A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA,

Dorin Pavel

ANALIZA EFICIENŢEI TEHNICO- ECONOMICE A UNOR APLICAŢII GEOTERMALE DE ÎNCĂLZIRE URBANĂ

Victor BURCHIU1, Natalia BURCHIU2, Liviu GHEORGHIU3

Rezumat: În lucrare sunt evidenţiate rezultatele analizei tehnico-economice efectuate pentru evaluarea

intrinsecă şi comparativă a cinci proiecte tipice (aplicaţii) urmarind utilizarea resurselor geotermale de

joasă entalpie pentru producerea de căldură utilă în procese de încălzire a clădirilor, preparare de apă caldă

de consum şi/sau tehnologică, etc. Sunt incluse schemele de principiu, caracteristicile surselor, resurselor şi

ale consumurilor termice asigurate, caracteristicile tehnice şi indicatorii energetici ai soluţiilor de sistem,

precum şi principalii indicatori de eficienţă economică ai aplicaţiilor evaluate.

1. INDICATORII TEHNICI ŞI ENERGETICI AI SOLUŢIILOR PROIECTE.

Calculul principalilor indicatori tehnici şi energetici se bazează pe schemele

elaborate, ţinând seama de caracteristicile resurselor geotermale disponibile şi de

caracteristicile consumurilor termice asigurate.

Schemele de principiu incluse în fig.1…5, sunt definite prin caracteristicile sursei

geotermale şi consumurile termice asigurate, tipologia şi caracteristicile echipamentelor de

bază incluse în buclele geotermale şi în circuitele utilizatoare.

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

1.1. Aplicaţia I (fig.1)

Conform schemei din fig.1, apa geotermală este produsă dintr-o sondă existentă de

adâncime medie (≤ 2500 m), care debitează în regim artezian 10 l/s (36 m3/h), apă cu

temperaturi de 50…70°C.

Fig.1 Instalaţie pentru prepararea şi distribuţia centralizată de apă caldă de consum menajer sau tehnologic,

de max. 62°C, prin răcirea apei geotermale într-o singură treaptă. 1-sonda geotermală; 2- degazor atmosferic (50 m3); 3- pompe de circulaţie; 4- conductă transport apă geotermală (500ml, Dn100); 5-schimbătoare de căldură cu plăci; 6- rezervor acumulare a.c.c. (60°C, 118 m3).

1.1.1. Caracteristicile sursei şi resurselor geotermale.

Potenţialul termic al sondei este de 1,507 MWt (1,296 Gcal/h) fiind estimat în ipoteza

răcirii apei până la 25...30°C. Diponibilitatea operaţională a sondei este de circa 7900

ore/an, iar durata medie de viaţă a forajului şi a echipamentelor este de 20 de ani.

1.1.2.Domeniu de aplicare şi consumuri termice asigurate.

Soluţia tehnică propusă poate acoperi următoarele situaţii:

• alimentarea cu apă caldă de consum (max. 60°C) a unor clădiri de locuit , însumând

circa 1700 apartamente convenţionale, spaţii comerciale, birouri, unităţi de mică

industrie, etc.;

• clădiri cu activităţi specifice de producţie industrială dotate cu grupuri sanitare, care

deservesc schimburi de lucru de până la 500 - 600 muncitori/schimb.(debite medii

orare de 20 - 25 m3/h, însumând un consum de apă caldă, de până la 600 m3/zi ).

1.1.3.Indicatorii energetici ai soluţiei

Indicatorii energetici care au stat la baza calculelor economice efectuate pentru

acest tip de instalaţie geotermală sunt incluşi în tabelul centralizator (tab.1).

Astfel, cantitatea anuală de căldură utilă estimat a fi produsă în soluţia proiectată

este de 41058 GJ.Economia netă de combustibil fosil, estimată în raport cu o centrală

termică pe combustibil lichid care ar produce efecte echivalente, este de 1177 tep/an.

