MANAGEMENTUL ENERGIEI ELECTRICE LA CONSUMATORI Managementul energiei electrice la consumatori urmăreşte, în general, minimizarea

costurilor aferente energiei electrice consumate în desfăşurarea activităţii de către consumatorul respectiv. Acest obiectiv poate fi obţinut pe mai multe căi:

- reducerea efectivă a consumului de energie prin utilizarea unor tehnologii sau echipamente cu consum energetic redus;

- implementarea unor măsuri de conservare a energiei (de ex. recuperarea energiei pierdute în echipamentele electrotermice sau de alt tip şi utilizarea acesteia pentru încălziri sau în procesele tehnologice; comanda instalaţiilor de iluminat, etc);

- modificarea curbei de sarcină în sensul creşterii consumului în perioada în care preţul energiei este mai mic;

- compensarea factorului de putere.

1. Modificarea curbei de sarcină Prin modificarea curbei de sarcină se înţelege un ansamblu de măsuri tehnice şi

organizatorice care urmăresc, pe de o parte, schimbarea formei acesteia, iar pe de altă parte, schimbarea valorilor caracteristice ale mărimilor electrice descrise de curba de sarcină.

Principalele posibilităţi sunt: a) Tăierea vârfurilor Se urmăreşte reducerea consumului în timpul orelor de vârf, şi este, in general,

realizată prin controlul direct al consumatorului asupra echipamentelor şi fluxurilor tehnologice. Pe de altă parte, limitarea consumului în orele de vârf poate fi asigurată şi de către furnizor, prin telecomandă, în urma unor înţelegeri cu consumatorii. Astfel, în unele ţări, consumatorii casnici sau terţiari acceptă comanda de către furnizorul de energie electrică a unor receptoare cum ar fi sistemele de aer condiţionat, boylerele pentru prepararea apei calde menajere sau pentru încălzirea locuinţelor sau spaţiilor comerciale, etc.

b) Umplerea golurilor Constă în cuplarea unor consumatori suplimentari în perioadele orare de consum

redus; acţionându-se astfel, se poate asigura reducerea preţului mediu al energiei electrice. c) Transferul de sarcină din zonele de vârf spre cele de gol de sarcină Această acţiune satisface simultan cele metode discutate anterior şi constă în

deplasarea consumului de energie electrica dinspre orele de vârf de sarcină spre cele de gol. Un exemplu tipic pentru un consumator industrial îl reprezintă modificarea fluxurilor tehnologice, astfel încât majoritatea operaţiilor să fie realizate în timpul nopţii.

Activităţi similare pot fi implementate şi de către consumatorii casnici la care, montarea maşinilor automate de spălat permite creşterea consumului în timpul nopţii sau la sfârşit de săptămână.

d) Conservarea strategică Constă în reducerea voluntară a consumului prin oprirea producţiei, pentru o

perioadă de timp determinată, a unor echipamente sau linii tehnologice. Un rezultat similar se obţine prin reorganizarea fluxurilor tehnologice sau a obiectului de activitate.

2. Creşterea eficienţei şi tehnologii performante pentru utilizarea energiei electrice

Structura consumului de energie a cunoscut mutaţii importante prin creşterea ponderii energiei electrice în consumul total de energie. Acest lucru este determinat în primul rând, de implementarea largă a tehnologiilor electrice, mai puţin poluante şi care asigură realizarea de produse de calitate superioară.

Creşterea eficienţei în utilizarea energiei electrice şi dezvoltarea unor tehnologii performante pentru realizarea acestui scop poate fi realizată în principal pe două căi: (i)

elaborarea şi implementarea unor politici energetice coerente în domeniul comercializării diferitelor categorii de produse şi servicii; (ii) cercetări teoretice şi tehnologice pentru realizarea de noi produse care să satisfacă cerinţele unei reduceri semnificative a consumului de energie electrică.

2.1. Politici mondiale în domeniul comercializării Consumul specific de energie pentru realizarea unui produs este, de obicei, un

indicator foarte sensibil privind eficienţa economică a tehnologiei adoptate şi in general, asupra nivelului tehnologic al produsului . In acest sens, pentru a aprecia eficienţa utilizării energiei poate fi folosit un indicator global numit intensitate energetică i (kWh/dolar), definit ca fiind energia consumată pentru producerea unei unităţi din PIB. Pe plan mondial eficienţa energetică este evaluată la diferite niveluri – Figura 1:

• tehnologia medie utilizată (the average used technology - AUT); • tehnologia medie vândută (the average sold technology - AST); • cea mai bună tehnologie disponibilă (the best available technology - BAT); • tehnologie eficientă avansată (the efficient advanced technology - EAT); • tehnologie eficientă foarte avansată (the superior efficient advanced technology -

EAT+).

Figura 1. Consumul anual de energie electrică pentru iluminat şi echipamente de mică putere

Pentru a asigura transparenţa necesară unei corecte informări a consumatorilor şi suportul necesar politicilor de deplasare a pieţei echipamentelor spre niveluri de eficienţă mai ridicate, etichetarea şi standardele energetice s-au dovedit a fi instrumentele extreme de utile. Acestea pot fi clasificate după trei criterii:

• după categorie: etichete sau standarde; • după scop: adresează produse individuale sau categorii de produse; • după aspectul legal: obligatorii sau voluntare.

Standardele pot fi utilizate pentru eliminarea celor mai puţin eficiente modele existente în mod curent pe piaţă sau pentru armonizare cu standardele existente în alte ţări (pentru a evita importul unor produse ineficiente), respectiv pentru încurajarea importatorilor şi a producătorilor locali de a dezvolta cele mai eficiente produse din punct de vedere economic. Etichetele energetice pot fi folosite singure sau în combinaţie cu standarde energetice. Ele asigură un punct de referinţă pentru facilitarea programelor de stimulare, eficacitatea lor depinzând de cantitatea de informaţie prezentată. Etichetele sprijină deplasarea pieţei către o eficienţă energetică mai ridicată. Etichetele comparative pot furniza o bază clară pentru alte programe de transformare a pieţei, aşa cum sunt programele DSM implementate de companiile de furnizare şi distribuţie. Etichetele de eficienţă energetică sunt etichete informative, puse pe produsele finite, care descriu performanţele energetice ale produsului (de obicei, tipul energiei utilizate, eficienţa sau costul energiei consummate) cu scopul de a furniza consumatorului datele necesare unei achiziţii în cunoştinţă de cauză. Etichetele pot fi clasificate în trei categorii:

• etichete de clasificare: sunt certificate de garanţie corespunzător unor criterii date. In general, sunt bazate pe declaraţii “da/nu” şi oferă puţine informaţii suplimentare, un exemplu fiind eticheta “Energy Star” utilizată în SUA;

• etichete comparative: permit consumatorului să compare performanţele mai multor produse similare (în această categorie intră etichetele europene pentru aparate electrocasnice);

• etichete informative: furnizează informaţii doar despre performanţele produsului. Ele conţin informaţii pur tehnice şi nu sunt considerate foarte prietenoase cu potenţialul cumpărător (de exemplu, eticheta europeană pentru motoare electrice).

Standardele de eficienţă energetică sunt proceduri şi reglementări ce prescriu

performanţa energetică a produselor manufacturate; uneori, interzic vânzarea produselor ce sunt mai puţin eficiente decât norma minimă impusă de standard. Ele pot fi de trei tipuri:

• standarde prescriptive: impun ca toate produsele noi să aibă o anumită caracteristică sau să conţină un anumit dispozitiv;

• standarde de performanţă energetică minimă (MEPS): indică eficienţa minimă (sau consumul energetic maxim) pe care producătorii trebuie să le obţină pentru fiecare produs. Aceste standarde specifică performanţa energetică dar nu impugn detalii tehnologice sau de proiectare pentru produsul respective;

• standarde medii de clasă: specifică eficienţa medie a unui produs, permiţând fiecărui producător să aleagă nivelul de eficienţă pentru fiecare model, astfel încât media generală să fie obţinută.

In continuare sunt prezentate o serie de exemple privind modul de implementare

practică a schemelor discutate anterior. a) Eliminarea celor mai proaste produse de pe piaţă

Numeroase standarde de eficienţă energetică, obligatorii sau voluntare, urmăresc eliminarea de pe piaţă a celor mai ineficiente produse, asigurând astfel îmbunătăţirea situaţiei economice a majorităţii consumatorilor, fără a limita însă posibilitatea de alegere a acestora.

