 Gtep din resurse regenerabile. Pentru atingerea acestui obiectiv ambiţios, propus de ţările Uniunii Europene, de a reduce de patru ori emisiile la orizontul anului 2050, se estimează o puternică “decarbonizare” a sistemului energetic, prin apelare atât la energia nucleară, dar mai ales la sursele regener abile de energie. Ţinând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii şi de înlocuire a instalaţiilor existente, este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate şi a celor care presupun consumuri energetice reduse. 4
Sursele regenerabile de energie sunt energia solară, energia eoliană, energia geotermală, hidrotermală, biomasa, energia hidrogenului şi altele. Sursele fosile posedă proprietăţi foarte folositoare care le-au făcut foarte populare în ultimul secol. Din nefericire, sursele fosile nu sunt regenerabile. Mai mult decât atât, acestea sunt responsabile de emisiile de CO2 din atmosferă, care sunt dăunatoare unui climat ecologic. Utilizarea în continuare a surselor de energie fosile ar produce o creştere a emisiilor de CO2. Aproximativ 30 milioane tone CO2, CO, SO2 si NOx împreună cu funingine şi cenuşa se degajă anual în utilizarea mijloacelor de transport, generarea căldurii şi altele. Electricitatea obţinută din SRE: În România, cantitatea totală de E-SRE a scăzut de la 17,520 GWh în 1997 la 16,518 GWh în 2004. Aproape toată E-SRE este generată prin energie hidro. Producţia de energie hidro la scară mare a totalizat 15,855 GWh în 2004. Contribuţia adusă de hidrocentralele mici este moderată, cu 658 GWh în 2004. Rata medie de creştere a energiei hidro este mică (în medie 5% pe an între 1997 şi 2004), în ciuda existenţei unui potenţial mare (6 TWh mai mic decât 10 MW). Programul statului român include o rezoluţie privind instalarea unei centrale de utilizare a energiei eoliene cu o capacitate totala de 120 MW până în 2010. În 2004, fermele româneşti care utilizau energie eoliană au generat 2 GWh.
Figura 1.2 Producţia de energie electrică din surse regenerabile, după tip (GWh) 1.1.2 DE CE „BIOGAZ”?
Până nu de mult, problema energiei nu se punea cu dramatismul situaţiei de acum. Dimpotrivă, exista ideea că niciodată această problemă nu va crea dificultăţi, căci se avea impresia că exploatarea petrolului, care se generalizase în mai toate activităţile umane, a cărbunilor, a gazelor naturale, va continua la infinit. A venit însă o vreme – anul 1974 – când oamenii de ştiinţă, economiştii şi – în fine – şi politicienii, au făcut un calcul mai amănunţit şi au ajuns la concluzia previzibilă că rezervele mondiale de petrol s-ar putea epuiza în câteva decenii dacă se continuă aceleaşi ritmuri de consum. Vestea s-a răspândit fulgerător şi a stârnit panică. În primul rând, statele producătoare de petrol şi-au redus cantităţile extrase şi au scumpit puternic preţurile. Începuse aşa-zisa criză a petrolului – de fapt criza energiei. Rezolvarea acestei crize se bazează pe utilizarea surselor regenerabile de energie, cunoscute de multă vreme dar neglijate tot de multă vreme. 5
