A. Definirea termenului de COGENERARE:

COGENERAREA are semnificaia producerii simultane ntr-o surs unic a cldurii i respectiv a lucrului mecanic. Combustibilul energetic utilizat de instalaiile energetice ce produc cele dou forme de energie poate fi unul clasic, sau poate fi combustibil nuclear, deeu sau neconvenional. Este demonstrat n literatura de specialitate c acest procedeu tehnic este soluia cu cea mai eficient pentru producerea energiei electrice i termice.

Simultaneitatea producerii acestor forme de energie este o caracteristic specific noiunii de cogenerare. n acelai timp, este important a sublinia c aceast caracteristic este strns corelat i cu interdependena cantitativ i calitativ a celor dou forme de energie.

Aceast interdependen este indus de natura tehnologiilor de cogenerare adoptate precum i de modul de dimensionare a acestora.1.1. Aspectul termodinamic al procesului de cogenerare

Pentru a pune n eviden superioritatea procesului combinat prin comparaie cu producerea separat a energiei electrice i termice pe filiere distincte, se propune analizarea celor dou soluii din punct de vedere al randamentelor obinute n final. Aceast analiz este realizat n ipoteza echivalenei cantitilor de energie electric i termic obinute n ambele soluii, pe de o parte, i pe de alt parte a acelorai parametrii iniiali.

Randamentul unei instalaii se exprim ca fiind raportul ntre energia util i energia primar investit pentru producerea acestei energii utile:

n cazul producerii de energie electric n ciclu de pur condensaie (fig.1a) randamentul energetic al ciclului teoretic este dat de randamentul dintre aria haurat 1-2-3-4-5, care reprezint lucrul mecanic obinut i aria 1-2-3-4-5-6-7 care reprezint energia primar investit pentru obinerea cantitii de energie electric E.

Cu toate c parametrii iniiali sunt ridicai, randamentul este extrem de sczut (teoretic 50% i practic 27-30%) datorit pierderii mari n cldura evacuat n apa de rcire (aria 1-5-6-7).

n cazul producerii cldurii n CT (fig. 1b) randamentul teoretic este maxim (100%) deoarece ntreaga cantitate de cldur produs este folosit (aria 1-8-9-6-7). Randamentul practic (70-90%)al unei astfel de surse depinde pierderile ce intervin n cazanele de abur, de felul combustibilului.

n cazul cogenerrii (fig. 1c) ntruct cldura se livreaz sub form de abur saturat de 8 atm, destinderea aburului la turbin nu se mai face pn la 0,04 atm., ce corespunde vidului la condensator, ci se realizeaz pn la 8 atm. Aceasta conduce la obinerea unei cantiti mai reduse de energie electric (aria 8-2-3-4-9).

n acest fel ns randamentul global al acestui proces combinat este de 100% teoretic (practic 70-80%) deoarece energie primar ce este introdus n proces este valorificat fie ca lucru mecanic fie ca energie termic.

Deoarece n ciclul combinat puterea electric produs este mai redus ca n soluia de producere separat datorit contrapresiunii ridicate, diferena de putere (ce corespunde ariei 1-8-9-5) trebuie preluat din alt instalaie. Dac aceasta este preluat dintr-o instalaie de cogenerare randamentul global nu este afectat. Dac ns este preluat dintr-o central ce lucreaz n pur condensaie, randamentul practic global, referit la aceleai puteri electrice i livrri de cldur se va reduce n funcia de cota de energie preluat dintr-o instalaie ce o produce separat. De aici, trebuie concluzionat c este de preferat ridicarea parametrilor iniiali ai ciclului pentru a reduce pe ct posibil diferena de energie electric menionat anterior (adic a se produce ct mai mult energie electric n regim de cogenerare).

Cogenerarea este un proces complex, cu grad nalt de valorificare a energiei primare investite. Practic se valorific o cantitate de cldur care n soluia de producere separat este aruncat n mediu prin sistemele de rcire (fig.2).

1.2. Aspectul economic: n primul rnd efectul economic favorabil cogenerrii este cel privind economia de combustibil primar. Aceast economie poate ajunge de cca. 30-60% kJ energie primar la kJ de energie total (electric i termic) livrat.

Pe de alt parte, o alt implicaie a aplicrii cogenerrii este reducerea costurilor de producie aferente producerii celor dou forme de energie. n funcie de gradul de apropiere a sursei de cogenerare fa de consumatori, un alt avantaj rezid din aplicarea soluiei producerii combinate, i anume reducerea pierderilor de energie electric, reducere cu att mai semnificativ cu ct sursa este mai apropiat de utilizatori.

1.3. Aspectul impactului fa de mediu:

n afara aspectelor tehnice i economice ce rezult prin aplicarea cogenerrii, un alt aspect, la fel de important, mai cu seam dup reglementrile stabilite la Kyoto, apare n urma adoptrii acestei soluii: reducerea emisiilor poluante. Reducerea noxelor este pe de o parte o consecin a economiei de combustibili dar i a posibilitii utilizrii unor filtre mai performante n cazul amplasrii surselor la periferia zonelor rezideniale. Emisiile de dioxid de carbon scad de la aprox. 820 la 380 g/kWhel, emisiile de dioxid de sulf de la 600 g/kWhel la 0 iar cele de dioxid de azot de la 600 la 350 g/kWhel.

