225405904 Sisteme de Cogenerare

- 1 -

SISTEME DE COGENERARE

1. Notiuni generale

1.1. Soluţii de alimentare cu energie termică

Instalatiile de incalzire reprezinta un factor major de asigurare a confortului termic al locuintelor sau pentru un proces tehnologic optimizat in cladirile industriale. Este motivul pentru care alegerea unui sistem de incalzire optim trebuie sa tina seama de toate avantajele si inconvenientele diferitelor sisteme in corcondanta cu costurile de exploatare si consumurile energetice minime.

In ceea ce priveste cladirile urbane, alimentarea cu energie termica poate fi facuta prin adoptarea urmatoarelor solutii:

In cazul cladirilor mici (case unifamiliale, vile) sunt justificate sursele acestora de alimentare (centrale termice individuale, incalzire electrica, sobe cu combustibil solid sau gaz); se pot utiliza de asemenea si solutii de alimentare centralizata cu caldura, daca exista surse regenerabile de energie (solara, geotermala, biomasa).

Pentru cladirile colective din ansamblurile urbane relativ mici, se pot adopta solutii de alimentare cu caldura furnizata de centrale termice (CT pentru fiecare bloc sau zona) utilizand combustibili clasici sau deseuri menajere. O solutie de data mai recenta care deja se impune este reprezentata de centralele de cogenerare de talie mica.

In cazul cladirilor colective ale marilor aglomerari urbane, solutia de alimentare cu caldura recomandata este reprezentata de centralele de cogenerare de diferite tipuri (cu turbina de vapori/abur, cu turbina de gaze, cu ciclu mixt vapori/gaze sau cu motoare termice/pe gaz) ).

1.2. Definirea conceptului de cogenerare

Principalele resurse energetice sunt reprezentate de combustibili clasici si surseleregenerabile; deşi ultimele sunt în plină dezvoltare, rolul preponderent este jucat în prezent şi pentru un viitor destul de îndepărtat de combustibilii “clasici”. Resursele fiind limitate, iar cererea de energie electrică ( EL / ) şi termică (Q ) în continuă creştere, se impun măsuri de gospodărire raţională şi de protecţie a acestora.

O problemă de strictă actualitate o reprezintă găsirea unor soluţii reprezentate de tehnologii care să folosească în mod raţional combustibilii, să aibă randamente ridicate, indicatori tehnici şi economici cât mai buni, asigurând în acelaşi timp protecţia mediului.

O soluţie performantă, deja verificată, constă în combinarea a două sau mai multe procese energetice astfel încât, printr-o utilizare eficientă a combustibililor, randamentul global să fie superior celui obţinut pe filiere separate.

Sisteme de cogenerare

- 2 -

Un exemplu pentru o astfel de soluţie este reprezentat de COGENERARE, care reprezintă producerea combinată de căldură şi forţă, o tehnică în care, prin arderea unui combustibil primar, se produc simultan energie mecanică / electrică şi termică (combined heat and power CHP).

Energia termică este disponibilă fie direct (încălzire, procese industriale), fie indirect, cu ajutorul unui fluid de lucru, uşor de utilizat (vapori, apă caldă, apă supraîncălzită, aer cald etc.).

Energia mecanică disponibilă la arborele maşinii motrice, este utilizată pentru antrenarea unei alte maşini turnante (ventilator, compresor sau, cel mai frecvent, un alternator care produce energie electrică). Schema definirii cogenerarii este prezentata in figura 1.

Figura 1. Schema definirii cogenerării

Important de remarcat este faptul că, pentru a produce EL din căldură, trebuie să existe o sursă caldă ( MT ) şi una rece ( mT ). Într-o centrală termică clasică, sursa rece ( mT )

este luată din mediu (aer atmosferic sau apă de râu); căldura absorbită de ea este în general pierdută, ceea ce conduce la faptul că randamentul unui astfel de sistem este mai mic de 50%.

În cazul cogenerării, căldura cedată sursei reci nu este pierdută; ea se regăseşte aproape în totalitate într-un fluid de lucru, astfel încât randamentul ajunge la valori de 65-90%.

Cogenerarea permite economia de energie, ceea ce conduce la o reducere a costurilor globale ale energiilor produse.

1.3. Avantaje şi dezavantaje ale cogenerării

Avantajele cogenerării sunt considerabile si ele constau in:

• Securitate funcţională; în cazul întreruperii furnizării de energie, cogenerarea poate asigura continuitatea în alimentare; poate prelua rolul grupurilor electrogene de siguranţă, aducând avantaje economice;


- 3 -

• Câştig financiar; cogenerarea permite economii de energie primară de circa 35%, când este bine adaptată. În Europa, dacă energia electrică furnizată prin cogenerare va creşte la 18% în 2010 (faţă de 11% în 1998), economiile de energie vor corespunde la 3-4% din consumul total european.

• Recuperarea căldurii gratuite; este cazul uzinelor chimice sau a incineratoarelor de deşeuri menajere; căldura, în loc de a se pierde în atmosferă, este utilizată într-un ciclu de cogenerare;

• Posibilitatea utilizării unei game largi de combustibili (gaz natural, cărbune, deşeuri, biogaz); cogenerarea este o tehnică care se acomodează uşor resurselor locale de energie primară;

• Protecţia atmosferei; emisiile poluante raportate la kWh sunt mai mici decât în cazul CT clasice, fie privitor la emisiile direct poluante (SO2, NOx, praf), fie privitor la emisiile de gaz producând efect de seră (CO2); se remarcă impactul deosebit de favorabil prin:a) posibilitatea folosirii lemnului, bio-gazului, incinerarea deşeurilor;b) valorificarea reziduurilor de CO2, după tratare, în sere, pentru a favoriza creşterea plantelor;

• Pierderi mai mici în reţeaua electrică; centralele de cogenerare sunt amplasate de regulă în apropierea consumatorilor;

• Contribuie la creşterea concurenţei între producători;

• Reprezintă o oportunitate de a crea noi întreprinderi;

• Se adaptează foarte bine în regiunile izolate sau ultraperiferice;

• Reducerea considerabilă a personalului de întreţinere necesar pentru instalaţiile individuale.

Pe lângă toate aceste avantaje considerabile, există şi inconveniente de care trebuie să se ţină seama:

• Investiţii ridicate, impuse de tehnicitatea instalaţiilor; problema devine şi mai delicată dacă trebuie adăugată cogenerarea la o CT existentă.

• Exploatarea este mai costisitoare; sistemele cu turbina de abur (TA) presupun un personal autorizat, iar sistemele cu motoare termice sau cu turbine cu gaze (TG), chiar dacă pot fi automatizate în întregime, presupun cheltuieli de întreţinere care grevează sensibil asupra preţului electricităţii şi căldurii produse.

• Riscuri tehnice şi financiare:a) costul rezultat pentru energia produsa;b) suportul guvernamental potential pentru tehnologie;c) incidente funcţionale (pentru evitarea cărora trebuie utilizate materiale foarte fiabile);d) preţuri variabile ale combustibililor.


- 4 -

In sinteza, se poate aprecia ca prin adoptarea cogenerarii, sunt indeplinite doua obiective majore:

1) Obtinerea unei economii substantiale de combustibil, in comparatie cu producerea separata a celor doua forme de energie (electrica si termica). De exemplu, se constata ca pentru a furniza consumatorilor aceleasi sarcini pentru incalzire urbana ( 100 kWh ) si pentru electricitate (20 kWh), cogenerarea necesita o energie primara de 150 kWh, mai redusa decat cea implicata in producerea separata, care este de 185 kWh; se obtine astfel o economie deenergie primara de circa 20% (datele sunt preluate dintr-un raport anual al unei centrale de cogenerare cu TA din Metz, Franta). Economia de combustibil realizata implica si alte avantaje:

reducerea pretului energiei termice si al energiei electrice produse simultan, ca rezultat al consumului unei cantitati mai reduse de combustibil, in comparatie cu productia separata a celor doua forme de energie;

reducerea investitiilor pentru instalatiile de extractie si de transport sau reducerea importurilor de combustibil;

reducerea apelurilor la rezervele strategice de combustibil.

2) Al doilea obiectiv major consista in distributia caldurii printr-un sistem centralizat, care la randul ei prezinta importante avantaje de ordin ecologic, social si igienic:

reducerea emisilor de gaz cu efect de sera, in comparatie cu centralele termoelectrice pe carbune, deoarece acesta, prin insasi compozitia sa chimica produce mai mult CO2 decat gazul natural, pentru o putere echivalenta (acest avantaj poate deveni in anumite cazuri chiar mai important decat economia de combustibil);

reducerea considerabila a circulatiei combustibilului si evacuarea cenusii in cazul utilizarii carbunilor;

economie de spatiu in raport cu instalatiile individuale de incalzire si prepararea apei calde menajere;

posibilitatea valorificarii combustibililor locali, (deseuri, biomasa, etc) avand un impact deosebit de favorabil asupra mediului.