1.1.4.Indicatorii de eficienţă economică

Costurile totale de investiţii Itot = 524345 USD estimate în această soluţie, includ:

realizarea sondei geotermale şi a instalaţiilor de la capul sondei, staţia de pompare şi

conductele de transport, echiparea PTG şi conducte de evacuare a apei uzate termic la

emisar. Investiţiile pentru amenajarea sursei deţin ponderea majoră (peste 76%) în total.

Corespunzător unei producţii anuale estimate la 41058 GJ (9808 Gcal/an),

cheltuielile anuale inclusiv amortismentele au rezultat de 93062 $ şi respectiv, 66851$ -

cheltuielile anuale fără amortismente. .

Principalii indicatori de eficienţă economică ai soluţiei sunt prezentaţi în tabelul

centralizator (tab.2). Date fiind rezultatele favorabile ale analizei, respectiv valorile

indicatorilor dinamici: VNA>0, RVNA=1,1 şi RIR=24,3 se poate conchide că, în ipotezele

de calcul asumate, un astfel de proiect geotermal prezintă garanţiile unei aplicaţii fezabile..

1.2. Aplicaţia II (fig 2 )

Instalaţia realizată conform schemei de principiu din fig.2 se bazează pe un dublet

geotermal, constituit din două sonde existente. Sonda produce prin electropompă

submersibilă, cu un convertizor de frecvenţă, care asigură parametrii indicaţi (6..30 l/s, apă

de max.65°C). Apa trece prin două trepte de schimbătoare de căldură amplasate la un PTG

centralizat, după care va fi reinjectată în colectorul de provenienţă, prin sonda de injecţie.

Principalele caracteristici ale producţiei de resursă sunt următoarele:

• Debit nominal în perioada de încălzire: 30 l/s (108 m3/h)

• Debit mediu produs, în perioada de vară : 6 l/s (21,6 m3/h) • Temperatura apei produse la capul de sondă: 62°C…65°C

• Potenţialul termic (teoretic) al sondei:

- iarna: 4,395 MWt (3,78 Gcal/h)

- vara: 0,804 MWt (0,69 Gcal/h)

• Durata medie de viaţă aferentă sondei şi instalaţiilor de suprafaţă: 20 ani

Fig. 2 Instalaţie de încălzire şi preparare centralizată a apei calde de consum, prin răcirea apei geotermale în

două treapte înseriate, cu surse de vârf descentralizate (CT la consumatorii finali). 1-Sondă de producţie prin pompă submersibilă; 2-degazor (50 m3); 3-pompe de circulaţie; 4-conductă transport apă geotermală; 5- SCP tr.I încălzire 55/40°C; 6-sursă de vârf (CT); 7- SCP tr.II, preparare a.c.c de 40 - 60°C; 8-rezervor acumulare a.c.c, de 120 m3 volum util; 9- rezervor de apă geotermală uzată termic (50 m3); 9-pompă de injecţie apă uzată; 11- sondă de injecţie a apei uzate termic..

Necesarul anual de căldură aferent încălzirii spaţiale (inclusiv în regim de vârf) şi

preparării apei calde de consum pentru 1000 ap. echivalente racordate la punctul termic

geotermal (PTG) se cifrează la circa 75 549 GJ (18.048 Gcal) din care 86,6% - asigurată

din geotermie şi 10.134 GJ (2421 Gcal/an) - din surse de vârf descentralizate (centrale

termice de imobil).

Energia utilă livrată consumatorilor termici pe baza resurselor geotermale a fost

estimată la 65.415 GJ (15.627 Gcal/an), din care circa 62% pentru încălzirea de joasă

temperatură din perioada de iarnă. Participaţia surselor de vârf descentralizate (mici

centrale termice de imobil sau apartament) a fost estimată la circa 10.134 GJ, însemnând

până la 20% din necesarul total de încălzire al consumatorilor conectaţi la sistem.