Emisiile poluante se reduc i ca urmare a tehnologiilor posibil a fi aplicate n cogenerare, ceea ce pledeaz pentru orientarea ctre acest tip de soluii tehnice. Se prezint n figura 3 o comparaie ntre emisiile poluante pentru sisteme de producere separat a energiei electrice i instalaiile de cogenerare.

Figura 3.Reducerea emisiilor poluante de CO2 n sistemele de cogenerare comparativ cu sistemele de producere separat a energiei electriceSCPC central convenional pe crbune; SCPCSF central pe crbune n strat fluidizat sub presiune; SCGA- sistem de cogenerare n ciclu mixt abur-gaze; SCB sistem de cogenerare utiliznd biogaz.2. Stadiul cogenerrii n lume3. Clase de cogenerare

Clasificarea soluiilor de cogenerare se poate face n funcie de diveri factori ce se refer la performanele lor tehnice i economice. Principalii factori sunt:

Mrimea (scara) puterii electrice instalate, Gradul de interconectare pe parte electric, Soluia tehnic.3.1. Mrimea (scara) puterii electrice instalate - include un domeniu ce pleac de la zeci de kW pn la sute de MW. Din acest punct de vedere se deosebesc diverse clase de cogenerare (tabelul nr. 1). Limitele privind departajare claselor de cogenerare nu sunt universal valabile. Exist mai multe limite, date de dezvoltarea diferit a cogenerrii n diversele ri.

Tabel nr.1Tipul

cogenerriiPutere electric instalat, conform:Tipul alimentrii

cu cldurTipul administrriiCategorii de consumatori la care se preteaz soluia

FRANACEEROMNIA

Microcogenerare25 MWelCentralizatPrimrii, regii locale, societi localeOrae mari, zone mari industriale, platforme industriale

3.2. Gradul de interconectare pe parte electric sub acest aspect se pot deosebi instalaii de cogenerare:

Izolate funcionnd insularizat i asigurnd alimentarea unui anumit consumator;

Interconectate care alimenteaz un anumit consumator dar sunt conectate i la reeaua naional public, ntre care exist schimburi periodice de energie n funcie de necesarul maxim al consumatorului. n acest caz puterea electric instalat corespunde cererii maxime a consumatorului.

Interconectate care alimenteaz un anumit consumator dar sunt conectate i la reeaua naional public, ntre care exist schimburi permanente i foarte frecvente de energie n funcie de necesarul maxim al consumatorului. n acest caz puterea electric instalat este mai mare dect cererea maxim a consumatorului.

Observaie! Condiiile tehnice i economice n care se fac aceste schimburi de energie electric a unei instalaii de cogenerare cu reeaua naional influeneaz decisiv viteza de recuperare a investiiei n soluia de cogenerare adoptat.

3.3. Conceptul de cogenerare de mic putere se refer de fapt la limitele de putere electric i debite de cldur produse de o surs centralizat. Termenul de mic putere trebuie definit n funcie de zona pentru care face studiul acestor soluii.

Pe o scar, n uniti relative, a capacitii instalate ntr-o central de cogenerare mic putere, aceasta se intercaleaz ntre soluia de producere individual a celor dou forme de energie, pn la producerea descentralizat, pe o scar cuprins ntre 0,1 i 100 (figura 5).

3.4. Soluia tehnic Maina termic utilizat n scopul cogenerrii este cea care d nivelul performanelor termodinamice i tehnice. Nu exist soluii unice, ele trebui adaptate tipurilor de consum. Tot tipul mainii termice este i cel care stabilete anumite limite privind de exemplu nivelul maxim al cldurii obinute din recuperare etc.

Ca tipuri de maini ce pot i utilizate se menioneaz:

1. Cogenerare cu turbine de vapori (de abur) TV

2. Cogenerare cu turbine de gaze TG

3. Cogenerare cu motoare termice - MT

4. Cogenerare n cicluri mixte abur-gaze (TV +TG)

Aceste soluii vor fi detaliate n capitolele viitoare marcnd pentru fiecare dintre acestea avantajele i dezavantajele ce le presupune alegerea unei anumite tehnologii.4. Indicatori specifici filierelor de cogenerare

Randamentele producerii energiei electrice i termice ntr-o surs de cogenerare

Pentru o soluie de CMP se rein urmtoarele tipuri de randamente :

randament al producerii de energie electric E: randamentul nominal al producerii de energie electric depinde de tehnologia adoptat, fiind influenat i de efectul de scar al realizrii echipamentului respectiv.

Acest randament are semnificaia raportului:

(1)unde CBcog consumul de combustibil primar al instalaiei de cogenerare.

Se prezint n figura 6. corelaia ntre randamentul de producere al energiei electrice i scara puterii electrice pentru diversele tehnologii de cogenerare.

