SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

PARTILE SELECTATE REPREZINTA SUBIECTE PENTRU COLOCVIUTitular curs: conf.dr.ing. Adrian Ciocănea

Obiectul cursului: Cursul Surse Regenerabile de Energie tratează sursele de energie regenerabile din punct de vedere la originii lor, al modelării matematice corespunzătoare fenomenelor, calculului sistemelor de conversie precum şi al aplicaţiilor.

CURS 1 ASPECTE GENERALE CU PRIVIRE LA SURSELE REGENERABILE DE ENERGIE

A. GENERALITĂŢI

1. Clasificarea surselor de energie Sursele de energie sunt clasificate în funcţie de caracteristicile acestora şi după ponderea pe care o au în balanţa energetică mondială. Din aceste puncte de vedere se definesc:

- sursele de energie clasice sau convenţionale bazate pe: cărbune, petrol, gaze naturale, uraniu;

- surse de energie regenerabile bazate pe: radiaţia solară, vânt, valuri sau maree, circulaţia apei în natură,

- căldura solului, biomasa inclusiv metanogeneza bacteriană;- surse inepuizabile de energie bazate pe: potenţialul chimic al unor substanţe , energia

atomică (în legătură cu reacţia de fuziune) - •- surse de energie recuperabilă bazate pe: recuperarea de energie reziduală în urma

conversiei clasice, recuperări de energie din procese mecanice (energia de frânare a mijloacelor auto);

- •- surse de energie noi bazate pe: energia vidului, radiaţiile electromagnetice;

2. Stadiul actualUn punct de vedere important în evaluarea potenţialului de dezvoltare al instalaţiilor de captare şi conversie aferente surselor regenerabile de energie este gradul în care progresul tehnologic este transferat către piaţă. Aceasta implică o bună cunoaştere a raportului dintre maturitatea tehnologică şi maturitatea pieţelor. În figura nr. 1.5 este prezentată o astfel de evaluare din care se poate observa că singura sursă regenerabilă care nu necesită subvenţii este ceea hidro fiind urmată de biomasă şi abia apoi de cea eoliană.

Fig. 1.5 - Gradul de maturitate al tehnică şi de pregătire a pieţei pentru diferite instalaţii de producere a energiei din surse regenerabile –2009

(1.-Hidro; 2.-Biomasă-cogenerare; 3.-Eolian „onshore”; 4. –Biomasă-condensare, 5.- Solar fotovoltaic siliciu cristalin; 6. –Eolian „offshore”-ape puţin adânci; 7. – Maree; 8.- Eolian „offshore”-ape adânci; 9. – Solar fotovoltaic

–straturi subţiri; 10. -Valuri; 11. – Eolian „offshore” plutitor;)

Trebuie menţionat că analizele disponibile nu iau încă în considerare energia hidrogenului în varianta obţinerii sale din surse regenerabile şi sub forma utilizării în pile de combustie. Acest aspect scoate în evidenţă faptul că, deşi există o puternică activitate de promovare a aplicaţiilor în care sunt utilizate pilele de combustie, piaţa nu are încă un grad ridicat de încredere în aceste sisteme de producere a energiei. Dacă obiectivele actuale de reducere a costurilor de la cca. (4000 – 6000) USD/kW la cca. 400 USD/kW se vor atinge, în mod evident aplicaţiile cu pile de combustie vor prezenta interes comercial, iar dacă puterile instalate vor creşte se va crea premisa economiei de scară ceea ce reprezenta un moment de cotitură în evoluţia domeniului.

Fig. 1.4 – Costuri de producere a energiei utilizând surse regenerabile – 2009(1.- Eolian; 2. – Geotermal; 3. – Biomasa; 4. – Solar termic cu concentrare;

5. –Fotovoltaic; 6. – Valuri; 7. – Maree; 8. – Hidro.)

3. Priorităţile Politicii Energetice Europene

3.1. DurabilitateSectorul energetic generează 80% din emisiile de gaze cu efect de sera (GES) din UE 15 fiind principala cauza a schimbărilor climatice şi, în mare măsură, a poluării atmosferice. UE s-a angajat sa găsească o soluţie, prin reducerea volumului global al emisiilor de gaze cu efect de sera în cadrul Uniunii şi pe plan mondial până la un nivel care ar limita creşterea globala a temperaturii la 2°C în comparaţie cu nivelurile preindustriale. Cu toate acestea, continuarea politicilor actuale în materie de energie şi de transport ar duce la creşterea cu 5% a emisiilor de CO2 la nivelul UE până în 2030, iar emisiile globale ar creşte cu 55%. În prezent, politicile UE privind energia nu sunt viabile.

