ser_curs1_2014

1 Dr. ing. Dumitru Al. Dumitru

SURSE DE ENERGIE REGENERABIL

Dr. ing. Dumitru Al. DUMITRU

UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TRGOVITEFACULTATEA DE INGINERIA MEDIULUI I TIINA ALIMENTELOR

Note de curs; Anul univ. 2013/2014.Uz intern.


DATE DESPRE DISCIPLIN

5E2 ore / sptmn3 ore / sptmnCrediteExaminareSeminarCurs

Numr de ore/Verificarea/Credite

10%- Prezena la curs i seminar

20%- activittile gen teme / referate / eseuri / traduceri / proiecte, etc. (portofoliul personal)

10%- testarea continu pe parcursul semestrului10%- rspunsurile finale la lucrrile aplicative50%- rspunsurile la examen/colocviu

Poderea nnotare (%)

La stabilirea notei finale se iau n considerare


Bibliografie DUMITRU, D., Surse de energie regenerabil, Suport de

curs n form electronic, Universitatea Valahia din Trgovite, 2014.

DRGAN, V., BURCHIU, V., BURCHIU, N., GHERGIU, L., Energii regenerabile i utilizarea acestora, Vol. 1, Ed. USAMV, Bucureti, 2009.

DRGAN, V., BURCHIU, V., BURCHIU, N., GHERGIU, L., Energii regenerabile i utilizarea acestora, Vol. 2, Ed. USAMV, Bucureti, 2009.

BLAN, M., Energii regenerabile, Ed. UT PRES, Cluj-Napoca, 2007.

ARMSTRONG, F., BLUNDELL, K., Energy beyond oil, Oxford University Press, 2007.


Bibliografie Ochsner, K., Pompe de cldur pentru tehnica nclzirii.

Ghid practic pentru instalatori i proiectani (traducere din limba german), Editura MatrixRom, Bucureti, 2011.

DEGERATU, M., BANDOC, G., Instalaii i echipamente pentru utilizarea energiei mecanice nepoluante. Utilizarea energiei valurilor , Editura MatrixRom, Bucureti, 2007;

BANDOC, G., DEGERATU, M., Instalaii i echipamente pentru utilizarea energiei mecanice nepoluante. Utilizarea energiei vntului , Editura MatrixRom, Bucureti, 2007;

BITIR-ISTRATE, I., Valorificarea biogazului pentruproducerea energiei electrice i termice, Editura Cartea universitar, Bucureti, 2003;


Bibliografie NIU,V., FELEA, I., Energetica de tranziie. Concepte i

modele, Ed. Mirton, Timioara, 1997. BURCHIU, V., BURCHIU, N., Energii neconvenionale

curate, Ed. USAMV, Bucureti, 1998. DUMITRESCU, H., CARDO, V., DUMITRACHE, AL.,

Aerodinamica turbinelor de vnt, Editura Academiei Romne, Bucureti, 2001.

MRGRIT C., Energia regenerabil, ntre complementaritate i alternativ, Editura Cetatea de Scaun, Trgovite, 2006.

NIU,V., PANTELIMON,L., IONESCU,C., Energeticgeneral i conversia energiei, EDP-Bucureti, 1985.

IULIAN, C., Utilizarea energie solare, ET-Bucureti, 1990.


Motto: Percepia caracteruluiregenerabil al energiei

5. Soarele rsare, soarele apune i spre locul su zorete i de acolo se ridic mergnd spre miazzi i-apoi spre miaznoapte ocolete;

6. De-a roata se rotete vntul i vnt sentoarce din rotirea sa.

7. Fluviile toate curg n mare i marea nu se umple; fluvii sentorc de unde-au izvort, ca de acolo s purcead iari.

BIBLIA: ECLESIASTUL, cap. I, versetele 5,6,7. (Editura Litera, 2011, vol. 4, pag. 1157)


Istoria conceptului de energie Termenul de energie are o istorie lung. De

origine din limba greac veche, este folosit mai nti de Johnnes Kepler n sensul de putere care eman din corpuri.

n sensul actual, este introdus pentru prima oar n literatura tiinific de ctre Thomas Young, n anul 1807.

Termenul de energie cinetic a fost introdus de William Thomson, iar cel de energie potenialde William John Macquorn Rankine.


Istoria conceptului de energie n ceea ce privete cldura, acest termen a fost

folosit ntr-un sens dublu: ca energie intern(Claussius) i ca mrime de proces n sensul de cldur transferat de la un corp la cellalt.

De atunci au rmas n terminologia tehnic termeni cum ar fi: pierderi de energie, stocare de energie, economie de energie i alte expresii care sugereaz existena unei materii imateriabile distinct de sistemele fizice.