Figura 6. Influena efectului de scar asupra randamentului

producerii lucrului mecanic n cogenerareMT- motor termic (Diesel sau funcionnd pe gaz CH4 ); TV-instalaii de cogenerare utiliznd turbin de abur; TG - instalaii de cogenerare utiliznd turbin de gaze.

randament al producerii de energie termic Q reprezint raportul ntre cldura produs de instalaia de cogenerare Q i consumul de combustibil primar pentru producerea acestei cantiti de cldur CBcog .

(2) randament total de producere al celor dou forme de energie tot ; pe ansamblul unei instalaii de cogenerare care include i instalaiile de vrf, acest randament se poate exprima ca fiind:

(3)n care Ecog, Esep reprezint energia electric produs simultan, n cogenerare i respectiv separat, E= Ecog + Esep; Qcog, Qsv reprezint energia termic produs n cogenerare i respectiv n instalaiile de vrf, Q= Qcog+ Qsv; CBcog, CBsv reprezint coninutul de cldur al combustibilului consumat n instalaiile de cogenerare i n sursa de baz pentru producerea celor dou forme de energie.

Calitatea cldurii produse este mai sczut prin comparaie cu cea corespondent parii electrice i descrete cu nivelul de temperatur la care aceasta este disponibil. Cu alte cuvinte calitatea cldurii sub form de ap cald este inferioar celei corespunztoare aburului. pentru instalaiile termice de vrf se poate defini un randament pe parte termic Q: randamentul instalaiilor de vrf este similar cazanelor clasice cu instalaii proprii de ardere.n tabelul 2 sunt redate randamentele pe parte electric, termic i valoarea randamentului total doar n regim de cogenerare a diverselor soluii, adic valoarea lui n funcie de :

(4)Dat fiind faptul c o soluie de CMP va funciona pe perioade mai lungi sau mai scurte la sarcini pariale (att pe parte termic ct i electric), la dimensionarea instalaiilor trebuie inut seama de dependena randamentului nominal de producere a energiei electrice de puterea electric nominal a instalaiei respective.

Gradul maxim (posibil) de recuperare a cldurii evacuate din ciclul termodinamic. (xrec)

Acesta reprezint raportul ntre debitul de cldur efectiv livrat din instalaia de cogenerare (Qcog) i debitul de cldur posibil a fi livrat (Qp).

unde

(5)Valorile lui xrec depind de tipul instalaiei de cogenerare (TV, TG, MT), de tipul i parametrii agentului termic primar i secundar, de modul de dimensionare al instalaiei care asigur preluarea cldurii (schimbtor de cldur sau cazan recuperator).

n tabelul 2 sunt prezentate orientativ valorile gradului de recuperare xrec pentru diversele instalaii de cogenerare.

Observaii. Valorile pentru xrec redate mai sus corespund condiiilor nominale de funcionare, iar pentru soluiile ce utilizeaz TG xrec depinde de temperatura gazelor de ardere. In soluiile ce utilizeaz MT valorile inferioare ale lui xrec corespund cazului recuperrii cldurii coninute numai gazele de ardere iar valorile superioare corespund recuperrii cldurii att din gazele de ardere dar i din apa i uleiul de rcire.

Indicele de cogenerare de referin (y0) - reprezint raportul dintre energia electric produs de instalaia de cogenerare (Ecog) i energia termic (Qcog) produs de aceasta strict pe seama energiei electrice (adic n regim de cogenerare).

[kWel/kWt]

(6)Evident, acest indice depinde de tipul instalaiei de cogenerare de baz, de mrimea puterii nominale i de gradul de ncrcare al instalaiei fa de ncrcarea nominal. Orientativ, n tabelul 3 sunt redate aceste valori pentru diferite tehnologii de cogenerare .

ntr-o ierarhie stabilit n funcie de valorile din acest tabel, ordinea de aezare al tipurilor de instalaii de cogenerare ar fi:

Deci, pentru acelai debit de cldur livrat n regim de cogenerare, motoarele termice livreaz cea mai mare cantitate de energie electric, iar turbinele de abur cantitatea cea mai mic.

Gradul de cogenerare (xcog) - reprezint raportul dintre energia electric produs n regim de cogenerare (Ecog) i energia electric total produs de surs (E).

(7)Valorile anuale ale gradului de cogenerare depind de regimul de funcionare al sursei de cogenerare, dup cum se urmrete satisfacerea cererii de cldur sau a celei de energie electric. Exist de ci o limitarea valorii xcog care se situeaz n domeniul: 0xcog1.Instalaii de cogenerare utiliznd TV

Tabel nr.3

Instalaii de cogenerare utiliznd TG

Instalaii de cogenerare utiliznd MT

Coeficientul de cogenerare (t) - reprezint ponderea pe care o are cantitatea de cldur produs n instalaiile de baz (Qbaz) n producia total de cldur a soluiei de cogenerare (Q). Diferena ntre Q i Qbaz este produs n instalaiile de vrf. Valorile acestui indicator are implicaii deosebite att din punct de vedere al dimensionrii centralei de cogenerare ct i din punct de vedere al regimurilor de funcionare caracteristice ale acesteia.

Astfel, valoarea nominal a coeficientului determin, pentru un necesar de cldur nominal impus, cota de debite de cldur instalate n:

echipamentele de baz

EMBED Equation.3

(8) sursa de vrf

(9)Acest lucru are semnificaia faptului c, n funcie de tipul tehnologiei de cogenerare adoptat, s-au stabilit capacitile nominale instalate, deci i investiiile aferente.

