SISTEME DE COGENERARE -...

- 1 -

SISTEME DE COGENERARE

Prof.univ.dr.ing. Ana-Maria BIANCHI

Conf.univ.dr.ing. Florin BĂLTĂREŢU

Cuprins

1. Introducere

1.1. Definirea conceptului de cogenerare

1.2. Obiective; avantaje şi dezavantaje

1.3. Criterii specifice

1.4. Scurt istoric

1.5. Aplicaţii curente

2. Tehnici de cogenerare

2.1. Filiera cu turbină cu abur/vapori (TA/TV)

2.2. Filiera cu motoare termice (MT)

2.3. Filiera cu turbină cu gaze (TG)

2.4. Comparaţie între diferitele sisteme de cogenerare2.4.1. Cogenerarea cu TA: caracteristici2.4.2. Cogenerarea cu MT: caracteristici2.4.3. Cogenerarea cu TG: caracteristici2.4.4. Relaţia între sistemul de cogenerare şi combustibili2.4.5. Concluzii

3. Situaţia actuală privind cogenerarea şi perspectivele sale de dezvoltare

3.1. Consideraţii generale

3.2. Prezent şi perspective ale cogenerării în Europa

3.3. Prezent şi perspective ale cogenerării în România

3.4. Cogenerarea pe bază de surse energetice regenerabile

3.5. Trigenerarea

3.6. Studiu de caz

Bibliografie selectivă

Sisteme de cogenerare

- 2 -

1. Introducere

1.1. Definirea conceptului de cogenerare

Principalele resurse energetice sunt reprezentate de combustibili + surse neconvenţionale; deşi ultimele sunt în plină dezvoltare, rolul preponderent este jucat în prezent şi pentru un viitor destul de îndepărtat de combustibilii “clasici”.

Resursele fiind limitate, iar cererea de energie electrică (W ) şi termică ( Q ) în

continuă creştere, se impun măsuri de gospodărire raţională şi de protecţie a acestora.

O problemă de strictă actualitate o reprezintă găsirea unor soluţii reprezentate de tehnologii care să folosească în mod raţional combustibilii, să aibă randamente ridicate, indicatori tehnici şi economici cât mai buni, asigurând în acelaşi timp protecţia mediului.

O soluţie performantă, deja verificată, constă în combinarea a două sau mai multe procese energetice astfel încât, printr-o utilizare eficientă a combustibililor, randamentul global să fie superior celui obţinut pe filiere separate.

Un exemplu pentru o astfel de soluţie este reprezentat de COGENERARE, care reprezintă o producere combinată de căldură şi forţă, o tehnică în care, prin arderea unui combustibil primar, se produc simultan energie mecanică / electrică şi termică.

Energia termică este disponibilă fie direct (încălzire, procese industriale), fie indirect, cu ajutorul unui fluid de lucru, uşor de utilizat (vapori, apă caldă, apă supraîncălzită, aer cald etc.).

Energia mecanică disponibilă la arborele maşinii motrice, este utilizată pentru antrenarea unei alte maşini turnante (ventilator, compresor sau, cel mai frecvent, un alternator care produce energie electrică).

Figura 1. Schema definirii cogenerării


- 3 -

Important de remarcat este faptul că, pentru a produce EW din căldură, trebuie să

existe o sursă caldă ( MT ) şi una rece ( mT ). Într-o centrală termică clasică, sursa rece ( mT )

este luată din mediu (aer atmosferic sau apă de râu); căldura absorbită de ea este în general pierdută, ceea ce conduce la faptul că randamentul unui astfel de sistem este mai mic de 50%

(în Franţa, CT mediu ≈ 36%). În cazul cogenerării, căldura cedată sursei reci nu este

pierdută; ea se regăseşte aproape în totalitate într-un fluid de lucru, astfel încât 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 şi dezavantaje

Se remarcă următoarele avantaje ale cogenerării:

• Securitate funcţională; în cazul întreruperii furnizării de energie, cogenerarea poate asigura continuitatea în alimentare; poate prelua rolul grupurilor electrogene de siguranţă, aducând avantaje economice;

• Câştig financiar; cogenerarea permite economii de energie primară de circa 35%, când este bine adaptată. În Europa, dacă energia electrică furnizată prin cogenerare va creşte la 18% în 2010 (faţă de 11% în 1998), economiile de energie vor corespunde la 3-4% din consumul total european.