Indicatorii de rentabilitate economică intrinsecă şi comparativă, ai soluţiei geotermale

sunt prezentaţi în tab.2 centralizator.

In ipotezele asumate, deşi acest proiect ar asigura o rată a venitului net actualizat

(RVNA) mai mică decât cea rezultată în cazul aplicaţiei I, valorile indicatorilor dinamici de

eficienţă intrinsecă a soluţiei (VNA>0 şi RIR = 14,1 %) indică un proiect viabil şi din

punct de vedere economico-financiar.

1.3. Aplicaţia III (fig.3 )

Instalaţia a cărei schemă de principiu este prezentată în fig.3 se bazează pe o sondă

geotermală existentă, în producţie arteziană, capabilă să debiteze în perioada de încălzire

(octombrie - aprilie) un debit maxim de până la 15 l/s (54 m3/h)- apă cu temperatura de

70°C, respectiv 6 l/s (21,6 m3/h), apă la 65°C - în perioada de vară, când debitul sondei

poate fi redus, pentru a se permite refacerea presiunilor de zăcământ.Corespunzător

parametrilor de producţie asiguraţi de sondă, puterea termică nominală (calculată în ipoteza

răcirii apei pâna la min.30°C) este de 2,51 MWt (2,16 Gcal/h) – iarna, respectiv de 0,88

MWt (0,756 Gcal/h) – în perioada de vară, la funcţionarea cu debit redus.

Fig.3 Instalaţie de încălzire şi preparare a apei calde de consum prin răcirea apei geotermale în trei trepte

înseriate, cu sursă de încălzire auxiliară şi acumulare de apă caldă de 60°C. 1- Sondă geotermală; 2-degazor (50 m3); 3- pompe de circulaţie; 4- conductă de transport apă geotermală, (500 ml, Dn 150); 5-SCP - tr. I încălzire; 6-SCP- tr.II încălzire; 7- SCP - preparare a.c.c; 8- acumulator de a.c.c ( 60°C, 40 m3 volum util); 9- sursă auxiliară (cazan de apă caldă pe combustibil lichid).

Durata anuală efectivă de producere a sondei a fost estimată la 7920 ore/an iar durata

de viaţă medie a forajului şi echipamentelor de suprafaţă este de 20 ani.

Valorile principalilor indicatori ai soluţiei geotermale (tab.2 ) indică faptul că şi acest

proiect este eficient din punct de vedere economic, realizând o rată internă de rentabilitate

de peste 24 % şi CTA cu circa 32% mai reduse în raport cu soluţia alternativă clasică

echivalentă ca efect util (centrala termică pe păcură).

1.4. Aplicaţia IV (fig.4 )

Instalaţia a cărei schemă de principiu este prezentată în fig.4 se bazează pe o sondă

geotermală existentă care produce prin electropompă submersibilă dotată cu variator de

frecvenţă.

Fig.4 Instalaţie de încălzire şi preparare centralizată de a.c.c, prin răcirea apei geotermale în două trepte

înseriate, cu pompă de căldură în circuitul utilizator (încălzire prin pardoseală) şi sursă de vârf centralizată. 1-Sondă cu producţie prin pompă submersibilă; 2-degazor atmosferic (50 m3); 3-pompe de circulaţie; 4-conductă de apă geotermală (250 ml, Dn 200); 5-SCP tr. I încălzire 55/40°; 6-sursă de vârf încălzire; 7-SCP tr. II preparare a.c.c. (40 – 60°C); 8-rezervor acumulare a.c.c. (40…60°C), 120 m3 volum util; 9-pompă de căldură apă – apă cu compresie mecanică de vapori, R22 (Pt = 665,4 kWt, Pel = 149,2 kW).

Debitul maxim furnizat de sondă este de 25 l/s, în perioada de iarnă, apă cu

temperatura de max.65°C, respectiv 6 l/s, apă de 62°C - în sezonul cald.