De exemplu, acţiunea europeană de desemnare a claselor de eficienţă energetică pentru motoarele de curent alternativ de joasă tensiune a început în anul 1999, fiind o colaborare între Comitetul European al Producătorilor de Maşini Electrice şi Electronică de Putere (CEMEP) şi Comisia Europeană. Conform acesteia, motoarele sunt împărţite în trei clase de eficienţă energetică:

• Eff3: aceste motoare oferă o foarte redusă eficienţă, în paralel cu o investiţie neeconomică în majoritatea situaţiilor (de aceea, nu sunt recomandate;

• Eff2: o reducere medie a pierderilor de energie de 20%; • Eff1: o reducere medie a pierderilor de 40%.

Acţiunea urmăreşte eliminarea de pe piaţă a celor mai proaste produse (clasa Eff3) şi

promovarea celor mai bune produse (clasa Eff1). Schema a avut ca rezultat creşterea semnificativă a utilizării motoarelor din clasa Eff2, dar motoarele Eff1 ocupă doar câteva procente din piaţă. Aceste rezultate nesatisfăcătoare demonstrează limitele standardelor voluntare. b) Promovarea celei mai bune tehnolobii disponibile (BAT) Ca un exemplu de promovare a BAT, Premium-Efficiency Motors Initiative urmăreşte promovarea produselor ce satisfac condiţiile impuse de noile standarde rezultate ca urmare a implementării Energy Policy Act (EPAct) din 1992. Conform acestui act, reglementările federale impun ca cele mai uzuale motoare electrice utilizate în industries au alte sectoare, produse sau importate în SUA după octombrie 1997, să satisfacă un nou standard de eficienţă energetică minimă, mai exigent decât standardele anterioare. Scopul iniţiativei este de a încuraja disponibilitatea pe scară largă a motoarelor ce

depăşesc cerinţele acestui standard. National Electrical Manufacturers Association (NEMA) este un grup voluntary de producători de echipamente electrice, recunoscut ca autoritatea SUA în domeniul motoarelor electrice. Eticheta NEMA Premium poate fi utilizată cu acele produse care satisfac sau depăşesc cerinţele impuse de recomandările asociaţiei, producătorii de motoare putîndu-se asocial în mod voluntary programului. Pe baza datelor furnizate de Departamentul Energiei al SUA, se estimează ca acest

program să economisească 5.800 GWh de energie electică în 10 ani şi să evite astfel generarea în atmosferă a aproximativ 80 milioane tone de CO2. Prevederile EPAct au condus la noi standarde şi pentru transformatoarele electrice, aşa cum se evidenţiază în Figura 2.

Figura 2. Reducerea pierderilor în transformatoare (în %) impusă de actualele

standarde NEMA (TSL1) şi de noile standarde

Potenţialul oferit de transformatoarele cu miez amorf este exemplificat în Figura 3 care prezintă variaţia randamentului pentru diferite grade de încărcare. Se remarcă creşterea semnificativă a randamentului pentru domeniile de încărcare frecvent întâlnite în exploatarea curentă din sistemele energetice.

Figura 3. Prezentarea comparativă a performanţelor transformatoarelor cu miez convenţional (tablă laminată) şi cu miez amorf

c) Etichetarea energetică Aşa cum s-a specificat anterior, etichetele afişate pe produse furnizează informaţii

consumatorilor, favorizând introducerea la producători a standardelor de performanţe minime. La nivel mondial, au fost introduse diferite tipuri de etichete – Figura 4.

Un exemplu îl reprezintă eticheta europeană pentru aparatele electrocasnice (frigidere, congelatoare, maşini de spălat rufe sau vase, produse pentru iluminat, etc.), introduse şi în Romania; aceasta este o etichetă comparativă obligatorie pe produsele individuale.

Produsele sunt clasificate de la clasa A (performanţe energetice bune) la clasa G(cea mai proastă performanţă). Schema a fost foarte eficientă în deplasarea unei largi porţinuni din piaţă spre clasa A, în prezent fiind create extraclasele A+ şi A++. Depinzând de tipul produsului, anumite caregorii sunt prohibite şi nu mai pot fi vândute pe piaţă. Producătorilor li s-a lăsat libertatea de a utiliza orice combinaţie de tehnologii pentru a satisface un anumit standard; aceştia testează fiecare model pe care îl oferă şi se aşteaptă ca ei să implementeze un sistem de control al calităţii producţiei astfel încât fiecare produs să satisfacă standardul cu o toleranţă specificată.

O testare de către un organism neutru este deseori utilizată, dar începând cu octombrie 1997 un sistem de testare propriu a fost iniţiat printre producători de către CECED (European Committee of Domestic Equipment Manufacturers).

Figura 4. Diferite etichete energetice

d) Directiva Europeană Eco-design Directiva Europeană Eco-design pentru produsele ce consumă energie este o

directivă cadru pentru o varietate largă de grupe de produse. Ea stabileşte obiective obligatorii prin directivele de implementare, luând în considerare impactul asupra mediului ambiant pe întregul ciclu de viaţă al produsului.

Este de aşteptat ca eficienţa energetică să joace rolul dominant în cadrul Eco-design, dar alte impacturi asupra mediului trebuie considerate de asemenea. Directivele de implementare ţintesc produse precum:

• Motoare electrice; • Echipamente de birou; • Produse pentru iluminat; • Produse electronice de larg consum; • Sisteme comerciale de climatizare; • Echipamente electrocasnice.

2.2. Politici energetice în Romania Intensitatea energetică în Romania este practic dublă faţă de aceea din ţările

dezvoltate economic, ceea ce impune implementarea unor măsuri pentru reducerea sa.

Principalele direcţii pentru creşterea eficienţei energetice sunt: - standardizarea şi etichetarea energetică amintită anterior; - programe de stimulare a producătorilor; - programe de informare a beneficiarilor; - programe de dezvoltare tehnologică. Programele de stimulare a producătorilor urmăresc dezvoltarea tehnologiilor şi

produselor cu eficienţă energetică ridicată prin scutiri de taxe şi impozite, ca şi prin alte mijloace de stimulare; prin aceste mijloace, ele asigură menţinerea interesului producătorilor pentru inovarea permanentă.

Informarea beneficiarilor în scopul selectării celor mai eficiente soluţii energetice dintre tehnologiile disponibile are un rol important în creşterea eficienţei energetice a tehnologiilor şi a produselor de pe piaţă; lipsa cererii va determina eliminarea produselor sau tehnologiilor cu eficienţă energetică redusă.

Dezvoltarea tehnologică are o pondere majoră în reducerea consumului de energie, fiind un atribut esenţial al societăţii moderne.

În principal pot fi identificate patru căi pentru creşterea eficienţei energetice. Pentru a

le pune în evidenţă, se consideră că pe piaţă, pentru un anumit produs sau serviciu există mai multe oferte. Unele ieftine, dar cu consum energetic ridicat (cu eficienţă energetică redusă determinată de tehnologia utilizată, izolaţie termică simplă, etc.), altele mai scumpe dar cu un consum energetic mediu şi altele foarte scumpe, cu consum energetic foarte redus. Probabilitatea prezenţei pe piaţă a acestor produse, tehnologii, servicii depinde evident de cerere, astfel încât cele mai probabile sunt cele cu preţ mediu şi consum energetic mediu.

Prima şi cea mai importantă soluţie pentru creşterea eficienţei energetice constă în interzicerea, prin lege, a produselor, tehnologiilor, serviciilor care au o eficienţă energetică sub o valoare minimă emin. În acest sens, prin lege, produsele, tehnologiile şi serviciile încep să fie etichetate în funcţie de nivelul de eficienţă energetică. Ca exemplu, în figura 5 este indicată forma etichetei energetice pentru maşinile de spălat. Clasificarea în 7 clase de consum energetic oferă cumpărătorului informaţiile necesare pentru o alegere conştientă a produsului, în funcţie de capacitatea de investiţie dar şi în funcţie de costurile pe care le poate acoperi pe durata de utilizare.

Următoarea soluţie constă în informarea şi conştientizarea beneficarilor privind

relaţia dintre eficienţa energetică şi costuri. Ca exemplu, în figura 2 este indicat cazul simplu al analizei pe care un cumpărător trebuie o facă la înlocuirea unei lămpi electrice arse din instalaţia sa de iluminat.