• Recuperarea căldurii gratuite; este cazul uzinelor chimice sau a incineratoarelor de deşeuri menajere; căldura, în loc de a se pierde în atmosferă, este utilizată într-un ciclu de cogenerare;

• Posibilitatea utilizării unei game largi de combustibili (gaz natural, cărbune, deşeuri, biogaz); cogenerarea este o tehnică care se acomodează uşor resurselor locale de energie primară;

• Protecţia atmosferei; emisiile poluante raportate la kWh sunt mai mici decât în cazul CT clasice, fie privitor la emisiile direct poluante (SO2, NOx, praf), fie privitor la emisiile de gaz producând efect de seră (CO2); se remarcă impactul deosebit de favorabil prin:

a) posibilitatea folosirii lemnului, bio-gazului, incinerarea deşeurilor;

b) valorificarea reziduurilor de CO2, după tratare, în sere, pentru a favoriza creşterea plantelor;

• Pierderi mai mici în reţeaua electrică; centralele de cogenerare sunt amplasate de regulă în apropierea consumatorilor;

• Contribuie la creşterea concurenţei între producători;

• Reprezintă o oportunitate de a crea noi întreprinderi;

• Se adaptează foarte bine în regiunile izolate sau ultraperiferice;


- 4 -

• Reducerea considerabilă a personalului de întreţinere necesar pentru instalaţiile individuale.

• Impact deosebit de favorabil:

a) folosirea energiei lemnului, bio-gazului, incinerarea deşeurilor;

b) valorificarea reziduurilor de CO2 (după tratare) în sere pentru a favoriza creşterea plantelor.

Pe lângă toate aceste avantaje considerabile, există şi inconveniente de care trebuie să se ţină seama:

• Investiţii ridicate, impuse de tehnicitatea instalaţiilor; problema devine şi mai delicată dacă trebuie adăugată cogenerarea la o CT existentă.

• Exploatarea este mai costisitoare; filiera cu TA presupune un personal autorizat, iar filierele cu motoare sau TG, chiar dacă pot fi automatizate în întregime, presupun cheltuieli de întreţinere care grevează sensibil asupra preţului electricităţii şi căldurii produse.

• Riscuri tehnice şi financiare:

incidente funcţionale (pentru evitarea cărora trebuie utilizate materiale foarte fiabile); preţuri variabile ale combustibililor.

1.3. Criterii specifice

“Inima” unei centrale de cogenerare este maşina motrice: ea consumă o cantitate orară

de combustibil corespunzând unei energii termice C şi produce energie mecanică

transformată în energie electrică W şi “deşeuri” termice din care o parte Q este recuperată şi

utilizată pentru consumatori termici (încălzire, apă caldă menajeră, procese tehnologice etc.).

Pentru caracterizarea cogenerării se folosesc:

• randamentul mecanic:

C

Wm

Întrucât W este energia scumpă, cu cât randamentul mecanic creşte, cu atât cogenerarea este mai interesantă şi mai rentabilă.

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

Această valoare dă eficacitatea energetică a instalaţiei complete; ea variază mult, de la 50 la 95%, în funcţie de filieră şi de utilizarea căldurii.

În figura 2 este prezentat un exemplu pentru calculul randamentului global al producerii în cogenerare, comparativ cu producerea separată a energiei electrice şi termice. Se observă avantajul major al cogenerării, dat de un randament care este net superior faţă de cel al producerii separate (pentru exemplul de mai jos diferenţa fiind de 12%).

%80100100

4040100

C

QWcogenerare

%68100117

4040100

C

QWseparat ăproducere

Figura 2. Producerea simultană şi separată a energiei electrice şi termice

De reţinut: noţiunea are o valoare scolastică; întrucât cele două energii (electrică şi termică) nu au aceeaşi valoare economică la momente diferite. În practică, rentabilitatea financiară la momentul respectiv va fi elementul determinant al unui proiect de cogenerare.

• raportul căldură / forţă (indicele de cogenerare), care reprezintă raportul WQ

dintre cantitatea de căldură Q şi de energie electrică W , furnizate simultan de

cogenerare. Este o noţiune necesară pentru alegerea tipului de instalaţie.


- 6 -

• raportul forţă / căldură, care reprezintă raportul QW (inversul indicelui de

cogenerare).

• consumul specific echivalent:

W

QCCE

Această mărime dă consumul de energie aferent producerii unui kWh în sistemul de cogenerare. Determinarea se face pe baza raţionamentului următor: dacă cogenerarea este implantată într-o instalaţie unde căldura este în mod

normal furnizată de o CT având randamentul , căldura utilă Q recuperată

(pentru consumatorul termic) reduce consumul CT cu valoarea Q ; se poate

spune deci că surplusul de combustibil consumat de cogenerare corespunde

unei energii egale cu QC , care serveşte la producerea unei energii

electrice W [kWh].

Această noţiune permite calculul costului energetic şi financiar al kWh (electric) autoprodus prin cogenerare şi este foarte utilă pentru compararea diferitelor sisteme / filiere.