Istoria conceptului de energie n 1665, Gottfried Wilhelm von Leibnitz a introdus

termenul de vis viva (fora vie) pentru a desemna cantitatea mv2 care aprea n calculele lui mecanice. Dei Leibnitz a dat aceast denumire prin analogie cu termenul de for, folosit de I. Newton pentru produsul ma, alegerea sa nu a fost prea inspirat.

n 1673, Christiaan Huygens observ c n timpul ciocnirii a dou sfere perfect elastice, suma produselor dintre masa i ptratul vitezei acestora, nainte i dup ciocnire, rmne constant.

10

Dr. ing. Dumitru Al. Dumitru

Istoria conceptului de energie n 1807, Thomas Young a fcut trecerea de

la fora vie la energie. Mai trziu, WilliamThomson (viitorul lord Kelvin) introduce termenul de energie cinetic, iar WilliamJohn Macquorn Rankine pe cel de energie potenial.

n 1826, Jean-Victor Poncelet introduce termenul de lucru mecanic, contribuind astfel la crearea premiselor pentru descoperirea legii conservrii energiei.

11


Istoria conceptului de energie n 1853, W. Thomson nota: Numim energie a unui

sistem material aflat ntr-o stare determinat, contribuia msurat n uniti de lucru a tuturor aciunilor produse n exteriorul sistemului, dac acesta trece (indiferent n ce mod) din starea sa ntr-o stare fixat arbitrar.

n 1897, Max Planck consider c energia este aptitudinea unui sistem de a produce efecte exterioare. Pentru Planck, energia este o funcie de stare, prin energia unui corp (sau a unui sistem de corpuri) nelegndu-se o mrime care depinde de starea fizic instantanee n care se gsete sistemul.

12


Istoria conceptului de energie Clarificarea statutului conceptului de energie i

aparine marelui fizician german Max Planck. Dup acesta, prin energia unui corp se nelege o mrime care depinde de starea fizic instantanee n care se gsete sistemul.

Planck subliniaz de asemenea faptul c variaia elementar de a energiei este o diferenial total exact, adic variaia energiei depinde doar de starea iniial i de cea final.

13


Istoria conceptului de energie n acest fel s-au curmat toate discuiile asupra

naturii energiei: Energia este materie imponderabil? Energia este un fluid care poate s se transforme

n tot felul de energii, inclusiv n cldur? Rspunsul este NU! Toate aceste plsmuiri

aparin ultimelor sechele ale mecanicismului. Energia este o funcie de stare i nimic altceva.

14


Istoria conceptului de energie La nivelul actual de cunotine i dezvoltare

tehnologic, se consider c Universul care ne nconjoar exist sub dou forme: de substan (materie) i cmp de fore.

Materia este caracterizat prin dou mrimi fundamentale: masa i energia. Masa este msura ineriei i gravitaiei, iar energia este msura micrii materiei.

15


Istoria conceptului de energie Dicionarele definesc conceptul de energie ca

fiind capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic, la trecerea dintr-o stare n alt stare, aceast definiie reflectnd o anumit mentalitate mecanicist.

Etimologic, cuvntul energie are la baz cuvintele de origine latin energia i de origine greac enerhia, care aveau nelesul de activitate.

16


Istoria conceptului de energie Conceptul de energie este fundamental

datorit legturii existente ntre materie i micare, dar i datorit producerii i transformrii diferitelor forme de micare ale materiei.

Aceste forme de micare se pot transforma reciproc unele n altele, n raporturi cantitative strict determinate, fapt ce a permis introducerea noiunii de energie ca o msur comun a lor (ceva ce rmne constant Henri Poincar).

17


Energia, ca mrime fizic Din punct de vedere al Fizicii, energia reprezint

capacitatea de a efectua un lucru mecanic. Puterea reprezint viteza la care lucrul mecanic este

efectuat, sau viteza la care energia este convertit dintr-o form n alta, de ex. din energie chimic (crbune) n energie electric ntr-o central i din energie electric n energie mecanic ntr-un motor.

Ca i n alte cazuri, unitatea de msura pentru energie este denumit dup numele unui cercettor a crui contribuie n domeniu a fost important. Unitatea de msura pentru energie recunoscut la nivel internaional (dar nu i n SUA) este Joule-ul.

18


Energia, ca mrime fizic Joule (J) = unitatea de msur a energiei termice,

mecanice i electrice. Deoarece energia este abilitatea de a efectua lucru mecanic, un joule (J) reprezint lucrul mecanic efectuat atunci cnd o for de 1 newton acioneaz pe distana de 1 metru n direcia forei.