3.2. Securitatea aprovizionării   Europa depinde tot mai mult de importul de hidrocarburi. În cazul desfăşurării normale a activităţilor, dependenţa UE de importul de energie va trece de la 50% din consumul sau total de energie, cât este în prezent, la 65% în 2030. Se preconizează o creştere a dependentei de importurile de gaze de la 57% la 84% până în 2030 şi de la 82% la 93% în cazul importurilor de petrol. AIE se aşteaptă ca cererea mondială de petrol sa crească cu 41% până în 2030. Creste riscul unei întreruperi a aprovizionării cu energie.

3.3. Competitivitate - UE este tot mai expusă la instabilitatea şi creşterea preţurilor de pe pieţele internaţionale de energie, precum şi la consecinţele faptului că rezervele de hidrocarburi ajung treptat sa fie monopolizate de un număr restrâns de deţinători. În cazul în care preţul petrolului ar creşte până la 100 USD/baril în 2030, importul de energie în UE-27 ar costa circa 170 de miliarde, ceea ce înseamnă o creştere anuala de 350 EUR pentru fiecare cetăţean UE. Acest transfer de bogăţie ar duce în prea mica măsura la crearea de locuri de munca suplimentare în UE. - Creşterea investiţiilor, în special în materie de eficienţa energetică şi de energie regenerabila, ar trebui sa creeze locuri de munca, sa promoveze inovarea şi economia bazata pe cunoaştere în cadrul UE. Uniunea Europeana este deja lider mondial în domeniul tehnologiilor regenerabile, domeniu cu o cifra de afaceri de 20 miliarde EUR şi cu 300 000 de angajaţi.  - UE are potenţialul de a rămâne pe primul loc pe o piaţa mondiala a tehnologiilor energetice cu emisii reduse de carbon aflata în plina dezvoltare. De exemplu, 60% din piaţa mondiala de energie eoliana este deţinută de întreprinderi din UE. Europa vrea sa condică lupta împotriva schimbărilor climatice şi avem astfel şansa de a stabili agenda mondiala în domeniul cercetării. Trebuie păstrate toate opţiunile, pentru a garanta dezvoltarea noilor tehnologii.

UE-27 Intensitatea energetică

UE-27 Dependenţa de import 2004 (%)

4. Energiile regenerabile în România(fară energia hidro)

I.Delta Dunarii (ES); II.Dobrogea (ES, EE); III.Moldova (campie si platou: MH EE, BM); IV.Carpatii (IV1 -Carpatii de Est; IV2 - Carpatii de Sud; IV3 - Carpatii de Vest, potential ridicat BM, MH; V.Platoul Transilvaniei (potential ridicat pentru MH; VI. Campia de Vest (potential ridicat pentru EG); VII:

Subcarpatii (VII1 - Subcarpatii getici; VII2 - Subcarpatii de curbura; VII3 - Subcarpatii Moldovei: potential ridicat BM, MH); VIII. Campia de Sud (BM, EGT,ES).

B. CARACTERISTICI ALE ENERGIILOR REGENERABILE

1. Definiţii pentru SRE. Originea SREAgenţia Internaţională pentru Energie propune, pentru energiile regenerabile următoarea

definiţie: „Energia regenerabilă este energia provenită din procese naturale care se repetă în

mod constant. În formele ei variate provine direct sau indirect de la soare sau din căldura generată în scoarţa terestră. Sunt incluse în această definiţie energiile provenite din soare, vânt, biomasă, geotermal, amenajări hidro şi resurse marine, biocombustibili şi hidrogen obţinut din surse regenerabile”. -Originea surselor de energie cunoscute este, cu excepţia energiei geotermale, exclusiv rezultatul activităţii solare.

În funcţie de fenomenele responsabile pentru producerea resurselor de energie, fotosinteza preistorică, fotosinteza curentă, procesele biogeochimice din ecosisteme etc. resursele de energie pot fi clasificate în neregenerabile şi regenerabile. La rândul lor resursele energetice neregenerabile se caracterizează prin faptul că sunt energii dense şi concentrate în scoarţa terestră: petrolul, gazul natural, cărbunele, uraniul. În ceea ce priveşte sursele de energie regenerabile acestea sunt caracterizate prin densitatea mai redusă de energie (biomasă, apa, resursele geotermale) sau sunt difuze (solar, eolian, valuri); în plus sursele regenerabile sunt caracterizate de neuniformitatea distribuţiei şi regimul aleatoriu de manifestare.Diferenţele fundamentale dintre sursele de energie regenerabile şi cele neregenerabile, determină şi caracterul complementar şi nu alternativ al surselor regenerabile în raport cu cererea de energie.