De exemplu, în Franţa, EC ≈ 1 th / kWh (electric) pentru cogenerare (1 th =

4185.5 kJ = 1000 kcal), iar pentru 1 kWh furnizat de EDF valoarea reţinută este de 2.2 th / kWh (electric).

1.4. Scurt istoric

Argumentele în favoarea cogenerării au evoluat în timp. Prima instalaţie a fost realizată la New York în 1877 de Birdsill Holly. În 1893, în Germania, la Hamburg, a fost pusă în funcţiune prima unitate de producere combinată de energie, care marchează debutul dezvoltării în Europa a acestei tehnologii de alimentare centralizată cu energie termică la distanţă. Argumentul principal a fost evitarea pericolului incendiilor în construcţiile dense ale oraşului, încălzite cu sobe utilizând cărbunele.

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

a) economia de combustibil;

b) posibilitatea utilizării mai eficace a combustibilului solid şi a produselor petroliere, evitând pericolul unei poluări directe sau indirecte.

Optimul pentru utilizarea acestei tehnici este realizat când consumatorii de energie W

şi căldură Q sunt grupaţi (de exemplu: platforme industriale).

O altă încercare în acest sens datează chiar din perioada interbelică şi a fost concretizată ărin utilizarea unui sistem cogenerativ de tip Rankine, restul tehnologiilor comerciale dezvoltându-se în ultimii 30 de ani. Încă din anul 1935, în SUA exista o reţea


- 7 -

întinsă a capacităţilor de producere a energiei, multe industrii având pe atunci instalaţii asemănătoare cu cogenerarea.

După crizele petroliere din anii 1970, producătorii şi consumatorii de energie şi-au îndreptat atenţia către tehnologii noi, care să conducă la scăderea costurilor legate de utilizarea energiei.

La sfârşitul anilor 1980 au început să apară centralele de cogenerare utilizând şi ciclul mixt (gaze-abur), ca urmare a fiabilităţii turbinei cu gaze.

Expansiunea cogenerării a apărut în anii 1990 datorită faptului că, în timp, preţul energiei a început să crească şi datorită îngrijorării apărute datorită schimbării climei, concretizată în 1997 prin Protocolul de la Kyoto, care a forţat guvernele să caute noi căi de reducere a emisiilor de gaze de seră.

În ultimul deceniu s-a constatat creşterea rapidă a numărului de instalaţii cu cogenerare, statistica MarketLine International arătând că, legat de perspectiva dezvoltării industriei în domeniul cogenerării, în următorii ani vor avea loc creşteri ale investiţiilor de .........

În Europa, în ţările din nord şi vest, s-au dezvoltat în primul rând filiere de talie mare, cu reţele de transport de zeci / sute de km şi cu sarcini termice de 50-15000 MW.

În România, pe lângă cogenerarea industrială, în jurul anilor 1960, dezvoltarea masivă a clădirilor urbane a creat premisele favorabile pentru dezvoltarea cogenerării în scopul încălzirii centralizate a acestora. De reţinut este faptul că România se situează pe locul 3 în Europa (după Rusia şi Polonia) din punctul de vedere al taliei reţelei de termoficare.

Tendinţa ultimelor decenii este de a dezvolta “cogenerarea mică” ( 1W MWe) sau

“mini/micro cogenerarea” ( 50W kWe), precum şi conceptele mai sofisticate, ca de exemplu: “cogenerarea modulară”, “energie totală” etc. (Franţa, Germania, Italia, Olanda). Toate au la bază valorizarea la maximum a avantajelor cogenerării armonizate cu o anumită tendinţă de independenţă energetică.

1.5. Aplicaţii curente

• Industrie

• Sere

• Reţele de încălzire

• Centre comerciale

• Centre de locuinţe colective

• Centre de sănătate

• Hoteluri, piscine


- 8 -

2. Tehnici de cogenerare

2.1. Filiera turbină cu abur/vapori (TA/TV)

Reprezintă sistemul cel mai vechi şi răspândit. Utilizat de la început pe platforme industriale, s-a extins ulterior şi în cazul necesităţilor de încălzire urbană.

Pentru producerea de căldură sunt utilizate preponderent două scheme:

a) în industrie, se utilizează direct aburul de contrapresiune (fig. 2.1);

b) în domeniul terţiar (de exemplu – încălzire urbană) se utilizează mai frecvent apă supraîncălzită (fig. 2.2).

Avantajul esenţial al sistemului constă în posibilitatea utilizării oricărui tip de combustibil.

În plus, materialele specifice, agregatele bine cunoscute şi construite de multe decenii sunt în general foarte fiabile şi durabile.