Puterea reprezint viteza la care lucrul mecanic este efectuat, sau viteza la care energia este convertit dintr-o form n alta, de ex. din energie chimic (crbune) n energie electric ntr-o central i din energie electric n energie mecanic ntr-un motor.

19


Relaia ntre Energie i Putere Energia i puterea sunt dou noiuni strns

legate ntre ele. Utilizarea puterii pe o perioad dat de timp va avea ca rezultat fie producerea fie consumul de energie.

Matematic legtura este simpl dac ne amintim corect unitile de msur (kWh, kW i ore). Relaia este:Energia [kWh] = Puterea [kW] x timp [ore]

20


Mediul i energiile sale. Terminologia specific.

Ecosisteme = ansambluri de biotopuri i biocenoze susinute de relaiile dintre organisme i factorii abiotici.

Biotop = mediul geografic n care triete un grup de plante i animale, n condiii de habitat omogene.

Biocenoz = o asociaie biologic de plante i animale aflat n echilibru dinamic dependent de mediu, sub aspect anatomic, fiziologic, zoologic, etc.

Biosfera = totalitatea fiinelor care triesc pe pmnt, n ap i n partea inferioar a atmosferei.

Ecologia = tiina fundamental care se ocupa cu studiul sistemelor supra-individuale de organizare a materiei vii (populaii, biocenoze, biosfer) integrate n mediul lor abiotic.

21


Energetica i impactul de mediu n ecosistem, subsistemele pot fi considerate ca fiind

nchise, doar ntr-o analiz teoretic. n realitate acestea sunt deschise, n permanent relaie material i energetic ntre ele, capabile s recepioneze, s prelucreze i s transmit informaii.

n continu cretere populaia uman are nevoie de tot mai multa hran i energie util. Societatea industrializat s-a nscut i se dezvolt pe baza conversiei energiilor primare n energii utile.

22


Energetica i impactul de mediu Energiile primare se regsesc n natur i

primele surse exploatate au fost combustibilii fosili, formai pe ci naturale n decurs de milenii.

Efectele arderii combustibililor fosili: emanaii puternice de gaze nocive, cu efect de

ser (GHG); efectul de ser creat astfel duce la nclzirea

global a planetei.

23


Energetica i impactul de mediu Nevoia de energie util nu trebuie s accentueze

impactul de mediu generat de conversia convenional, fie i datorit caracterului finit al materiei fosile cu valoare energetic.

Evalurile estimeaz ca n timp relativ scurt (30-50 de ani), rezervele de combustibili fosili se vor epuiza. Se contureaz astfel suficiente motive pentru reevaluarea surselor regenerabile de energie, curate i sub o forma sau alta (hidraulic, solar, eolian, etc.) prezente pe ntreaga planet.

24


Procese energetice n natur Biocenoza este caracterizat de propria productivitate

biologic. Energia solar este primordial pentru biocenoz. Autoreglarea ecosistemelor este susinut de fenomene

naturale precum: funcia energetic (fotosinteza i transformrile

chemosintetizante); funcia de circulaie a materiei; funcia de stabilizare n timp i spaiu.

n natur, energia nu se creeaz i nu se pierde, ci doar se transform dup legile termodinamicii.

Energia terestr este transferat de la Soare prin radiaii de natur electromagnetic.

25


Procese energetice n natur Transformrile succesive ale energiei solare n

energie chimic, mecanic sau nervoas, duc la degradarea acesteia prin micarea dezordonat a moleculelor i degajare de cldur (entropie).

Legea a doua a termodinamicii este o lege privind degradarea energiei, adic, ori de cte ori energia este transformat sau transferat n procese reale, potenialul su de a produce lucru util este redus pentru totdeauna.

Entropia este mai mare n sistemele abiotice i relativ sczut n cele biologice datorit sintezei.

26


Procese energetice n natur La scara existenei umane energia solar pare

inepuizabil. Energia solar incident este absorbit de atmosfer n

proporie de 42% i apoi radiat n spaiu sub forma de cldur.

Din energia absorbita efectiv de Pmnt, numai 20% se transfer solului, apelor i vegetaiei, restul fiind reflectat.

Echilibrul transformrilor energetice naturale pe Pmnt s-a conturat n circa 4,6 milioane de ani, trecnd prin fazele abiogen, biogen i antropogen, dintre care cea mai spectaculoas a fost faza biogen, iniiat cu circa 3,5 milioane de ani n urm.

27


Circuitul apei Alturi de carbon, apa este un element esenial n

susinerea biocenozei, echilibrat ca subsistem i de funcia de circulaie a materiei.