Durata anuală totală de producere a sondei, la debitele prescrise este de 7920 ore/an.

Durata de viaţă medie a forajului şi echipamentelor de suprafaţă este de 20 ani.

Corespunzător parametrilor asiguraţi, potenţialul termic (teoretic) al sursei geotermale

a fost estimat la 3,66 MWt (3,15 Gcal/h) – iarna, respectiv 0,8 MWt (0,69 Gcal/h), în

perioada de vară.

Instalaţia geotermală proiectată în conformitate cu schema din fig.4 reprezintă un

exemplu tipic de aplicaţie a geotermiei prin pompă de căldură pentru creşterea eficienţei

valorificării potenţialului energetic al resursei de bază: apa geotermală cu temperaturi de

max.65°C. Instalaţia deserveşte în sistem centralizat o grupare de consumatori urbani

(cca. 1000 apartamente echivalente), asigurându-le iarna, încălzirea directă şi asistată prin

pompă de căldură în sistem de joasă temperatură (încălzire prin pardoseală), precum şi

apa caldă de consum,tot timpul anului.

Apa caldă de consum se prepară în PTG la sarcina medie orară necesară, iar

.variaţiile cererii de apă caldă sunt satisfăcute prin intermediul capacităţii de acumulare

prevăzute (120 m3). Sursele de căldură ale sistemului, participă la asigurarea necesarului

anual total de energie termică, pentru încălzire şi apă caldă, în proporţiile: geotermie prin

SCP-75,2% şi geotermie prin pompă de căldură (indirectă)-12,2%; CT vârf-12,6%.

Valorile principalilor indicatori ai soluţiei geotermale (tab.2 ) indică faptul că şi

acest proiect este eficient din punct de vedere economic, realizând o rată internă de

rentabilitate de peste 18 % şi CTA cu circa 26% mai reduse în raport cu alternativa clasică

echivalentă ca efect util (centrala termică pe păcură)

1.5. Aplicaţia V (fig.5 )

În cazul instalaţiei din fig.5, apa geotermală este produsă dintr-o sondă forată la medie

adâncime (≤ 2500 m), care debitează în regim artezian; sonda a fost proiectată special

pentru a deservi instalaţiile de valorificare de la suprafaţă, ale unui consumator industrial.

Fig. 5 Instalaţie locală de preparare şi distribuţie de apă caldă de consum sau tehnologică cu temperaturi

≥ 55°C, cu răcirea apei geotermale în două trepte (SCP şi pompă de căldură cu vaporizator intercalat în bucla geotermală).

1-Sondă geotermală în producţie arteziană; 2-degazor atmosferic (50 m3); 3-pompe de apă geotermală ; 4-conductă de apă geotermală, ţevi preizolate îngropate (50 ml, Dn 100); 5-SCP tr. I - preparare a.c.t. (47°C); 6-pompă de căldură apă - apă (Pt = 181 kWt, Pel = 40 kW); 7- acumulator de a.c.c. (55°C, 100 m3).

Apa geotermală este produsă dintr-o sondă forată la medie adâncime (≤ 2500 m)

special proiectată pentru a deservi instalaţiile de valorificare de la suprafaţă.. Sonda poate

debita în regim artezian, 10 l/s (36 m3/h), apă cu temperatura de 50°C la ieşire.

Potenţialul termic (teoretic) al sondei este de 837000 kWt (0,72 Gcal/h), calculat în

ipoteza răcirii apei geotermale până la 30°C.

Investiţia are o valoare totală de Itot= 523120 $ proporţie majoră (76%) revenind

realizării forajului şi echipării de suprafaţă a sursei geotermale, respectiv circa 18% din

costurile totale de investiţii sunt atribuite echipării punctului termic geotermal.