Exprimarea coeficientului se poate face pe o durat orar sau anual. Aceasta nseamn c se poate stabili direct cantitatea anual de cldur livrat de:

instalaiile de baz

(10) sursele de vrf

(11)Deci, pentru tehnologia de baz de cogenerare va fi determinat valoarea medie anual a indicelui de cogenerare de referin () precum i energia electric anual produs n cogenerare .

(12)La rndul ei, aceast valoare va determina consumul anual de combustibil primar pentru instalaiile respective ().

Similar, pentru , n funcie de randamentul termic mediu anual al instalaiilor din sursa de vrf se poate stabili consumul anual de combustibil primar ().

Toate aceste mrimi conduc n final la caracteristicile anuale de producie, respectiv costurile specifice de producere i livrare a celor dou forme de energie.

Indicele de structur al produciei de energie a sursei de cogenerare (y) reprezint raportul dintre energia electric total produs de surs (E) i cldura total produs de surs(Q).

(13)Referindu-ne strict la instalaiile de cogenerare poate fi definit indicele de cogenerare aferent instalaiei de cogenerare, ca fiind:

care este de fapt analog cu y0.Aceast mrime este principalul indicator tehnic de natur termodinamic pentru punerea n eviden a eficienei energetice a sistemului de cogenerare. Cu ct un consumator are o structur a cererii caracterizat de o valoare mai mare, orientarea ctre o soluie cu motor termic sau turbin de gaze poate fi justificat figura 7.

Figura 7. Randamentul global al diferitelor variante de

cogenerare n funcie de indicele de structur (ycog)

Figura 8. Corelaia putere electric-energie termic produs

pentru diferite filiere de cogenerare

Astfel, structura de calcul a produciei de cldur exprimat pentru o valoare de calcul (c) sau valoare anual (an) n funcie de mrimile amintite anterior:

(14)

(15)unde este indicele de structur a cererii de energie; - gradul de cogenerare; - gradul de recuperare a cldurii evacuate n ciclu de cogenerare. Valorile pot fi de calcul sau anuale. Astfel, se pot scrie urmtoarele succesiuni de mrimi ce reflect eficiena economic a acestora:

(16)

(17)Aceasta induce urmtoarea relaie privind sursele de vrf:

(18)Economia de energie primar este cel mai sintetic factor de eficien al soluiei de cogenerare.

Indicele economiei de energie primar pentru o instalaie de cogenerare se poate exprima ca fiind:

(19)unde CBsep i CBcog - consumul de combustibil ce corespunde producerii separate a energiei electrice i termice i respectiv prin cogenerare.

Evident, pentru ca instalaia de cogenerare s reprezinte soluia raional din punct de vedere al consumului de energie primar trebuie ca >0.

CORELATII Intre indici specifici cogenerarii

1.Expresiile randamentului global i ale indicelui de cogenerare de referin pentru o instalaie de cogenerare pot permite scrierea urmtoarelor relaii:

i

(20)

Aceste dou ecuaii ajut la determinarea unor valori acceptabile pentru indicele de cogenerare atunci cnd se cunoate randamentul pe parte electric a unei instalaii, dat fiind faptul c un randament total nu depete n general 90%. Se poate considera c indicele de cogenerare este principalul indice caracteristic n alegerea unei instalaii de cogenerare.Exemplu: Presupunnd c =0,4 i randamentul global este cuprins n limitele 0,650,9 atunci rezult c indicele de cogenerare de referin este cuprins ntre valorile 1,6y0 0,8.

2. Dac este vorba de randamentul total strict al instalaiei de cogenerare se remarc dependena acestuia de indicele de cogenerare (vezi figura 7), dup relaia:

(21)

unde cog arat structura produciei de cldur pe ansamblul sursei (de cogenerare i cele vrf unde Q este cantitatea total de cldur produs de surs).

3. Considerndu-se c un sistem de cogenerare substituie dou uniti separate de producere a energiei electrice i termice cu randamente de i , se poate scrie:

(22)

Exemplu: Un sistem de cogenerare cu un randament global =0,8 i un indice de cogenerare de y0=0,6 substituie o central cu un randament electric de 0,35 i respectiv o central termic cu un randament de 0,85. Aceasta nseamn din relaia (22) c se va nregistra o economie de combustibil de 0,308 (30,8%).

Observaie! Relaiile anterioare conin indicii cu valori ce corespund unui anumit moment de timp, la o anumit sarcin (ncrcare). Aceleai relaii sunt valabile (vezi relaiile 14 i 15) i n situaia n care se introduc valorile ce corespund unei perioade de timp (de exemplu valorile anuale).

