documentw

- 1 -

SISTEME DE COGENERARE

Prof.univ.dr.ing. Ana-Maria BIANCHIConf.univ.dr.ing. Florin BLTREU

Cuprins

1. Introducere

1.1. Definirea conceptului de cogenerare

1.2. Obiective; avantaje i dezavantaje1.3. Criterii specifice

1.4. Scurt istoric

1.5. Aplicaii curente

2. Tehnici de cogenerare

2.1. Filiera cu turbin cu abur/vapori (TA/TV)2.2. Filiera cu motoare termice (MT)

2.3. Filiera cu turbin cu gaze (TG)2.4. Comparaie ntre diferitele sisteme de cogenerare

2.4.1. Cogenerarea cu TA: caracteristici2.4.2. Cogenerarea cu MT: caracteristici2.4.3. Cogenerarea cu TG: caracteristici2.4.4. Relaia ntre sistemul de cogenerare i combustibili2.4.5. Concluzii

3. Situaia actual privind cogenerarea i perspectivele sale de dezvoltare

3.1. Consideraii generale3.2. Prezent i perspective ale cogenerrii n Europa3.3. Prezent i perspective ale cogenerrii n Romnia3.4. Cogenerarea pe baz de surse energetice regenerabile3.5. Trigenerarea

3.6. Studiu de caz

Bibliografie selectiv

Sisteme de cogenerare

- 2 -

1. Introducere

1.1. Definirea conceptului de cogenerare

Principalele resurse energetice sunt reprezentate de combustibili + surse neconvenionale; dei ultimele sunt n plin dezvoltare, rolul preponderent este jucat n prezent i pentru un viitor destul de ndeprtat de combustibilii clasici.

Resursele fiind limitate, iar cererea de energie electric (W ) i termic ( Q ) n continu cretere, se impun msuri de gospodrire raional i de protecie a acestora.

O problem de strict actualitate o reprezint gsirea unor soluii reprezentate de tehnologii care s foloseasc n mod raional combustibilii, s aib randamente ridicate, indicatori tehnici i economici ct mai buni, asigurnd n acelai timp protecia mediului.

O soluie performant, deja verificat, const n combinarea a dou sau mai multe procese energetice astfel nct, printr-o utilizare eficient a combustibililor, randamentul global s fie superior celui obinut pe filiere separate.

Un exemplu pentru o astfel de soluie este reprezentat de COGENERARE, care reprezint o producere combinat de cldur i for, o tehnic n care, prin arderea unui combustibil primar, se produc simultan energie mecanic / electric i termic.

Energia termic este disponibil fie direct (nclzire, procese industriale), fie indirect, cu ajutorul unui fluid de lucru, uor de utilizat (vapori, ap cald, ap supranclzit, aer cald etc.).

Energia mecanic disponibil la arborele mainii motrice, este utilizat pentru antrenarea unei alte maini turnante (ventilator, compresor sau, cel mai frecvent, un alternator care produce energie electric).

Figura 1. Schema definirii cogenerrii


- 3 -

Important de remarcat este faptul c, pentru a produce EW din cldur, trebuie s existe o surs cald ( MT ) i una rece ( mT ). ntr-o central termic clasic, sursa rece ( mT ) este luat din mediu (aer atmosferic sau ap de ru); cldura absorbit de ea este n general pierdut, ceea ce conduce la faptul c randamentul unui astfel de sistem este mai mic de 50% (n Frana, CT mediu 36%). n cazul cogenerrii, cldura cedat sursei reci nu este pierdut; ea se regsete aproape n totalitate ntr-un fluid de lucru, astfel nct randamentul ajunge la valori de 65-90%. Cogenerarea permite economia de energie, ceea ce conduce la o reducere a costurilor globale ale energiilor produse.

1.2. Obiective; avantaje i dezavantajeSe remarc urmtoarele avantaje ale cogenerrii: Securitate funcional; n cazul ntreruperii furnizrii de energie, cogenerarea poate

asigura continuitatea n alimentare; poate prelua rolul grupurilor electrogene de siguran, aducnd avantaje economice;

Ctig financiar; cogenerarea permite economii de energie primar de circa 35%, cnd este bine adaptat. n Europa, dac energia electric furnizat prin cogenerare va crete la 18% n 2010 (fa de 11% n 1998), economiile de energie vor corespunde la 3-4% din consumul total european.

Recuperarea cldurii gratuite; este cazul uzinelor chimice sau a incineratoarelor de deeuri menajere; cldura, n loc de a se pierde n atmosfer, este utilizat ntr-un ciclu de cogenerare;

Posibilitatea utilizrii unei game largi de combustibili (gaz natural, crbune, deeuri, biogaz); cogenerarea este o tehnic care se acomodeaz uor resurselor locale de energie primar;

Protecia atmosferei; emisiile poluante raportate la kWh sunt mai mici dect n cazul CT clasice, fie privitor la emisiile direct poluante (SO2, NOx, praf), fie privitor la emisiile de gaz producnd efect de ser (CO2); se remarc impactul deosebit de favorabil prin:

a) posibilitatea folosirii lemnului, bio-gazului, incinerarea deeurilor;b) valorificarea reziduurilor de CO2, dup tratare, n sere, pentru a favoriza creterea plantelor;

Pierderi mai mici n reeaua electric; centralele de cogenerare sunt amplasate de regul n apropierea consumatorilor;

Contribuie la creterea concurenei ntre productori; Reprezint o oportunitate de a crea noi ntreprinderi; Se adapteaz foarte bine n regiunile izolate sau ultraperiferice;


- 4 -

Reducerea considerabil a personalului de ntreinere necesar pentru instalaiile individuale.