Economia de energie primara generata de o cogenerare performanta focalizeaza interesul energetic pentru aceasta tehnologie. Trebuie insa remarcat faptul ca un randament global ridicat (>85%) presupune concomitent optimizarea instalatiei, care se traduce printr-o investitie ridicata si un necesar de caldura regulat. In cazul in care o instalatie de cogenerare asigura necesarul de caldura pentru o retea de incalzire urbana, acesta poate fi redus in perioadele de toamna – primavara, datorita temperaturilor exterioare superioare celor normale sezoniere. Randamentul global al cogenerarii (care se calculeaza ca medie anuala) poate fi deci afectat de diminuarea necesarului de caldura. Aceasta problema si-a gasit o solutie fericita prin tehnica de trigenerare, care consta in producerea combinata si simultana a trei forme de energie (electrica si termica sub forma de caldura si frig), pe baza unei energii primare unice.


- 5 -

1.4. Indicatori de performanta

Inima unei centrale de cogenerare este maşina motrice: ea consumă o cantitate orară de combustibil corespunzând unei energii termice C şi produce energie mecanică Ltransformată în energie electrică E şi “deşeuri” termice din care o parte Q este recuperată şi utilizată pentru consumatori termici (încălzire, apă caldă menajeră, procese tehnologice etc.).

Pentru caracterizarea cogenerării se folosesc:

• randamentul mecanic:

C

Em (1)

Întrucât E este energia scumpă, cu cât randamentul mecanic creşte, cu atât cogenerarea este mai interesantă şi mai rentabilă.

Valori tipice ale randamentului mecanic:

sisteme cu TA: 6-22%

sisteme cu TG: 25-35%

sisteme cu MT: 30-48%

• randamentul global:

C

QEG

(2)

Această valoare dă eficacitatea energetică a instalaţiei complete; ea variază mult, de la 50 la 95%, în funcţie de filieră şi de utilizarea căldurii.

În figura 2 este prezentat un exemplu pentru calculul randamentului global al producerii în cogenerare, comparativ cu producerea separată a energiei electrice şi termice. Se observă avantajul major al cogenerării, dat de un randament care este net superior faţă de cel al producerii separate (pentru exemplul de mai jos diferenţa fiind de 12%).

Figura 2. Producerea simultană şi separată a energiei electrice şi termice


- 6 -

Randamentele corespunzătoare exemplului prezentat în figura 2 sunt date de expresiile:

%80100100

4040100

C

QEcogenerare (3)

%68100117

4040100

C

QEseparatăproducere (4)

De reţinut: noţiunea are o valoare scolastică; întrucât cele două energii (electrică şi termică) nu au aceeaşi valoare economică la momente diferite. În practică, rentabilitatea financiară la momentul respectiv va fi elementul determinant al unui proiect de cogenerare.

• indicele de cogenerare (raportul căldură / forţă), care reprezintă raportul EQdintre cantitatea de căldură Q şi de energie electrică E , furnizate simultan de cogenerare. Este o noţiune necesară pentru alegerea tipului de instalaţie.

• raportul forţă / căldură, care reprezintă raportul QE (inversul indicelui de cogenerare).

• consumul specific echivalent:

E

QCCE

(5)

Această mărime dă consumul de energie aferent producerii unui kWh în sistemul de cogenerare. Determinarea se face pe baza raţionamentului următor: dacă cogenerarea este implantată într-o instalaţie unde căldura este în mod normal furnizată de o CT având randamentul , căldura utilă Q recuperată (pentru consumatorul termic) reduce consumul CT cu valoarea Q ; se poate spune deci că surplusul de combustibil consumat de cogenerare corespunde unei energii egale cu QC , care serveşte la producerea unei energii electrice E [kWh]. Consumul specific echivalent permite calculul costului energetic şi financiar al kWh (electric) autoprodus prin cogenerare şi este foarte utilă pentru compararea diferitelor sisteme / filiere.

1.5. Scurt istoric

Argumentele în favoarea cogenerării au evoluat în timp. Prima instalaţie a fost realizată la New York în 1877 de Birdsill Holly. În 1893, în Germania, la Hamburg, a fost pusă în funcţiune prima unitate de producere combinată de energie, care marchează debutul dezvoltării în Europa a acestei tehnologii de alimentare centralizată cu energie termică la distanţă. Argumentul principal a fost evitarea pericolului incendiilor în construcţiile dense ale oraşului, încălzite cu sobe utilizând cărbunele.

La mijlocul secolului 20, argumentele în favoarea tehnicii de cogenerare au fost:

a) economia de combustibil;

b) posibilitatea utilizării mai eficace a combustibilului solid şi a produselor petroliere, evitând pericolul unei poluări directe sau indirecte.

Optimul pentru utilizarea acestei tehnici este realizat când consumatorii de energie electricăE şi căldură Q sunt grupaţi (de exemplu: platforme industriale).


- 7 -

O altă încercare în acest sens datează chiar din perioada interbelică şi a fost concretizată prin utilizarea unui sistem cogenerativ de tip Rankine, restul tehnologiilor comerciale dezvoltându-se în ultimii 30 de ani. Încă din anul 1935, în SUA exista o reţea întinsă a capacităţilor de producere a energiei, multe industrii având pe atunci instalaţii asemănătoare cu cogenerarea.

După crizele petroliere din anii 1970, producătorii şi consumatorii de energie şi-au îndreptat atenţia către tehnologii noi, care să conducă la scăderea costurilor legate de utilizarea energiei.

La sfârşitul anilor 1980 au început să apară centralele de cogenerare utilizând şi ciclul mixt (gaze-abur), ca urmare a fiabilităţii turbinei cu gaze.

Expansiunea cogenerării a apărut în anii 1990 datorită faptului că, în timp, preţul energiei a început să crească şi datorită îngrijorării apărute datorită schimbării climei, concretizată în 1997 prin Protocolul de la Kyoto, care a forţat guvernele să caute noi căi de reducere a emisiilor de gaze de seră.

În ultimul deceniu s-a constatat creşterea rapidă a numărului de instalaţii cu cogenerare, statistica MarketLine International arătând că, legat de perspectiva dezvoltării industriei în domeniul cogenerării, în următorii ani vor avea loc creşteri ale investiţiilor de la 9% actual până la 18% în 2010, ceea ce reprezintă cea mai mare creşterea în domeniu, aceasta fiind încurajată şi de liberalizarea producerii şi comercializării energiei.

În Europa, în ţările din nord şi vest, s-au dezvoltat în primul rând filiere de talie mare, cu reţele de transport de zeci / sute de km şi cu sarcini termice de 50-15000 MW.

În România, pe lângă cogenerarea industrială, în jurul anilor 1960, dezvoltarea masivă a clădirilor urbane a creat premisele favorabile pentru dezvoltarea cogenerării în scopul încălzirii centralizate a acestora. De reţinut este faptul că România se situează pe locul 3 în Europa (după Rusia şi Polonia) din punctul de vedere al taliei reţelei de termoficare.

Tendinţa ultimelor decenii este de a dezvolta cogenerarea mică ( 1E MWe) sau mini/micro cogenerarea ( 50E kWe), precum şi conceptele mai sofisticate, ca de exemplu: cogenerarea modulară, energie totală etc. (Franţa, Germania, Italia, Olanda). Toate au la bază valorizarea la maximum a avantajelor cogenerării armonizate cu o anumită tendinţă de independenţă energetică.

1.6. Aplicaţii curente

• Industrie;

• Retele de incalzire urbana;

• Centre comerciale;

• Centre de locuinte colective;

• Campusuri universitare;

• Centre de sanatate;

• Hoteluri, piscine;

• Sere.


- 8 -

2. Tehnici de cogenerare

2.1. Sisteme de cogenerare cu turbină de abur/vapori (TA/TV)

Reprezintă sistemul cel mai vechi şi răspândit. Utilizat de la început pe platforme industriale, s-a extins ulterior şi în cazul necesităţilor de încălzire urbană.

Pentru producerea de căldură sunt utilizate preponderent două scheme:

a) în industrie, se utilizează direct aburul de contrapresiune (figura 3);

b) în domeniul terţiar (de exemplu – încălzire urbană) se utilizează mai frecvent apă supraîncălzită (figura 4).

Avantajul esenţial al sistemului constă în posibilitatea utilizării oricărui tip de combustibil. În plus, materialele specifice, agregatele bine cunoscute şi construite de multe decenii sunt în general foarte fiabile şi durabile.

Inconvenientele constau în greutatea / talia mare, complexitatea şi costul ridicat al echipamentelor. De asemenea, indiferent de talie, exploatarea corectă presupune un personal competent şi specializat.