1.1.3 Ce înseamnă surse regenerabile de energie?
Petrolul, cărbunele şi gazele naturale s-au format acum multe milioane de ani din resturi vegetale şi animale. Ca să dispunem de aceleaşi cantităţi pe care le-am consumat până acum ar trebui să aşteptăm din nou câteva milioane de ani. Practic aceste rezerve nu se mai reîmprospătează, noi utilizăm numai ceea ce găsim în subsol, ele sunt neregenerabile. În schimb există surse care, practic, pot furniza energie dacă nu la infinit, măcar pe perioade foarte mari de timp. Să luăm, spre exemplu energia solară. Soarele revarsă în spaţiul cosmic o cantitate de 3,826 . 26 10 J/s. Din această cantitate imensă, pământul primeşte 68 . 1016 J/s, adică de 562.000.000 ori mai puţin, totuşi suficient ca să întreţină viaţa pe pământ, uraganele, furtunile marine, stratul de ozon care ne apără de alte radiaţii periculoase etc. Dacă numai 1% din energia pe care o primeşte pământul de la soare ar fi consumată pentru procese industriale, problema energiei nu ar mai fi o problemă. Energiile regenerabile sunt toate manifestările pământene ale energiei solare. Acestea sunt: - Energia vântului (eoliană) - Energia solară direct - Energia hidraulică a cursurilor de apă - Energia valurilor - Energia mareelor - Biomasa Primele două au fost exploatate şi până în prezent dar în mai mică măsură. Morile de vânt din Olanda, morile de apă şi centralele hidroelectrice amplasate pe marile cursuri de apă sunt exemple. Astăzi asistăm la o extindere explozivă a utilizării ambelor r esurse. Biogazul face parte din ultima categorie de mai sus. Din aceeaşi categorie fac parte: biomasa lemnoasă, resturile combustibile din agricultură, producţiile agricole de substanţe dulci, amidonoase sau celulozice care pot fi transformate în bioetanol înlocuitor de benzină, producţiile agricole de uleiuri vegetale care pot fi procesate în biodiesel etc. Toate acestea poartă un nume generic de biocombustibili. Nici biogazul în sine nu reprezintă o noutate. Cunoscut din vechime sub denumirea de „gaz de baltă”, identificat ştiinţific de către fizicianul Alessandro Volta (1745-1827), rezultat ca produs secundar în sistemul de denocivizare a nămolurilor orăşeneşti; pus la punct de către Karl Imhoff la începutul secolului XX, biogazul a constituit un obiect ştiinţific de preocupare pentru Academia de Ştiinţe din China încă din anii 1920 iar procedeele de obţinere şi utilizare sistematică a lui au evoluat întâi în ţările asiatice, îndeosebi în China şi India, iar din cel de al cincilea deceniu al secolului trecut au început să se dezvolte şi în ţările europene. În figura din pagina următoare este reprezentat, schematic, circuitul materiilor din natură care concură, în final, la producerea biogazului. Se observă că, sursa primară a tuturor energiilor care intervin în aceste transformări, este soarele.
6
i u l u z a g o i b i i r ă r e n e g l a c i f o r t l u ț n a l i ș ă c i t e g r e n e ă s r u S 3 . 1 g i F
7
1.1.4 CE ESTE BIOGAZUL ?
Biogazul este un gaz combustibil obţinut în procesul de tratare a deşeurilor urbane, industriale sau agricole. Fiind o sursă de energie regenerabilă, biogazul este din ce în ce mai de preferat în comparaţie cu sursele convenţionale de combustibili fosili, a căror rezerve sunt în continuă scădere pe glob. Principalele gaze care îl compun sunt metanul şi dioxidul de carbon, ambele în proporţii variabile. În cantităţi foarte mici se mai găsesc în biogaz hidrogen sulfurat, azot, oxid de carbon, oxigen. Valoarea energetică a biogazului este dată de conţinutul de metan al acestuia care – în mod convenţional – e considerat ca fiind de 60%. Biogazul este un combustibil valoros. În comparaţie cu alţi purtători de energie termică situaţia lui se prezintă ca în tabelul următor: Tabelul 1.1 U.M. Putere calorifică Echivalent în U.M Natura combustibilului kcal/U.M. pentru 1 m3 biogaz Biogaz cu 60% metan, 0 , 1 bar m 5130 1 Lemn crud kg 1300 – 1800 3,95 – 2,85 Lemn bine uscat kg 1800 – 2200 2,85 – 2,34 Lignit kg 1800 – 3800 2,85 – 1,35 Brichete de cărbune praf kg 4000 - 6800 1,28 – 0,76 Păcură kg 9400 - 9500 0,55 – 0,54 Combustibil pt. calorifer kg 9500 - 9700 0,54 – 0,53 Motorină kg 10000 - 11000 0,51 – 0.47 Gaz metan natural m 8500 0,60 Gaze petroliere lichefiate m 22000 0,23
8