Impact deosebit de favorabil:

a) folosirea energiei lemnului, bio-gazului, incinerarea deeurilor;b) valorificarea reziduurilor de CO2 (dup tratare) n sere pentru a favoriza

creterea plantelor.Pe lng toate aceste avantaje considerabile, exist i inconveniente de care trebuie s

se in seama: Investiii ridicate, impuse de tehnicitatea instalaiilor; problema devine i mai

delicat dac trebuie adugat cogenerarea la o CT existent. Exploatarea este mai costisitoare; filiera cu TA presupune un personal autorizat, iar

filierele cu motoare sau TG, chiar dac pot fi automatizate n ntregime, presupun cheltuieli de ntreinere care greveaz sensibil asupra preului electricitii i cldurii produse.

Riscuri tehnice i financiare:incidente funcionale (pentru evitarea crora trebuie utilizate materiale foarte fiabile); preuri variabile ale combustibililor.

1.3. Criterii specifice

Inima unei centrale de cogenerare este maina motrice: ea consum o cantitate orar de combustibil corespunznd unei energii termice C i produce energie mecanic transformat n energie electric W i deeuri termice din care o parte Q este recuperat i utilizat pentru consumatori termici (nclzire, ap cald menajer, procese tehnologice etc.).

Pentru caracterizarea cogenerrii se folosesc: randamentul mecanic:

C

Wm

ntruct W este energia scump, cu ct randamentul mecanic crete, cu att cogenerarea este mai interesant i mai rentabil.Valori tipice ale randamentului mecanic:

- filiere cu TA: 6-22%

- filiere cu TG: 25-35%

- filiere cu MT: 30-35%


- 5 -

randamentul global:

C

QWG

Aceast valoare d eficacitatea energetic a instalaiei complete; ea variaz mult, de la 50 la 95%, n funcie de filier i de utilizarea cldurii.n figura 2 este prezentat un exemplu pentru calculul randamentului global al producerii n cogenerare, comparativ cu producerea separat a energiei electrice i termice. Se observ avantajul major al cogenerrii, dat de un randament care este net superior fa de cel al producerii separate (pentru exemplul de mai jos diferena fiind de 12%).

%80100100

4040100

C

QWcogenerare

%68100117

4040100

C

QWseparat producere

Figura 2. Producerea simultan i separat a energiei electrice i termice

De reinut: noiunea are o valoare scolastic; ntruct cele dou energii (electric i termic) nu au aceeai valoare economic la momente diferite. n practic, rentabilitatea financiar la momentul respectiv va fi elementul determinant al unui proiect de cogenerare.

raportul cldur / for (indicele de cogenerare), care reprezint raportul WQdintre cantitatea de cldur Q i de energie electric W , furnizate simultan de cogenerare. Este o noiune necesar pentru alegerea tipului de instalaie.


- 6 -

raportul for / cldur, care reprezint raportul QW (inversul indicelui de cogenerare).

consumul specific echivalent:

W

QCCE

Aceast mrime d consumul de energie aferent producerii unui kWh n sistemul de cogenerare. Determinarea se face pe baza raionamentului urmtor: dac cogenerarea este implantat ntr-o instalaie unde cldura este n mod normal furnizat de o CT avnd randamentul , cldura util Q recuperat (pentru consumatorul termic) reduce consumul CT cu valoarea Q ; se poate spune deci c surplusul de combustibil consumat de cogenerare corespunde unei energii egale cu QC , care servete la producerea unei energii electrice W [kWh].

Aceast noiune permite calculul costului energetic i financiar al kWh (electric) autoprodus prin cogenerare i este foarte util pentru compararea diferitelor sisteme / filiere.

De exemplu, n Frana, EC 1 th / kWh (electric) pentru cogenerare (1 th = 4185.5 kJ = 1000 kcal), iar pentru 1 kWh furnizat de EDF valoarea reinut este de 2.2 th / kWh (electric).

1.4. Scurt istoric

Argumentele n favoarea cogenerrii au evoluat n timp. Prima instalaie a fost realizat la New York n 1877 de Birdsill Holly. n 1893, n Germania, la Hamburg, a fost pus n funciune prima unitate de producere combinat de energie, care marcheaz debutul dezvoltrii n Europa a acestei tehnologii de alimentare centralizat cu energie termic la distan. Argumentul principal a fost evitarea pericolului incendiilor n construciile dense ale oraului, nclzite cu sobe utiliznd crbunele.

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

a) economia de combustibil;

b) posibilitatea utilizrii mai eficace a combustibilului solid i a produselor petroliere, evitnd pericolul unei poluri directe sau indirecte.Optimul pentru utilizarea acestei tehnici este realizat cnd consumatorii de energie W

i cldur Q sunt grupai (de exemplu: platforme industriale).