Performanţa sistemului – producţia de energie electrică – depinde de mai mulţi factori, dintre care se remarcă:

a) debitul de abur furnizat de TA; cu excepţia cazurilor unei energii gratuite, debitul total de abur produs este o funcţie directă de necesarul de căldură al instalaţiilor alimentate de reţea. Dacă acest necesar este constant în timp, se aleg cazane de înaltă presiune şi una / mai multe turbine capabile să asigure acest debit total;

Figura 3. Sisteme de cogenerare: reţea de abur

1 – purjă; 2 – cazan de abur; 3 – abur supraîncălzit de înaltă presiune;4 – turbină; 5 – alternator; 6 – degazor; 7 – rezervor de alimentare; 8 – pompă de alimentare;9 – pompă de condensat; 10 – rezervor de condensat; 11 – sistem de tratare a apei;12 – apă de adaos; 13 – abur de priză de medie presiune; 14 – abur de joasă presiune;15 – către utilizatori; 16 – retur (condensat).


- 9 -

Figura 4. Sisteme de cogenerare cu TA: reţea de apă supraîncălzită

1 – purjă; 2 – cazan; 3 – abur supraîncălzit (înaltă presiune); 4 – turbină cu abur;5 – alternator; 6 – condensator; 7 – apă supraîncălzită; 8 – generator direct;9 – abur de priză de medie presiune; 10 – condensator de medie presiune;11 – către degazor; 12 – condensator joasă presiune.

b) contrapresiunea aburului la ieşirea din TA; valoarea acesteia depinde numai de utilizarea dată căldurii Q . Ea trebuie să fie cât mai scăzută cu putinţă, iar importanţa ei este primordială. În uzine, în cazul încălzirii industriale sau a localurilor, valoarea ei este 1-4 bar, compatibilă cu temperaturile ce trebuie asigurate încălzirii cerute şi cu pierderile de sarcină în reţeaua de distribuţie. În cazul climatizării, deoarece cogenerarea produce apă supraîncălzită, instalaţia presupune - în marea majoritate a cazurilor – unul / mai multe cazane de înaltă presiune care furnizează condensatorului TA puterea termică de bază şi, pe de altă parte, generatoare suplimentare de joasă presiune cu abur sau apă supraîncălzită, care furnizează căldura suplimentară necesară în perioadele foarte friguroase.

c) parametrii caracteristici Tp, ai aburului; cu cât sunt mai înalţi, cu atât se obţine mai multă energie electrică W pe tona de abur. În schimb, investiţiile cresc rapid, echipamentele devin mai complexe şi mai dificil de exploatat. În general, presiunile au valori de 25-80 bar, iar supraîncălzirea aburului este de 280-500°C.

d) randamentul izentropic al turbinei TA; acesta variază între 85% pentru TA perfecţionate cu multe etaje şi 55% pentru TA simple şi ieftine. Gama de


- 10 -

selecţie fiind foarte largă, materialele vor fi optimizate în fiecare caz, în urma unui bilanţ tehnico-economic.

2.2. Sisteme de cogenerare cu motoare termice (MT)

Acest tip de cogenerare presupune existenţa unui motor / mai multor motoare cu combustie internă, tip Diesel sau cu bujii (cu aprindere comandată), care antrenează un alternator. Căldura este recuperată în principal din:

gazele de eşapament;

din răcirea blocului motor.

Avantajele acestui tip de cogenerare sunt:

a) utilizarea motoarelor termice presupune instalaţii mult mai simple, mai puţin voluminoase, mai ieftine şi care pot fi în întregime automatizate;

b) ţinând seama de gama largă de puteri a motoarelor termice (de la câţiva kW la mai mult de 20 MW), această filieră permite o utilizare de la cogenerarea mică până la cogenerare de mare putere;

c) aceste motoare termice au o funcţionare simplă, demarează şi intră în sarcină rapid (circa 30 s) şi au un bun randament mecanic ( m =35-48%).

Dezavantajul major legat de utilizarea motoarelor termice constă în faptul că sunt zgomotoase şi produc vibraţii (nivel sonor 100-120 dBA); acest fapt impune montarea de amortizoare de zgomot pe aspiraţie şi refulare, precum şi montarea lor pe socluri grele şi cu montaje speciale.

• Motoare termice cu aprindere comandată / prin bujii:

a) se fabrică de regulă pentru puteri mici (20-1500 kW);

b) în practică, se utilizează frecvent mai multe motoare mici, de serie, deoarece costă mai puţin decât un motor mare şi permit realizarea unei instalaţii suple şi sigure;

c) randamentul mecanic are valori de circa 33-38% (în plină sarcină şi la viteza optimă);

d) combustibilii utilizaţi: gaz natural, combustibili lichizi bogaţi (benzină, gazoil, motorină, ulei domestic, oneroase totuşi pentru utilizarea lor într-o filieră de cogenerare), biogaz, gaze produse de instalatii de incinerare a deşeurilor menajere.

• Motoare termice de tip Diesel:

a) gama de puteri este de 100 – 25000 kW;

b) randamentul mecanic are valori în intervalul 38 – 48 %

c) combustibilii utilizaţi sunt:

gaz natural sau motorină (se adaugă 5-8% gazoil pentru realizarea aprinderii prin compresie pentru puteri mici ≤ 3500 kW), în acest caz putându-se utiliza şi biogazul sau GPL;


- 11 -

motorina grea, pentru puteri mari (≥ 4000 kW). Aceasta trebuie epurată şi limpezită cu grijă, cerând un echipament de tratare costisitor şi care nu se amortizează decât în cazul instalaţiilor mari.

Utilizarea motoarelor termice în sisteme de cogenerare este recomandabilă, datorită existenţei în funcţionarea lor a unei importante cantităţi de energie termică reziduală sub diferite forme:

a) în gazele de eşapament; acestea conţin circa 30% din energia combustibilului, având în general o temperatură ridicată (450-550°C). De aceea, este posibilă scădereatemperaturii lor în baterii unde se poate prepara un agent termic (apă caldă sau supraîncălzită) sau într-un cazan de recuperare ce produce abur.

Remarcă importantă: combustia în motoarele clasice utilizate se face cu un exces de aer de ordinul 10-50%; acesta poate ajunge însă la 300% pentru anumite motoare Diesel de putere mare (fapt care duce la scăderea temperaturii de ardere şi reducerea de NOx). În acest caz, gazele de eşapament pot fi utilizate ca aer de ardere în cazane special echipate, în care se utilizează principiul “post-combustiei”, mai frecvent asociat turbinelor cu gaze. Nu trebuie uitat nici faptul că gazele de eşapament conţin picături de ulei şi, în consecinţă, bateriile recuperatoare trebuie protejate.

b) în răcirea blocului-motor (răcire de înaltă temperatură); aceasta reprezintă circa 20 % din energia consumată. Apa de răcire este introdusă în motor la circa 70°C şi iese cu 80-90°C (în motoarele obişnuite). În anumite cazuri, destinate utilizării în cogenerare, apa poate ajunge la ieşire la temperaturi de circa 105°C (uneori poate fi chiar sub formă de emulsii care să genereze abur de joasă presiune).

c) în răcirea uleiului şi a aerului de ardere (răcire de joasă temperatură); apa de răcire este la temperatură joasă în aceste cazuri (cât mai joasă posibil pentru aerul de ardere). Căldura conţinută reprezintă circa 15% din energia combustibilului, fiind recuperabilă greu (cu excepţia reîncălzirii la temperaturi joase pentru apă sanitară sau aer utilizat în climatizare / uscare).

d) în căldura de radiaţie şi convecţie a motorului; în general, aceasta este pierdută în atmosferă (cu excepţia unor cazuri rare de utilizare în preîncălzirea aerului de ardere).

Căldura recuperabilă din aceste patru surse (din care numai una – gazele de eşapament – se află la temperatură ridicată) conduce la randamente globale bune, impunând utilizarea sa la prepararea fie de apă caldă, fie de aer cald.

Schema cea mai curent utilizată este reprezentată în figura 5.

În această instalaţie, cogenerarea este montată în serie cu unul / mai multe cazane de joasă presiune care produc apă caldă la mai puţin de 110°C, care este vehiculată de pompe către o reţea de încălzire. Retururile acestei reţele recuperează mai întâi căldura din circuitul de răcire de înaltă temperatură; ele sunt apoi trimise fie direct în blocul-motor pentru a-l răci, fie într-un schimbător de căldură plasat într-un circuit închis de răcire al blocului motor. Apoi, retururile trec într-o baterie plasată sub gazele de eşapament; ele recuperează astfel circa 80% din căldura reziduală conţinută în aceste gaze.Toată căldura din circuitul de înaltă temperatură şi cea mai mare parte din cea conţinută în gazele de eşapament sunt transferate apei din reţea.


- 12 -

Figura 5. Sisteme de cogenerare cu motor termic; recuperarea căldurii pentru prepararea de apă caldă (de la 80°C la 105°C)

1 – agent de răcire; 2 – schimbător de căldură; 3 – circuit de răcire de joasă temperatură;4 – motor termic; 5 – circuit de răcire de temperatură înaltă; 6 – alternator; 7 – schimbător de căldura apă – apă; 8 – gaze de eşapament; 9 – cazan de apă caldă de joasă presiune.