2. Macrosisteme energeticeMacrosistemele energetice sunt subsisteme ale sistemelor ecologice. Un ecosistem se comportă ca un sistem termodinamic ce nu produce energie şi transformă energia disponibilă în lucru

Sursa Energie electrică[TWh]

Energie termică [ tep]

Energie solară 1,2 1,4.106

Energie eoliană 23 -

Energie hidro, din care

micro-hidro

40

6

-

Biomasă- 7,.6.106

Energie geotermală

- 0,17.106

TOTAL 64.2 9.17

Sursa Energie electrică[TWh]

Energie termică [ tep]

Energie solară 1,2 1,4.106

Energie eoliană 23 -

Energie hidro, din care

micro-hidro

40

6

-

Biomasă- 7,.6.106

Energie geotermală

- 0,17.106

TOTAL 64.2 9.17

SursaSursa Energie electrică[TWh]

Energie electrică[TWh]

Energie termică [ tep]

Energie termică [ tep]

Energie solarăEnergie solară 1,21,2 1,4.1061,4.106

Energie eolianăEnergie eoliană 2323 --

Energie hidro, din care

micro-hidro

Energie hidro, din care

micro-hidro

40

6

40

6

--

BiomasăBiomasă-- 7,.6.1067,.6.106

Energie geotermală

Energie geotermală

-- 0,17.1060,17.106

TOTALTOTAL 64.264.2 9.179.17

mecanic şi căldură. Mai recent ecosistemele sunt privite ca sisteme socio-ecologice în care omul influenţează în mare măsură procesele biologice. În orice caz sistemele de producere a energiei sunt considerate sisteme deschise deoarece există schimburi de materie şi energie între acestea şi mediu

3. Potenţialul energiilor regenerabile

3.1. Energia valurilorÎn Europa potenţialul productiv pentru cazul energiei valurilor a fost estimat la 120-190 TWh/year (în larg) şi 34 - 46 TWh/year (lângă ţărm). La nivel global puterea estimată este de 2 TW care ar putea genera o producţie de mai mult de 2000 TWh anual. Tehnologia şi costurile producerii acestui tip de energie sunt puternic dependente de caracteristicile naturale specifice fiecărei amenajări.În România există o serie de preocupări în domeniu rămase în faza cercetărilor experimentale şi a modelelor funcţionale. Deşi există un potenţial tehnic dublu decât cel al râurilor interioare, energia valurilor nu a putut fi promovată, în special, din cauza problemelor ridicate de modificarea morfologiei ţărmului.

3.2 Energia solarăEnergia solară, folosită atât pentru sistemele de încălzire cât şi pentru producerea de electricitate nu este încă aptă să se susţină ca sursă independentă.

În Europa, în ceea ce priveşte energia solară folosită pentru încălzire, se estimează existenţa a unei suprafeţe de 5,6 mil m2 ocupată de captori solari, iar în lume SUA ocupă primul loc cu cca. 6 mil m2. În anul 2010 se estimează ca Europa să deţină o suprafaţă de 20 mil m2 iar în lume vor exista cca. 1005,6 mil m2, suprafeţe ocupate de captori solari de diferite tipuri. Utilizarea energiei solare pentru încălzire poate acoperi 60% din necesarul domestic pentru nordul Europei şi 90% pentru sudul Europei. Costul unei instalaţii obişnuite domestice este între 1000-5000 EURO. În ceea ce priveşte energia solară utilizată pentru producerea de energie electrică, aceasta este încă faza dezvoltării. Cele mai mari puteri instalate în lume sunt de cca. 80 MW iar totalul capacităţilor este redus la 350 MW. În Europa nu există preocupări importante în domeniu iar la orizontul anului 2010 va exista o putere instalată de cca. 300 MW. Pe plan mondial se estimează un total de 2000 MW putere instalată. Costurile estimate ar trebui să ajungă la cca. 0,09-0,10 EURO/kWh, în funcţie de tehnologia folosită.În România potenţialul tehnic pentru aplicaţii solare este de peste 40.000 TJ/an, din care valorificat cca. 140 TW/h, cu concentrare în zona coastei Mării Negre. La sfârşitul anului 1989, în România exista o suprafaţă de cca. 1 mil m2 ocupată de concentratori de diferite tipuri. Astăzi, situaţia este practic necunoscută, în special din cauza decăderii tehnice a sistemelor. Preocupările în domeniu sunt exclusiv pentru utilizarea energiei solare în scopuri domestice sau, în cel mai bun caz, crearea de soluţii hibride prin utilizarea celulelor fotovoltaice.