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

Performanţa sistemului – producţia de energie electrică – depinde de mai mulţi factori, dintre care se remarcă:

a) debitul de abur furnizat de TA; cu excepţia cazurilor unei energii gratuite sau de recuperare a unei “călduri fatale”, debitul total de abur produs este o funcţie directă de necesarul de căldură al instalaţiilor deservite de reţea. Dacă acest necesar este constant în timp, se aleg cazane de înaltă presiune şi una / mai multe turbine capabile să asigure acest debit total;

Figura 2.1. Filiera TA: reţea de abur

1 – purjă; 2 – cazan de abur; 3 – abur supraîncălzit de înaltă presiune;4 – turbină; 5 – alternator; 6 – degazor; 7 – rezervor de alimentare; 8 – pompă de alimentare;9 – pompă de condensat; 10 – rezervor de condensat; 11 – sistem de tratare a apei;12 – apă de adaos; 13 – abur de priză de medie presiune; 14 – abur de joasă presiune;

15 – către utilizatori; 16 – retur (condensat).


- 9 -

Figura 2.2. Filiera TA: reţea de apă supraîncălzită

1 – purjă; 2 – cazan; 3 – abur supraîncălzit (înaltă presiune); 4 – turbină cu abur;5 – alternator; 6 – condensator; 7 – apă supraîncălzită; 8 – generator direct;9 – abur de priză de medie presiune; 10 – condensator de medie presiune;11 – către degazor; 12 – condensator joasă presiune.

b) contrapresiunea aburului la ieşirea din TA; valoarea acesteia depinde numai de

utilizarea dată căldurii Q . Ea trebuie să fie cât mai scăzută cu putinţă, iar

importanţa ei este primordială. În uzine, în cazul încălzirii industriale sau a localurilor, valoarea ei este 1-4 bar, compatibilă cu temperaturile ce trebuie asigurate încălzirii cerute şi cu pierderile de sarcină în reţeaua de distribuţie. În cazul climatizării, deoarece cogenerarea produce apă supraîncălzită, instalaţia presupune - în marea majoritate a cazurilor – unul / mai multe cazane de înaltă presiune care furnizează condensatorului TA puterea termică de bază şi, pe de altă parte, generatoare suplimentare de joasă presiune cu abur sau apă supraîncălzită, care furnizează căldura suplimentară necesară în perioadele foarte friguroase.

c) parametrii caracteristici Tp, ai aburului; cu cât sunt mai înalţi, cu atât se obţine

mai multă energie electrică W pe tona de abur. În schimb, investiţiile cresc rapid, echipamentele devin mai complexe şi mai dificil de exploatat. În


- 10 -

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

d) randamentul izentropic al turbinei TA; acesta variază între 85% pentru TA perfecţionate cu multe etaje şi 55% pentru TA simple şi ieftine. Gama de selecţie fiind foarte largă, materialele vor fi optimizate în fiecare caz, în urma unui bilanţ tehnico-economic.

2.2. Filiera cu motoare termice (MT)

Acest tip de cogenerare presupune existenţa unui motor / mai multor motoare cu combustie internă, tip Diesel sau cu bujii (cu aprindere comandată), care antrenează un alternator. Căldura este recuperată în principal din:

a) gazele de eşapament;

b) din răcirea blocului motor.

Avantajele acestui tip de cogenerare sunt:

a) utilizarea motoarelor termice presupune instalaţii mult mai simple, mai puţin voluminoase, mai ieftine şi care pot fi în întregime automatizate;

b) ţinând seama de gama largă de puteri a motoarelor termice (de la câţiva kW la mai mult de 20 MW), această filieră permite o utilizare de la cogenerarea mică până la cogenerare de mare putere;

c) aceste motoare termice au o funcţionare simplă, demarează şi intră în sarcină rapid

(circa 30 s) şi au un bun randament mecanic ( m =35-48%).

Dezavantajul major legat de utilizarea motoarelor termice constă în faptul că sunt zgomotoase şi produc vibraţii (nivel sonor 100-120 dBA); acest fapt impune montarea de amortizoare de zgomot pe aspiraţie şi refulare, precum şi montarea lor pe socluri grele şi cu montaje speciale.

• Motoare termice cu aprindere comandată / prin bujii:

a) se fabrică de regulă pentru puteri mici (20-1500 kW);

b) în practică, se utilizează frecvent mai multe motoare mici, de serie, deoarece costă mai puţin decât un motor mare şi permit realizarea unei instalaţii suple şi sigure;

c) randamentul mecanic are valori de circa 33-38% (în plină sarcină şi la viteza optimă);

d) combustibilii utilizaţi: gaz natural, combustibili lichizi bogaţi (benzină, gazoil, motorină, ulei domestic, oneroase totuşi pentru utilizarea lor într-o filieră de cogenerare), biogaz, gaze fatale produse de uzine de incinerare a deşeurilor menajere).