Evident, performana unui sistem depinde de sarcina (termic i electric) i de condiiile climatice, ce influeneaz variaia sarcinii instalaiei. De aceea, de multe ori este mai important valoarea indicilor pe o perioad (de exemplu anuali) dect cei cu valorile instantanee deoarece sunt mai relevani n ce privete performana sistemului.5. Tehnologii de cogenerare de mic putere-CMP

Se va utiliza noiunea de CMP pentru toate soluiile ce se nscriu n categoria unor puteri electrice cuprinse ntre presupune c productorul individual este absolut independent de alte surse sau de SEN, diferena (-) fiind disponibil pentru vnzare. Cu alte cuvinte, autoproductorul va funciona dup ncrcarea maxim pe parte electric, corelat i cu cererea de energie termic, fcnd apel eventual la sursele de vrf, innd cont i de rentabilitatea vnzrii surplusului de energie electric.

Observaie: Chiar la o dimensionare strict dup puterea maxim electric, este evident c n funcionarea instalaiei vor exista perioade n care puterea produs va fi diferi de cererea momentan fiind necesare schimburi periodice n sensul vnzrii sau cumprrii spre i de la SEN.2. Dimensionarea n funcie de NECESARUL ELECTRIC

Plecnd de la o anumit valoare a puterii electrice nominale n instalaiile de cogenerare, n funcie de aceasta va rezulta producia posibil pe parte termic, dup relaia:

(24)n funcie de valoarea obinut, aceasta se compar cu cererea maxim de energie termic (Qmax) stabilindu-se i capacitatea surselor de vrf (). Va rezulta deci i valoarea coeficientului de cogenerare : . La o dimensionare n funcie de termic rezult ca o cerin obligatorie ca valoarea capacitii termice instalate (n echipamentele de cogenerare i surse de vrf) s fie cel puin egal cu cererea maxim de cldur. Deci, n funcie de cererea momentan simultan pe parte termic i electric, n funcie de tipul tehnologiei adoptate, funcionarea instalaiei poate avea loc prioritar dup cererea termic sau/i dup aceea electric, cu condiia de a se satisface integral, n orice moment cererea de cldur.5.3.3. COMPORTAREA instalaiilor de cogenerare la sarcini partiale

Pe parcursul funcionrii unei instalaii de cogenerare apar i regimuri caracterizate de sarcini pariale, care sunt importante n vederea determinrii influenei sub aspectul randamentului i consumului specific de energie, precum i al sarcinii minime ce poate fi susinut de surs. Influena sarcinilor pariale asupra eficienei tehnice (E i Q) depinde tipul instalaiilor de cogenerare i de caracteristicile acestora (vezi ultima coloan din tab. 1.).Astfel:

Motoarele termice au comportarea cea mai elastic. n orice caz, pentru MT valoarea maxim unitar este de 6 MWe. Randamentul producerii lucrului mecanic E rmne aproape neschimbat ntr-un domeniu larg la sarcini pariale (chiar pn la 40% din sarcina nominal). Influena redus a funcionrii la sarcini pariale asupra randamentului total al motorului este determinat de faptul c energia recuperat din apa de rcire i din gazele de ardere au variaii inverse dar pe ansamblu bilanul motorului se modific puin sensibil. Turbinele de abur - se caracterizeaz de un debit minim necesar a fi prelevat la contrapresiunii mainii sau de cel de necesar rcirii corpului de joas presiune) la turbinele cu condensaie i prize reglabile). La aceste turbine randamentul de producere a lucrului mecanic se reduce mult odat cu reducerea sarcinii.

Turbinele de gaze fenomenul amintit mai sus se petrece i n cazul lor. Variaia consumului specific de energie primar pentru producerea de lucrul mecanic la sarcini pariale depinde de soluia constructiv a turbinei (cu debit de aer constant i variabil) i de existena sau nu a postcombustiei. La sarcini pariale turbinele de gaze cu debit de aer variabil nregistreaz un consum specific cu 10-12% mai mare dect cele cu debit constant de aer.Cu ct instalaia de cogenerare de baz este mai sensibil la funcionarea n sarcini pariale cu att la dimensionare atenia trebuie ndreptat ctre baza curbei de sarcin termic i/ sau electric (depinznd de modul ales ca dimensionare, dup termic sau/i electric).5.3.4. raportul gabarit-putere electric a instalaiilor de cogenerareMotoarele termice se poate aprecia un raport de aprox. 13-16 kg/kW.

Turbinele de abur raportul este mult mai mare mai ales dac este vorba de turbine cu condensaie i prize reglabile.

Turbinele de gaze 3-5 kg/kW, raport valabil pentru puteri electrice nominale de peste 1 MW.

5.3.5. natura combustibilului utilizat

Motoarele termice acestea pot utiliza fie gazul metan, CLU i biogazul.

Turbinele de abur orice tip de combustibil.Turbinele de gaze acestea utilizeaz n special gazul natural, dar pot funciona i cu CLU sau pcur, randamentul total depinznd n aceast situaie de combustibilul primar folosit.5.3.6. ETAPELE PENTRU IMPLEMENTAREA UNUI PROIECT DE COGENERARE DE MICA PUTEREAtunci cnd se preconizeaz a fi instalat un proiect de CMP se pun urmtoarele ntrebri: Este posibil a implementa soluia de CMP n cldirea respectiv?

La ct se ridic investiia n soluia CMP pentru cldirea respectiv? Care este partea din consumul de cldur posibil a fi acoperit prin cogenerare?

Care este puterea instalaiei de CMP?