1.2 Producerea şi utilizarea biogazului pentru obţinerea de energie 1.2.1 Producerea şi valorificarea biogazului
Tratarea deşeurilor a devenit, în timp, o problemă de importanţă strategică pentru orice autoritate regională sau naţională, din punctul de vedere al poluării mediului. Eliminarea conţinutului poluant se face cu un anumit consum de energie. În acelaşi timp, prin acest proces, se poate recupera o parte din potenţialul energetic al deşeurilor, în general, sub formă de gaz. Ideea de la care s-a plecat a fost de a studia care este oportunitatea valorificării în instalaţiile de cogenerare a biogazului astfel produs. Intuitiv, cazul este favorabil cogenerării, deoarece asigură simultan şi în acelaşi loc, atât combustibilul necesar, cât şi consumul de energie electrică şi termică. Inedit, faţă de soluţiile de cogenerare clasice, este faptul că debitul de « combustibil » este limitat. Întregul mod de calcul al eficienţei proiectelor de cogenerare pe biogaz este supus acestei restricţii. Se numeşte filieră de producere a biogazului ansamblul sursă de deşeuri – tratare a deşeurilor, elementele fundamentale care permit obţinerea acestui tip de gaz. Nu din orice tip de poluant se poate produce biogaz. Doar materiile organice conţinute în deşeuri oferă această posibilitate. Procesul chimic de transformare a materiilor organice în biogaz se numeşte fermentare (digestie) anaerobă. El se desfaşoară cu ajutorul unui număr de bacterii anaerobe, care distrug componenta organică a deşeurilor, transfor mând-o în biogaz. Acesta nu este singurul procedeu de eliminare a materiilor organice. Tratarea aerobă a deşeurilor se face cu ajutorul unui alt tip de bacterii, consumatoare de oxigen. În esenţă, procesul aerob oxidează materiile organice, ducând la formarea dioxidului de carbon şi a apei. Timpul în care se distruge poluantul conţinut în deşeu este mult mai scurt faţă de fermentarea anaerobă, dar nu apare posibilitatea valorificării produşilor de reacţie. Se va numi lanţ de valorificare a biogazului suma etapelor necesare pentru obţinerea energiei electrice şi termice pe baza acestuia: producerea biogazului, stocarea, filtrarea şi valorificarea prin cogenerare a acestuia. Pentru a se înţelege clar diferenţa dintre noţiunile de filieră de producere a biogazului şi lanţ de valorificare a biogazului, în figura 1.9 se prezintă o diagramă cuprinzând etapele de bază ale întregului proces de producere şi valorificare a biogazului. Există mai multe filiere de producere a biogazului. Acestea sunt : - tratarea deşeurilor animale, din exploatările zootehnice de mari dimensiuni ; - tratarea deşeurilor solide urbane ; - tratarea deşeurilor solide industriale ; - tratarea apelor uzate industriale ; - tratarea apelor uzate urbane. S-a reţinut pentru analiză tratarea deşeurilor animale (prezentată în această lucrare sub numele filieră agricolă) şi a apelor uzate urbane (filiera ape uzate). Motivele acestei selecţii au fost următoarele : - sunt singurele filiere care consumă simultan energie electrică şi termică, în cadrul proceselor de tratare a deşeurilor; - în general, tratarea deşeurilor solide urbane şi industriale se face prin stocarea în buncăre ecologice, printr-un proces de fermentare naturală sau prin incinerare; inexistenţa unui consum de căldură, în acest scop, face ca această filieră să nu fie interesantă pentru cogenerare;
9
-
tratarea apelor uzate industriale presupune o mare diversitate de cazuri, fiecare cu specificul său, fapt care obligă la studierea lor în mod individual, sub aspectul oportunităţii cogenerării. În cazul filierei agricole, valorificarea prin cogenerare a biogazului provenit din tratarea deşeurilor animale are multiple efecte directe şi indirecte asupra comunităţii (fig.1.10). Prin această metodă, se înlocuieşte arderea unei importante cantităţi de combustibil convenţional. Este vorba de producerea energiei electrice în sistemul energetic naţional şi a căldurii într-un cazan amplasat în cadrul fermei. Se evită, astfel, poluarea ce este asociată acestor surse de energie. Prin digestia anaerobă a deşeurilor animale, în afara producerii biogazului, se mai obţin şi alte beneficii, cum ar fi: stabilizarea deşeurilor animale care conţin materii organice poluante şi obţinerea efluenţilor folosiţi ca fertilizatori în agricultură.