Se consideră două lămpi electrice cu acelaşi flux luminos (1500 lm), dar realizate cu tehnologii diferite (prima este o lampă cu incandescenţă, iar a doua este o lampă cu fluorescenţă compactă) şi cu preţuri diferite (lampa cu incandescenţă costă circa 5000 lei vechi − 0,15 € − iar lampa compactă costă circa 350 000 lei vechi (10 € ). Prima lampă are o durată de viaţă de circa 1000 ore şi are o putere de 80 W, iar cea de a doua lampă are o durată de viaţă de peste 10 000 ore şi o putere de 20 W.

Analiza financiară pe durata a 10.000 ore pune în evidenţă următoarele: − costurile pentru lămpile cu incandescenţă (cele 10 lămpi necesar a fi

utilizate) C1 = 10⋅0,15 + 0,1⋅0,08⋅10000 = 95 € − costurile pentru lămpa compactă C2 = 1⋅10 + 0,1⋅0,02⋅10000 = 30 €

În calculele efectuate s-a considerat tariful de 0,1 €/kWh pentru energia electrică. Se observă faptul că, lampa compactă este mult mai „ieftină” . Desigur că rezultatele sunt altele în cazul în care cumpărătorul doreşte să obţină produsul respectiv pentru o perioadă limitată de timp.

Calculul simplu indicat mai sus, efectuat de orice cumpărător, conduce la creşterea cererii de produse eficiente şi deci creşterea în ansamblu a eficienţei energetice. Desigur că nivelul de pregătire al beneficiarilor are un rol important. În fond beneficiarul nu este interesat de eficienţa energetică ci de factura plătită pentru un anumit serviciu. Deşi se consideră faptul că o creştere adecvată a tarifului la energie stimulează beneficiarii pentru creşterea eficienţei energetice în instalaţiile proprii, în multe cazuri este mai simplu de a cere menţinerea unor tarife coborâte, cu conservarea ineficienţei utilizării energiei în instalaţiile proprii.

Cea de a treia soluţie constă în stimularea prezenţei pe piaţă a produselor eficiente energetic. Pentru a limita impactul investiţiei iniţiale ridicate pentru produsele eficiente, legislatorul poate acorda unele facilităţi producătorilor pentru reducerea preţurilor acestor produse (scutire de TVA, reducerea taxelor etc.). În prezent, în multe ţări există astfel de mijloace pentru creşterea ponderii pe piaţă a produselor eficiente energetic.

Cea de a patra soluţie corespunde unui progres natural al societăţii, prin descoperire şi inovare. Independent de aspectele legate de eficienţa energetică, vor apărea noi soluţii şi noi descoperiri în acest domeniu, care nu pot fi viabile decât dacă conduc la o eficienţă mai ridicată a proceselor.

Deşi este dificil de a stabili ponderea celor patru direcţii în creşterea eficienţei energetice, se poate aprecia că informarea şi conştientizarea beneficiarilor este unul dintre soluţiile cele mai eficiente.

2.3. Tehnologii electrice moderne Principalele domenii în care realizările tehnice actuale permit introducerea în

practica curentă a unor tehnologii electrice eficiente energetic sunt: - iluminatul electric: - electrotermia; - acţionările electrice; - tracţiunea electrică. 2.3.1. Tehnologii noi în iluminatul electric Deşi iluminatul electric este un consumator cu pondere redusă, atenţia ce i se acordă

se justifică prin: - influenţă deosebită asupra nivelului de civilizaţie al unei societăţi; - ponderea importantă în factura energetică a consumatorilor casnici şi terţiari.

Realizarea lămpii cu incandescenţă de către Edison în anul 1879 a reprezentat un foarte important salt în progresul civilizaţiei umane. S-a realizat astfel o sursă de lumină artificială care a permis desfăşurarea eficientă a activităţilor şi în lipsa luminii solare. În prezent, pe plan mondial, circa 5% din energia electrică generată este consumată în instalaţii de iluminat electric. Pe de altă parte, un aspect particular pentru ţara noastră îl constituie existenţa masivă în iluminatul casnic a surselor incandescente de lumină. Dacă în ţările dezvoltate peste 80% din fluxul luminos necesar este obţinut cu surse bazate pe descărcări în gaze şi vapori metalici, în iluminatul electric casnic din Romania sub 10% din fluxul luminos necesar este realizat cu surse fluorescente.

Se cunoaşte că iluminatul electric este un consumator de energie electrică cu eficienţă redusă: cea mai eficientă sursă de lumină ajunge în prezent la 200 lm/W faţă de 682 lm/W cât s-ar obţine la o transformare integrală a energiei electrice în lumină. Ca urmare, acest consumator are un important potenţial de economisire, oferit de introducerea tehnologiilor noi

de realizare a luminii artificiale. În acest sens, se consideră că, până în anul 2015, este posibilă o reducere cu 30% a consumului actual de energie electrică pentru iluminat, iar până în 2025 cu 50%, fără a scădea fluxul luminos necesar desfăşurării activităţilor în absenţa luminii naturale.

Eficienţa luminoasă extrem de mică a lămpilor cu incandescenţă (8···20 lm/W) a stimulat numeroase căutări pentru realizarea unor sisteme noi de iluminat artificial. Sursele actuale cu eficienţă ridicată (până la 120 lm/W) se bazează pe descărcarea electrică la înaltă frecvenţă, în vapori metalici de joasă presiune (tuburi) fluorescente) sau de înaltă presiune (lămpi de înaltă presiune) - Tabelul 1. Analiza performanţelor surselor electrice de lumină care se produc în prezent evidenţiază că noile generaţii de produse asigură, pentru acelaşi nivel de iluminare pe suprafaţa de lucru, economii energetice de 10 - 35%.

Una dintre soluţiile care ar putea să deschidă noi direcţii de dezvoltare în acest domeniu este utilizarea diodelor luminiscente – LED. O caracteristică deosebită a surselor bazate pe LED este durata de viaţă foarte ridicată (peste 25 ani) ceea ce le face deosebit de atractive, mai ales acolo unde costurile de înlocuire şi mentenanţă are importanţă.

Eficienţa energetică bună, estimată pentru sistemele de iluminat cu diode luminiscente, va asigura reducerea consumurilor de energie electrică. Deşi, în prezent, eficienţa luminoasă a LED este încă mică, se consideră că, până în anul 2020, ea va putea atinge 180 lm/W. Potenţialul important al acestor categorii de surse permite să se considere că, în viitor, ele vor înlocui cu succes lămpile cu descărcări în vapori metalici.

În Figura 5 este prezentată schema unei lămpi cu puterea normată de 40 W, cuprinzând 30 LED-uri cu curentul nominal de 350 mA şi o tensiune de 4V. Sursa D include un transformator coborâtor 230/18 V şi un redresor.

Figura 5 .Schema de principiu a unei lămpi electrice cu LED-uri

Limitarea deformării curbei curentului electric absorbit din circuit şi problemele de

compatibilitate electromagnetică sunt rezolvate cu ajutorul circuitului de corecţie a formei curentului electric, a factorului de putere PFC (Power Factor Corrector) şi a circuitului EMC (Electromagnetic Compatibility). Se asigură astfel realizarea unui factor de putere practic unitar (λ > 0,95) şi o redusă deformare a curentului electric absorbit din circuit (THDI < 7%). În general, eficienţa luminoasă şi energetică a sistemului de iluminat depinde, în bună măsură, de calitatea energiei electrice în circuitul de alimentare. Pe de altă parte, sistemele de iluminat conduc, ele însele, la apariţia de perturbaţii electromagnetice în reţeaua electrică de alimentare şi, deci, pot afecta calitatea energiei electrice livrată altor consumatori din zonă.

Tabelul 1 . Surse de lumină

Variaţia tensiunii de alimentare U faţă de tensiunea normată (Ur = 230 V) are, mai ales în cazul lămpilor cu incandescenţă, o influenţă importantă asupra parametrilor de funcţionare ai lămpii. Creşterea tensiunii de alimentare conduce la o drastică reducere a duratei de viaţă, iar reducerea tensiunii conduce la reducerea temperaturii filamentului şi are ca efect modificarea compoziţiei spectrale a luminii emise - creşte ponderea componentelor roşu şi galben - afectând calitatea iluminatului. De asemenea, sunt influenţate fluxul luminos emis Φ, eficienţa luminoasă η şi puterea absorbită P. Trebuie remarcat faptul că, în cazul lămpilor fluorescente, variaţia tensiunii de alimentare are, în general, o influenţă mai redusă decât în cazul lămpilor cu incandescenţă.