Privitor la răcirea de joasă temperatură a motorului, aceasta trebuie să fie făcută la cea mai scăzută temperatură posibilă, pentru a răci mai bine aerul de ardere după compresie şi a mări astfel cantitatea de aer aspirată. Acest proces este asigurat în general de un răcitor de aer extern (de altfel, constructorii livrează motoarele cu un circuit închis de joasă temperatură, răcit cu un răcitor de aer sau radiator). Există încă multe alte variante de instalaţii cu motoare termice, adaptate nevoilor locale.

2.3. Sisteme de cogenerare cu turbină cu gaze (TG)

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.

Primele realizari la scara industriala de instalatii cu turbine cu gaze pot fi considerate turbomotoarele de aviatie realizate de Frank Whittle in 1930 in Angia si Hans von Ohain in 1936 in Germania. Prima instalatie destinata producerii de energie electrica a fost proiectata in 1939 de Aurel Stodola si construita de firma elvetiana Brown-Boveri.

De la aceste inceputuri, tehnologia de fabricatie a turbinelor cu gaze, atat ca motoare pentru aviatie cat si pentru aplicatii energetice s-a dezvoltat rapid, fiind una dintre cele mai dinamice din lume.

Din cauza materialelor utilizate, pana in anii ’60 nu s-a putut depasi bariera de 10000C la intrare in turbina si din acest motiv primele centrale electrice cu turbine cu gaze aveau randamente de 18-22% functionand dupa ciclul simpl, fara recuperare de caldura si maximum 27% cu recuperator de caldura.


- 13 -

Turbinele cu gaze sunt bine adaptate atât instalaţiilor industriale, care au în general nevoie de energie electrică şi de abur, cât şi instalaţiilor sectorului terţiar, care utilizează apă caldă sau supraîncălzită.

Turbinele cu gaze sunt de creaţie mai recentă decât TA si MT; sunt disponibile pe o gamă largă de puteri: 25 kW – 200 MW. Combustibilii folosiţi sunt: gazul (natural, GPL sau biologic) sau motorina.

Avantajele utilizării turbinelor cu gaze sunt:

a) sunt compacte, lejere şi se pot implanta cu uşurinţă;

b) toată energia transformată în căldură (cu excepţia unor pierderi mici) se regăseşte în gazele de eşapament la temperaturi ridicate (430-580°C). Cazanul recuperator plasat pe circuitul acestora permite producerea aburului sau a apei supraîncălzite. Dimensionarea acestuia se face în funcţie de temperaturile pe tur şi retur din reţeaua de încălzire.

c) gazele de eşapament sunt curate şi conţin 15-17% O2. Ele pot fi utilizate în industrie pentru încălzirea directă în uscătoare şi, mai ales, ca aer de ardere în arzătoare speciale (de “post-combustie”), care se adaptează cazanelor; se pot obţine astfel randamente excelente.

O instalaţie de cogenerare cu TG este reprezentată în figura 6; de reţinut este faptul că 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 gaze cu injecţie de abur (atât în TG cât şi în camera de ardere).

Figura 6. Sistem de cogenerare cu TG

Filierele de cogenerare cu TA şi TG pot fi combinate, dând naştere unor cicluri combinate; principiul constă în instalarea a două cogenerări în serie: prima cu TG, a doua cu TA, reprezentate în figura 7.


- 14 -

Figura 7. Sistem de cogenerare cu ciclu combinat/mixt

Ciclul combinat/mixt gaze-abur foloseşte căldura din gazele de eşapament ale TG pentru a produce într-un cazan recuperator aburul necesar TA. Pentru încălzirea agentului primar din circuitul de încălzire se foloseşte abur din prizele turbinei şi abur din cazanul recuperator. Ciclul combinat/mixt se caracterizează printr-un randament ridicat (circa 50%) la funcţionarea numai pentru producerea de energie electrică şi de circa 85% în ciclu de cogenerare. Excesul de O2 din gazele de eşapament permite folosirea arderii suplimentare de combustibil în cazanul recuperator. Datorită eficienţei ridicate şi investiţiei specifice foarte competitive, centralele cu ciclu combinat se instalează în locul celor clasice cu TA, acolo unde există gaze naturale pentru TG.

In figura 8. este prezentata schema sistemului de cogenerare VEGA 109F cu ciclu combinat cu turbina cu gaze MS9001F GE si cazan recuperator orizontal cu 3 nivele de presiune, iar in tabelul 1. caracteristicile acestui ciclu foarte performant.

Tabelul 1. Performantele ciclului combinat VEGA 109F cu turbina cu gaze MS9001F

Parametrii de intrare ai aburului

Puterea bruta

Randament brut

Tipul de cazan recuperator utilizatp[bar] t[0C] [MW] [%]

109F: ciclu cu un nivel de presiune 65 540 329,9 51,9

109F: ciclu cu doua niveluri de presiune

100/4,6 540/190 340,0 53,4

109F: cicluri cu doua niveluri de presiune si supraincalzire intermediara

110 28/4,6

540 540/265

343,8 54,0

109F: ciclu cu trei niveluri depresiune si supraincalzire intermediara

110 28/4,6

540 540/265

347,2 54,5

Gaz natural-Temperatura aerului 800C-Presiunea la condensator 25 mbar


- 15 -

Figura 8. Sistem de cogenerare VEGA 109F cu ciclu combinat cu turbina cu gaze MS9001F General Electric si cazan recuperator orizontal cu 3 nivele de presiune

2.4. Comparaţie între sistemele de cogenerare

• Cogenerarea cu TA: caracteristici

investiţia cea mai scumpă, sistem greoi, cerând un personal de exploatare calificat;

EQ mediocru şi foarte variabil (4-20) în funcţie de parametrii aburului (p, T);

EC bun (1-1.25);

singurul sistem utilizabil cu cărbune şi deşeuri menajere.

• Cogenerarea cu MT: caracteristici

sistem suplu, cu automatizare totală, cu demaraj rapid;

m excelent (33-48%);

EQ foarte bun (0.5-1.5);

EC bun în cazul reţelei de apă caldă (0.75-1.3) şi EC modest în cazul reţelei de apă caldă menajeră (2-2.4);

sistem greu şi vibrant, cu uzură rapidă (în funcţie de viteza de rotaţie) şi întreţinere costisitoare;

combustibil : gaz ( toate puterile), motorină grea ( puteri > 4MW);

sistem bine adaptat pentru climatizare (în mod special pentru spitale).


- 16 -

• Cogenerarea cu TG: caracteristici

sistemul cel mai recent, uşor, ocupând un spaţiu redus;

randament mecanic m (20-37%) inferior sistemului cu MT;

EQ mediu (1.5- 2.5), dar EC înalt (1.5-2).

căldura conţinută în gazele de eşapament au potenţial termic ridicat rezultă adaptare uşoară pentru producerea de apă supraîncălzită şi aburului, deci, recomandabil pentru industrie;

combustibil : gaz la presiuni ridicate.

• Relaţia între sistemul de cogenerare şi combustibili

Cărbune şi deşeuri menajere : singurul sistem utilizabil este cu turbină cu abur;

Motorină : turbina cu abur pentru sarcini de încălzire mari şi MT ( pentru > 4MW).

Gaz natural: combustibilul cel mai scump, astfel încât se remarcă importanţa ECşi a post-combustiei, precum şi următoarele:

este foarte interesant în cazul în care generatorul de agent termic existent este recuperabil;

presiunea gazului cerută (13-16 bar) impune o legătură directă cu o reţea de transport a gazului sau necesitatea existenţei unor compresoare, care reduc rentabilitatea sistemului.

Tabelul 2 prezintă o sinteză a caracteristicilor tehnice ale sistemelor de cogenerare.

2.5. Concluzii

Calculul de rentabilitate este indispensabil pentru aprecierea unei instalaţii de cogenerare.

În primul rând, se face un bilanţ economic simplu, care determină timpul de rambursare brut; el permite, printr-o evaluare rapidă, pentru o instalaţie căreia i se cunosc caracteristicile medii de funcţionare, alegerea sistemului cel mai potrivit. Dacă acesta se dovedeşte rentabil, se va face ulterior un calcul detaliat.


- 17 -

Tabelul 2. Caracteristici tehnice ale sistemelor de cogenerare


- 18 -

3. Situaţia actuală şi perspectivele de dezvoltare ale cogenerarii

3.1. Consideraţii generale

Prognozele privind producerea de energie electrică (în primul rând) şi termică vizează orizontul 2030. Ţinând seama de timpul necesar “maturizării” unor tehnologii noi, numai cele aflate acum în stadiul de dezvoltare (sau chiar numai de demonstaţie) au şanse reale de a pătrunde pe piaţa energetică până la această dată luată ca reper. Într-o perspectivă mai îndepărtată, este dificil de prevăzut care ar putea fi progresele tehnologice, de estimat timpul necesar maturizării lor şi de imaginat evoluţia contextului economic determinant pentru competitivitatea lor.

Pe parcursul perioadei considerate (până în 2030), dezvoltarea şi punerea în aplicare a opţiunilor tehnice fondate pe cele trei mari familii de surse energetice (combustibili fosili, energia nucleară şi energiile regenerabile) vor fi influenţate în mod esenţial de trei direcţii prioritare:

a) protecţia mediului;

b) securitatea aprovizionării;

c) competitivitatea economică pe o piaţă din ce în ce mai deschisă concurenţei.