O alt ncercare n acest sens dateaz chiar din perioada interbelic i a fost concretizat rin utilizarea unui sistem cogenerativ de tip Rankine, restul tehnologiilor comerciale dezvoltndu-se n ultimii 30 de ani. nc din anul 1935, n SUA exista o reea


- 7 -

ntins a capacitilor de producere a energiei, multe industrii avnd pe atunci instalaii asemntoare cu cogenerarea.

Dup crizele petroliere din anii 1970, productorii i consumatorii de energie i-au ndreptat atenia ctre tehnologii noi, care s conduc la scderea costurilor legate de utilizarea energiei.

La sfritul anilor 1980 au nceput s apar centralele de cogenerare utiliznd i ciclul mixt (gaze-abur), ca urmare a fiabilitii turbinei cu gaze.

Expansiunea cogenerrii a aprut n anii 1990 datorit faptului c, n timp, preul energiei a nceput s creasc i datorit ngrijorrii aprute datorit schimbrii climei, concretizat n 1997 prin Protocolul de la Kyoto, care a forat guvernele s caute noi ci de reducere a emisiilor de gaze de ser.

n ultimul deceniu s-a constatat creterea rapid a numrului de instalaii cu cogenerare, statistica MarketLine International artnd c, legat de perspectiva dezvoltrii industriei n domeniul cogenerrii, n urmtorii ani vor avea loc creteri ale investiiilor de .........

n Europa, n rile din nord i vest, s-au dezvoltat n primul rnd filiere de talie mare, cu reele de transport de zeci / sute de km i cu sarcini termice de 50-15000 MW.

n Romnia, pe lng cogenerarea industrial, n jurul anilor 1960, dezvoltarea masiv a cldirilor urbane a creat premisele favorabile pentru dezvoltarea cogenerrii n scopul nclzirii centralizate a acestora. De reinut este faptul c Romnia se situeaz pe locul 3 n Europa (dup Rusia i Polonia) din punctul de vedere al taliei reelei de termoficare.

Tendina ultimelor decenii este de a dezvolta cogenerarea mic ( 1W MWe) sau mini/micro cogenerarea ( 50W kWe), precum i conceptele mai sofisticate, ca de exemplu: cogenerarea modular, energie total etc. (Frana, Germania, Italia, Olanda). Toate au la baz valorizarea la maximum a avantajelor cogenerrii armonizate cu o anumit tendin de independen energetic.

1.5. Aplicaii curente Industrie

Sere

Reele de nclzire Centre comerciale

Centre de locuine colective Centre de sntate Hoteluri, piscine


- 8 -

2. Tehnici de cogenerare

2.1. Filiera turbin cu abur/vapori (TA/TV)Reprezint sistemul cel mai vechi i rspndit. Utilizat de la nceput pe platforme

industriale, s-a extins ulterior i n cazul necesitilor de nclzire urban.Pentru producerea de cldur sunt utilizate preponderent dou scheme:a) n industrie, se utilizeaz direct aburul de contrapresiune (fig. 2.1);b) n domeniul teriar (de exemplu nclzire urban) se utilizeaz mai frecvent ap supranclzit (fig. 2.2).Avantajul esenial al sistemului const n posibilitatea utilizrii oricrui tip de

combustibil.

n plus, materialele specifice, agregatele bine cunoscute i construite de multe decenii sunt n general foarte fiabile i durabile.

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

Performana sistemului producia de energie electric depinde de mai muli factori, dintre care se remarc:

a) debitul de abur furnizat de TA; cu excepia cazurilor unei energii gratuite sau de recuperare a unei clduri fatale, debitul total de abur produs este o funcie direct de necesarul de cldur al instalaiilor deservite de reea. Dac acest necesar este constant n timp, se aleg cazane de nalt presiune i una / mai multe turbine capabile s asigure acest debit total;

Figura 2.1. Filiera TA: reea de abur1 purj; 2 cazan de abur; 3 abur supranclzit de nalt presiune;4 turbin; 5 alternator; 6 degazor; 7 rezervor de alimentare; 8 pomp de alimentare;9 pomp de condensat; 10 rezervor de condensat; 11 sistem de tratare a apei;12 ap de adaos; 13 abur de priz de medie presiune; 14 abur de joas presiune;15 ctre utilizatori; 16 retur (condensat).


- 9 -

Figura 2.2. Filiera TA: reea de ap supranclzit1 purj; 2 cazan; 3 abur supranclzit (nalt presiune); 4 turbin cu abur;5 alternator; 6 condensator; 7 ap supranclzit; 8 generator direct;9 abur de priz de medie presiune; 10 condensator de medie presiune;11 ctre degazor; 12 condensator joas presiune.

b) contrapresiunea aburului la ieirea din TA; valoarea acesteia depinde numai de utilizarea dat cldurii Q . Ea trebuie s fie ct mai sczut cu putin, iar importana ei este primordial. n uzine, n cazul nclzirii industriale sau a localurilor, valoarea ei este 1-4 bar, compatibil cu temperaturile ce trebuie asigurate nclzirii cerute i cu pierderile de sarcin n reeaua de distribuie. n cazul climatizrii, deoarece cogenerarea produce ap supranclzit, instalaia presupune - n marea majoritate a cazurilor unul / mai multe cazane de nalt presiune care furnizeaz condensatorului TA puterea termic de baz i, pe de alt parte, generatoare suplimentare de joas presiune cu abur sau ap supranclzit, care furnizeaz cldura suplimentar necesar n perioadele foarte friguroase.

c) parametrii caracteristici Tp, ai aburului; cu ct sunt mai nali, cu att se obine mai mult energie electric W pe tona de abur. n schimb, investiiile cresc rapid, echipamentele devin mai complexe i mai dificil de exploatat. n


- 10 -

general, presiunile au valori de 25-80 bar, iar supranclzirea aburului este de 280-500C.

d) randamentul izentropic al turbinei TA; acesta variaz ntre 85% pentru TA perfecionate cu multe etaje i 55% pentru TA simple i ieftine. Gama de selecie fiind foarte larg, materialele vor fi optimizate n fiecare caz, n urma unui bilan tehnico-economic.