Realizarea unor parametri superiori ai sistemului de iluminat interior impune controlul tensiunii de alimentare pentru a se încadra în limitele impuse de ± 2,5% faţă de tensiunea nominală. Întreruperile şi golurile de tensiune determină inconfort vizual în cazul lămpilor cu incandescenţă şi a celor fluorescente, la care sistemul de iluminat răspunde practic imediat la revenirea tensiunii la parametrii nominali.

În cazul lămpilor cu descărcare în vapori metalici de înaltă presiune, întreruperi foarte scurte ale tensiunii de alimentare produc întreruperi de durată mare (5 - 10 minute) din

cauza timpului de relansare. La utilizarea acestui tip de lampă este necesară adoptarea unor măsuri speciale pentru asigurarea unui iluminat de siguranţă - dacă este necesar - pe durata timpului de relansare.

Conectarea sistemelor de iluminat în instalaţii de alimentare în care tensiunea prezintă variaţii relativ dese – fluctuaţii - determină efect de flicker (variaţii ale fluxului luminos emis) cu efecte importante asupra calităţii iluminatului realizat. În cazurile practice se consideră că variaţiile de tensiune sunt acceptabile dacă sunt inferioare curbei de iritabilitate. Conform normelor actuale, îi revine furnizorului de energie electrică obligaţia de a asigura în circuitul de alimentare un nivel de fluctuaţii ale tensiunii de alimentare care să producă un flicker inferior curbei de iritabilitate.

Pe de altă parte, instalaţiile de iluminat pot introduce în reţeaua electrică de alimentare importante perturbaţii electromagnetice:

• armonici ale tensiunii de alimentare, determinate de caracteristica neliniară a descărcării electrice;

• nesimetrii, datorate faptului că lămpile electrice sunt conectate pe fază; • perturbaţii de înaltă frecvenţă, în cazul balasturilor electronice; • căderi de tensiune datorate necesarului de putere reactivă (prezenţa balastului

inductiv la lămpile cu descărcare electrică). Perturbaţiile determinate de iluminatul electric trebuie reduse sub limitele acceptate

şi, în acest sens, furnizorul de energie electrică are posibilitatea monitorizării acestor perturbaţii şi adoptarea, împreună cu consumatorul, a măsurilor necesare pentru limitarea nivelului acestora.

Nesimetriile determinate de sistemele de iluminat pot fi rezolvate, în cazul general, printr-o judicioasă conectare a surselor de lumină pe cele trei faze în cazul în care racordul la consumator este trifazat. În cazul racordurilor monofazate, obligaţia de a rezolva problemele de nesimetrie revine furnizorului de energie electrică.

Este cunoscut faptul că lumina naturală este cea mai confortabilă sursă de iluminat ambiental. Potenţialul de utilizare a luminii naturale trebuie determinat încă din faza de proiectare a unui spaţiu, printr-o atentă studiere a gradului de vitrare. De asemenea, iluminatul pe cale naturală poate fi realizat şi cu ajutorul unor soluţii moderne care folosesc tuburi de lumină. Acestea permit transferul luminii naturale de pe acoperiş sau din spaţiile deschise în interiorul clădirilor.

Pentru obţinerea unui confort vizual şi termic optim trebuie luată în considerare lumina solară directă care pătrunde prin ferestre, precum şi aportul de căldură vara sau pierderea de căldură pe durata iernii, realizată prin ferestrele insuficient izolante termic.

Utilizarea unor sisteme „inteligente” de reglaj continuu al iluminatului artificial în funcţie de iluminatul natural, conduce la economii importante de energie, reducerea pierderilor în sistemele de iluminat şi un confort sporit al utilizatorilor.

Managementul inteligent al sistemelor de iluminat electric, cu utilizarea eficientă a iluminatului natural şi limitarea iluminatului artificial la durata strict necesară realizării funcţiilor sale, permite reducerea importantă a consumului de energie electrică şi, în consecinţă, a pierderilor de energie. Nivelul economiilor realizate prin utilizarea de sisteme adaptate la nivelul de iluminare necesar este indicat în Figura 6.

Figura 6 . Nivelul economiilor realizate prin controlul iluminatului interior

Un potenţial important de economisire a energiei electrice îl are iluminatul public prin

folosirea completă a iluminatului natural şi gestionarea adecvată a iluminatului artificial. Nivelul iluminatului public reprezintă unul dintre criteriile de calitate ale civilizaţiei moderne. Realizarea unui iluminat corespunzător determină, în special, reducerea cheltuielilor indirecte, reducerea riscului de accidente rutiere, reducerea numărului de agresiuni contra persoanelor, reducerea numărului de accidente pe timp de noapte, îmbunătăţirea climatului social şi cultural prin creşterea siguranţei activităţilor pe durata serii.

Iluminatul public trebuie să îndeplinescă o serie de condiţii luminotehnice, fiziologice, de norme tehnice, de siguranţă a circulaţiei şi de estetică arhitectonică în condiţiile reducerii costului investiţiilor, a cheltuielilor anuale de exploatare a instalaţiilor şi a utilizării raţionale a energiei electrice. Se apreciază că pentru un oraş mediu consumul de energie electrică pentru iluminat se repartizează astfel: 86% reprezintă iluminat stradal, 11% semnalizări rutiere şi 3% iluminat arhitectural şi publicitate.

Experienţa arată că, pe durata nopţii, riscul de accidente este de 1,6 ori mai mare faţă de zi şi cu o gravitate mult mai mare (numărul de morţi de 5,4 iar numărul de răniţi de 2,1 ori mai mare faţă de lumina naturală). Creşterea luminanţei în intervalul 0,5 ··· 2 cd/m2 cu 1 cd/m2 determină reducerea cu 35 % a numărului de accidente. Se consideră că asigurarea unui iluminat corespunzător poate conduce la o reducere cu circa 40% a numărului de accidente.

În vederea reducerii consumurilor de energie electrică în iluminatul public pot fi luate în consideraţie următoarele două aspecte principale:

• utilizarea surselor noi şi cu eficienţă luminoasă ridicată, în special a lămpilor cu vapori de sodiu de joasă şi înaltă presiune, în locul celor cu vapori de mercur de înaltă presiune (pentru zone cu cerinţe reduse de redare a culorilor -parcări, tunele subterane - se utilizează, din ce în ce mai frecvent, lampa cu vapori cu sodiu de joasă presiune; pentru sistemele uniform distribuite, lampa cu vapori de sodiu şi balon opal asigură cea mai bună repartiţie a intensităţilor luminoase, iar pentru sistemele concentrate, lampa cu vapori de sodiu tubulară (cu flux luminos mai mare decât cea cu balon opal) constituie o soluţie eficientă;

• reproiectarea sistemelor de iluminat pe baze moderne, folosind surse eficiente şi un management performant al sistemelor de iluminat, care poate conduce la reducerea consumului de energie electrică, fără a afecta confortul vizual (realizarea unui sistem

de iluminat secţionat poate determina reduceri importante ale consumurilor de energie electrică); reducerea nivelului de luminanţă (iluminare) odată cu scăderea traficului este o soluţie care trebuie avută în vedere încă din faza de proiectare, astfel încât să se asigure condiţii acceptabile în cazul unui trafic redus.

În concluzie, se poate considera că realizarea unui mediu luminos confortabil, cu un

consum minim de energie, cu utilizarea cât mai intensă a iluminatului natural şi cu o investiţie minimă reprezintă grila de apreciere a unui sistem de iluminat modern şi eficient. Utilizarea eficientă a iluminatului natural este principalul mijloc prin care se poate face o importantă economie de energie electrică pentru iluminatul artificial.

2.3.2. Tehnologii noi în electrotermie

Energia termică necesară în procese industriale, în agricultură şi în domeniul social-

gospodăresc, este obţinută, în cea mai mare parte, din energie electrică. În prezent, peste 35% din producţia de energie electrică este utilizată în procese industriale bazate pe transformarea energiei electrice în căldură.