- 11 -

• Motoare termice de tip Diesel:

a) gama de puteri este de 100 – 25000 kW;

b) randamentul mecanic are valori în intervalul 38 – 48 %

c) combustibilii utilizaţi sunt:

- gaz natural sau motorină (se adaugă 5-8% gazoil pentru realizarea aprinderii prin compresie) pentru puteri mici (≤ 3500 kW), în acest caz putându-se utiliza şi biogazul sau GPL;

- motorina grea, pentru puteri mari (≥ 4000 kW). Aceasta trebuie epurată şi limpezită cu grijă, cerând un echipament de tratare costisitor şi care nu se amortizează decât în cazul instalaţiilor mari.

Utilizarea motoarelor termice în sisteme de cogenerare este recomandabilă, datorită existenţei în funcţionarea lor a unei importante cantităţi de energie termică reziduală sub diferite forme:

a) în gazele de eşapament; acestea conţin circa 30% din energia combustibilului, având în general o temperatură ridicată (450-550°C). De aceea, este posibilă scăderea temperaturii lor în baterii unde se poate prepara un agent termic (apă caldă sau supraîncălzită) sau într-un cazan de recuperare ce produce abur.

Remarcă importantă: combustia în motoarele clasice utilizate se face cu un exces de aer de ordinul 10-50%; acesta poate ajunge însă la 300% pentru anumite motoare Diesel de putere mare (fapt care duce la scăderea temperaturii de ardere şi reducerea de NOx). În acest caz, gazele de eşapament pot fi utilizate ca aer de ardere în cazane special echipate, în care se utilizează principiul “post-combustiei”, mai frecvent asociat turbinelor cu gaze. Nu trebuie uitat nici faptul că gazele de eşapament conţin picături de ulei şi, în consecinţă, bateriile recuperatoare trebuie protejate.

b) în răcirea blocului-motor (răcire de înaltă temperatură); aceasta reprezintă circa 20 % din energia consumată. Apa de răcire este introdusă în motor la circa 70°C şi iese cu 80-90°C (în motoarele obişnuite). În anumite cazuri, destinate utilizării în cogenerare, apa poate ajunge la ieşire la temperaturi de circa 105°C (uneori poate fi chiar sub formă de emulsii care să genereze abur de joasă presiune).

c) în răcirea uleiului şi a aerului de ardere (răcire de joasă temperatură); apa de răcire este la temperatură joasă în aceste cazuri (cât mai joasă posibil pentru aerul de ardere). Căldura conţinută reprezintă circa 15% din energia combustibilului, fiind recuperabilă greu (cu excepţia reîncălzirii la temperaturi joase pentru apă sanitară sau aer utilizat în climatizare / uscare).


- 12 -

d) în căldura de radiaţie şi convecţie a motorului; în general, aceasta este pierdută în atmosferă (cu excepţia unor cazuri rare de utilizare în preîncălzirea aerului de ardere).

Căldura recuperabilă din aceste patru surse (din care numai una – gazele de eşapament – se află la temperatură ridicată) conduce la randamente globale bune, impunând utilizarea sa la prepararea fie de apă caldă, fie de aer cald.

Schema cea mai curent utilizată este reprezentată în figura 2.3.

În această instalaţie, cogenerarea este montată în serie cu unul / mai multe cazane de joasă presiune care produc apă caldă la mai puţin de 110°C, care este vehiculată de pompe către o reţea de încălzire. Retururile acestei reţele recuperează mai întâi căldura din circuitul de răcire de înaltă temperatură; ele sunt apoi trimise fie direct în blocul-motor pentru a-l răci, fie într-un schimbător de căldură plasat într-un circuit închis de răcire al blocului motor. Apoi, retururile trec într-o baterie plasată sub gazele de eşapament; ele recuperează astfel circa 80% din căldura reziduală conţinută în aceste gaze.

Toată căldura din circuitul de înaltă temperatură şi cea mai mare parte din cea conţinută în gazele de eşapament sunt transferate apei din reţea.

Figura 2.3. Filiera cu motor termic; recuperarea căldurii sub formă de apă caldă

(de la 80°C la 105°C)

1 – agent de răcire; 2 – schimbător de căldură; 3 – circuit de răcire de joasă temperatură;4 – motor termic; 5 – circuit de răcire de temperatură înaltă; 6 – alternator; 7 – schimbător de căldura apă – apă; 8 – gaze de eşapament; 9 – cazan de apă caldă de joasă presiune.


- 13 -

Privitor la răcirea de joasă temperatură a motorului, aceasta trebuie să fie făcută la cea mai scăzută temperatură posibilă, pentru a răci mai bine aerul de ardere după compresie şi a mări astfel cantitatea de aer aspirată. Acest proces este asigurat în general de un răcitor de aer extern (de altfel, constructorii livrează motoarele cu un circuit închis de joasă temperatură, răcit cu un răcitor de aer sau radiator).