Figura 1.4: Schema impactului asupra comunităţii a valorificării prin cogenerare a biogazului provenit din tratarea deşeurilor agricole Un lanţ de valorificare a biogazului provenit din tratarea deşeurilor animale este realizat din următoarele echipamente: - digestor: un rezervor metalic în care are loc procesul de digestie anaerobă ; acesta trebuie menţinut la temperatură constantă; reactanţii trebuie permanent amestecaţi pentru a se evita depunerile de cruste; pentru asigurarea condiţiilor cerute de procesul chimic, se consumă energie electrică şi căldură; - rezervor de stocare a biogazului: se folosesc de obicei saci de plastic speciali, care au rolul de a compensa eventualele discontinuităţi ale funcţionării digestorului; asigură o mai bună continuitate în alimentarea motorului pe biogaz; - instalaţia de filtrare: elimină componentele nedorite pentru combustia în motor, cum ar fi hidrogenul sulfurat; 10
- motorul: asigură combustia biogazului şi conversia sa în energie electrică şi căldură; - cazanul: asigură conversia în căldură a părţii din debitul de biogaz care nu este valorificat în motor; - facla: asigură combustia biogazului rămas nevalorificat în cele două instalaţii energetice. 1.2.2 Factorii care influenţează producţia de biogaz
Următorii factori sunt determinanţi în producţia de biogaz: Materia primă Temperatura Presiunea Agitarea pH – ul Materia primă Materia primă trebuie să asigure mediul prielnic dezvoltării şi activităţii microorganismelor ce concură la digestia substratului şi, în final, la producerea biogazului. Pentru obţinerea biogazului se pot utiliza materii prime organice de provenienţă foarte diferită: deşeuri vegetale, deşeuri menajere, fecale umane, dejecţii animaliere, gunoiul de grajd, ape reziduale din industria alimentară şi din zootehnie, etc.
11
CAPITOLUL 2 - SOLUŢII TEHNICO - ECONOMICE DE COGENERARE 2.1 Principiul cogenerării
În continuare se prezintă avantajele principale ale cogenerării, desprinse din experienţa acumulată până în prezent şi care explică de ce se pun în mişcare atâtea energii la nivel mondial pentru promovarea acestei tehnologii: (a) Economie de combustibil primar. Producerea combinată a energiei electrice şi termice în instalaţia de cogenerare este considerabil mai eficientă decât producerea aceloraşi cantităţi de energie electrică şi căldură separat în centrale electrice şi centrale termice clasice. Cu alte cuvinte, pentru aceleaşi cantităţi de energie destinate consumului vom utiliza cu până la 32%* mai puţin combustibil primar dacă le vom produce într-o instalaţie de cogenerare şi nu în centrale clasice funcţionând pe acelaşi combustibil. (b) Reducerea poluării atmosferice. Orice reducere a consumului de combustibil primar conduce la reducerea în aceeaşi măsură a emisiilor de poluanţi în atmosferă.
Figura 2.1 Motorul cu ardere internă De aici ideea că extinderea cogenerării poate fi un instrument de bază în îndeplinirea programelor mondiale de reducere a poluării şi mai ales a emisiilor atmosferice de bioxid de carbon – pentru care, conform Protocolului de la Kyoto cele mai multe state şi-au asumat obiective de reducere progresivă până în anul 2012. Astfel cogenerarea atinge două zone de mare inter es pentru societatea de azi.