Aceste trei direcţii care focalizează atenţia şi interesul factorilor de decizie politici sau industriali, al organismelor de reglementare, al producătorilor de energie electrică, al constructorilor de materiale şi al utilizatorilor, vor influenţa tipul, structura şi talia/mărimea sistemelor producătoare de energie, care vor fi adoptate pe parcursul perioadei considerate.

În acest context, argumentele care pledează pentru implementarea/dezvoltarea cogenerării sunt de natură economică, strategică, comercială şi ideologică.

Factorul de decizie principal îl constituie avantajul – rezultat al economiei de combustibil – privind vânzarea energiei termice la preţuri mai mici decât în cazul producerii şi comercializării energiei termice produse separat.

3.2. Prezent şi perspective ale cogenerării în Europa

În prezent, cogenerarea diminuează cu circa 350 milioane tone emisiile de CO2 în Europa şi reduce dependenţa de resursele energetice. În comparaţie cu 1999, producţia de energie în cogenerare a crescut în majoritatea ţărilor din Uniunea Europeană; cele mai mari creşteri s-au înregistrat în Italia (7.4% pe an), Austria (7.4% pe an) şi Suedia (6% pe an).

În ţările Uniunii Europene, preţurile pentru căldura furnizată în SATC au rămas relativ constante (în comparaţie cu 1999), în ciuda fluctuaţiilor de preţ ale gazului natural şi ţiţeiului.

În ţările candidate si nou intrate in UE, preţurile au crescut în general, ca urmare a eliminării treptate a subvenţiilor, în vederea adaptării la cerinţele de integrare în Uniunea Europeană.


- 19 -

Există accente uşor diferite în politica de utilizare a combustibilului în ţările membre în Uniunea Europeană şi ţările candidate. În timp ce primele promovează tot mai mult sursele regenerabile şi valorificarea deşeurilor, ţările candidate se bazează (pe termen mediu) pe o creştere a consumului de gaze naturale.

Pentru viitor este previzibilă o strategie comună, care pune accentul pe creşterea eficienţei energetice, utilizarea resurselor regenerabile şi satisfacerea necesarului de energie utilizând cât mai puţină energie primară. Se încurajează astfel şi descentralizarea alimentării cu energie, incluzând cogenerarea de mică putere amplasată lângă consumator.

Pe ansamblul Uniunii Europene, ponderea instalaţiilor de cogenerare în producţia totală de energie electricã era în anul 2000 de 7%. Directiva Comisiei Europene din 2002 fixează pentru 2010 un obiectiv de 20%. Se va reda în continuare situaţia în câteva ţări europene .

Danemarca. În anul 1999 ponderea instalaţiilor de cogenerare în producţia totală de energie electrică a fost 54%. Aceasta pondere a ajuns, în 2006, la 60%. Capacităţile instalate în unităţile de cogenerare au crescut, între 1995 şi 2000, cu peste 700 MW.

Germania. Instalaţiile de cogenerare au o pondere de 18% în producţia ţării de energie electricã.

Marea Britanie. Între anii 1996 şi 2000, capacitatea instalaţiilor de cogenerare a crescut cu 40,3%, atingând circa 8% din totalul energiei electrice produse.

Polonia. Ponderea instalaţiilor de cogenerare a crescut în totalul producţiei de energie electrică de la 11% la 16% între anii 1988 şi 1999. Se prevede, pentru 2010, o valoare de 20% şi o creştere a consumului de gaz metan cu 30%.

Ungaria. Ponderea instalaţiilor de cogenerare în producţia totală de energie electricã este de 13%; peste 74% din energia lor termicã este utilizată în sistemele de încălzire centralizată.

Nu trebuie sã uităm că sistemele de termoficare-cogenerare au fost dezvoltate şi în lagărul socialist (URSS, Polonia, România, Cehia, Bulgaria) care, iniţial, ca principiu, au dat satisfacţie. Lipsa preocupării pentru întreţinerea lor, lipsa unor servicii către utilizatori (în special în România) au compromis acest principiu tehnic ce se dezvoltă azi în întreaga lume pe baze tehnico-economice (economie de combustibili, protecţia mediului, mărirea indicelui de confort Ia consumator etc.) şi pe toată durata de viaţă a acestora.

Piaţa de cogenerare în Europa este diversificatã, distingându-se de la ţară la ţară prin ponderea în producţia totală de energie, tipul şi configuraţia sistemelor cogenerative utilizate. Cogenerarea de energie termică şi mecanică / electrică (CHP) a fost promovată cu precădere în Scandinavia şi Olanda, unde guvernele respective au sprijinit financiar creşterea acestui segment al industriei energetice.

În unele ţări, de exemplu Franţa sau Belgia, existenţa monopolului asupra producţiei energiei electrice, reprezintă o barieră în implementarea sistemelor cogenerative de energie. În alte ţări, precum Grecia şi Irlanda, lipsa de materii prime, în speţă — gazul natural reprezintă un alt factor al dezvoltării slabe din acest domeniu.


- 20 -

În ţările europene, cogenerarea reprezintă 12% din totalul capacităţilor instalate; ponderea acesteia în producerea de energie pentru diferite ţări europene, la nivelul anilor 2000, se poate observa în figura 9.

Penetrarea cogenerării în Europa a avut cel mai mare impact în ţări ca Danemarca şi Olanda, în care peste 30% din energia electrică este produsă prin cogenerare, în timp ce ţări ca Franta şi Grecia produc energia electrică utilizând sisteme cogenerative într-un procent mai mic de 5%.

Figura 9. Ponderea cogenerării în producerea de energie pentru diferite ţări europene

Sistemele cogenerative pot fi împărţite în două categorii:

• sisteme cogenerative centralizate în care energia produsa este folosită pentru consum casnic şi utilităţi municipale. Acest sistem este folosit în principal în Germania, Austria şi ţările nordice şi caracterizează ţările în care nevoia de încălzire se întinde pe o perioadă mare a anului.

• sisteme cogenerative descentralizate în care energia produsă este folosită pentru consum industrial local pentru a genera energie termică şi electrică sau pentru a fi comercializată.

Se estimează creşteri rapide în sistemele descentralizate cunoscându-se avantajele economice pe termen lung ale unor astfel de centrale; aceasta se bazează pe avansarea tehnologiei şi îmbunătăţirea eficienţei turbinelor şi motoarelor. În acest fel, creşterea capacităţii de producţie cogenerativă va deveni realitate.

Deci creşterea consistentă va avea loc în acele industrii care nu necesită plata investiţiilor iniţiale pe termen scurt (perioada tipică de rambursare a unei astfel de investiţii este de 4-6 ani).


- 21 -

Liberalizarea pieţei de energie electrică din Europa în următorii ani va oferi reale oportunităţi ofertanţilor de sisteme cogenerative de energie să extindă acest segment.

De asemenea accesul industriei cogenerative la reţeaua naţională de gaze va permite consumatorilor să schimbe furnizorul unic cu unul independent (local), mult mai avantajos din punct de vedere economic.

Ca o concluzie, se poate aprecia că principalele motoare ale dezvoltării cogenerării în Europa au fost:

a) politica energetică a guvernelor, care prin pârghii legislative/financiare favorizează investiţiile în cogenerare;

b) angajamentele naţionale de reducere a emisiilor de CO2;

c) necesitatea instalării de capacităţi noi de producere a energiei electrice ca urmare a creşterii cererii;

d) tendinţele de evoluţie a preţurilor pe piaţa energiei, atunci când preţul gazului natural era scăzut şi preţul energie electrice este ridicat.

Directiva 2004/8/EC a Parlamentului European şi a Consiliului Uniunii Europenedin 11 februarie 2004 cu privire la promovarea cogenerării bazată pe cererea de căldură utilă pe piaţa internă de energie şi care modifică Directiva 92/42/EEC este actul normativ menit să statueze poziţia cogenerării în strategia energetică europeană.

3.3. Prezent şi perspective ale cogenerării în România

Cogenerarea s-a dezvoltat în România din anii 1950, în contextul planurilor de creştere accelerată a producţiei de energie electrică, în aplicaţii exclusiv industriale. Cogenerarea pentru încălzire urbană a demarat în 1960 şi s-a extins după 1970, în acord cu ritmul rapid al creşterii cerinţelor de energie electrică, cât şi cel al construcţiei de locuinţe tip “bloc”.

O aplicaţie curentă a fost grupul de cogenerare de 50 MWe cu cazane de abur şi TA cu condensare în schimbătoare de căldură tubulare, care produc agent termic (apă caldă) pentru alimentarea cu căldură centralizată. Studiile de optimizare efectuate în anii 60-70 au apreciat că dimensionarea instalaţiei de cogenerare la 45-60% din sarcina termică de vârf constituie soluţia care asigură o încărcare acceptabilă la nivelul unui an, astfel încât amortizarea instalaţiei să se facă într-un termen rezonabil. Vârful de sarcină era asigurat de cazane cu apă fierbinte (CAF).