2.2. Filiera cu motoare termice (MT)

Acest tip de cogenerare presupune existena unui motor / mai multor motoare cu combustie intern, tip Diesel sau cu bujii (cu aprindere comandat), care antreneaz un alternator. Cldura este recuperat n principal din:

a) gazele de eapament;b) din rcirea blocului motor.Avantajele acestui tip de cogenerare sunt:

a) utilizarea motoarelor termice presupune instalaii mult mai simple, mai puin voluminoase, mai ieftine i care pot fi n ntregime automatizate;

b) innd seama de gama larg de puteri a motoarelor termice (de la civa kW la mai mult de 20 MW), aceast filier permite o utilizare de la cogenerarea mic pn la cogenerare de mare putere;

c) aceste motoare termice au o funcionare simpl, demareaz i intr n sarcin rapid (circa 30 s) i au un bun randament mecanic ( m =35-48%).

Dezavantajul major legat de utilizarea motoarelor termice const n faptul c sunt zgomotoase i produc vibraii (nivel sonor 100-120 dBA); acest fapt impune montarea de amortizoare de zgomot pe aspiraie i refulare, precum i montarea lor pe socluri grele i cu montaje speciale.

Motoare termice cu aprindere comandat / prin bujii:a) se fabric de regul pentru puteri mici (20-1500 kW);b) n practic, se utilizeaz frecvent mai multe motoare mici, de serie, deoarece cost

mai puin dect un motor mare i permit realizarea unei instalaii suple i sigure;c) randamentul mecanic are valori de circa 33-38% (n plin sarcin i la viteza

optim);d) combustibilii utilizai: gaz natural, combustibili lichizi bogai (benzin, gazoil,

motorin, ulei domestic, oneroase totui pentru utilizarea lor ntr-o filier de cogenerare), biogaz, gaze fatale produse de uzine de incinerare a deeurilor menajere).


- 11 -

Motoare termice de tip Diesel:

a) gama de puteri este de 100 25000 kW;

b) randamentul mecanic are valori n intervalul 38 48 %

c) combustibilii utilizai sunt: - gaz natural sau motorin (se adaug 5-8% gazoil pentru realizarea aprinderii prin compresie) pentru puteri mici ( 3500 kW), n acest caz putndu-se utiliza i biogazul sau GPL;

- motorina grea, pentru puteri mari ( 4000 kW). Aceasta trebuie epurat i limpezit cu grij, cernd un echipament de tratare costisitor i care nu se amortizeaz dect n cazul instalaiilor mari.

Utilizarea motoarelor termice n sisteme de cogenerare este recomandabil, datorit existenei n funcionarea lor a unei importante cantiti de energie termic rezidual sub diferite forme:

a) n gazele de eapament; acestea conin circa 30% din energia combustibilului, avnd n general o temperatur ridicat (450-550C). De aceea, este posibil scderea temperaturii lor n baterii unde se poate prepara un agent termic (ap cald sau supranclzit) sau ntr-un cazan de recuperare ce produce abur.Remarc important: combustia n motoarele clasice utilizate se face cu un exces de aer de ordinul 10-50%; acesta poate ajunge ns la 300% pentru anumite motoare Diesel de putere mare (fapt care duce la scderea temperaturii de ardere i reducerea de NOx). n acest caz, gazele de eapament pot fi utilizate ca aer de ardere n cazane special echipate, n care se utilizeaz principiul post-combustiei, mai frecvent asociat turbinelor cu gaze. Nu trebuie uitat nici faptul c gazele de eapament conin picturi de ulei i, n consecin, bateriile recuperatoare trebuie protejate.

b) n rcirea blocului-motor (rcire de nalt temperatur); aceasta reprezint circa 20 % din energia consumat. Apa de rcire este introdus n motor la circa 70C i iese cu 80-90C (n motoarele obinuite). n anumite cazuri, destinate utilizrii n cogenerare, apa poate ajunge la ieire la temperaturi de circa 105C (uneori poate fi chiar sub form de emulsii care s genereze abur de joas presiune).

c) n rcirea uleiului i a aerului de ardere (rcire de joas temperatur); apa de rcire este la temperatur joas n aceste cazuri (ct mai joas posibil pentru aerul de ardere). Cldura coninut reprezint circa 15% din energia combustibilului, fiind recuperabil greu (cu excepia renclzirii la temperaturi joase pentru ap sanitar sau aer utilizat n climatizare / uscare).


- 12 -

d) n cldura de radiaie i convecie a motorului; n general, aceasta este pierdut n atmosfer (cu excepia unor cazuri rare de utilizare n prenclzirea aerului de ardere).