Este mai corect i mai rentabil - s se consume energia electric produs n exces, sau s fie vndut?

Care este reducerea emisiilor de CO2 i a altor nociviti pentru instalaia propus fa de cea clasic?

Astfel, pentru a rspunde setului de ntrebri anterioare, n derularea proiectului de CMP este necesar parcurgerea urmtoarelor etape:

1. Studiu de prefezabilitate

2. Studiu de fezabilitate

3. Studiu privind finanarea proiectului

4. Studiu tehnic detaliat i elaborarea unui caiet de sarcini.

STUDIUL DE PREFEZABILITATE

Acest studiu este necesar pentru a forma o idee privind:

- tipul tehnologiei adoptate,

- estimarea aproximativ a investiiei,

- costul exploatrii instalaiei,

- economia de energie primar posibil a fi realizat,

- reducerea estimat la facturile de energie electric,

- estimarea rentabilitii financiare a proiectului.

O prim dimensionare a instalaiei a cogenerare se realizeaz astfel:

a) se determin necesarul de cldur

b) se selecioneaz un anumit profil de consum innd seama de tipul consumatorului

c) se determin puterea termic a instalaiei de cogenerare orientndu-ne la o anumit tehnologie.

n general, se recomand o dimensionare n funcie de termic ntruct energia electric poate fi mult mai uor consumat intern sau vndut n exterior dect cldura produs n exces.

Din consumul anual de combustibil Q ce se poate deduce din facturile lunare se vor delimita :

consumurile ce nu ar intra in energia termic produs din cogenerare (pentru buctrii, clctorii etc.) notificat cu Qnc, pierderile de cldur ce ar putea fi redus aplicnd msuri de reabilitare (izolarea anvelopei cldirii, etaneizarea ferestrelor, notificat cu Q,

Astfel, necesarul anual de cldur poate fi calculat, considernd c sursa existent funcioneaz cu randamentul :

[kWht/an]

(25)Se selecioneaz un profil tip de consum de cldur. n general cele 6 tipuri de profil sunt urmtoarele (figurile 19a i 19b):

- PROFIL A:activitate zilnic 5 zile din 7 ale sptmnii

- PROFIL B:activitate zilnic 6 zile din 7 ale sptmnii

- PROFIL C:activitate zilnic 7 zile din 7 ale sptmnii

- PROFIL D:activitate zilnic n sector industrial 5 zile din 7 ale sptmnii- PROFIL E:activitate desfurat ntr-o cldire de locuit 7 zile din 7 ale sptmnii.

Obiectivul predimensionrii este de alege o unitate de CMP care s funcioneze optim din punct de vedere tehnic, adic cel puin 3700 h/an, respectnd n acelai timp condiia de a valorifica intern, extern sau mixt energia electric produs.

Mrimea optim a instalaiei se exprim prin factorul denumit coeficient de cogenerare optim , cu semnificaia raportului ntre necesarul de cldur asigurat prin cogenerare i cel maxim al consumatorului.

Astfel, puterea termic a instalaiei PQ este:

[kWt]

(26)

Nh numrul de ore de funcionare n regim nominal a instalaiei clasice necesar pentru acoperirea necesarului maxim BQ.

Cantitatea de cldur furnizat de instalaia de cogenerare este :

[kWht]

(27)

unde Ncog numrul de ore de funcionare n care unitatea de cogenerare ar trebui s funcioneze pentru acoperirea .

Pentru obinerea valorilor necesare predimensionrii este necesar trasarea curbei clasate (care se poate trasa pentru fiecare tip de consumator n funcie de profilul tip).

Dat fiind c o instalaie se dovedete rentabil dac produce energie electric la un pre mai mic dect cel corespondent sistemului energetic naional, aceasta nseamn c instalaia va trebui s funcioneze pe perioada n care tariful energiei electrice este cel de vrf sau cel puin 3500-3700h/an. Deci, se poate trasa pe lng curba clasat o alt curb clasat corespunztoare funcionrii instalaiei n orele de vrf (figura 20).

Plecnd de la aceast a doua curb se fixeaz partea din necesarul de cldur care ar putea fi livrat de instalaia de cogenerare la 2000 de ore de funcionare n regim nominal.Valoarea de 2000 de ore este legat de maximizarea cantitilor de energie electric i termic produse de instalaia de CMP.

Astfel, coeficientul de cogenerare corespunde ordonatei punctului de intersecie ntre curba clasata pe orele de vrf i ordonata ridicat n dreptul celor 2000 h. 0.25

Dup cele 2000 de ore unitatea de cogenerare va continua sa funcioneze la sarcini pariale pana la 50%. La sarcini mai mici de 50% din sarcina nominala unitatea se va opri.

Astfel Q este calculabila cu relaia:

(28)

Aceasta suprafaa reprezint cantitatea de cldur furnizat de unitatea de cogenerare.

Figura 19a.

Figura 19b.

5.3.7. Alegerea unei unitati de cogenerare

Cunoscnd Q, adic puterea termic a unitii de cogenerare alese, se poate determina puterea electric corespondent, nivelul investiiei, costul exploatrii etc. pentru a estima rentabilitatea proiectului (figurile 21 a i b).