Procesele electrotermice sunt întâlnite în cele mai diverse domenii industriale: industria electronică, la producerea semiconductoarelor; industria metalurgică, la topirea şi la rafinarea metalelor, la încălzirea semifabricatelor; industria constructoare de maşini, la matriţare, forjare, uscare, călire, lipire, sudare; industria materialelor de construcţii, la topirea şi tratamentul sticlei; industria chimică, la încălzirea coloanelor şi recipienţilor, la producerea şi prelucrarea materialelor plastice, la accelerarea reacţiilor chimice; industria extractivă, la reducerea minereurilor; industria lemnului, la uscarea lemnului şi a îmbinărilor încleiate; industria alimentară, la uscarea, prepararea şi sterilizarea produselor etc.

Utilizarea instalaţiilor electrotermice este caracterizată de avantaje importante faţă de instalaţiile de încălzire cu combustibil:

• temperatura poate fi reglată cu precizie, existând posibilitatea dozării căldurii în funcţie de necesităţile procesului tehnologic, precum şi a unui control permanent şi precis al energiei electrice transformate în căldură;

• se pot obţine current temperaturi de peste 2200 K, unele procese tehnologice din industria modernă necesitând temperaturi de până la 20.000 K care pot fi obţinute numai în cuptoarele cu plasmă;

• spaţiul de lucru fiind închis, prelucrarea termică se poate realiza şi în atmosferă controlată, cu gaze de protecţie sau în vid;

• se poate asigura funcţionarea intermitentă, instalaţia putând fi adusă repede în stare de funcţionare la parametrii nominali;

• deoarece concentraţia de energie termică, în materialele supuse încălzirii, este relativ mare, funcţionarea instalaţiilor electrotermice se caracterizează prin valori reduse ale consumurilor specifice de energie;

• prin introducerea calculatoarelor de proces există posibilitatea automatizării complete a funcţionării instalaţiilor electrotermice. Implementarea tehnologiilor moderne în cadrul proceselor electrotermice permite

realizarea unor importante economii de energie electrică. Câteva aspecte caracteristice proceselor tehnologice moderne vor fi prezentate în continuare.

a) Cuptoare cu arc electric Cuptoarele cu arc electric în construcţie trifazată, cu acţiune directă (arcul electric se

stabileşte între electrozi şi metal) sunt în prezent cele mai întâlnite soluţii pentru elaborarea oţelurilor. Circa 1/3 din oţelul utilizat în prezent în lume este obţinut pe cale electrică; în

următorii ani ponderea va creşte până la 50% odată cu necesitatea reciclării fierului vechi; evoluţia necesarului de oţel pe plan mondial este prezentată în Figura 7.

Figura 7. Consumul mondial de oţel, în milioane tone

Capacitatea cuptoarelor cu arc electric poate ajunge la 400 t cu puteri unitare de 80

MW (120 MW) şi un consum specific de energie electrică de 500...640 kWh/t. Consumurile specifice ale cuptoarelor cu arc electric (tabelul 2) depind în mare măsură de capacitatea acestora. Pentru a asigura reducerea consumurilor de energie electrică, industria modernă utilizează, în special, cuptoare de capacitate mare (HP) şi de capacitate foarte mare (UHP). Tabelul 2

Funcţionarea cuptorului cu arc electric trifazat determină importante perturbaţii electromagnetice în reţeaua electrică de alimentare sub formă de fluctuaţii de tensiune, nesimetrie, armonice şi interarmonice. Principalele caracteristici ale acestor cuptoare sunt indicate în Tabelul 3.

Din punct de vedere constructive, cuptorul pentru topirea oţelului (Fig.8) este alcătuit din cuva de topire 1, coloana de pivotare 2, transformatorul de alimentare 3, reţeaua scurtă (legătura electrică dintre transformator şi electrozi) 4, port-electrodul 5, dispozitivul de comandă hidraulică a electrozilor 6, electrozii 7, jgheabul de golire 8. Transformatorul de cuptor este plasat într-o încăpere specială, aflată în imediata apropiere a cuptorului.

Tabelul 3

Figura 8. Construcţia cuptorului cu arc electric trifazat pentru topirea oţelului

Reţeaua scurtă are trei porţiuni. Prima este realizată sub forma unui pachet de bare şi asigură legătura dintre bornele secundare ale transformatorului şi ieşirea din încăperea unde este plasat acesta. Cea de a doua este realizată cu cabluri flexibile din cupru şi preia variaţiile

datorate modificării poziţiei electrozilor pe durata elaborării şarjei, iar cea de a treia porţiune, realizată din bare răcite cu apă, este solidară cu portelectrodul 5 al fazei respective şi izolată electric de acesta prin intermediul unor izolatoare 9.

Transformatorul de cuptor 3 este plasat într-o încăpere 10, separată de zona de lucru a cuptorului. Arcul electric 11 apare între electrozii 7 şi masa metalului 12 care urmează a fi procesat. Sunt utilizaţi electrozi din cărbune (amestec de antracit, cărbune de retortă, cocs de petrol şi smoală, sinterizate în forme speciale la circa 1000 °C) şi electrozi din grafit (electrozi din cărbune grafitaţi la peste 2500 °C). La cuptoarele de putere mare HP (High Power) şi de putere foarte mare UHP (Ultra High Power) sunt folosiţi electrozi din grafit. Aceştia au diametrul de100 - 1000 mm, lungimi de 1 - 3 m şi sunt prevăzuţi cu sisteme de îmbinare.

Una dintre soluţiile moderne, cele mai eficiente, pentru procesarea fierului vechi constă în utilizarea cuptoarelor alimentate cu tensiune continuă (Fig.9). Datorită procesului specific de topire, în cuptorul cu arc electric alimentat cu tensiune continuă, topirea metalului este mai rapidă, iar temperatura băii este mai uniformă. Arderea stabilă a arcului electric la cuptoarele alimentate cu tensiune continuă face ca nivelul de flicker să fie relativ redus (circa 50% faţă de cazul cuptoarelor, de aceeaşi capacitate, alimentate cu tensiune alternativă).

Figura 9. Cuptor cu arc electric alimentat la tensiune continuă

O soluţie, deosebit de eficientă pentru recuperarea energiei gazelor de ardere, este

prezentată în Figura 10 pentru cazul cuptoarelor cu arc electric alimentate la tensiune continuă.

Figura 10. Sistem de recuperare a căldurii la cuptoare cu arc alimentate la tensiune continuă

Cele două cuptoare “gemene” K1 şi K2 sunt alimentate de la aceeaşi sursă de tensiune continuă. Dacă, de exemplu, în cuptorul K1 are loc procesul de preparare a metalului M, gazele evacuate ajung în cuptorul K2 (prin intermediul elementului de deviere D care poate asigura eventuala deviere a gazelor spre coş) unde încălzesc încărcătura Fe (oţel vechi) ce urmează a fi procesată. Gazele răcite, ieşite din cuptorul K2 sunt dirijate spre coşul de evacuare C prin intermediul sistemului de filtrare F. După terminarea procesului de preparare în cuptorul K1, este conectat la sursa de alimentare cuptorul K2 şi, după evacuarea metalului topit din cuptorul K1, se trece la încărcarea acestuia pentru o nouă şarjă.

b) Încălzire cu rezistoare Principalele procese de încălzire bazate pe disiparea căldurii în elemente rezistive sunt

indicate în Figura 11.

Figura 11. Instalaţii de încălzire cu rezistenţă electrică

Procesele de încălzire directă prezintă o serie de avantaje care trebuie luate în considerare la alegerea tehnologiei de încălzire:

• temperatura poate fi reglată precis; • funcţionarea instalaţiilor electrotermice se caracterizează prin randamente ridicate şi

valori relativ reduse ale consumurilor specifice de energie; • se poate asigura funcţionarea intermitentă; • spaţiul de lucru poate fi închis închis, prelucrarea termică se poate realiza şi în

atmosferă controlată; • prin introducerea calculatoarelor de proces există posibilitatea automatizării complete

a tehnologiilor electrice; • spaţiul ocupat de instalaţiile electrice este relativ mic;

• gama de puteri a acestor instalaţii este foarte largă, de la câteva sute de W, la aparatele de uz casnic şi de laborator, la zeci de MW, în cazul echipamentelor industriale;

• durata proceselor electrice este relativ redusă.