Cldura recuperabil din aceste patru surse (din care numai una gazele de eapament se afl la temperatur ridicat) conduce la randamente globale bune, impunnd utilizarea sa la prepararea fie de ap cald, fie de aer cald.

Schema cea mai curent utilizat este reprezentat n figura 2.3.n aceast instalaie, cogenerarea este montat n serie cu unul / mai multe cazane de

joas presiune care produc ap cald la mai puin de 110C, care este vehiculat de pompe ctre o reea de nclzire. Retururile acestei reele recupereaz mai nti cldura din circuitul de rcire de nalt temperatur; ele sunt apoi trimise fie direct n blocul-motor pentru a-l rci, fie ntr-un schimbtor de cldur plasat ntr-un circuit nchis de rcire al blocului motor. Apoi, retururile trec ntr-o baterie plasat sub gazele de eapament; ele recupereaz astfel circa 80% din cldura rezidual coninut n aceste gaze.

Toat cldura din circuitul de nalt temperatur i cea mai mare parte din cea coninut n gazele de eapament sunt transferate apei din reea.

Figura 2.3. Filiera cu motor termic; recuperarea cldurii sub form de ap cald (de la 80C la 105C)

1 agent de rcire; 2 schimbtor de cldur; 3 circuit de rcire de joas temperatur;4 motor termic; 5 circuit de rcire de temperatur nalt; 6 alternator; 7 schimbtor de cldura ap ap; 8 gaze de eapament; 9 cazan de ap cald de joas presiune.


- 13 -

Privitor la rcirea de joas temperatur a motorului, aceasta trebuie s fie fcut la cea mai sczut temperatur posibil, pentru a rci mai bine aerul de ardere dup compresie i a mri astfel cantitatea de aer aspirat. Acest proces este asigurat n general de un rcitor de aer extern (de altfel, constructorii livreaz motoarele cu un circuit nchis de joas temperatur, rcit cu un rcitor de aer sau radiator).

Exist nc multe alte variante de instalaii cu motoare termice, adaptate nevoilor locale.

2.3. Filiera cu turbin cu gaze (TG)Folosite iniial ca turbine de vrf la furnizarea energiei electrice, actualmente turbinele

cu gaze cuplate cu un cazan recuperator sunt n mod curent folosite n cogenerare pentru sarcina de baz.

Turbinele cu gaze sunt bine adaptate att instalaiilor industriale, care au n general nevoie de energie electric i de abur, ct i instalaiilor sectorului teriar, care utilizeaz ap cald sau supranclzit.

Turbinele cu gaze sunt de creaie mai recent dect celelalte dou tipuri; sunt disponibile pe o gam larg de puteri: 25 kW 200 MW. Combustibilii folosii sunt: gazul (natural, GPL sau biologic) sau motorina.

Avantajele utilizrii turbinelor cu gaze sunt:a) sunt compacte, lejere i se pot implanta cu uurin;b) toat energia transformat n cldur (cu excepia unor pierderi mici) se regsete n

gazele de eapament la temperaturi ridicate (430-580C). Cazanul recuperator plasat pe circuitul acestora permite producerea aburului sau a apei supranclzite. Dimensionarea acestuia se face n funcie de temperaturile pe tur i retur din reeaua de nclzire.

c) gazele de eapament sunt curate i conin 15-17% O2. Ele pot fi utilizate n industrie pentru nclzirea direct n usctoare i, mai ales, ca aer de ardere n arztoare speciale (de post-combustie), care se adapteaz cazanelor; se pot obine astfel randamente excelente.

O instalaie de cogenerare cu TG este reprezentat n figura 2.4; de reinut este faptul c sunt posibile mai multe scheme n funcie de tipul de turbin cu gaze folosit.


- 14 -

Figura 2.4. Filier de cogenerare cu TG

Mai pot fi folosite microturbine n centrale de tip bloc sau turbine cu gaze cu injecie de abur (att n TG ct i n camera de ardere).

Filierele de cogenerare cu TA i TG pot fi combinate, dnd natere unor cicluri combinate; principiul const n instalarea a dou cogenerri n serie: prima cu TG, a doua cu TA, reprezentate n figura 2.5.

Figura 2.5. Schem de cogenerare cu ciclu combinat/mixt

Ciclul combinat/mixt gaze-abur folosete cldura din gazele de eapament ale TG pentru a produce ntr-un cazan recuperator aburul necesar TA. Pentru nclzirea agentului primar din circuitul de nclzire se folosete abur din prizele turbinei i abur din cazanul recuperator.

Ciclul combinat/mixt se caracterizeaz printr-un randament ridicat (circa 50%) la funcionarea numai pentru producerea de energie electric i de circa 85% n ciclu de cogenerare.


- 15 -

Excesul de O2 din gazele de eapament permite folosirea arderii suplimentare de combustibil n cazanul recuperator.

Datorit eficienei ridicate i investiiei specifice foarte competitive, centralele cu ciclu combinat se instaleaz n locul celor clasice cu TA, acolo unde exist gaze naturale pentru TG.

2.4. Comparaie ntre sistemele de cogenerare2.4.1. Cogenerarea cu TA: caracteristici

investiia cea mai scump, sistem greoi, cernd un personal de exploatare calificat; WQ mediocru i foarte variabil (4-20) n funcie de parametrii aburului (p, T);

EC bun (1-1.25);

singurul sistem utilizabil cu crbune i deeuri menajere.