Circulaia apei n natur este un fenomen complex i vital datorat transferului de energie solar.

Circulaia apei n natur este perpetu dar nu asigur o repartiie uniform pe suprafaa terestr, fiind influenat de fenomene aleatorii. n unele regiuni apa este deficitar influennd ca atare biocenozele.

28


Circuitul apei

29


Circuitul carbonului Carbonul este un element

primordial, substanele structurndu-se la nivel molecular prin asocierea simpl sau dubl a atomilor si.

Combinaiile sale cu alte elemente se produc cu cedare de energie, ceea ce i confer un rol energetic esenial.

30


Circuitul carbonului

31


Circuitul carbonului Dei sunt stabilizate, rezervoarele de carbon

interacioneaz permanent prin reacii fizico-chimice i procese biologice.

Fotosinteza este cel mai spectaculos proces natural de transfer i stocare a substanei i energiei, prin care dioxidul de carbon din atmosfer este ncorporat n plante verzi i transformat n substana organic, cu degajare de oxigen.

n mod reversibil, o mic parte din dioxidul de carbon absorbit, revine n atmosfer prin respiraia i deshidratarea biocenozei.

32


Forme de energie primar n istoria evoluiei sale, omul i-a modelat

capacitatea de adaptare n mediu, dup condiiile oferite de acesta. Momente cruciale, cum a fost descoperirea focului, au determinat apariia primelor forme de transformare a energiei primare n energie util omului.

Evoluia civilizaiei a fost i este condiionat de conversia energetic.

Sursa primordial este Soarele iar transferul unidirecional de energie genereaz energiile primare n ecosistemul terestru.

33


Forme de energie primar Pentru tiina, provocarea a fost i rmne

cunoaterea legilor dup care energia se transform dintr-o form n alta i modul de stocare a acesteia.

n anul 1905, Albert Einstein a demonstrat, revoluionnd gndirea tiinific a momentului, teoria relativitii restrnse:

2t cmE =

34


Forme de energie primar Se explica astfel cum energiei totale a unui

sistem (Et) i corespunde ntotdeauna o masa total (m) i o viteza (c).

Energia total se regsete integral sub forma de energie cinetica i/sau potenial, deoarece n comportarea mecanic a sistemelor, transformrile sunt reversibile:

cpt EEE +=

35


Forme de energie primar

2

2o

cv1

mm

=2

0p cmE =m0 = masa de repaos

V = viteza corpului

cpt EEE +=

2vmE2

0c

=

2vmcmcm2

020

2 +

36


Forme de energie primar

2

2o

cv1

mm

= 1cv2

2

Dac:

Deci corpului n micare cu viteza luminii, avnd i o mas finit, ar trebui s i se furnizeze o energie infinita.

ntr-o astfel de situaie se regsesc undele electro magnetice. Acestea schimb energie cu alte sisteme, n cuante bine stabilite funcie de timp i spaiu.

m

37


Energia chimic Energia care se consum sau se elibereaz la

combinarea atomilor n molecule se numete energie chimic.

Acumulrile de energie chimic n substane, dau valoare energetic acestora n perspectiva unor transformri utile.

Exemple:energieOHO2H 222 ++

222 O2HO2Henergie ++

38


Energia chimic n condiii determinate, atomul de carbon (C) se

poate combina cu o molecul de oxigen (O2) formnd dioxidul de carbon, cu degajare de energie:

Combinaia carbonului cu oxigenul se numete generic ardere.

Combinaiile hidrocarburilor cu oxigenul (arderile) se fac dup reacia:

energieCOOC 22 ++

energieOHCO2OCH 2224 +++

39


Energia chimic Combinaia de hidrocarburi cu cea mai mare

valoare energetic este petrolul. Din arderea acestuia rezulta ns i cea mai

mare cantitate de reziduuri nocive mediului, cum sunt CO, CO2, NO, SO2 i H2S.

Emanaia dioxidului de sulf (SO2) rezultat din oxidarea sulfului dup reacia:

22 SOOS +

40


Energia mecanic Energia mecanic sau lucrul mecanic, reprezint variaia

de energie cinetic total intr-un sistem, datorat variaiei energiei cinetice a moleculelor ce-l compun.

Energia cinetic este variabila prin creterea sau scderea volumului sistemului, n condiiile n care numrul de molecule pe niveluri energetice nu se modific.