Instalaţiile uzuale pentru încălzirea rezistivă cu acţiune directă sunt conectate între două faze, ceea ce poate determina importante nesimetrii în reţeaua electrică de alimentare. Pentru reducerea nesimetriilor aceste instalaţii sunt conectate la reţeaua electrică prin intermediul unei scheme de simetrizare, fiind necesară şi compensarea totală a sarcinii. Realizarea unor contacte corespunzătoare între corpul supus procesării şi instalaţia electrică de alimentare este de asemenea foarte importantă, având o influenţă mare asupra randamentului procesului.

Utilizarea acestei tehnologii de încălzire, în cazul prelucrării la cald a unor obiecte în cadrul unui flux continuu, determină o eficienţă ridicată a procesului, dar conectările şi deconectările rapide ale instalaţiei pentru înlocuirea piesei încălzite pot conduce la variaţii importante ale tensiunii la barele de alimentare. În analiza eficienţei energetice a procesului din instalaţiile de încălzire cu acţiune directă trebuie să se includă şi pierderile suplimentare care apar în schema de control a perturbaţiilor electromagnetice (nesimetrie, variaţii de tensiune) determinate de funcţionarea instalaţiei.

În Figura 12 este prezentat bilanţul energetic comparativ pentru încălzirea unui produs (bară) în cuptor cu flacără şi prin procedee electrice.

Figura 12. Bilanţul energetic la încălzirea unei bare: a) încălzirea în cuptor cu combustibil gazos; b) încălzirea electrică directă

Analiza datelor din Figura 12 pune în evidenţă faptul că, la încălzirea electrică,

realizarea unui randament energetic superior poate fi obţinută prin creşterea randamentelor de producere a energiei electrice.

Instalaţiile de încălzire cu acţiune indirectă cuprind o largă gamă de echipamente care funcţionează cu randamente ridicate, productivitate mare, cu reducerea importantă a poluării mediului ambiant şi care asigură posibilitatea automatizării şi robotizării producţiei.

Cuptoarele electrice cu rezistoare cu încălzire indirectă au o largă utilizare în industria modernă. Ele există într-o mare varietate de tipuri constructive şi au o gamă foarte diversă de aplicaţii. Aceste tipuri de cuptoare pot fi utilizate pentru efectuarea de tratamente termice, producerea la cald a unor materiale plastice, tratamentul termic al pieselor din sticlă, uscarea produselor ceramice, a lemnului, hârtiei etc. În această categorie sunt incluse şi cuptoarele de laborator, aparatele electrocasnice, precum şi numeroase instalaţii de uscare din industria chimică şi alimentară.

Realizarea elementelor rezistive de temperatură înaltă poate conduce la dezvoltarea unor aplicaţii tehnologice de temperaturi mari, cu randament ridicat. Pentru toate tipurile de cuptoare cu rezistenţă electrică, cu acţiune indirectă, reglarea temperaturii în cuptor, astfel încât să obţină valoarea optimă pentru prelucrare, are un rol important în obţinerea unor produse de calitate ridicată, în condiţiile unui consum corespunzător de energie electrică.

Teoretic, instalaţiile de încălzire rezistivă nu determină perturbaţii electromagnetice în reţeaua electrică de alimentare. Practic însă operaţiile de control a temperaturii în procesele de încălzire, răcire şi menţinere a temperaturii conduc la perturbaţii sub formă de fluctuaţii de tensiune (reglare bipoziţională) sau armonice (reglare cu circuite electronice).

De exemplu, în Figura 13 este prezentat cazul unei reglări bipoziţionale a temperaturii, însoţită de apariţia fluctuaţiilor de tensiune (care poate produce efect de flicker), la barele de alimentare, iar în Figura 14 se indică forma şi spectrul de amplitudini a curentului electric în cazul controlului temperaturii unui cuptor electric utilizând o schemă cu reglare asimetrică (Fig. 14 b)) sau cu reglare simetrică (Fig. 14 c)).

Figura 13. Reglajul bipoziţional al temperaturii din cuptorul electric

Figura 14. Reglarea continuă a temperaturii cuptorului electric

Analiza curbelor din Figura 14b) pune în evidenţă faptul că, în cazul reglării

asimetrice, rezultă, atât un spectru important de armonice k, cât şi un important defazaj între curba tensiunii şi componenta fundamentală a curentului electric. Aceste două aspecte limitează utilizarea sistemului de reglare numai pentru echipamente de încălzire cu puteri nominale relative mici (sub 10 kW). În cazul reglării simetrice (Fig. 14c)), curba componentei fundamentale a curentului electric este în fază cu tensiunea aplicată.

Utilizarea cuptoarelor cu rezistoare în procesele de tratare termică a semifabricatelor ce au consumuri importante de energie electrică impune analiza aspectelor privind utilizarea eficientă a energiei. Încărcarea la capacitatea nominală a cuptorului, reducerea pierderilor prin pereţi, precum şi recuperarea căldurii în procesele de răcire sunt principalele mijloace privind utilizarea raţională a energiei electrice.

Se constată că există încă posibilităţi practice de reducere a consumurilor energetice în cazul încălzirii rezistive folosind:

• recuperarea căldurii în procesul de răcire a pieselor (camere de răcire în care se introduc piesele care urmează a fi încălzite − camere cu flux dublu);

• reducerea pierderilor în cuptor (limitarea pierderilor prin părţile deschise ale cuptorului, limitarea pierderilor prin acumulare de căldură în pereţi − utilizarea de fibre ceramice pentru realizarea pereţilor − limitarea temperaturii mantalei exterioare la 60 - 80°C);

• modificări în procesul tehnologic pentru limitarea intervalelor de subîncărcare a cuptorului pe durata unui ciclu;

• reglarea temperaturii în funcţie de proces (se asigură limitarea pierderilor de caldură şi calitatea produsului finit);

• sisteme de reglare a temperaturii (care însă pot determina importante perturbaţii electromagnetice în reţeaua electrică de alimentare). Remarcăm faptul că instalaţiile de limitare a perturbaţiilor electromagnetice prezintă

pierderi de energie şi deci acestea trebuie luate în considerare la analiza eficienţei energetice totale.

c) Încălzirea cu inducţie electromagnetică Încălzirea în cuptoarele şi instalaţiile cu inducţie electromagnetică se bazează pe

pătrunderea câmpului electromagnetic în materialele conductoare aflate într-un câmp magnetic variabil în timp. Curenţii electrici turbionari, determinaţi de tensiunile electromotoare induse conduc la încălzirea acestuia prin efect Joule.

Lanţul transformărilor energetice care au loc într-o instalaţie de inducţie electromagnetică este indicat în Figura 15, principalele tipuri de instalaţii de încălzire prin inducţie electromagnetic fiind prezentate în Figura 16.

Figura 15. Lanţul transformărilor energetice într-o instalaţie cu inducţie electromagnetică

Procesele de tratare termică utilizând inducţia electromagnetică asigură viteze mari de

încălzire care pot ajunge la 100 K/s permit realizarea unor densităţi mari de putere transferate prin suprafaţa piesei, cuprinse în mod obişnuit între 10 şi 30 MW/m2 .

Pentru cea mai mare parte a aplicaţiilor din domeniul 300 - 400 kHz, puterea variază între 10 şi 50 kW. Frecvenţele mai joase, pentru adâncimi de tratare mai mari, sunt asociate unor puteri de 40 - 300 kW.

Topirea materialelor cu inducţie electromagnetică se realizează în principal în cuptoare cu canal (Figura 17a)) şi în cuptoare cu creuzet (Figura 17b)). Randamentul electric al cuptorului de inducţie electromagnetică cu creuzet este ηel = 0,5 - 0,8. Valorile mici corespund topirii materialelor cu conductivitate electrică relativ mare (la topirea aluminiului ηel = 0,5 - 0,6), iar valorile ridicate corespund topirii materialelor feroase cu conductivitate relativ mică (la topirea oţelului rezultă ηel = 0,7 ··· 0,8).