12
2.1.1 Descrierea unei unităţi de cogenerare
Se va folosi drept exemplu o uzină de cogenerare situată în Austria ce funcţionează pe bază de reziduuri. Aceasta produce în medie 80 kWel şi 129 kWth. În fig 3.3, este prezentată o diagramă ce descrie procesul de obţinere al biogazului, precum şi valorificarea acestuia :
Fig. 2.2 : Diagrama producerii biogazului Reziduurile sunt colectate de la fermele din preajma uzinei de cogenerare. Aceste reziduuri, (în general 6m3/zi) sunt introduse în digestor acolo unde are loc procesul de digestie anaerobă. Digestorul este o structură cu o adâncime de 5m şi diametru 12m. Digestia anaerobă descompune materia organică în cele mai simple elemente, acest proces desfaşurându-se când temperatura ajunge la 35 grade- digestorul trebuie sa fie încălzit în absenţa oxigenului, iar temperatura trebuie menţinută constantă. Acesta produce biogazul folosit în procesul de obţinere a energiei. După 30-60 de zile, materia (fermentată) este trimisă printr -o pompă către un alt rezervor « post digester » (15 m diametru, 5 m adâncime) unde continuă procesul de producere a biogazului. Fermentul este la sfârşit extras din digestor şi folosit ca fertilizator. Biogazul produs este mai întâi trimis către un siloz unde este stocat, apoi este ars în unitatea de cogenerare, care are două mo toare de gaz, folosite pentru combustia biogazului şi conversia sa în energie electrică şi căldură. Un motor funcţionează permanent cu o putere electrică de 75 [kWel], al doilea funcţionează când cererea este ridicată sau când silozul este plin şi are o putere de 62 [kWel]. Puterea electrică şi termică anuală medie livrată de motoare este 86 [kWel] respectiv 148 [kWth]. O parte din căldura produsă (12.9%) este necesară pentru încălzirea motorului, iar o parte din electricitate (7.9%) pentru instalaţii (mixere, pompa,etc).
13
2.2 TEHNOLOGII TRADIŢIONALE DE COGENERARE
2.2.1 Cogenerare cu turbină cu abur
Descriere Acest tip de cogenerare este utilizabil în zona de medie putere, prin folosirea unui ciclu simplu, cu parametri reduşi ai aburului la intrare. Accentul trebuie pus pe obţinerea unei disponibilităţi ridicate cu o investiţie cât mai mică, mai curând decât obţinerea unor randamente foarte mari la producerea energiei, câştigul principal fiind tocmai producerea în cogenerare a celor două forme de energie. La folosirea ciclului de turbină cu abur pot fi alese două variante: turbina cu condensaţie şi prize reglabile, sau turbina cu contrapresiune. Ciclul cu contrapresiune simplă, utilizând apa fierbinte ca agent în circuitul primar, poate destinde aburul până la o presiune joasă cu un bun raport între energia electrică şi căldura produsă. La acest ciclu producţia de energie electrică este dependentă de consumatorul de caldură. Se poate utiliza o răcire suplimentară, astfel încât să se poată menţine producţia de energie electrică şi în timpul verii când necesarul de căldură este foarte scăzut. Ciclul cu condensaţie şi prize reglabile este mai complex şi asigură o eficienţă mai mare a producerii energiei electrice. Are avantajul că producerea de energie electrică este asigurată şi în perioadele când nu este necesar de căldură şi că există o mai mare flexibilitate privind proporţia între energia electrică şi cea termică produse. Cheltuielile mai mari de investiţie, privind corpul de joasă presiune, condensatorul şi sistemul de răcire, se recuperează prin vânzarea de energie electrică produsă suplimentar.
Figura 2.3 Avantaje - Tehnologia bazată pe utilizarea turbinelor cu abur permite folosirea oricărui tip de combustibil. - Tehnologia ciclului turbinei de abur este foarte bine stapânită. - Mărimea centralei nu este limitată. Dezavantaje - Eficienţă redusă la producerea energiei electrice. - Performanţe scăzute la funcţionarea cu sarcină parţială. 14
- Costuri de exploatare ridicate. - Cogenerarea cu turbină cu abur, funcţionând descentralizat, utilizează turbine în gama 110MW, cu presiunea aburului la intrare de 30-70 bar şi temperatura de 400-500 oC. 2.2.2 Cogenerare cu turbină cu gaze
Folosite iniţial ca turbine de vârf la furnizarea energiei electrice, actualmente turbinele cu gaze cuplate cu un cazan recuperator sunt în mod curent folosite în cogenerare pentru sarcina de bază. Excesul de oxigen din gazele de ardere permite de asemenea folosirea arderii suplimentare de combustibil în cazanul recuperator, pentru mărirea flexibilităţii.
