A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA,

Dorin Pavel

SISTEM CENTRALIZAT DE ALIMENTARE CU CALDURĂ, BAZAT PE RESURSE GEOTERMALE, ÎN ORAŞUL

CĂLIMĂNEŞTI – JUD. VÂLCEA

Natalia BURCHIU1, Victor BURCHIU2, Liviu GHEORGHIU 3 Rezumat: Lucrarea cuprinde o scurtă descriere a caracteristicilor fizice şi a potenţialului energetic al resurselor geotermale din perimetrul staţiunilor balneare Căciulata – Calimăneşti, din jud. Vâlcea şi soluţia de integrare a resurselor geotermale disponibile în perimetru, pentru extinderea utilizării acestora şi în oraşul Călimăneşti. Soluţia propune alimentarea centralizată cu căldură, a blocurilor cu apartamente existente, bazată pe energie geotermală, în cooperare cu centralele termice existente, pe combustibil lichid. Lucrarea prezintă în final şi principalii indicatori rezultaţi din analiza economico-financiară preliminară a proiectului.

1.POTENŢIALUL SURSELOR GEOTERMALE

1.1 Parametrii apei geotermale. În perimetrul geotermal şi de utilizare Cozia - Căciulata - Călimăneşti apa geotermală

este furnizată din trei sonde, forate la adâncimi de peste 3000 m.

Cele trei sonde energetice sunt amplasate pe malul drept al râului Olt (fig.1), la

distanţe de circa 1-1,2 km una de cealaltă, între staţiunea balneară Călimăneşti, până la

ieşirea din staţiunea Căciulata, spre Mânăstirea Cozia .

1 Doctor inginer, cercetător ştiinţific principal gr.I la ICEMENERG Bucureşti 2 Profesor univ.doctor inginer la USA MV – FIF IM Bucureşti 3 3Doctor inginer, director MULTIGAMA Tech s.r.l, reprezentant KSB pentru Romania

Fig.1 Perimetrul de exploatare geotermală Călimăneşti - Căciulata – Cozia

Resursele produse în acest perimetru au un potenţial energetic atractiv, rezidând în

parametrii ridicaţi ai apei produse (temperaturi de 90÷96°C şi debite arteziene situate între

10…23 l/s), după cum urmează:

- Sonda 1006 Caciulata: 9,4 l/s (33,8 m3/h), 96°C;

- Sonda 1008 Cozia: 23 l/s (82,8 m3/h), 92°C;

- Sonda 1009 Călimăneşti: 18 l/s (64,8 m3/h), 92°C.

In acelaşi timp, chimismul resursei geotermale s-a dovedit a nu pune probleme

deosebite, dintre cele care ar fi necesitat măsuri speciale şi de regulă extrem de costisitoare

(ex: reinjecţia apei uzate), pentru prevenirea poluării termice sau chimice a emisarului - râul

Olt, în care se evacuează apa uzată termic(după extragerea căldurii, în scop util).

Din acest motiv, încă de la începuturile exploatării energetice a resurselor geotermale

în acest perimetru (anul 1984), nu a fost proiectată reinjectarea în zăcământ a apei uzate

termic; o astfel de decizie ar fi ridicat considerabil costurile exploatării sondelor, având în

vedere investiţiile suplimentare pe care le-ar fi antrenat forarea sondelor de injecţie.

1.2. Gazele asociate cu apa geotermală

Potenţialul energetic al resurselor geotermale produse în acest perimetru este cu atât

mai promiţător, cu cât, încă de la probele de producţie efectuate la punerea în funcţiune a

sondelor 1006 şi 1008 (în anii 1983 - 1984) s-a constatat prezenţa în apa produsă, a unor

raţii mari de gaze, de ordinul a 2 ÷ 2,3 Nm3 / m3 apă produsă, cu o pondere de peste 85 %

metan (tab.1). Tab. 1 Compoziţia şi raţiile de gaze asociate cu fluidul geotermal, măsurate la

sondele din perimetrul Călimăneşti - Căciulata - Cozia Sonda 1006 Căciulata

Sonda 1008 Cozia

Sonda 1009 Călimăneşti Compoziţia şi raţia de gaze

asociate cu apa geotermală (Nm3 gaz/m3 apă)

Parametrii sondei în timpul recoltării probei:

Debit apă:32‚4m3/h Temp. gaze : 87°C

Debit apă: 57,6 m3/h Temp. gaze :89°C

Debit apă: 28,8 m3/h Temp. gaze: 85°C

Azot (N2) 0,2638 0,2928 0,3524

Dioxid de carbon ( CO2) 0,0247 0,0198 0,0264

Metan (CH4) 2,1561 1,6545 2,2389

Etan (C2H6) 0,0200 0,0129 0,0193

Propan (C3H8) 0,0042 0,0032 0,0028

i-Butan (C4H10) 0,0002 0,0008 0,0003

n-Butan (C4H10) 0,0007 0,0010 0,0003 Raţia totală de gaze, din care: Raţia de gaze combustibile