2.4.2. Cogenerarea cu MT: caracteristici

sistem suplu, cu automatizare total, cu demaraj rapid;

m excelent (33-48%);

WQ foarte bun (0.5-1.5);

EC bun n cazul reelei de ap cald (0.75-1.3) i EC modest n cazul reelei de ap cald menajer (2-2.4); sistem greu i vibrant, cu uzur rapid (n funcie de viteza de rotaie) i ntreinere costisitoare;

combustibil : gaz ( toate puterile), motorin grea ( puteri > 4MW); sistem bine adaptat pentru climatizare (n mod special pentru spitale).

2.4.3. Cogenerarea cu TG: caracteristici

sistemul cel mai recent, uor, ocupnd un spaiu redus;

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

WQ mediu (1.5- 2.5), dar EC nalt (1.5-2).

cldura coninut n gazele de eapament au potenial termic ridicat rezult adaptare uoar pentru producerea de ap supranclzit i aburului, deci, recomandabil pentru industrie;

combustibil : gaz la presiuni ridicate.


- 16 -

2.4.4. Relaia ntre sistemul de cogenerare i combustibilia) Crbune i deeuri menajere : singurul sistem utilizabil este cu turbin cu abur;b) Motorin : turbina cu abur pentru sarcini de nclzire mari i MT ( pentru > 4MW).c) Gaz natural: combustibilul cel mai scump, astfel nct se remarc importana EC i

a post-combustiei, precum i urmtoarele:- este foarte interesant n cazul n care generatorul de agent termic existent este

recuperabil;

- presiunea gazului cerut (13-16 bar) impune o legtur direct cu o reea de transport a gazului sau necesitatea existenei unor compresoare, care reduc rentabilitatea sistemului.

Tabelul 2.1 prezint o sintez a caracteristicilor tehnice ale sistemelor de cogenerare.

2.4.5. Concluzii

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

n primul rnd, se face un bilan economic simplu, care determin timpul de rambursare brut; el permite, printr-o evaluare rapid, pentru o instalaie creia i se cunosc caracteristicile medii de funcionare, alegerea sistemului cel mai potrivit. Dac acesta se dovedete rentabil, se va face ulterior un calcul detaliat.


- 17 -


- 18 -

3. Situaia actual privind cogenerarea i perspectivele sale de dezvoltare

3.1. Consideraii generalePrognozele privind producerea de energie electric (n primul rnd) i termic vizeaz

orizontul 2030. innd seama de timpul necesar maturizrii unor tehnologii noi, numai cele aflate acum n stadiul de dezvoltare (sau chiar numai de demonstaie) au anse reale de a ptrunde pe piaa energetic pn la aceast dat luat ca reper. ntr-o perspectiv mai ndeprtat, este dificil de prevzut care ar putea fi progresele tehnologice, de estimat timpul necesar maturizrii lor i de imaginat evoluia contextului economic determinant pentru competitivitatea lor.

Pe parcursul perioadei considerate (pn n 2030), dezvoltarea i punerea n aplicare a opiunilor tehnice fondate pe cele trei mari familii de surse energetice (combustibili fosili, energia nuclear i energiile regenerabile) vor fi influenate n mod esenial de trei direcii prioritare:

a) protecia mediului;b) securitatea aprovizionrii;c) competitivitatea economic pe o pia din ce n ce mai deschis concurenei.Aceste trei direcii care focalizeaz atenia i interesul factorilor de decizie politici sau

industriali, al organismelor de reglementare, al productorilor de energie electric, al constructorilor de materiale i al utilizatorilor, vor influena tipul, structura i talia/mrimea sistemelor productoare de energie, care vor fi adoptate pe parcursul perioadei considerate.

n acest context, argumentele care pledeaz pentru implementarea/dezvoltarea cogenerrii sunt de natur economic, strategic, comercial i ideologic.

Factorul de decizie principal l constituie avantajul rezultat al economiei de combustibil privind vnzarea energiei termice la preuri mai mici dect n cazul producerii i comercializrii energiei termice produse separat.

3.2. Prezent i perspective ale cogenerrii n Europan prezent, cogenerarea diminueaz cu circa 350 milioane tone emisiile de CO2 n

Europa i reduce dependena de resursele energetice. n comparaie cu 1999, producia de energie n cogenerare a crescut n majoritatea

rilor din Uniunea European; cele mai mari creteri s-au nregistrat n Italia (7.4% pe an), Austria (7.4% pe an) i Suedia (6% pe an).


- 19 -

n rile Uniunii Europene, preurile pentru cldura furnizat n SATC au rmas relativ constante (n comparaie cu 1999), n ciuda fluctuaiilor de pre ale gazului natural i ieiului.

n rile candidate, preurile au crescut n general, ca urmare a eliminrii treptate a subveniilor, n vederea adaptrii la cerinele de integrare n Uniunea European.

Exist accente uor diferite n politica de utilizare a combustibilului n rile membre n Uniunea European i rile candidate. n timp ce primele promoveaz tot mai mult sursele regenerabile i valorificarea deeurilor, rile candidate se bazeaz (pe termen mediu) pe o cretere a consumului de gaze naturale.