Figura 2.4 Temperatura de calcul a gazelor de ardere este impusă de considerente legate de punctul de rouă, depunerile de acid (când exista sulf în combustibil) şi de dispersia în atmosferă. Dimensionarea cazanului recuperator se va face în funcţie de temperaturile pe tur şi retur din reţeaua de încălzire. Costul căldurii este relativ independent de temperatura de tur şi retur din reţeaua de încălzire. Sunt posibile mai multe scheme în funcţie de tipul de turbină cu gaze folosit. Mai pot fi folosite microturbine în centrale de tip bloc, sau turbine cu gaz cu injecţie de abur (atât în turbină cât şi în camera de ardere). Avantaje - Disponibilitate ridicată pentru funcţionarea automatizată; - Posibilitate de livrare de energie ter mică la temperatură ridicată; - Reglaj frecvenţă - putere electrică; - Greutate specifică redusă (tone echipament/MW instalat); - Nu necesită apă de răcire; - Cost specific de investiţie relativ mic (lei/ kW instalat); - Posibilitatea utilizării de combustibili diverşi; - Emisii poluante reduse. Dezavantaje - Paleta dimensională limitată; - Randament mecanic mai mic faţă de motoarele cu ardere internă; - Dacă se foloseşte gaz natural, este necesară asigurarea alimentării cu presiune ridicată; - Nivel ridicat de zgomot; - Randament slab la sarcină scăzută; 15
CAPITOLUL 3 - ASPECTE ECONOMICE. EVALUAREA DE COSTURI
3.1 Preţul de cost al energiei produse în instalaţiile de cogenerare Pentru o instalaţie de cogenerare (IC), ca şi pentru orice altă instalaţie de producere a energiei, este necesar de a determina preţul de cost şi/sau tariful la energia livrată. În cazul cogenerării, în care energia electrică şi termică se produc simultan în cadrul unei şi aceleaşi instalaţii, calculul preţului de cost al energiei ridică problema repartiţiei efortului total realizat pe energiile produse (vezi fig.5.2).
Figura 3.1. Producerea combinată a două forme de energie Pentru o instalaţie de cogenerare vom nota prin CTic cheltuielile totale actualizate, pe o perioadă de calcul ce cuprinde T ani, iar repartiţia acestor cheltuieli pe energiile produse - prin CTAWjc şi CTAQ,IC . Pentru cheltuielile (anuale) de calcul, numite de altfel şi cheltuieli nivelate sau cheltuieli (anuale) echivalente, vom aplica notaţiile respective - CAIC, CAw, IC şi CAQ,IC. Evident, se poate scrie (fig.3.1) – CTAIC = CTAw,ic + CTAQ,IC (5.01) şi CAIC=CAw,ic+ CAQ,IC. (3.01) Valoarea medie a preţului de cost pentru energiile produse la IC pe perioadă de T ani cw, ic = CTAw, ic /Wact (3.02) şi cq,ic = CTAq,ic / Qact, (3.03) unde Wact şi Qact reprezintă volumul energiei electrice şi termice produse pe perioada considerată (valori actualitate la rata i) 3.04 3.05
Pr eţul de cost pentru energiile produse la IC pe o perioadă de un an (sau mai puţin) – cW,ic = CAW, ic /Wan (3.06) şi cq, ,ic = CAq, ic /Qan (3.07) unde Wan şi Qan sunt cantităţile celor două energii, produse pe perioada considerată.
Figura 3.1. Alocarea cheltuielilor totale pe cele două forme de energie 16
CONCLUZII
Energiile regenerabile prezintă avantaje pentru mediul mondial şi pentru combaterea poluării locale în ţările dezvoltate ca: SUA, Germania, Austria, Italia etc. Un exemplu este planul de dezvoltare a resurselor regenerabile întocmit de Comisia Europeană, care prevede ca până în 2010 cel puţin 12% din necesarul de energie al Uniunii Europene să fie produs din surse regenerabile. Obiectivul principal al folosirii energiilor regenerabile îl reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. În lucrar ea de faţă, pe parcursul celor 3 capitole, s-a încercat atingerea mai multor puncte distincte ale acestei teme, ale căror concluzii sunt prezentate în continuare. În capitolul 1 se prezintă stadiul surselor regenerabile pe plan mondial şi se face referire în detaliu pe parcursul celorlalte capitole, a uneia din sursele regenerabile, şi anume – biomasa. Mai aflăm din acest capitol