2,47 2‚18 (88%)

1,985 1‚67 (84%)

2,6404 2‚2616 (86%)

Puterea calorifică (MJ/Nm3) a amestecului de gaze, în condiţii normale

31‚7 30,5 30,6

Puterea calorifică a amestecurilor de hidrocarburi gazoase recoltate din apa produsă

de aceste sonde, în cursul mai multor campanii de măsurători făcute între 1997 şi 1999 a

rezultat de circa 31-32 MJ/Nm3 (vezi tab. 1).

Soluţia tehnologică pentru captarea în scop util, a gazelor separate din apa geotermală

obţinută la capul de producţie al sondelor, a fost studiată şi modernizată, în scopul aplicării

la cele trei sonde energetice existente, în perimetrul geotermal Căciulata – Călimăneşti

(sondele 1006 Căciulata, 1008 Cozia şi 1009 Călimăneşti).

1.3. Potenţialul energetic valorificabil al resurselor geotermale

Estimarea potenţialului energetic al apei geotermale şi al gazelor asociate (tab.2) s-a

făcut în două ipoteze privind evoluţia productivităţii sondelor:

- Ipoteza 1: Continuarea exploatării celor trei sonde, cu echiparea actuală, pentru un

debit total de apă produsă de 50,4 l/s, cu o temperatură medie rezultantă de 92,6°C,

rezultând un potenţial termic calculat de 13,24 MWt. Adăugând şi potenţialul orar brut de

3, 41 MWt, al gazelor cu valenţe combustibile separate din apă, rezultă o pondere a

acestora de 20,5 % în totalul energiei brute furnizate de sursele geotermale (1,364 tep/h).

- Ipoteza 2 : Reechiparea celor trei sonde cu ţevi noi de producţie, de diametre

optimizate, rezultând un debit maxim capabil de 68 l/s şi o temperatură medie rezultantă de

92,6°C. Potenţialul orar brut total ar creşte la 19,7 MWt (1,613 tep/h) din care, cel aferent

gazelor recuperate ar fi de 4,73 MWt (24% pondere în total).

Considerând un randament mediu global de ordinul 55 - 60 % al sistemului, energia

utilă finală rezultată este de 301.835 GJ/an, în ipoteza 1, însemnând încălzirea şi apa caldă

asigurată tot anul pentru circa 5030 locuinţe convenţionale sau alţi consumatori termici

echivalenţi.

În aceleaşi condiţii, în ipoteza 2, energia utilă obţinută ar fi de circa 357208 GJ pe

an – cu care s-ar putea asigura încălzirea iarna şi apa caldă de consum, tot timpul anului,

pentru circa 5953 locuinţe convenţionale sau alţi consumatori termici echivalenţi din oraşul

Călimăneşti.

Tab.2 Potenţialul energetic brut rezultat din apă geotermală şi gaze recuperate, la cele trei sonde energetice din perimetrul Călimăneşti - Căciulata - Cozia

Caracteristicile producţiei de resursă Putere termică maximă

Nr. Crt.

Perimetrul Sondă

Regim de prod.

Debit apă Raţie gaze

Temp. apei la capul sondei

din apă* din gaze(metan)

Total putere termică echivalentă Observaţii

l/s / Nm3/m3 apă (°C) (MWt) (MWt) (MWt) (tep/h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ipoteza 1: La parametrii actuali de producţie ai sondelor:

1. Sonda 1006 Căciulata

artezian 9,4 / 2,47 96 2,60 0.70 3,30 0,249 Pci = 32 MJ/m3

2. Sonda 1008 Cozia

artezian 23 / 1,98 92 5,97 1,32 7,29 0,616 Pci = 30,5 MJ/m3

3. Sonda 1009 Călimăneşti

artezian 18 / 2,645 92 4,67 1,39 6,06 0,748 Pci = 31 MJ/m3

TOTAL

50,4 / 2,31

92,7

13,24

3,41

16,65

1, 364

Pondere pot. energetic gaze:

24%

Ipoteza 2: La parametrii optimizaţi pe toate trei sondele 1. Sonda 1006

Căciulata artezian 10 / 2,47 96 2,34 0,70 3,04 0,249 Pci = 32 MJ/m3

2. Sonda 1008 Cozia

artezian 28 / 1,98 92 6,09 1,43 7.52 0,616 Pci = 30,5 MJ/m3

3. Sonda 1009 Călimăneşti

artezian 30 / 2,645 92 6,53 2,60 9.13 0,748 Puterea calorificăa gazelor:

Pci = 31 MJ/Nm3

TOTAL

68 / 2,345

14,96

4,73

19,69

1,613

Pondere pot. energetic gaze:

24%

2.SOLUŢIE DE INTEGRARE A RESURSELOR GEOTERMALE ÎN SISTEMUL EXISTENT DE ALIMENTARE CU CĂLDURĂ AL ORAŞULUI CĂLIMĂNEŞTI

2.1 Scheme de utilizare descentralizată a resurselor geotermale în perioada 1984-2000.

În faza premergătoare atacării proiectului de extindere a geotermiei către oraşul

Călimăneşti, apa geotermală era utilizată în scopuri energetice sub forma unor mici

instalaţii locale, realizate în staţiunile balneare Căciulata şi Călimăneşti. Beneficiarii

preluau apa, folosind-o pentru încălzire şi preparea de apă caldă de consum în hoteluri şi

vile turistice, inclusiv direct în cura balneară şi pentru agrement (piscine cu apă termală). În

acelaşi timp, gazele asociate cu apa (85% metan) se evacuau în mediul ambiant, conform

procedurii standard de degazare atmosferică a apei geotermale la capul sondelor.

Instalaţiile de utilizare a apei geotermale au fost realizate de beneficiarii direcţi

(agenţii economici contractanţi), ca bucle individuale conectate la o sondă (fig. 2, 3 şi 4).

Fig. 2 Schema instalaţiilor de utilizare la s.1006 Căciulata 1- sonda geotermală; 2- dispozitiv de măsurare debit; 3a,3b- degazoare; 4a,4b- staţii de pompare a.g.; 5 - schimbător de căldură - tr.I încălzire; 6 - schimbător de căldură - tr.II preparare a.c.c.; 7 - bazin cu apă termală; 8- 10 instalaţii de încălzire 90/70°C, în hoteluri; 9- schimbător de căldură cu plăci -SCP tr.I încălzire; 11 - schimbător de căldură cu plăci - SCP tr.II preparare a.c.c.; 12 - piscină cu apă termală.

Fig. 3 Schema instalaţiilor de utilizare la s.1008 Cozia

1-sonda geotermală; 2- dispozitiv de măsurare debit ; 3-degazor; 4- schimbătoare cu plăci -tr.I încălzire; 5 - schimbătoare de căldură cu plăci- tr.II a.c.c.; 6 - rezervor de stocare apă geotermală uzată termic; 7- piscină acoperită cu apă termală la h. Olt sau bazin agrement, în aer liber, în perioada de vară.

Fig. 4 Schema instalaţiilor de utilizare la s.1009 Călimăneşti.

1- sonda de producţie; 2- dispozitiv de măsurare debit; 3 - degazor; 4- schimbătoare de căldură cu plăci -tr.I încălzire; 5 - schimbătoare de căldură cu plăci - tr.II preparare a.c.c.

Conform schemelor de principiu, fiecare buclă geotermală individuală deserveşte

utilităţile termice - încălzire spaţială şi apă caldă de consum, ale unor hoteluri, vile sau

clădiri cu birouri aparţinând unuia sau cel mult doi beneficiari (fig.2-s.1006 Căciulata).

2.2. Sistem geotermal integrat de încălzire urbană, pentru oraşul Călimăneşti

Până în anul 2002, oraşul Călimăneşti (circa 8500 de locuitori), situat la circa 1,2 km

de locaţia sondei 1009 (ultima forată în perimetru după 1990) nu a beneficiat de apă

geotermală ca agent energetic, aceasta fiind exploatată local doar în staţiunile balneare

învecinate.

Proiectul extiderii geotermiei şi în oraşul Călimăneşti, demarat cu resurse interne a

fost ulterior sprijinit pe diferite filiere şi de către Comunitatea Europeană.

Schema de integrare a resurselor geotermale produse de cele trei sonde din perimetru

(fig.5), a fost concepută şi dimensionată pentru utilizarea extinsă a resurselor disponibile de

energie geotermală, în asigurarea încălzirii centralizate a locuinţelor din oraşul Călimăneşti,

fără a afecta folosinţele existente ale apei geotermale la beneficiarii existenţi din staţiunile

balneare învecinate.

Fig.5 Schema termomecanică a buclei geotermale extinse până la noua staţie geotermală centrală, pentru alimentarea cu căldură bazată pe resurse geotermale, a consumatorilor din oraşul Călimăneşti.

Soluţia de valorificare a apei geotermale a fost concepută pentru a rezolva, în primul

rând, o problemă acută de deficit de căldură al consumatorilor urbani din oraşul

Călimăneşti, deficit datorat funcţionării ineficiente şi, din acest motiv, extrem de

costisitoare, a vechilor centrale termice existente, funcţionând exclusiv pe combustibil

lichid (CLU).