Figura 20.

n aceste tabele si grafice sunt cuprinse:

puterea termic [kWth]

investiia [/kWel] ce cuprinde preul de baz, un supliment pentru echipamentul de cuplare la SEN i mers in paralel cu SEN, anvelopa (carcasa) protejat acustic, echipamente de recuperare a cldurii, stocare de combustibil pentru 10 zile ( pentru siguran)

costul exploatrii [c/kWhe]

Y = coeficientul de cogenerare ()

Cantitatea de energie electric livrat anual (din grafice, n funcie de cantitatea de energie termic livrat de instalaia de cogenerare).

Figura 21a.

Figura 21b.

5.3.8. ANALIZA ECONOMICA A SOLUTIEI DE CMP

n afara faptului de a fi sisteme eficiente din punct de vedere tehnic, o instalaie de cogenerare trebuie sa se dovedeasc si o investiie rentabil. Performanele economice ale implementrii unei instalaii de CMP se refer n principal la:

1. timpul de recuperare

2. valoarea actualizata neta

3. rata interna de rentabilitate

4. nivelul costului pe perioada de via a instalaiei1. Termenul de recuperare

Pentru a comenta cei patru termeni menionai anterior se consider necesar a se trece

n revist structura investiiei intr-un sistem de cogenerare.

Costul sistemelor de cogenerare

Costul investiiei cuprinde componentele:

a) Costul pentru echipamente

b) Costul instalriic) Soft-ul proiectului (managementul)

a) Costul echipamentelor include si taxele pentru transport la locul de instalare.

Principalele echipamente ce compun o instalaie: turbine, generatorul electric (35-40%), recuperatoare de cldur (SC) (20%), sistemul de evacuare a gazelor, instalaia de alimentare cu combustibil, automatizare si control (4%), echipamente de interconectare la SEN (3-6%), conducte, filtre de aer, atenuatoare de zgomot ( 7%).

b) Costul instalrii: pregtirea incintei, lucrri de construcie pentru amplasare etc. (6-11%)

c) Soft-ul proiectului aceasta nsemnnd :costul pentru studiul de impact, construcie, taxe legale (11%), pregtire personal de supraveghere etc.

Figura 22.

Considerm C valoarea echipamentelor din sistem la momentul t=0. Este posibil ca pentru realizarea acestui proiect s angrenm investitori, s facem un mprumut la o banc sau s fie subvenionat printr-un program de cercetare.

Se poate scrie astfel costul iniial al investiiei la momentul t=0:

F0 = Cg + L C = (cg + l-1)C

(29)unde Cg = suma obinut din grant iar L = mprumutul obinut.

cg = si l =

Cg sau/si L pot fi nule, ceea ce ar avea semnificaia c cel ce dorete implementarea proiectului ce CMP (consumatorul) dispune de ntreaga sum.Cum punem in evidenta rentabilitatea proiectului?

Cogenerarea aduce numeroase avantaje att din punct de vedere economic ct i social si ecologic, decizia adoptrii unui astfel de proiect ns se poate lua numai verificnd rentabilitatea proiectului.

Principalul ctig net este dat de reducerea facturii de energie electrica. n linii mari, raportnd investiia in instalaia de CMP la profitul net obinut se determina timpul de recuperare net al proiectului de cogenerare. Cele 4 etape ale calcului rentabilitii sunt urmtoarele:

Etapa I: Determinarea ctigului (profitului) realizat pe kWe produs prin cogenerare.

Proprietarul unei uniti de cogenerare devine eligibil dac producia de electricitate este superioar a jumtate din necesarul de energie electrica la consumatorul respectiv. Acest lucru i permite s negocieze preul de vnzare a energiei electrice n exces.

Cu ct preul de vnzare este mai mare (depinde de negocierea preului ntre productorul privat de energie electric i cumprtorul acesteia) iar preul de cumprare a energiei electrice din SEN este mai mic cu att proiectul se dovedete mai rentabil.

Considernd pentru o prim estimare c proprietarul unei uniti de cogenerare consum integral energia electric produs. Astfel, ctigul atribuit pentru fiecare kWhe prin cogenerare corespunde preului mediu al energiei electrice in orele de vrf, energie ce nu mai trebuie cumprat din SEN.

Durata de utilizareNEvarf =

[h]

(30)

EEvarf = media consumului lunar de energie electric [kWhe varf/luna] n orele de vrf, P1/4h = vrful de consum (pe o perioada de h) dintr-un an de zile [kWhe].Etapa II: Preul (Costul) combustibilului pentru instalaia de cogenerare

Implementarea unei instalaii de cogenerare ar putea avea drept consecin o cretere a consumului de energie primar. Este deci necesar a evalua n ce msura costul unui consum mai mare de combustibil poate fi dedus pe seama reducerii facturii de energie electric.

Evident, costul combustibilului depinde de cantitatea si tipul combustibilului utilizat.

Ccp = ccp mcp

(31)unde ccp = costul combustibilului primar / unitate,mcp = consumul anual de combustibil.

Ccp = ccp = ccp

(32)Pe = puterea instalaiei de cogenerare la un anumit moment t; Q= cea mai mic valoare a cldurii produse de sistemul de cogenerare, e = randamentul generatorului electric al instalaiei.