Există încă multe alte variante de instalaţii cu motoare termice, adaptate nevoilor locale.

2.3. Filiera cu turbină cu gaze (TG)

Folosite iniţial ca turbine de vârf la furnizarea energiei electrice, actualmente turbinele cu gaze cuplate cu un cazan recuperator sunt în mod curent folosite în cogenerare pentru sarcina de bază.

Turbinele cu gaze sunt bine adaptate atât instalaţiilor industriale, care au în general nevoie de energie electrică şi de abur, cât şi instalaţiilor sectorului terţiar, care utilizează apă caldă sau supraîncălzită.

Turbinele cu gaze sunt de creaţie mai recentă decât celelalte două tipuri; sunt disponibile pe o gamă largă de puteri: 25 kW – 200 MW. Combustibilii folosiţi sunt: gazul (natural, GPL sau biologic) sau motorina.

Avantajele utilizării turbinelor cu gaze sunt:

a) sunt compacte, lejere şi se pot implanta cu uşurinţă;

b) toată energia transformată în căldură (cu excepţia unor pierderi mici) se regăseşte în gazele de eşapament la temperaturi ridicate (430-580°C). Cazanul recuperator plasat pe circuitul acestora permite producerea aburului sau a apei supraîncălzite. Dimensionarea acestuia se face în funcţie de temperaturile pe tur şi retur din reţeaua de încălzire.

c) gazele de eşapament sunt curate şi conţin 15-17% O2. Ele pot fi utilizate în industrie pentru încălzirea directă în uscătoare şi, mai ales, ca aer de ardere în arzătoare speciale (de “post-combustie”), care se adaptează cazanelor; se pot obţine astfel randamente excelente.

O instalaţie de cogenerare cu TG este reprezentată în figura 2.4; de reţinut este faptul că sunt posibile mai multe scheme în funcţie de tipul de turbină cu gaze folosit.


- 14 -

Figura 2.4. Filieră de cogenerare cu TG

Mai pot fi folosite microturbine în centrale de tip bloc sau turbine cu gaze cu injecţie de abur (atât în TG cât şi în camera de ardere).

Filierele de cogenerare cu TA şi TG pot fi combinate, dând naştere unor cicluri combinate; principiul constă în instalarea a două cogenerări în serie: prima cu TG, a doua cu TA, reprezentate în figura 2.5.

Figura 2.5. Schemă de cogenerare cu ciclu combinat/mixt

Ciclul combinat/mixt gaze-abur foloseşte căldura din gazele de eşapament ale TG pentru a produce într-un cazan recuperator aburul necesar TA. Pentru încălzirea agentului primar din circuitul de încălzire se foloseşte abur din prizele turbinei şi abur din cazanul recuperator.

Ciclul combinat/mixt se caracterizează printr-un randament ridicat (circa 50%) la funcţionarea numai pentru producerea de energie electrică şi de circa 85% în ciclu de cogenerare.


- 15 -

Excesul de O2 din gazele de eşapament permite folosirea arderii suplimentare de combustibil în cazanul recuperator.

Datorită eficienţei ridicate şi investiţiei specifice foarte competitive, centralele cu ciclu combinat se instalează în locul celor clasice cu TA, acolo unde există gaze naturale pentru TG.

2.4. Comparaţie între sistemele de cogenerare

2.4.1. Cogenerarea cu TA: caracteristici

• investiţia cea mai scumpă, sistem greoi, cerând un personal de exploatare calificat;

• WQ mediocru şi foarte variabil (4-20) în funcţie de parametrii aburului (p, T);

• EC bun (1-1.25);

• singurul sistem utilizabil cu cărbune şi deşeuri menajere.

2.4.2. Cogenerarea cu MT: caracteristici

• sistem suplu, cu automatizare totală, cu demaraj rapid;

• m excelent (33-48%);

• WQ foarte bun (0.5-1.5);

• EC bun în cazul reţelei de apă caldă (0.75-1.3) şi EC modest în cazul reţelei de apă

caldă menajeră (2-2.4);

• sistem greu şi vibrant, cu uzură rapidă (în funcţie de viteza de rotaţie) şi întreţinere costisitoare;

• combustibil : gaz ( toate puterile), motorină grea ( puteri > 4MW);

• sistem bine adaptat pentru climatizare (în mod special pentru spitale).

2.4.3. Cogenerarea cu TG: caracteristici

• sistemul cel mai recent, uşor, ocupând un spaţiu redus;

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

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

• căldura conţinută în gazele de eşapament au potenţial termic ridicat rezultă adaptare uşoară pentru producerea de apă supraîncălzită şi aburului, deci, recomandabil pentru industrie;

• combustibil : gaz la presiuni ridicate.