Pentru viitor este previzibil o strategie comun, care pune accentul pe creterea eficienei energetice, utilizarea resurselor regenerabile i satisfacerea necesarului de energie utiliznd ct mai puin energie primar.

Se ncurajeaz astfel i descentralizarea alimentrii cu energie, incluznd cogenerarea de mic putere amplasat lng consumator.

n majoritatea rilor Uniunii Europene nu sunt prevzute legi speciale; se ine totui seama c, prin cogenerare, se ndeplinesc obiective economice generale, n special legate de politicile privind protecia mediului.

ri ca Olanda i Suedia coreleaz promovarea cogenerrii cu faciliti fiscale, n timp ce Germania, Austria i Danemarca acord un sprijin legislativ instalaiilor de cogenerare cu eficien ridicat. n acelai fel sunt susinute i resursele regenerabile, att prin politici fiscale, ct i prin reglementri legislative.

n procesul de aderare la Uniunea European, majoritatea rilor candidate au elaborat legi privind energia, pentru a crea cadrul legislativ general care s susin liberalizarea pieei i competiia n conformitate cu directivele Uniunii Europene.

Ca o concluzie, se poate aprecia c principalele motoare ale dezvoltrii cogenerrii n Europa au fost:

a) politica energetic a guvernelor, care prin prghii legislative/financiare favorizeaz investiiile n cogenerare;

b) angajamentele naionale de reducere a emisiilor de CO2;c) necesitatea instalrii de capaciti noi de producere a energiei electrice ca urmare a

creterii cererii;d) tendinele de evoluie a preurilor pe piaa energiei, atunci cnd preul gazului

natural este sczut i preul energie electrice este ridicat.Directiva 2004/8/EC a Parlamentului European i a Consiliului Uniunii Europene din

11 februarie 2004 cu privire la promovarea cogenerrii bazat pe cererea de cldur util pe piaa intern de energie i care modific Directiva 92/42/EEC este actul normativ menit s statueze poziia cogenerrii n strategia energetic european.


- 20 -

3.3. Prezent i perspective ale cogenerrii n RomniaCogenerarea s-a dezvoltat n Romnia din anii 1950, n contextul planurilor de cretere

accelerat a produciei de energie electric, n aplicaii exclusiv industriale. Cogenerarea pentru nclzire urban a demarat n 1960 i s-a extins dup 1970, n acord cu ritmul rapid al creterii cerinelor de energie electric, ct i cel al construciei de locuine tip bloc.

O aplicaie curent a fost grupul de cogenerare de 50 MWe cu cazane de abur i TA cu condensare n schimbtoare de cldur tubulare, care produc agent termic (ap cald) pentru alimentarea cu cldur centralizat. Studiile de optimizare efectuate n anii 60-70 au apreciat c dimensionarea instalaiei de cogenerare la 45-60% din sarcina termic de vrf constituie soluia care asigur o ncrcare acceptabil la nivelul unui an, astfel nct amortizarea instalaiei s se fac ntr-un termen rezonabil. Vrful de sarcin se acoper din cazane cu ap fierbinte (CAF).

La sfritul anilor 70 toat furnitura aferent grupului de cogenerare de 50Mwe se fabrica n Romnia.

Un coeficient de cogenerare de 50% corelat cu alura medie a curbei de sarcin anual de nclzire din Romnia, face ca (teoretic) circa 80-85% din cldura livrat pe an s poat fi produs n regim de cogenerare, restul de 15-20% fiind livrat de CAF. n realitate, datorit strii tehnice precare a grupurilor de cogenerare i costurilor mai reduse de reparare a CAF, proporia cldurii livrate de acestea din urm este mult mai mare.

Aplicaiile recente de mic cogenerare pentru sistemele de alimentare cu cldur centralizate din Romnia constituie aciuni pilot.

Coeficientul de cogenerare proiectat este redus (10% raportat la necesarul de cldur estimat la demararea proiectului), fapt ce exprim:

a) dorina de reducere maxim a problemelor de interfa cu reeaua de electricitate (exportul de electricitate);

b) incertitudinea privind evoluia cererii de cldur n condiiile actuale;c) fezabilitatea sczut a proiectelor, care duce la alegerea unor variante minimale.Capacitatea de replicare a acestor proiecte pilot pare s fie aproape nul.nclzirea prin sisteme centralizate de alimentare cu cldur a devenit o problem

critic n Romnia. Uzura fizic i moral, lipsa de management, lipsa resurselor financiare pentru ntreinere i modernizare, pierderile mari n transport/distribuie i izolarea necorespunztoare a fondului existent de locuine sunt o parte din factorii care au condus la aceast situaie.

Lipsa contorizrii individuale contribuie i ea la valoarea mare a facturii pentru nclzire suportat de populaie. Se estimeaz un potenial de reducere a consumurilor ce poate depi 60% din consumul actual!


- 21 -

ntrzierea demarrii unor programe viznd rezolvarea problemei nclzirii centralizate, continua scdere a calitii serviciilor i creterea valorii facturii de nclzire au condus la sporirea nencrederii populaiei n sistemele centralizate de nclzire. Aceasta a dus la debranarea de la sistemele centralizate a 21% din apartamentele aferente.

Aproximativ 70% din cei debranai au ales ca soluie nclzirea individual la nivel de bloc, scar, apartament folosind cazane/centrale cu gaz natural. Acest fenomen este favorizat de amplasarea n locuri unde acest combustibil este disponibil, n condiiile n care n Romnia preul gazelor naturale este nc relativ sczut.