La sfârşitul anilor 70, toată furnitura aferentă grupului de cogenerare de 50MW se fabrica în România.

Un coeficient de cogenerare de 50% corelat cu alura medie a curbei de sarcină anuală de încălzire din România, face ca (teoretic) circa 80-85% din căldura livrată pe an să poată fi produsă în regim de cogenerare, restul de 15-20% fiind livrat de CAF. În realitate, datorită stării tehnice a grupurilor de cogenerare şi costurilor mai reduse de reparare a CAF, proporţia căldurii livrate de acestea din urmă este mult mai mare.

În ultimii ani şi în România cogenerarea a evoluat atât sub aspectul tehnologiilor de producere a celor două forme de energie, cât şi sub aspectul reglementărilor şi al legislaţiei din domeniul energiei. Cogenerarea reprezintă o prioritate pentru modernizarea unităţilor de


- 22 -

producere gestionate de RADET Bucureşti, de exemplu. Implementarea cogenerării se va realiza doar cu tehnologie şi echipamente de ultimă generaţie. Introducerea cogenerării va conduce la menţinerea preţului energiei termice la valori rezonabile în condiţiile creşterii preţului combustibilului.

• Argumente pentru introducerea cogenerării:

Legislaţia europeană şi naţională

Directiva 8/2004 CEE, privind promovarea cogenerării de înaltă performanţă bazată pe necesarul util de energie termică.

HG 219/2007 privind promovarea cogenerării bazată pe necesarul util de energie termică.

HG 462/2006 modificată şi completată de HG 381/2008 privind aprobarea Programului “Termoficare 2006 - 2015 căldură şi confort”.

Avantajele cogenerării.

Existenta infrastructurii necesare implementării cogenerării

• Argumente contra introducerii cogenerării:

Finanţare ridicată

Problema contractelor de preluare a energiei electrice produse.

Inerţie la pătrunderea noilor tehnologii.

Prezentarea tendenţioasă, intenţionat negativă a încălzirii din surse centralizate din care face parte şi cogenerarea, de către furnizorii de gaze naturale, şi de către comercianţii de centrale termice murale / individuale.

Costul ridicat al reţelelor de transport şi al întreţinerii lor.

Cogenerarea şi încălzirea urbana reprezintă cel mai deficitar subsector energetic în România ; pierderi energetice totale foarte mari (35% la cele mai bune sisteme până la 80% la cele mai ineficiente) sunt plătite de către consumatori.

Energetica urbana este într-o situaţie critică datorită următorilor factori: voinţa politică declarativă, managementul programelor (la nivel central şi local) deficitar, birocraţie excesivă, finanţare neacoperită .

Datorită faptului că în mare parte platformele industriale s-au restructurat, reducându-se drastic consumul destinat acestora, cât şi a unei politici greşite de tarifare, unităţile de cogenerare au devenit, mai ales vara, unităţi de producere numai a energiei electrice, cu randament energetic sub 30%. Consecinţa a fost creşterea preţului energiei termice şi mari fluctuaţii în livrarea ei, ducând în final, pe de o parte la debranşări ale consumatorilor de la reţea (pe ansamblul ţării: 21%), iar pe de altă parte la apariţia unei pieţe de centrale termice individuale. Rezultatul a constat în:

transformarea instalaţiilor de cogenerare în instalaţii cu randament energetic mediu anual sub 50%

dezechilibrarea hidraulică a reţelelor de termoficare;

apariţia de instalaţii pentru producerea aburului la unii consumatori industriali;


- 23 -

pierderi în funcţionarea producătorilor de energie termică;

neîncredere în sistemele centralizate de încălzire urbană;

costuri mari ale energiei termice;

investiţii reduse în modernizarea şi reabilitarea sistemelor de termoficare pe tot lanţul: producător transport — distribuţie;

costul ridicat de producţie al unităţii de energie termică la furnizori, media pe ţară, depăşeşte cu peste 50% preţul naţional de referinţă plătit de populaţie

Soluţia constă în:

reabilitarea şi modernizarea reţelelor de transport şi distribuţie energie termică;

restructurarea, redimensionarea şi modernizarea surselor de producere a energiei termice.

Soluţiile de producere eficientă a energiei termice se bazează pe următoarele elemente/aspecte:

restricţiile actuale şi viitoare de mediu fac puţin probabilă utilizarea lignitului inferior drept sursă de combustibil, pentru producătorii de energie termică localizaţi lângă marile oraşe;

utilizarea pentru localităţile mici şi medii a surselor alternative sau regenerabile;

utilizarea la maxim a structurilor tehnologice în cogenerare;

realizarea de structuri de management complexe pe o gamă cât mai largă a serviciilor de utilitate publică (distribuţie energie termică, apă, gaz natural, energie electrică) în competenţa autorităţilor publice 1ocale

Se estimează pentru sistemele de cogenerare, la nivelul ţării, un necesar anual de 30 milioane Gcal, (în prezent sunt circa 2,1 milioane de consumatori individuali). Se estimează că peste 75% din totalul de energie se va produce în instalaţii de cogenerare. Restul se va prelua prin instalaţii ce produc numai energie termică.

La preţuri pentru gaz natural şi păcură conform pieţei europene, costul de producţie la consumator pentru instalaţii cu producere numai de energie termică va fi în jur de 30 EURO/Gcal (cea mai mică valoare tehnic posibilă).

O instalaţie în cogenerare, pe aceeaşi sursă de combustibil, cu parametrii: randament total energetic 85%, raport energie electrică /energie termică mai mare de 0,4 are următoarele costuri de producţie :

• energie electrică 45 Euro/MWh

• energie termică 22 EURO/Gcal.

Cantitatea de 75% din energia termică necesară sistemelor de termoficare, la nivelul ţării, produsă prin instalaţii de cogenerare asigură şi o cantitate adiţională de 10 milioane MWh/an.


- 24 -

Costul de finanţare al modernizării surselor de energie termică nu depăşeşte 2 miliarde EURO.

Finanţarea acestor proiecte se poate face prin scheme complexe de finanţare ce includ: autoritatea publică locală; fonduri de la bugetul de stat; credite bancare; instituţii financiare externe; fonduri private de investiţii; fonduri proprii; programe comunitare de asistenţă financiară; fonduri disponibile prin mecanismele stabilite de Protocolul de Ia Kyoto (credite de C02); agenţii guvernamentale cu atribuţii în eficienţa energetică. Programe europene cu finanţare parţială UE.

In concluzie, se impune necesitatea unei “Strategii energetice” reale şi lucide pe termen lung. Este posibilă o criză în producerea energiei electrice; România poate deveni un importator de electricitate, fiind ameninţată securitatea alimentării cu emergie a consumatorilor.

Cogenerarea şi alimentarea centralizată cu căldură sunt măsuri urgente ce se impun prin:

Reafirmarea fermă a voinţei politice privind modernizarea energeticii urbane în România, responsabilizarea autorităţilor locale, a ministerelor şi autorităţilor de reglementare.

Rezolvarea necorelărilor de ordin legislativ, HG şi reglementări în vederea atragerii investitorilor străini şi autohtoni (promovarea cogenerării).

Finanţarea modernizării cogenerării — problema fundamentală, coordonată de MEF (circa 6 miliarde euro); facilităţi financiare şi fiscale.

Schimbarea metodei ANRE, de alocare a costurilor între cele două produse ale cogenerării (electricitate şi căldură), pe baze economice şi bonus de mediu.

Preluarea reglementării căldurii de la ANRSC de către ANRE.

Diferenţierea preţului de vânzare a gazelor naturale între populaţie şi consumatorii industriali. Raportul preţ populaţie/ industrie = 2,15 (media UE25), respectiv 1,04 (România) .

3.4. Cogenerarea si sursele de energie regenerabile

3.4.1. Resurse energetice regenerabile/neconvenţionale

Sursele regenerabile / neconvenţionale de energie sunt cunoscute în literatura de specialitate sub denumirea de surse noi, însă numai tehnologiile de captare, conversie şi utilizare energetică şi economică sunt relativ noi. Aceste surse de energie prezintă o serie de particularităţi de care trebuie să se ţină cont atât în procesul de utilizare, cât şi în activitatea de includere a acestora în balanţa energetică. Sursele neconvenţionale de energie se regenerează în urma unor procese naturale şi sunt inepuizabile, ceea ce le conferă calitatea de resursă certă în energetica viitorului. De asemenea, instalaţiile pe baza lor prezintă o mare simplitate în construcţie şi pot fi utilizate atât în sistemul energetic descentralizat pentru consumatori izolaţi, cât şi conectate la sistemul energetic naţional.


- 25 -

La nivel mondial, din totalul resurselor primare existente, de 10.038 Mtep, sursele regenerabile de energie reprezintă 1.352 Mtep, adică 13,5%. Din acestea, energia hidroelectrică reprezintă 2,2%, energia conţinută în combustibil şi deşeuri biodegradabile (biomasă solidă) 10,8% iar alte resurse 0,5%.