In consecin, profitul anual al instalaiei de cogenerare poate fi exprimat ca:

ft = (Ce + Re + Ch Ccp Com)t

(33)unde: Ce = diferena de pre intre costul kWelSEN i din instalaia de cogenerare (care este mai mic), Re = profitul din vnzarea surplusului de energie electric, Ch = diferena intre costul cldurii obinute prin cogenerare fa de cldura obinut in instalaia de vrf, Ccp = costul combustibilului primar/an, Com = costul exploatrii i ntreinerii (care se compune din costuri fixe + costuri variabile)-tabel nr.5.

Tabel nr. 5

SistemCostul ntreinerii (Euro/MWh el)

Turbin de abur2,3-1,5

Turbin de gaz5,4-4,6

Ciclu combinat abur-gaze5,4-4,6

Motor termic9,2-5,8

Etapa III: Estimarea termenului de recuperare

Termenul de recuperare (payback) este cea mai comun mrime de evaluare a performanei economice. Ea exprim un raport intre costul investiiei i economia realizat pe perioada unui an (in general primul an de folosire).

Rezultatele se exprim intr-un numr aproximativ de ani in care valoarea total a economiei acoper (egaleaz) costul total al investiiei iniiale. Evident, rezultatul este mai aproape de realitate atunci cnd economia anual este constant in fiecare an pe durata de via a instalaiei.De exemplu: Considerm un proiect ce a necesitat un buget de 1000$ i acesta conduce la economii anuale de 100$/an in primul an, 200$ in al doilea, 300$ in al treilea, 400$ in al patrulea si 500$ in al cincilea, la o durata de viata de 5 ani a instalaiei.

Bazndu-ne pe teoria mai sus-menionat, timpul de recuperare ar fi 1000$ / 100$ =10 ani.

Dac ins un proiect de 1000$ ar realiza o economie de 200$ in primul an, 100$ in al doilea si 50$ in ceilali ani, termenul de recuperare ar fi de 5 ani.

Unii investitori ar prefera cea de-a doua alternativ, dei primul proiect conduce la economii mai mari de-a lungul celor 5 ani de viata, dar i la un termen de recuperare mai mare.

De aceea, este necesar s se ia in considerare si modul in care se modific economiile anuale atunci cnd se decide orientarea ctre o anumita soluie. Din figura 23 se poate obine n mod rapid termenul de recuperare simplu n funcie de economiile realizate i tehnologia utilizat.2. Valoarea actualizata net (net present value) reprezint valoarea unei seriide costuri ulterioare si dobnzi exprimate printr-o singura cifr. NPV reprezint un numr ce exprim valoarea in $ sau ce pot fi primii sau cheltuii in viitor la valoarea curent a monedei .Aceasta valoare ia n considerare n principal rata inflaiei.

Figura 23.

O simpl plat efectuat la momentul actual poate s valoreze mult mai mult peste 10 ani de exemplu. Rata de discount care cuantific valoarea unor plai viitoare reprezint msura in care investitorul apreciaz, percepe evoluia ulterioar a dobnzilor la creditele acordate.

Daca NPV pentru un proiect rezult negativ proiectul nu este viabil, dac rezult pozitiv proiectul este viabil.

Un investitor cu mai multe oportuniti de investire care pretinde un retur de 20% poate utiliza o rat de discount de 20%. Daca el presupune ca soluia (de CMP de exemplu) prezint un oarecare grad de risc, el poate ridica aceasta rata de discount la 25-30% sau chiar mai mult.Din contr, daca el consider soluia ca fiind viabil, poate lsa rata de discount la 20% sau chiar mai puin.

Valoarea actualizata (PV) a unei pli sau a unui cost (F) care este fcut peste N ani se poate calcula ca fiind:

PV =

(34)unde: d = rata dobnzii stabilita de investitor.

Valoarea actualizat neta NPV reprezint suma valorilor actualizate a plailor si dobnzilor viitoare.

NPV =

n care : Ft = venitul net in anul t; N = durata de viata a sistemului. Venitul net are expresia general:

Ft = ft -ALt rT * Tt + SVN

t = N

(35)unde: ft = profitul anual din anul t; ALt = plata ratei anuala a mprumutului efectuat cu dobnda aferent; rT = rata taxei; Tt = taxa pltita in anul t; SVN = valoarea investiiei acoperit la sfritul duratei de viat economic, adic la sfritul anului N.

Aceast valoare este util in acele cazuri in care consumatorul este capabil a dezvolta un proiect de cogenerare fr s aib o contribuie egal, echitabil cu investitorul.

3. Rata interna de rentabilitate

Se definete prin IRR rata interna de rentabilitate (internal rate of return on investment). Ea reprezint valoarea ce satisface relaia:

NPV = = 0

(36)unde: NPV = valoarea neta actualizat; Ft = venitul net dup impozitare n anul t, plus amortizarea;d = rata dobnzii in perioada de timp t i N = perioada de funcionare.

Notnd = x

(37)

NPV = F0 + F1*x + F2*x2 + ..+ FN*xN = 0 cu 0d