Valorile principalilor indicatori ai soluţiei geotermale (tab.2) indică faptul că proiectul

este eficient din punct de vedere economic, având o rată internă de rentabilitate de peste 13

%, mai mare decât cea cu care a fost calculat venitul net actualizat (i=10%).

2. CONCLUZII PRIVIND EFICIENŢA ECONOMICĂ A APLICAŢIILOR GEOTERMALE (fig.1….5)

Indicatorii tehnico-economici care au stat la baza analizei rentabilităţii economice a

celor cinci aplicaţii geotermale prezentate sunt centralizaţi în tab.1 şi 2.

Din examinarea rezultatelor analizei făcute pe baza criteriilor de eficienţă

economică, intrinseci şi respectiv cele de comparare cu alternativa clasică echivalentă, de

producere a căldurii utile, rezultă următoarele concluzii:

- Toate soluţiile exemplificate realizează economii nete de energie primară

(echivalent petrol) în raport cu soluţia clasică alternativă, situate în plaja 758 ÷ 1727 tep/an,

determinate în principal de calitatea şi cantitatea resursei geotermale disponibile, de schema

de valorificare adoptată şi nu în ultimul rând, de mărimea şi durata anuală a consumurilor

termice asigurate (gruparea de consumatori deservită).

- Durata simplă de recuperare (DR) a costurilor de investiţii din economia la

cheltuielile anuale rezultă între min.3,2 ani pentru aplicaţia 1 şi max. 5,2..5 ani în aplicaţiile

V şi respectiv II, datorită costurilor mai ridicate implicate de introducerea pompei de

căldură în ambele scheme ale instalaţiilor de valorificare a resurselor geotermale.

- Venitul net actualizat (VNA) obţinut este pozitiv în toate soluţiile, iar ratele interne

de rentabilitate (RIR) au valori între 13,2% (în aplicaţia V) şi 24,3% (în aplicaţiile I şi III)

ceeace denotă în general că oricare din aceste proiecte poate fi aplicat, ţinând seama de

specificul resurselor geotermale disponibile local, în condiţii de eficienţă tehnică şi

economică acceptabile pentru proiecte de utilitate publică, aşa cum este cazul celor cinci

aplicaţii analizate, bazate integral sau în proporţie majoră pe energie de origine geotermală.

Tab. 1. Indicatorii tehnici şi de eficienţă energetică ai aplicaţiilor geotermale analizate (fig.1…5 ).

APLICAŢIA Nr. Crt.

Indicator de analiză U.M. I

Fig.2

II

Fig.3

III

Fig.4

IV

Fig.5

V

Fig.6 1. Potenţialul termic nominal al sondei

geotermale. MWt 1,465 4,395 2,510 3,660 0,837

2. Putere termică utilă, instalată la PTG Kwi 1500 3640 1840 3835 1019 3. Putere termică (maximă) necesar a fi

asigurată din sursa(ele) auxiliară clasică (CT lichid)

KWt — 630 920 1300 —

4. Cantitatea anuală de căldură utilă (Qutil) produsă în soluţia proiectată, total, din care:

• din geotermie (SCG sau SCG + pompă de căldură în aplicaţiile 3.4 şi 3.5)

• din surse de vârf şi auxiliare (CT lichid)

GJ/an (Gcal/an)

GJ/an (Gcal/an)

GJ/an

(Gcal/an)

41058 (9808)

41058 (9808)

—

75549 (18048)

65415 (15627)

10134 (2421)

41547 (9925)

31195 (7452)

10352 (2473)

75549 (18048)

66009 (15769)

9540

(2279)

29109 (6954)

29109 (6954)

—

5. Consumuri directe de electricitate şi combustibili (energie primară), pentru asigurarea Qutil:

• energie electrică consumată, total,din care:

- în bucla geotermală - în pompa de căldură

• combustibil la sursa auxiliară (CT lichid)

MWh/an

tep/an

70

70 —

—

480

480 —

283

92

92 —

302

397

250 147

278

352

32 320

—

6. Economia netă de energie primară realizată în aplicaţia geotermală, în raport cu soluţia alternativă clasică (CT pe combustibil lichid echivalentă ca efect util)

tep/an 1177 1727 885 1713 758

Tab. 2 Indicatorii de eficienţă economică ai aplicaţiilor geotermale analizate(fig.1…5)

APLICAŢIA GEOTERMALĂ Nr. crt.