In condiţiile meteogeografice din România, în balanţa energetică pe termen mediu şi lung se iau în considerare următoarele tipuri de surse regenerabile de energie: energia solară, energia eoliană, hidroenergia, biomasa şi energia geotermală. Tipul de resurse şi potenţialul energetic al surselor regenerabile de energie din România sunt prezentate sintetic în Tabelul nr. 3. Resursele regenerabile de energie reprezintă deja o componentă semnificativă în cadrul economiei de combustibili pe plan mondial. Ele pot avea o contribuţie tot mai importantă la diversificarea alimentării cu energie, reducerea emisiilor şi durabilitatea dezvoltării energetice pe termen lung. In schimb, pe termen scurt şi mediu, regenerabilele moderne vor rămâne o componentă destul de redusã a alimentării cu energie în ţările industrializate, revenindu-le un rol de completare nu de substituire a energiei pe bazã de combustibili fosili şi nucleari. In ţările mai slab dezvoltate, rolul resurselor regenerabile în acoperirea cererii de energie fiabilă şi accesibilă ca preţ va fi tot mai important, mai ales în zonele rurale, unde utilizarea lor va fi susţinută prin subvenţii direcţionate temporare.

Sursele regenerabile de energie pot să contribuie prioritar la satisfacerea nevoilor curente de energie electrică şi de încălzire în zonele rurale defavorizate. Valorificarea surselor regenerabile de energie, în condiţii concurenţiale pe piaţa de energie, devine oportună prin adoptarea şi punerea în practică a unor politici şi instrumente specifice sau emiterea de ,,certificate verzi” (,,certificate ecologice”). Certificatul verde este un document ce atestă o cantitate de 1 1Wh energie electrică produsă din surse regenerabile de energie. El se poate tranzacţiona distinct de cantitatea de energie asociată acestuia, de pe o piaţă bilaterală sau centralizată.

Tabelul 3. Potenţialul energetic al surselor regenerabile din România .

Sursa de energie regenerabilă

Potenţialul energetic anual

Echivalent economie energie (mii tep)

Aplicaţie

Energie solară :

- termică

- fotovoltaică

60106 GJ

1.200 GWh

1.433.0

103.2

Energie termică

Energie electrică

Energie eoliană 23.000 GWh 1.978.0 Energie electrică

Energie hidro, din care : sub 10 MW

40.000 GWh

6.000 GWh

516.0 Energie electrică

Biomasă 318106 GJ 7.597.0 Energie termică

Energie geotermală 7106 GJ 167.0 Energie termică


- 26 -

În prezent, calitatea esenţială a energiei neconvenţionale de resursă nepoluantă a readus în atenţie alternativa înlocuirii treptate a energiei produse pe bază de combustibili fosili.

Sursele regenerabile de energie asigură creşterea siguranţei în alimentarea cu energie şi limitarea importului de resurse energetice, în condiţiile unei dezvoltări economice durabile. Aceste cerinţe se realizează în context naţional, prin implementarea unor politici de conservare a energiei, creştere a eficienţei energetice şi valorificare superioară a surselor regenerabile.

În viziunea europeană, pentru încadrarea unei surse de energie în categoria surselor regenerabile, produsele sau procesele naturale trebuie să îndeplinească două condiţii: sa aibă potenţial energetic şi să poată fi convertite în energie prin tehnologii accesibile în prezent. În acest sens, sunt definite ca regenerabile următoarele categorii de surse de energie: energia solară, energia eoliană, energia geotermală, energia valurilor, energia mareelor, energia hidro, biomasa, gazul de depozit (gaz rezultat din fermentarea deşeurilor), energia conţinută în gazul de fermentare a nămolurilor din instalaţiile de epurare a apelor uzate, biogazul. Elementele care diferenţiază astfel de surse de cele convenţionale constau în dispersia pronunţată a potenţialului exploatabil pe arii relativ extinse şi dependenţa nemijlocită de condiţiile meteorologice şi de anotimp (sezoane), excepţie făcând numai energia geotermală.

Cota energiei regenerabile în consumul global de energie al Uniunii Europene este strâns legată de tendinţele consumului şi de conservarea energiei. Consumul de energie regenerabilă a stagnat la cca. 6% din consumul global, în ciuda creşterii anuale considerate în sector de 3% şi evoluţiei spectaculoase în sectorul energiei vântului în ultimii zece ani.

Figura 10. Evoluţia consumului de energie din surse regenerabileîn Uniunea Europeană

In termeni absoluţi, cota energiilor regenerabile în consumul de energie va înregistra o creştere la orizontul anului 2030 (figura 10). Această proporţie (în termeni relativi) în balanţa de energie va depinde mult de viitorul conectărilor la reţeaua de energie electrică şi de cel al competiţiei în producţia descentralizată. Uniunea Europeană are drept ţintă creşterea contribuţiei energiilor regenerabile în consumul global de energie al statelor membre la 12% în 2010, ceea ce va produce efecte benefice, concretizate în crearea de noi locuri de


- 27 -

muncă şi exportul tehnologiilor europene în tarile mai slab dezvoltate. De asemenea, pentru anul 2010 se preconizează producerea energiei electrice din surse regenerabile într-o proporţie de 22% (energie electrică verde). În tabelul 4 sunt date unele valori de referinţă pentru energia electrică produsă din surse regenerabile.

Tabelul 4. Energie electrică produsă din surse regenerabile

Energie electrică produsă din surse regenerabileŢara

1997 (TWh) 1997 (%) 2010 (%)

Belgia 0.86 1.10 6.00

Danemarca 3.21 8.70 29.00

Germania 24.91 4.50 12.50

Grecia 3.94 8.60 20.10

Spania 37.15 19.90 29.40

Franta 66.00 15.00 21.00

Irlanda 0.84 3.60 13.20

Italia 46.46 16.00 25.00

Luxemburg 0.14 2.10 5.70

Olanda 3.45 3.50 9.00

Austria

Portugalia

39.05

14.30

70.00

38.50

78.10

39.00

Finlanda 19.03 24.70 31.50

Suedia 72.03 49.10 60.00

Marea Britanie 7.04 1.70 10.00

Uniunea Europeană 338,41 13,90 22,00

România 17.51 29.00 30.00

În România, cotele obligatorii ce se vor utiliza până în anul 2010 în conformitate cu ţinta asumată în negocierile de aderare la Uniunea Europeană privind ponderea energiei electrice produse din surse regenerabile sunt următoarele : 3,6% pentru anul 2009 şi 4,3% pentru anul 2010. Ponderea surselor regenerabile de energie în consumul total de resurse primare al României va fi de cca. 11% în anul 2010 şi de 11,2% în anul 2015. În cifre


- 28 -

absolute, consumul de energie din surse regenerabile va ajunge la 4964,5 mii tep în anul 2010 şi la 5537,2 mii tep în anul 2015. Din punct de vedere structural, cea mai mare pondere în totalul energiei obţinute din surse regenerabile va fi deţinută de energia din biomasă (67,42% în anul 2010 şi 68,66% în anul 2015), urmată de energia hidroelectrică (31,53% în anul 2010 şi 29,04% în anul 2015), energia eoliană (0,54% în anul 2010 şi 1,55% în anul 2015), energia geotermală (0,35% în anul 2010 şi 0,43% în anul 2015) şi energia solară (0,16% în anul 2010). Tabelul 5 sintetizează ponderea surselor regenerabile de energie în consumul total de resurse primare în România.

Tabelul 5. Ponderea surselor regenerabile de energie în consumul total de resurse primare în România.

Surse regenerabile de energieAnul 2000

(mii tep)

Anul 2010

(mii tep)

Anul 2015

(mii tep)

Energie solară - 7.50 17.00

- solar - termic. - 7.34 16.00

- solar — electric - 0.16 1.00

Energie eoliana - 27,00 86,10

Energie hidro, din care:

- hidroenergie mare

- hidroenergie mică

1.272

1.185

87

1.565,20

1,470.60

94.60

1.608,20

1.47060

137.60

Energie din biomasă

- biomasă – termal

- biomasă - electric

2.772

2.772

-

3.347,30

3,249.50

97.50

3.802,00

3.457,80

314.20

Energie geotermală - 17,50 23,90

TOTAL (inclusiv hidro mare) 4.044 4.964,50 5,537.20

Pondere surse regenerabile de energie în consum total de resurse primare de energie (%)

10.01 11,00 11.20

3.4.2. Biomasa

Termenul generic biomasă cuprinde o varietate de resurse: materii lemnoase şi reziduuri rezultate din procesele industriale de prelucrare a cherestelei, reziduuri agricole, agroalimentare, îngrăşăminte naturale, reziduuri din procesele tehnologice de prelucrare a cerealelor, fracţii organice de la deşeuri solide municipale, deşeuri de la gospodării individuale şi noroi de la apele menajere.