Figura 16. Principalele tipuri de echipamente de încălzire prin inducţie electromagnetică

Figura 17. Cuptoare pentru topire prin inducţie: a) cu canal; b) cu creuzet 1 – corpul cuptorului; 2 – bobina inductoare; 3 – încărcătura;

4 – izolaţia termică; 5 – circuitul magnetic

Principalele caracteristici ale încălzirii prin inducţie electromagnetică sunt: • căldura se dezvoltă în corpul care urmează a fi încălzit, obţinându-se un transfer

important de energie (> 1000 kW/m2) şi deci o viteză mare de încălzire; • posibilitate de automatizare şi funcţionare în flux continuu; • instalaţii relativ simple, fiind posibil lucrul în vid sau atmosferă controlată;

• se asigură condiţii bune de muncă, cu o poluare redusă a mediului ambiant.

Realizarea convertoarelor de frecvenţă cu semiconductoare, cu puteri până la 12 MW, la preţuri accesibile, a permis utilizarea acestora pentru alimentarea cuptoarelor cu creuzet, funcţionând la medie frecvenţă, cu puteri mari şi având o eficienţă ridicată. Utilizarea convertoarelor statice pentru alimentarea cuptoarelor cu inducţie cu creuzet determină economii de energie electrică de cca 12 - 20% faţă de alte tipuri de surse. Folosirea căldurii reziduale a apei pentru răcirea inductorului în scopul încălzirii încărcăturii care urmează a fi topită permite creşterea randamentului întregului proces.

Randamentul cuptorului cu canal este relativ ridicat (60 - 95%, în funcţie de tipul materialului şi procesului tehnologic). Factorul de putere natural al cuptorului este de 0,2 - 0,7, ceea ce impune utilizarea unor echipamente de compensare a puterii reactive. Bilanţul de energie, tipic pentru un cuptor cu inducţie electromagnetică cu creuzet, este indicat în Figura 18.

Figura 18. Bilanţul energetic pentru încălzirea prin inducţie electromagnetică

a unor piese din oţel la 1200oC

Randamentul termic al cuptorului depinde de tipul izolaţiei termice, precum şi de temperatura materialului din cuptor şi are valori ηt = 0,8 - 0,85. În acest fel, randamentul global al cuptorului cu creuzet este ηc = 0,4 ··· 0,68. Factorul de putere natural al cuptorului este de 0,04 - 0,4, ceea ce impune utilizarea unor echipamente de compensare a puterii reactive.

Consumul specific al cuptoarelor cu creuzet depinde, în mare măsură, de capacitatea cuptorului şi de tipul materialului procesat (tabelul 4). Pentru un proces de procesare a oţelului, în Figurile 19 şi 20 sunt indicate valori medii ale consumurilor înregistrate de cuptoarele cu inducţie electromagnetică cu creuzet.

Funcţionarea instalaţiilor cu inducţie electromagnetică, în general cu frecvenţe diferite de frecvenţa reţelei electrice, antrenează apariţia de perturbaţii electromagnetice, în special sub formă de armonice şi interarmonice. În cazul instalaţiilor alimentate la frecvenţa industrială pot să apară importante perturbaţii sub formă de nesimetrie (echipamentele fiind în general conectate între două faze), dar şi necesitatea controlului puterii reactive absorbite (instalaţiile de acest tip pot avea un factor de putere sub 0,1).

Tabelul 4

Figura 19. Variaţia consumului specific de Figura 20. Variaţia consumului specific de

energie electrică în funcţie de producţia energie electrică în funcţie de producţia orară (proces de topire) orară (proces de supraîncălzire)

In Figurile 21 şi, respectiv, 22 sunt indicate schemele obişnuite pentru alimentarea cu medie frecvenţă (convertoare de frecvenţă) şi pentru alimentarea instalaţiilor cu frecvenţă redusă (cicloconvertoare). Utilizarea convertoarelor statice pentru alimentarea cuptoarelor cu inducţie cu creuzet determină economii de energie electrică de 12 – 20 % faţă de alte tipuri de surse. Frecvenţa de ieşire a convertorului se autoadaptează pe durata procesului de încălzire astfel încât se elimină necesitatea variaţiei capacităţii bateriei de compensare.

Figura 21. Convertor static de medie frecvenţă pentru încălzire prin inducţie

Figura 22. Schema de principiu a unui cicloconvertor pentru încălzire în volum

d) Încălzirea materialelor dielectrice Procesarea materialelor dielectrice în câmpuri de înaltă frecvenţă are ca element

caracteristic faptul că degajarea de căldură apare chiar în interiorul obiectului care urmează a fi încălzit. Dezvoltarea căldurii într-un corp dielectric este determinată de două fenomene diferite: încălzirea directă prin rezistenţă electrică, datorită curentului de conducţie prin rezistenţa de izolaţie a obiectului, şi încălzirea asociată fenomenului de histerezis dielectric şi polarizare electrică în câmpuri electrice variabile în timp.

În funcţie de ponderea fenomenului care stă la baza procesului de încălzire sunt utilizate două procedee de încălzire a corpurilor dielectrice:

• încălzirea cu înaltă frecvenţă (capacitivă); • încălzirea cu microunde.

Încălzirea capacitivă este specifică materialelor dielectrice cu un factor de pierderi

mai mare de 0,01 - 0,02 şi care trebuie încălzite uniform în întregul volum, în acele situaţii în care alte metode nu satisfac condiţiile impuse de viteză de încălzire şi uniformitate a temperaturii în produs. Principalul avantaj al acestui sistem de încălzire constă în densităţi ridicate de putere în material (300 - 5000 kW/m3 sau până la 100 kW/m2 la încălzirea materialelor plane) şi posibilitatea unei încălziri selective a corpurilor dielectrice.

Numeroase aplicaţii ale încălzirii cu înaltă frecvenţă a corpurilor dielectrice se găsesc în industria textilă (un balot cu lână cu volum de 1,2 - 2 m3 şi masă de 150 - 400 kg poate fi încălzit în 3 minute într-o instalaţie cu puterea nominală de 30 kW, cu un consum de 20 - 25 kWh); industria lemnului (uscarea uniformă a lemnului pentru evita crăparea acestuia); industria alimentară (eliminarea a circa 80 kg apă/oră cu un consum de 1,2 - 1,4 kWh/kg apă evaporată); industria maselor plastice; industria hârtiei (corectarea umidităţii la hârtia de calitate superioară).

Deoarece temperaturile de lucru sunt relativ scăzute şi conductivitatea termică a materialelor dielectrice este relativ mică, pierderile termice sunt reduse, iar randamentul general al procesului este determinat, în mare măsură, de randamentul, sursei de alimentare de înaltă tensiune şi de înaltă frecvenţă. În Figura 23 este indicat bilanţul energetic al unui proces de încălzire la înaltă frecvenţă, iar din Figura 24 poate fi estimată puterea necesară alimentării acestor instalaţii.

Figura 23. Bilanţul energetic al unei instalaţii de âncălzire capacitivă

Figura 24. Incălzirea la înaltă frecvenţă a lemnului

Încălzirea cu microunde (sau în foarte înaltă frecvenţă) este datorată fenomenului de

histerezis dielectric în câmpuri electrice variabile în timp, care are ca efect transformarea energiei electromagnetice în căldură.

În principiu, un echipament de încălzire cu microunde (Fig. 25) are trei componente principale: generatorul de microunde (magnetron sau klistron) care transformă energia electrică, absorbită de la reţea, în energie de microunde; ghidul de unde, pentru transferul eficient al energiei electromagnetice de la antenă la locul unde are loc transformarea în căldură; aplicatorul, în care energia microundelor interacţionează cu materialul de procesat.

Figura 25. Instalaţie cu microunde – schemă de principiu

În general, în ţările europene sunt autorizate benzile de 2450 MHz, 5800 MHz şi 22125 MHz. Ca urmare a costurilor ridicate şi a puterilor mai reduse ale echipamentelor la 5800 MHz şi 22125 MHz, frecvenţa de 2450 MHz este cea mai folosită.

O comparaţie între cele două tehnologii este indicată în Tabelul 5. Utilizarea frecvenţelor din domeniul radiofrecvenţă şi, respectiv, din domeniul microundelor impun utilizarea unor surse de alimentare cu un pronunţat caracter neliniar, ceea ce determină apariţia de perturbaţii sub formă de armonici în reţeaua electrică de alimentare. Tabelul 5

Principalele aplicaţii industriale actuale ale microundelor sunt decongelarea şi prepararea cărnii, vulcanizarea cauciucurilor extrudate, preîncălzirea polimerilor şi uscarea prin microunde şi vid a medicamentelor şi a produselor chimice fine. Bilanţul energetic al unei instalaţii cu microunde este prezentată în Figura 26. Datele din Tabelul 6 pun în evidenţă avantajul utilizării tehnologiilor moderne pentru realizarea unui anumit efect (lucru) util.