Indicatorul de eficienţă al soluţiei

U.M. I II III IV V

1. Investiţia specifică a tonei de combustibil economisite, pe durata medie de viaţă a instalaţiei geotermale.

$/tep ($/tcc)

22,3 (15,59)

32,9 (23,04)

23,1 (16,17)

29,07 (20,35)

32,9 (23,03)

2. Costul căldurii utile produse $/GJ ($/Gcal)

2,27 (9,49)

2,52 (10,56)

3,19 (13,35)

2,93 (12,27)

3,09 (12,94)

3. Durata de recuperare a costurilor de investiţii din economia netă de energie primară rezultată în aplicaţia geotermală

Ani 3,2 5,0 3,5 4,4 5,2

4. Diferenţa de CTA (Δ CTA) în soluţia geotermală, faţă de soluţia alternativă clasică (CT lichid, echivalentă ca efect util)

$ (%)

-598 336(35,4)

-435 092(13,6)

-581 952(31,9)

-860 248 (26,0)

-214 400(16,7)

5. Venitul net actualizat -VNA $ +576 680 +313 700 +449 888 +616 240 +117 6006. Rata internă de

rentabilitate -RIR % 24,3 14,1 24,3 18,2 13,2

7. Rata venitului net actualizat - RVNA

— 1,1 0,28 1,1 0,62 0,224

3. 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 [3] BURCHIU, Natalia– Contribuţii la promovarea energiei geotermale pentru dezvoltare durabilă în spaţiul rural – Teză de doctorat, UTCB, dec.2002 [4] BURCHIU, V., GHEORGHIU, L., DUDĂU, A.. – Ghidul utilizatorului de pompe (vol. I şi II) Ed. ATLAS PRESS Bucureşti, 2006

ANALIZA EFICIENŢEI TEHNICO- ECONOMICE A UNOR APLICAŢII GEOTERMALE DE ÎNCĂLZIRE URBANĂ

Victor BURCHIU, Natalia BURCHIU, Liviu GHEORGHIU

REZUMAT

În lucrare sunt evidenţiate rezultatele analizei tehnico-economice efectuate pentru

evaluarea intrinsecă şi comparativă a cinci proiecte tipice (aplicaţii) urmarind utilizarea resurselor

geotermale de joasă entalpie pentru producerea de căldură utilă în procese de încălzire a clădirilor,

preparare de apă caldă de consum şi/sau tehnologică, etc. Sunt incluse schemele de principiu,

caracteristicile surselor, resurselor şi ale consumurilor termice asigurate, caracteristicile tehnice şi

indicatorii energetici ai soluţiilor de sistem, precum şi principalii indicatori de eficienţă economică

ai aplicaţiilor evaluate.

TECHNICAL AND ECONOMIC RESULTS OF SOME

GEOTHERMAL BASED DISTRICT HEATING PROJECTS Victor BURCHIU, Natalia BURCHIU, Liviu GHEORGHIU

SUMMARY

Paper includes main results of detailed technical and economic analyses done in order to evaluate five geothermal energy projects. Each of analyzed project are based on use of low enthalpy resource (hot water between 60…90°C) to produce useful heat distributed in existing or new created space heating or hot domestic water facilities in building.

Principle technical schedules, main characteristics of geothermal sources and resource and heat consumers profile are described.

Main economic results, such as: net positive value (NPV), internal rate of return (IRR), simple pay back analyses has been outlined in conclusion.

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