- 29 -

Biomasa este rezultatul direct sau indirect al desfăşurării procesului de fotosinteză, mijloc natural de stocare a energiei solare sub formă de carbon, hidrogen şi oxigen. Prin acest proces, materia vegetală absoarbe fotonii din radiaţia solară, care emit particule atomice (electroni), cu rolul de a reduce gazul carbonic din atmosferă în hidraţi de carbon şi care permit producerea de constituenţi ce stau la baza materiei vii. O mare parte a cantităţii de biomasă astfel produsa se consumă, în timp ce restul se degradează datorită mediului oxidant de la suprafaţa pământului, ajutând astfel la formarea combustibililor fosili.

Pentru producerea energiei electrice şi termice utilizând această resursă regenerabilă trebuie să coexiste şi să funcţioneze împreună două sisteme: cel de fumizare a biomasei, în calitate de combustibil şi cel de producere/utilizare a energiei electrice şi termice.

Până în anul 2010, în Uniunea Europeană se vor instala aproximativ 2.400 MW în centrale noi, iar în cazul adoptării unor politici favorabile, această creştere ar putea fi mai mare. Se estimează că în 2010 cantitatea de energie electricã produsă pe bază de biomasã va ajunge la 27 TWh/an în Uniunea Europeană şi la 291 TWh/an pe plan mondial.

În figura 11 este prezentată schema unei centrale de cogenerare folosind biomasa.

Figura 11. Centrală de cogenerare care utilizează biomasa

In prezent, circa 10-14% din alimentarea cu energie pe plan mondial provine din utilizarea biomasei, cea mai mare contribuţie (circa 33%) regăsindu-se în ţările slab dezvoltate, unde aplicaţia dominantă o reprezintă folosirea lemnelor de foc pentru gătit şi încălzit. In ţările industrializate contribuţia biomasei la alimentarea cu energie pe plan mondial se situează în jurul a 3%. In total, biomasa furnizează cca. 40-55 EJ anual pentru consumul mondial de energie, fiind utilizată pentru producerea electricităţii, căldurii sau combustibilului pentru transport .


- 30 -

3.4.3. Energia geotermală

Căldura naturală înmagazinată în scoarţa terestră conduce la apariţia energiei geotermale, care poate fi de joasă sau de înaltă temperatură. Teoretic, energia geotermală de joasă temperatură poate fi accesibilă în orice parte a globului, datorându-se creşterii naturale de temperatură în funcţie de adâncime (aproximativ 3°C la 100 m). Energia geotermală de înaltă temperatură este caracteristică zonelor vulcanice. In contact cu rocile fierbinţi, apele subterane ating temperaturi de sute de grade, realizându-se de multe ori o vaporizare parţială, această sursă de căldură putând fi valorificatã în cadrul unei centrale electrice. O posibilitate de geotermie artificială constă în folosirea căldurii magmei infiltrate în anumite zone până aproape de suprafaţă, la adâncimi de ordinul a 2000-7000 m. In acest caz se forează puţuri în care este injectată apă, producându-se astfel abur supraîncălzit.

Energia geotermala are aplicabilitate în domenii diverse, cum ar fi: utilizarea apei calde pentru satisfacerea unor nevoi de uz gospodăresc, comercial sau industrial, sisteme de încălzire şi climatizare (pompe de căldură), energie electrică obţinută prin conversia energetică a aburului de înaltă presiune etc. Întrucât resursele geotermale sunt relativ constante, acestea îşi găsesc utilitatea pentru satisfacerea nevoilor de energie fie în regim normal, fie pentru asigurarea necesarului de energie în regim de vârf de sarcină .

Figura 12. Centrală de cogenerare care utilizează energia geotermală

În figura 12. este prezentată schema unei centrale de cogenerare folosind energia geotermală.

La nivel mondial, centralele functionand pe baza de energie geotermală au o capacitate totală instalată de peste 8000 MW. Sistemele care convertesc energia geotermală pot furniza electricitate cu un factor de capacitate de sarcină anual de peste 90%.

În România se regăsesc surse hidrogeotermale (cu exploatare prin foraj extracţie) în geotermie de joasă entalpie (cu temperaturi cuprinse între 25 °C şi 60°C, în ape de adâncime)


- 31 -

şi geotermie de temperatură medie (de la 60 până la 125°C, în ape mezotermale). Sursele geotermale de joasă entalpie se utilizează la încălzirea şi prepararea apei calde menajere în locuinţe individuale, servicii sociale (birouri, învăţământ, spaţii comerciale şi sociale etc.), sectorul industrial sau spaţii zootehnice (sere, solarii, ferme pentru creşterea animalelor). Rezerva de energie geotermală cu posibilităţi de exploatare curentă în România este de circa 167.000 tep.

3.5. Trigenerarea

Plecând de la limitarea utilizării cogenerării în raport de necesarul de căldură care este sezonier, s-a dezvoltat conceptul de trigenerare.

Trigenerarea implică producerea simultană a energiei mecanice (electrice), a căldurii şi a frigului, pe baza unui singur combustibil utilizat; ea reprezintă o extindere a cogenerării şi se înscrie în conceptul ecogenerare, care înglobează soluţii tehnice de producere optimizată a unor energii curate într-un sistem.

Dezvoltarea trigenerării are la bază soluţiile analizate cu MT şi TG.

În diagrama exergetică prezentată în figura 13 se poate observa efectul energetic optimizat al folosirii energiei primare.

Conceptul de trigenerare se regăseşte şi sub alte denumiri:

a) CHCP (combined heating, cooling and power generation);

b) IES (integrated energy system);

c) DES (district energy system).

Ca rezultat al trigenerării se pot obţine: apă fierbinte, abur, apă răcită şi energie electrică. Acestea îşi găsesc utilitatea pentru unele destinaţii privilegiate: spitale, şcoli, supermarketuri, teatre, aeroporturi, colegii/universităţi, clădiri de birouri, clădiri guvernamentale, hoteluri, restaurante etc.

Figura 13. Diagrama exergetică a trigenerării


- 32 -

Eficienţa energetica a trigenerării poate ajunge să depăşească cu până la 50% pe aceea a unei cogenerări cu ciclu combinat.

A treia formă de energie produsă – frigul – poate rezulta prin utilizarea directă a energiei mecanice a unui motor sau a unei turbine sau poate fi produs indirect, prin intermediul unui grup de absorbţie.

Trigenerarea, ca soluţie energetică ce combină tehnica cogenerării şi producerii frigului prin absorbţie, oferă avantaje considerabile care o impun în strategia energetică actuală şi viitoare:

a) producerea de electricitate, căldură şi frig pornind de la gaze naturale;

b) utilizează apa ca fluid frigorific;

c) diminuează mult efectele poluante asupra atmosferei.

În figura 14 este prezentată schema de funcţionare a unei instalaţii de trigenerare.

Combustibilul – gaz natural – alimentează un motor dintr-o instalaţie de cogenerare, cuplat la un alternator, pentru a produce energie electrică utilizată atât pentru autoconsum, cât şi pentru livrare în reţea.

Căldura produsă de motor în timpul combustiei este valorificată parţial pentru alimentarea unei reţele de încălzire urbană şi apoi a unui absorber cu apă caldă. Acesta, la rândul lui, produce un amestec apă – gheaţă pentru o reţea urbană de climatizare. Un cazan (pe gaz) permite producerea unui supliment de apă caldă şi de apă cu gheaţă (prin intermediul absorberului cu apă caldă). Un al doilea absorber pe gaz şi un turbocompresor asigură un supliment de sarcină frigorifică. Fluidele frigorifice utilizate sunt: vapori de apă pentru absorberele cu bromură de litiu şi agentul R134a pentru turbocompresor (epurat de particulele de clor).

Figura 14. Schema de funcţionare a unei instalaţii de trigenerare


- 33 -

Bibliografie selectivă

1. Bianchi Ana-Maria - “Thermodynamique”, Université Technique de Constructions Bucarest, 1997.

2. Frunzulică R., Ţoropoc M. - “Cogeneration et réseaux de chaleur”, Editura PRINTECH, Bucureşti, 2002.

3. Levy C. - “Les techniques de cogeneration”, Génie Énergetique, Paris, 1998.

4. Chiriac F., Dumitrescu R. - “Sisteme de cogenerare şi trigenerare. Concepţii privind situaţia din România”, Simpozionul “Instalaţii pentru Construcţii şi Confortul Ambiental”, Timişoara, 2004.

5. Directive 2004/8/EC of the European Parliament and of the Council / 1 Feb. 2004 on the promotion of cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC

6. *** – “Renewables Made in Germany”, DENA, 2007.

7. Bianchi Ana-Maria, Băltăreţu Fl., Drughean L., Teodorescu D. – “Energetique Urbaine et Energies renouvelables”, Grenoble-INP, 2008.

8. Iliescu M. – “Implementarea cogenerării de mică şi medie putere – utilizarea surselor de energie regenerabilă”, Lucrare de dizertaţie – Studii aprofundate, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, 2007.

9. Ioniţă Claudia – “Contribuţii la studiul sistemelor de cogenerare”, Teză de doctorat, Universitatea “Politehnica” Bucureşti, 2008.

Documents

225405904 Sisteme de Cogenerare