Soluţia proiectată include realizarea unei staţii geotermale centrale, amplasată în

imediata vecinătate a sondei 1009, unde să poată fi colectat debitul excedentar de apă

geotermală, de la toate cele trei sonde şi, pe baza acestuia, cu ajutorul unor schimbătoare de

căldură cu plăci din titan, de înaltă performanţă să poată fi preparat agentul termic

intermediar, transportat şi distribuit proporţional la centralele termice urbane existente în

oraşul Călimăneşti (fig.6).

Proiectul iniţial a inclus şi concepţia optimizată a instalaţiei de captare şi introducere

în circuitul util a gazelor cu valoare combustibilă (85% metan), captate din apa produsă de

sondele1008 Cozia şi 1009 Călimăneşti.

Fig.6 Staţie geotermală centrală (SGC) şi circuitul intermediar de apă caldă, către CT urbane din oraşul Călimăneşti.

1- colector –distribuitor de apă geotermală; 2- schimbătoare de căldură cu plăci (3 x1,24 MWt); 3-pompe de circulaţie apă caldă; 4- vas de expansiune închis; 5- staţie de dedurizare apă reţea; 6-7 colector –distribuitor apă caldă; 8-9 contoare de căldură; 10 - colector de apă caldă la CT urbane; 11- SCP pentru a.c.c, la CT.

Intrucât la data elaborării proiectului de extindere a geotermiei, oraşul nu beneficia

de o distribuţie de gaze naturale prin reţeaua naţională, posibilitatea folosirii suplimentare şi

a gazelor asociate cu apa geotermală, constituia o oportunitate suplimentară de a se

îmbunătăţi eficienţa alimentării cu căldură a populaţiei din Călimăneşti, însemnând totodată

creşterea confortului şi reducerea costurilor utilităţilor termice.

Deşi resursa de bază a sistemului geotermal extins rămâne apa de 92°C, prin

recuperarea şi introducerea în circuitul util, a gazelor cu valoare combustibilă se estima o

creştere cu circa 20% a potenţialului energetic valorificabil din geotermie, pentru deservirea

unor procese termice utile, la diverşi beneficiari locali.

3. INDICATORI TEHNICO ECONOMICI ŞI CONCLUZII

Soluţia nou propusă asigură pe ansamblu următoarele efecte energetice şi economice:

- Căldură utilă livrată din apa geotermală: 44947 Gcal/an, din care, 11176 Gcal/an

(25%) căldura asigurată în oraşul Călimăneşti (încălzire şi apă caldă de consum în

locuinţele populaţiei, clădiri publice, spaţii comerciale şi turistice).

- Captarea gazelor combustibile la s.1008 şi la s.1009 şi utilizarea locală prin ardere

a acestora, la consumatorii arondaţi, însemnând circa 834800 Nm3/an gaze recuperate

(putere calorifică inferioară 32 MJ/ Nm3 -7644 kcal/ Nm3).

- Rata internă de rentabilitate economică a proiectului: RIR =21%.

- Costul căldurii utile produse a rezultat de sub 10 $/ Gcal. Comparativ cu costul de

peste 25 $/ Gcal, al căldurii produse la nivelul anului 1997 în centralele termice urbane pe

CLU, existente în oraşul Călimăneşti, proiectului de extindere a geotermiei în perimetrul

Căciulata-Călimăneşti s-a dovedit a fi evident o soluţie fezabilă şi dezirabilă atât pentru

populaţie cât şi pentru autorităţile locale.

Primăria Călimăneşti şi-a asumat implementarea proiectului de extindere a geotermiei

în oraşul Călimăneşti, lucrările debutând în anul 2001, cu sprijinul logistic şi financiar al

unei companii austriece. Până la finele anului 2002 erau deja realizate: staţia geotermală

centralizată (SGC) de lângă s.1009, circuitul intermediar de apă caldă preparată la SGC (cu

apă geotermală), inclusiv conexiunile la centralele termice existente din oraşul Călimăneşti,

astfel că, în ultimele trei sezoane de încălzire, populaţia din Călimăneşti a putut beneficia

de căldură furnizată nerestrictiv din noul sistem geotermal.

4. BIBLIOGRAFIE [1] BURCHIU, Natalia– Geothermal Energy Industrial Development in Romania , raport de sinteză la workshop-ul: „Promoting renewable energy industrial development in Bulgaria and Romania”, Bucureşti, martie 1999 (THERMIE B proiect no1694-98-GB) [2] BURCHIU, V., BURCHIU, Natalia, DRĂGAN, V. – Energii neconvenţionale curate şi utilizarea acestora, Ed.BREN, Bucureşti, 2004