Tabelul 6

Figura 26. Bilanţul energetic al unei instalaţii de încălzire cu microunde

2.3.3. Tehnologii noi în acţionări electrice Motoarele şi acţionările electrice consumă peste 50% din totalul energiei electrice în

Uniunea Europeană, fiind utilizate în diferite aplicaţii – Tabelul 7. Tabelul 7. Exemple de utilizare a motoarelor electrice

Domeniul de putere [kW]

Aplicaţii

sub 0,75 ventilatoare, pompe utilizate în grădini şi subsoluri, unelte 0,75 – 7,5 compresoare, aspiratoare, maşini de spălat, scări rulante 7,5 – 37 servomotaore, pompe în industria chimică, ascensoare 37 – 75 Compresoare, macarale, ascensoare peste 75 vehicule electrice, trenuri, pompe de apă în centrale electrice

Motoarele utilizate în industrie consumă cca. 30% din consumul total de electricitate;

motoarele din sectorul de servicii consumă 10%. Figura 27 indică distribuţia consumului de electricitate pe tipuri de acţionări în sectorul industrial şi de servicii. In ultimul domeniu, cea mai mare parte a energiei este consumată de acţionările pentru compresoare şi ventilatoare (sisteme de aer condiţionat); în industrie, consumul în sistemele de pompe “şi altele” este semnificativ. “Si altele” reprezintă acţionări care nu presupun presarea şi transportul de fluide, precum ascensoare, sisteme de ridicat, macarale şi benzi transportoare.

Deşi conversia energiei prin motoare electrice este foarte eficientă (circa 90% în medie), o îmbunătăţire minoră a randamentelor (de ex. 2 %) poate conduce la economii importante. Astfel de îmbunătăţiri pot fi obţinute pe două căi:

• comparat cu motoarele tradiţionale, utilizarea în exclusivitate a motoarelor de înaltă eficienţă (caracterizate printr-o proiectare îmbunătăţită) poate conduce la reducerea cu 1 % a consumului de electricitate;

Figura 27. Distribuţia consumului de electricitate al motoarelor electrice

în industrie şi sectorul de servicii

• utilizarea unei acţionări cu turaţie reglabilă pentru pompe, ventilatoare, suflante şi compresoare în locul controlului de turaţie prin frâne mecanice, poate conduce la economisirea a 5.5 % din consumul total de energie electrică.

De exemplu, conform International Energy Agency, consumul total de electricitate în Uniunea Europeană (înainte de ultima lărgire) a fost de 2517.5 TWh. Având în vedere că la producerea fiecărui kWh de electricitate se emit cca. 400 g de CO2, cantitatea emisă anual în EU pentru producerea de electricitate este de aprox. 1 miliard tone. Economisirea a 6.5 % (1 + 5.5) din consumul de electricitate va reduce această cantitate cu of 65 milioane tone. Previziunile influenţei în sectorul analizat sunt prezentate în Tabelele 8 şi 9. Tabelul 8. Potenţialul de reducere a consumului în sistemele de acţionări din UE

Tabelul 9. Potenţialul de reducere a emisiilor de CO2 pentru sistemele cu motoare eficiente

In Romania, având în vedere caracteristicile sistemului energetic şi resursele primare

utilizate, producerea unui kWh de energie electrică determină emisia a circa 1 kg CO2. Pentru o producţie de energie electrică de aprox. 45 TWh, o economie de 6,5% reprezintă o reducere de 2,9 milioane tone C02.

a) Motoare eficiente Motoarele eficiente sunt maşini electrice a căror eficienţă a fost îmbunătăţită prin

reproiectare, utilizarea unor materiale având caracteristici superioare şi printr-un control mai

riguros al proceselor tehnologice de fabricaţie. Tabelul 10 indică consumul de energie pe clase de motoare şi randamentul mediu pentru motoarele standard şi cele de eficienţă ridicată în cele patru clase. Aceste cifre arată că motoarele de putere sunt mai eficiente şi că beneficii mai importante se obţin prin înlocuirea motoarelor de putere redusă. Tabelul 10. Valori comparative ale randamentelor motoarelor electrice

Randament [%] Domeniu de putere [kW] motoare standard motoare eficiente 0,75 – 7,5 80 86 7,5 – 37 86 90 37 – 75 90 93 peste 75 95 96

Inlocuirea motoarele standard în funcţiune nu este întotdeauna fezabilă economic.

Totuşi, dacă motoarele existente vor fi înlocuite masiv cu motoare eficiente în momentul defectării lor, aprox. 80% din motoare vor fi înlocuite până în 2020 în cadrul UE. La o creştere medie a randamentului de 2%, aceasta ar însemna reducerea consumului cu 1%, adică 25 TWh pe an la nivelul UE.

Costul anual al energiei consumate de motor depinde de ciclul de funcţionare al acestuia; de obicei, acest cost este mai mare decât preţul de achiziţie. Prin urmare, decizia de investiţie trebuie să ţină cont de costul energiei consumate pe întreaga durată de viaţă a motorului. Investiţia suplimentară (cca. 30%) într-un motor eficient are întotdeauna un sens economic iar calculele arată o durată de recuperare mai mică de 3 ani.

Până nu de mult, era deficil să se aprecieze exact ce înseamnă un motor eficient deoarece majoritatea producătorilor declarau că oferă motoare eficiente. Pentru a depăşi această problemă, Comisia Europeană şi CEMEP (European Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics) au căzut de acord asupra unei scheme de clasificare a eficienţei motoarelor. Toţi producătorii care au semnat acest protocol afişează o etichetă de eficienţă pe motoarele produse, permiţînd identificarea facilă a clasei de eficienţă. Conform acestei scheme de clasificare, motoarele sunt împărţite în 3 clase de eficienţă – Figura 28: Eff 1, Eff 2 şi Eff 3.

Figura 28. Schema de etichetare a eficienţei (randamentul la încărcare nominală pentru

diferite puteri de motoare)

Eff 1 este cea mai bună, Eff 3 este cea mai scăzută. Randamentul cerut pentru a aparţine unei anumite clase de eficienţă depinde de puterea motorului: pentru un motor asincron de 11 kW, apartenenţa la clasa Eff 2 presupune un randament de cel puţin88.4 %; pentru clasa Eff 1, randamentul trebuie să fie de cel puţin 90.6 %.

b) Acţionări reglabile Acţionările de pompe, ventilatoare, suflante şi compresoare reprezintă cca. 60%, în

industrie, şi 80%, în sectorul servicii, din energia consumată de motoarele electrice. Intr-o acţionare reglabilă, maşinii acţionate i se transmite doar energia necesară pentru efectuarea sarcinii tehnologice; nu există energie pierdută, spre deosebire de acţionările tradiţionale cu frână mecanică, unde surplusul de energie este convertit în căldură neutilizabilă – Figura 29.

Figura 29. Diferite tipuri de acţionări electrice

Schema de principiu a unui sistem de acţionare cu turaţie reglabilă este prezentată în

Figura 30.

Figura 30. Sistem de acţionare cu turaţie variabilă

Energia salvată în sistemele de pompe, ventilatoare şi suflante variază tipic între 15

şi 40 %, dar poate ajunge la 50 % - Figura 31. Acţionările de compresoare au un potenţial de economisire mai mic, dar totuşi semnificativ, de cca. 5 %. In total, prin utilizarea acţionărilor

reglabile, se estimează un potenţial de reducere a consumului de 2 – 5,5% până în 2020, iar durata medie de recuperare a investiţiei este ce circa 1 an.

Figura 31. Creşterea eficienţei într-un sistem de pompare: a- sistem de pompare convenţional (randament total 31%);

b- sistem de pompare modern combinând diferite tehnologii eficiente (randament total 72%)

Având în vedere reducerile importante ale consumului de energie precum şi alte avantaje ale acţionărilor reglabile, cum ar fi un control mai bun al proceselor industriale ce conduce la creşterea calităţii produselor şi la scăderea costurilor globale, acestea sunt introduse pe scară largă atât in instalaţiile noi cât şi în cele retehnologizate.