Creterea n volum determina scderea energiei cinetice totale a sistemului, proporional crescnd energia exercitat asupra mediului exterior:

LEc =

41


Energia mecanic n sens invers, dac variaia energiei cinetice n sistem

este compensat din exterior cu o cantitate de cldur:

Rezult o variaie a entropiei:

Sistemul va avea aceeai energie cinetic total n timp ce o cantitate de cldur din exterior se transform n lucru mecanic:

cEQ =

TQ

S =

LQ =

42


Energia mecanic n 1828, Sadi Carnot a demonstrat c

transformarea cldurii n lucru mecanic este posibil tehnic ntre dou sisteme aflate la temperaturi diferite (T1>T2), puse ciclic n contact cu un al treilea sistem.

Sistemul 3 pus n contact cu sistemul 1, preia de la acesta cldura i prin transformarea ei n lucru mecanic, i creste volumul.

Pus apoi n contact cu sistemul 2 (la temperatura T2), cedeaz acestuia cldura Q2, dup care se comprima revenind la temperatura T1.

43


Energia mecanic Aadar funcia sistemului 3 este s preia cldura Q1

i s cedeze cldura Q2 , producnd lucrul mecanic, L:

Succesiunea de transformri prezentat este numit Ciclul Carnot i din punct de vedere tehnic este caracterizata prin randamentul:

21 QQL =

( )2

21

1 QQQ

QL

== ( )

1

2

1

21

TT1

TTT

==

44


Energia nuclear Atomul stabil devine instabil atunci cnd este

bombardat cu o alt particul care, ptrunznd n nucleu, i modifica raportul iniial dintre protoni i neutroni (fuziunea nuclear).

Nucleul trece n stare de excitaie, elibernd energia de legtura dislocat i energia cinetica a particulei proiectil.

Procesul este reversibil n anumite condiii, date de natura nucleului bombardat, de particula proiectil i de energia acesteia.

45


Energia nuclear Particula proiectil poate fi re-emis cu aceeai

energie prin mprtiere elastica sau, cu energie mai mica prin mprtiere neelastica (reacia nuclear n lan).

Nucleul devenit radioactiv se poate dez-excita prin emisie de radiaii sau se poate rupe n fragmente (fisiunea nuclear), probabilitatea fiecrui proces fiind dat de seciunea eficace.

ntr-un sistem de unde electromagnetice, incident cu alt sistem, cuanta emis este fotonul. Deplasndu-se cu viteza luminii, fotonul se ciocnete de un electron i dac este absorbit de acesta, i modific energia n alt punct i n alt spaiu.

46


Energia nuclear Modificndu-i inclusiv viteza de deplasare i

acceleraia, rezulta ca asupra electronului s-a exercitat o for. Conform teoriei lui Feynman, ntre protonii i neutronii nucleelor se produc interaciuni similare ce au ca rezultat forele nucleare, cuantele emise fiind mezonii.

Energiei cedate i corespunde o masa total mai mica dect masa nucleului n stare de repaus. Energia eliberat prin variaia masei este chiar energia de legtur a nucleonilor i apare la fuzionarea acestora.

47


Energia nuclear Aadar, n condiii specifice, o parte a masei

de repaus a nucleonilor se transforma n energie cinetica cedata nucleelor nou formate.

Posibilitatea transformrii masei de repaus n cldur, prin fuziunea nucleelor uoare sau prin fisiunea nucleelor grele, reprezint un mare interes din punct de vedere energetic.

Un avantaj al conversiei nucleare este ca n aceste procese nu se produc emanaii de gaze nocive.

48


Combustibili fosili cu valoare energetic

Petrolul este un amestec de hidrocarburi solide, lichide i gazoase, format n timp ndelungat n subteran, izolat de atmosfer.

Densitatea energetic a petrolului este de 42 MJ/kg, respectiv 49 MJ/l, fiind depit doar de hidrogenul lichid cu o densitate energetica de 120MJ/kg.

Pentru comparaie amintim ca lemnul are o densitate energetic de 19 MJ/kg, n timp ce prin fisiunea a 1 kg de uraniu 235 se obin 8,81010 kJ, echivalent cu arderea a 3000 t crbune.

49


Combustibili fosili cu valoare energetic

Gazele naturale, metanul sau gazul de sond, sunt de asemenea constituite n zcminte subterane inegal repartizate geografic.

Gazele de sond au un bogat coninut de metan (CH4), etan (C2H6), dioxid de carbon (CO2), azot (N2), hidrogen sulfurat i hidrocarburi saturate.

Cu o putere calorifica de 34276 kJ/mc., metanul se distinge cu valoare energetic n conversia termica.

Acumulrile de gaz metan n atmosfera sunt alimentate din plin de surse neexploatate cum sunt suprafeele oceanelor i regiunea cu permafrost din nordul Siberiei.

50


Sfritul cursului.

V mulumesc pentru atenie!

ser_curs1_2014

Documents