- 16 -

2.4.4. Relaţia între sistemul de cogenerare şi combustibili

a) Cărbune şi deşeuri menajere : singurul sistem utilizabil este cu turbină cu abur;

b) Motorină : turbina cu abur pentru sarcini de încălzire mari şi MT ( pentru > 4MW).

c) Gaz natural: combustibilul cel mai scump, astfel încât se remarcă importanţa EC şi

a post-combustiei, precum şi următoarele:

- este foarte interesant în cazul în care generatorul de agent termic existent este recuperabil;

- presiunea gazului cerută (13-16 bar) impune o legătură directă cu o reţea de transport a gazului sau necesitatea existenţei unor compresoare, care reduc rentabilitatea sistemului.

Tabelul 2.1 prezintă o sinteză a caracteristicilor tehnice ale sistemelor de cogenerare.

2.4.5. Concluzii

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

În primul rând, se face un bilanţ economic simplu, care determină timpul de rambursare brut; el permite, printr-o evaluare rapidă, pentru o instalaţie căreia i se cunosc caracteristicile medii de funcţionare, alegerea sistemului cel mai potrivit. Dacă acesta se dovedeşte rentabil, se va face ulterior un calcul detaliat.


- 17 -


- 18 -

3. Situaţia actuală privind cogenerarea şi perspectivele sale

de dezvoltare

3.1. Consideraţii generale

Prognozele privind producerea de energie electrică (în primul rând) şi termică vizează orizontul 2030. Ţinând seama de timpul necesar “maturizării” unor tehnologii noi, numai cele aflate acum în stadiul de dezvoltare (sau chiar numai de demonstaţie) au şanse reale de a pătrunde pe piaţa energetică până la această dată luată ca reper. Într-o perspectivă mai îndepărtată, este dificil de prevăzut care ar putea fi progresele tehnologice, de estimat timpul necesar maturizării lor şi de imaginat evoluţia contextului economic determinant pentru competitivitatea lor.

Pe parcursul perioadei considerate (până în 2030), dezvoltarea şi punerea în aplicare a opţiunilor tehnice fondate pe cele trei mari familii de surse energetice (combustibili fosili, energia nucleară şi energiile regenerabile) vor fi influenţate în mod esenţial de trei direcţii prioritare:

a) protecţia mediului;

b) securitatea aprovizionării;

c) competitivitatea economică pe o piaţă din ce în ce mai deschisă concurenţei.

Aceste trei direcţii care focalizează atenţia şi interesul factorilor de decizie politici sau industriali, al organismelor de reglementare, al producătorilor de energie electrică, al constructorilor de materiale şi al utilizatorilor, vor influenţa tipul, structura şi talia/mărimea sistemelor producătoare de energie, care vor fi adoptate pe parcursul perioadei considerate.

În acest context, argumentele care pledează pentru implementarea/dezvoltarea cogenerării sunt de natură economică, strategică, comercială şi ideologică.

Factorul de decizie principal îl constituie avantajul – rezultat al economiei de combustibil – privind vânzarea energiei termice la preţuri mai mici decât în cazul producerii şi comercializării energiei termice produse separat.

3.2. Prezent şi perspective ale cogenerării în Europa

În prezent, cogenerarea diminuează cu circa 350 milioane tone emisiile de CO2 în Europa şi reduce dependenţa de resursele energetice.

În comparaţie cu 1999, producţia de energie în cogenerare a crescut în majoritatea ţărilor din Uniunea Europeană; cele mai mari creşteri s-au înregistrat în Italia (7.4% pe an), Austria (7.4% pe an) şi Suedia (6% pe an).


- 19 -

În ţările Uniunii Europene, preţurile pentru căldura furnizată în SATC au rămas relativ constante (în comparaţie cu 1999), în ciuda fluctuaţiilor de preţ ale gazului natural şi ţiţeiului.

În ţările candidate, preţurile au crescut în general, ca urmare a eliminării treptate a subvenţiilor, în vederea adaptării la cerinţele de integrare în Uniunea Europeană.

Există accente uşor diferite în politica de utilizare a combustibilului în ţările membre în Uniunea Europeană şi ţările candidate. În timp ce primele promovează tot mai mult sursele regenerabile şi valorificarea deşeurilor, ţările candidate se bazează (pe termen mediu) pe o creştere a consumului de gaze naturale.

Pentru viitor este previzibilă o strategie comună, care pune accentul pe creşterea eficienţei energetice, utilizarea resurselor regenerabile şi satisfacerea necesarului de energie utilizând cât mai puţină energie primară.

Se încurajează astfel şi descentralizarea alimentării cu energie, incluzând cogenerarea de mică putere amplasată lângă consumator.