că sursele regenerabile reprezintă un procent de aproximativ 13,8%, faţă de cărbune care reprezintă 23,5%, petrol 34,8%, gaz 21,1% şi nuclear 6,8%, ceea ce se constată că nu folosim îndeajuns energie regenerabilă. Calculele specialiştilor arată că din toate zăcămintele de cărbuni de pe pământ, în fiecare an, se degajă circa 22,4 milioane de tone de metan, gaz cu un efect de seră de peste 22 de ori mai mare decât efectul dioxidului de carbon. Şi acest proces reprezintă un mare pericol pentru viaţa de pe planetă. Soluţia ar fi, captarea acestui biogaz şi utilizarea lui în folosul omenirii. În Capitolul 2 se prezintă tehnologiile tradiţionale de cogenerare : cu turbină cu abur, cu turbină cu gaze, cu motoare cu combustie internă etc. Pentru fiecare în parte se evidenţiază avantaje şi dejavantaje. Tot în acest capitol sunt prezentate câteva instalaţii de biogaz de capacităţi diferite, realizate în România. În funcţie de mărimea instalaţiei, creşte şi costul de achiziţie sau de subvenţie. Capitolul 3 relevă preţul de cost al energiei produse în instalaţiile de cogenerare. Rentabilitatea şi fezabilitatea surselor distribuite de energie (SDE) depinde de un şir factori, care sunt grupaţi în trei grupe: caracteristicile constructive şi costurile instalaţiilor (puterea instalată, randamentul, durata normată de viaţă, investiţia totală etc); factorii de sarcină (configuraţia graficelor de sarcină ale consumatorilor) şi factorii externi (preţul unitar al combustibilului, tarifele la energia electrică şi energia termică la sursele energetice de referinţă, tariful de distribuţie al energiei. Metoda de alocare a cheltuielilor totale între energia electrică şi energia termică produse la o instalaţie de cogenerare permite o tratare nediscriminatorie a celor două forme de energie şi poate fi obţinută în baza aplicării raportului costurilor caracteristice producerii separate a energiilor, energiei termice - la o centrală termică şi energiei electrice - la o centrală termoelectrică. Principalii factori cu un impact nefast asupra rentabilităţii sunt: producţia de energie electrică în ţară nu depăşeşte 2530% din consumul intern, iar importul celor 70-75% de energie se realizează la un preţ de achiziţie mult sub nivelul preţului energiei la o centrală termoelectrică. Pe piaţa energiei electrice şi termice, se dovedesc a fi rentabile doar instalaţiile de cogenerare cu capacitatea 500 kW şi mai mult, cu condiţia că gradul de încărcare al puterii maxime termice să nu fie mai mic de 50%.
17
Bibliografie
Ambros Tudor, Arion V.: „Surse regenerabile de energie”, Editura Tehnică, Chişinău, 1999 Vasilie, Nikolić; Iosif, Tripşa: „PRODUCEREA ŞI UTILIZAREA BIOGAZULUI”, Editura Chiminform Data, Bucureşti, 2005 Nikolić, V.-Grigoriu, A.: BIOGAZ, Ed. „Scânteia”- TEHNIUM, Bucureşti, 1985 Tănăsescu, Fl.: „Conversia energiei. Tehnologii neconvenţionale”, Editura Tehnică, Bucureşti, 1986 F. Tănăsescu, Tehnologiile secolului 21. Conferinţa Naţională a Energiei, Neptun, România, 13-17 Iunie 2004./www.cnr-cme.ro/FOREN2004/pdf_zer/CER.pdf. Stancu V - Flacăra biogazului, Editura Ceres, Bucureşti 1982 Vintilă M – Biogazul, Editura Tehnică, Bucureşti 1989 Managementul Mediului şi Obţinerea biogazului în Fermele Suinicole -(publicaţia a fost realizată în cadrul proiectului “Generarea Biogazului- Profit şi Performanţă de Mediu în Principalele Ferme Zootehnice din România”, desfăşurat în colaborare cu Universitatea Politehnica Bucureşti) Planul acţiunilor autorităţilor publice centrale şi locale privind utilizarea resurselor energetice regenerabile, HG nr. 1092, 31 octombrie 2000. http://www.adece.ro (Asociatia pentru dezvoltare economică în context european (ADECE) www.luethe-heide.de/download/rumaenisch/Biogas_rumaenisch.pdf http://www.termo.utcluj.ro http://www.opet-chp.net/download/wp4/ispe_article_chp_directive.pdf http://www.retscreen.com http://www.ecoapasol.info
18