Un raport recent al FMI intitulat Enigma sistemului energiei termice n Romniaidentific aceleai probleme semnalate mai sus.

Se apreciaz c Guvernul i-a concentrat eforturile mai mult pe proiecte de reabilitare a sistemului de producie i de reducere a pierderilor n reelele de transport, proiecte a cror eficien real nu a fost nc evaluat.

O evaluare a reabilitrii sistemelor de nclzire centralizat n Romnia estimeaz investiii de circa 3.9 miliarde Euro. Nu sunt precizate efectele i eficiena, sau dac aceast evaluare s-a bazat pe necesarul real de cldur rezultat n urma epuizrii tuturor msurilor de eficientizare la consumator.

Pe de alt parte, reabilitarea termic i eficientizarea locuinelor la nivelul ntregii ri implic fonduri foarte mari (7 10 miliarde Euro!), innd cont de faptul c aproximativ 78% din locuinele existente au o vechime mai mare de 25 de ani.

Sunt n curs de derulare aciuni de modernizare (de exemplu, Programul de contorizare din Bucureti i alte orae), dar ritmul i gradul de acoperire sunt insuficiente.

n concluzie se poate aprecia c eforturile pentru dezvoltarea grupurilor de cogenerare mic (< 1 MWe) i medie (25 MWe) ar putea s contribuie la ameliorarea situaiei prezente.

Soluia trebuie promovat complementar/alternativ fa de soluiile de cogenerare de mare putere i trebuie s fie susinut i de o legislaie favorabil.

3.4. Trigenerarea

Plecnd de la limitarea utilizrii cogenerrii n raport de necesarul de cldur care este sezonier, s-a dezvoltat conceptul de trigenerare.

Trigenerarea implic producerea simultan a energiei mecanice (electrice), a cldurii i a frigului, pe baza unui singur combustibil utilizat; ea reprezint o extindere a cogenerrii i se nscrie n conceptul ecogenerare, care nglobeaz soluii tehnice de producere optimizat a unor energii curate ntr-un sistem.

Dezvoltarea trigenerrii are la baz soluiile analizate cu MT i TG.


- 22 -

n diagrama exergetic prezentat n figura 3.1 se poate observa efectul energetic optimizat al folosirii energiei primare.

Conceptul de trigenerare se regsete i sub alte denumiri:a) CHCP (combined heating, cooling and power generation);

b) IES (integrated energy system);

c) DES (district energy system).

Figura 3.1. Diagrama exergetic a trigenerrii

Ca rezultat al trigenerrii se pot obine: ap fierbinte, abur, ap rcit i energie electric. Acestea i gsesc utilitatea pentru unele destinaii privilegiate: spitale, coli, supermarketuri, teatre, aeroporturi, colegii/universiti, cldiri de birouri, cldiri guvernamentale, hoteluri, restaurante etc.

Eficiena trigenerrii poate ajunge s depeasc cu pn la 50% pe aceea a unei cogenerri cu ciclu combinat.

A treia form de energie produs frigul poate rezulta prin utilizarea direct a energiei mecanice a unui motor sau a unei turbine sau poate fi produs indirect, prin intermediul unui grup de absorbie.

Trigenerarea, ca soluie energetic ce combin tehnica cogenerrii i producerii frigului prin absorbie, ofer avantaje considerabile care o impun n strategia energetic actual i viitoare:

a) producerea de electricitate, cldur i frig pornind de la gaze naturale;b) utilizeaz apa ca fluid frigorific;c) diminueaz mult efectele poluante asupra atmosferei.n figura 3.2. este prezentat schema de funcionare a unei instalaii de trigenerare.


- 23 -

Combustibilul gaz natural alimenteaz un motor dintr-o instalaie de cogenerare, cuplat la un alternator, pentru a produce energie electric utilizat att pentru autoconsum, ct i pentru livrare n reea.

Figura 3.2. Schema de funcionare a unei instalaii de trigenerare

Cldura produs de motor n timpul combustiei este valorificat parial pentru alimentarea unei reele de nclzire urban i apoi a unui absorber cu ap cald. Acesta, la rndul lui, produce un amestec ap ghea pentru o reea urban de climatizare. Un cazan (pe gaz) permite producerea unui supliment de ap cald i de ap cu ghea (prin intermediul absorberului cu ap cald). Un al doilea absorber pe gaz i un turbocompresor asigur un supliment de sarcin frigorific. Fluidele frigorifice utilizate sunt: vapori de ap pentru absorberele cu bromur de litiu i agentul R134a pentru turbocompresor (epurat de particulele de clor).

Bibliografie selectiv1. Bianchi A.-M. - Thermodynamique, Universit Technique de Constructions

Bucarest, 1997.

2. Frunzulic R., oropoc M. - Cogeneration et rseaux de chaleur, Editura PRINTECH, Bucureti, 2002.

3. Levy C. - Les techniques de cogeneration, Gnie nergetique, Paris, 1998.

4. Chiriac F., Dumitrescu R. - Sisteme de cogenerare i trigenerare. Concepii privind situaia din Romnia, Simpozionul Instalaii pentru Construcii i Confortul Ambiental, Timioara, 2004.

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

documentw

Documents