3.3. Energia eolianaEste energia cu cea mai rapidă evoluţie de pe piaţa energiilor regenerabile. În Europa capacitatea totală de generare corespunzătoare energiei eoliene este de 3500 MW, dintr-un total mondial de cca. 6000 MW. Ritmul de creştere global tinde spre cca. 1000 MW pe an din care cca. 400 MW pe an în afara Europei. Previziunile pe termen lung cu privire la evoluţia domeniului sunt dificil de făcut din cauza dinamicii pieţelor dar, o evaluare primară arată că în anul 2010 s-ar putea ajunge la puteri instalate de 17.500 MW în Europa dintr-un total de 37.7000 MW în lume. Tehnologia domeniului a evoluat rapid, fiind astăzi disponibile aerogeneratoare cu puteri de până la 1,5-2,5 MW şi o durată de viaţă de mai mult de 25-30 de ani. Ca o consecinţă imediată a avut loc o scădere dramatică a costurilor energie produse, acestea ajungând să fie comparabile cu cele ale centralelor termice. Costul total pentru un aerogenerator este de cca. 1000 USD/kW instalat. În România potenţialul eolian tehnic amenajabil este de cca. 100.000 TJ/an. concentrat în zona litoralului Mării Negre şi izolat în amplasamente montane. Cele câteva aerogeneratoare cu ax orizontal (Semenic 300kW) sau vertical (Tucea 100kW) corespund tehnologiei anului 1989 şi ridică probleme în funcţionare. Ca previziune pe termen mediu, în România se pot amplasa cel puţin 15-30 aerogeneratoare cu o producţie de cca. 5 TWh/an.

3.4. Energia biomaseiBiomasa reprezintă 95% din aportul total al resurselor regenerabile

În Europa energia produsă din biomasă este de cca. 11.9 TWh. Această valoare va creşte la cca. 27 TWh in 2010. În lume energia produsă din biomasă este de 127 TWh/an şi se estimează o creştere la 291TWh/an. În România potenţialul biomasei ca sursă primară de energie este de cca. 40.000 TJ/an, adică 2,7% din consumul primar de energie şi 10,6% din necesarul pentru încălzire. Preocupările pentru utilizarea biomasei sunt marginale. Se pot considera aici preocupările pentru obţinere de biogaz prin metode de fermentare a substanţelor organice din apele uzate orăşeneşti sau rezultate din procese biologice ale aglomerărilor zootehnice.

3.5. Energia geotermalăÎn Europa, pentru utilizarea energiei geotermale în scop de încălzire directă există o putere instalată de cca. 1200 MW iar în lume cca. 10.000 MW. Creşterea totalului puterilor instalate va

fi modestă din cauza restricţiilor tehnice; se estimează o creştere de cca. 12% şi în special în sud-estul Europei.În ceea ce priveşte producerea de electricitate, capacitatea de producţie mondială este de 6800 MW iar previziunile arată o dezvoltare a domeniului cu 45% în special pentru cazul ţărilor în curs de dezvoltare. Tehnologia pentru exploatarea resurselor geotermale este bine stăpânită, dar costurile de capital variază între 250-700EURO/kW instalat iar costurile de producţie variază între 0.03-0.06 EURO cents/kW (pentru cazul încălzirii directe).În România există un potenţial de 5300 TJ/an (utilizat la cca. 1100 TJ/an) care plasează ţara noastră pe locul al treilea în Europa. Tehnologia folosită extrage doar 45-50% din căldura surselor care sunt folosite în special pentru încălzirea directă.

Subiecte pentru Colocviu:

1. Clasificarea surselor de energie. Definiţia surselor regenerabile de energie şi caracteristicile lor.

2. Macrosisteme energetice - structura şi relaţiile dintre componente. Comparaţia dintre sursele regenerabile şi sursele clasice de energie.