În majoritatea ţărilor Uniunii Europene nu sunt prevăzute legi speciale; se ţine totuşi seama că, prin cogenerare, se îndeplinesc obiective economice generale, în special legate de politicile privind protecţia mediului.

Ţări ca Olanda şi Suedia corelează promovarea cogenerării cu facilităţi fiscale, în timp ce Germania, Austria şi Danemarca acordă un sprijin legislativ instalaţiilor de cogenerare cu eficienţă ridicată. În acelaşi fel sunt susţinute şi resursele regenerabile, atât prin politici fiscale, cât şi prin reglementări legislative.

În procesul de aderare la Uniunea Europeană, majoritatea ţărilor candidate au elaborat legi privind energia, pentru a crea cadrul legislativ general care să susţină liberalizarea pieţei şi competiţia în conformitate cu directivele Uniunii Europene.

Ca o concluzie, se poate aprecia că principalele motoare ale dezvoltării cogenerării în Europa au fost:

a) politica energetică a guvernelor, care prin pârghii legislative/financiare favorizează investiţiile în cogenerare;

b) angajamentele naţionale de reducere a emisiilor de CO2;

c) necesitatea instalării de capacităţi noi de producere a energiei electrice ca urmare a creşterii cererii;

d) tendinţele de evoluţie a preţurilor pe piaţa energiei, atunci când preţul gazului natural este scăzut şi preţul energie electrice este ridicat.

Directiva 2004/8/EC a Parlamentului European şi a Consiliului Uniunii Europene din 11 februarie 2004 cu privire la promovarea cogenerării bazată pe cererea de căldură utilă pe piaţa internă de energie şi care modifică Directiva 92/42/EEC este actul normativ menit să statueze poziţia cogenerării în strategia energetică europeană.


- 20 -

3.3. Prezent şi perspective ale cogenerării în România

Cogenerarea s-a dezvoltat în România din anii 1950, în contextul planurilor de creştere accelerată a producţiei de energie electrică, în aplicaţii exclusiv industriale. Cogenerarea pentru încălzire urbană a demarat în 1960 şi s-a extins după 1970, în acord cu ritmul rapid al creşterii cerinţelor de energie electrică, cât şi cel al construcţiei de locuinţe tip “bloc”.

O aplicaţie curentă a fost grupul de cogenerare de 50 MWe cu cazane de abur şi TA cu condensare în schimbătoare de căldură tubulare, care produc agent termic (apă caldă) pentru alimentarea cu căldură centralizată. Studiile de optimizare efectuate în anii 60-70 au apreciat că dimensionarea instalaţiei de cogenerare la 45-60% din sarcina termică de vârf constituie soluţia care asigură o încărcare acceptabilă la nivelul unui an, astfel încât amortizarea instalaţiei să se facă într-un termen rezonabil. Vârful de sarcină se acoperă din cazane cu apă fierbinte (CAF).

La sfârşitul anilor 70 toată furnitura aferentă grupului de cogenerare de 50Mwe se fabrica în România.

Un coeficient de cogenerare de 50% corelat cu alura medie a curbei de sarcină anuală de încălzire din România, face ca (teoretic) circa 80-85% din căldura livrată pe an să poată fi produsă în regim de cogenerare, restul de 15-20% fiind livrat de CAF. În realitate, datorită stării tehnice precare a grupurilor de cogenerare şi costurilor mai reduse de reparare a CAF, proporţia căldurii livrate de acestea din urmă este mult mai mare.

Aplicaţiile recente de “mică cogenerare” pentru sistemele de alimentare cu căldură centralizate din România constituie acţiuni pilot.

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

a) dorinţa de reducere maximă a problemelor de interfaţă cu reţeaua de electricitate (“exportul de electricitate”);

b) incertitudinea privind evoluţia cererii de căldură în condiţiile actuale;

c) fezabilitatea scăzută a proiectelor, care duce la alegerea unor variante minimale.

Capacitatea de replicare a acestor proiecte pilot pare să fie aproape nulă.

Încălzirea prin sisteme centralizate de alimentare cu căldură a devenit o problemă critică în România. Uzura fizică şi morală, lipsa de management, lipsa resurselor financiare pentru întreţinere şi modernizare, pierderile mari în transport/distribuţie şi izolarea necorespunzătoare a fondului existent de locuinţe sunt o parte din factorii care au condus la această situaţie.

Lipsa contorizării individuale contribuie şi ea la valoarea mare a facturii pentru încălzire suportată de populaţie. Se estimează un potenţial de reducere a consumurilor ce poate depăşi 60% din consumul actual!


- 21 -

Întârzierea demarării unor programe vizând rezolvarea problemei încălzirii centralizate, continua scădere a calităţii serviciilor şi creşterea valorii facturii de încălzire au condus la sporirea neîncrederii populaţiei în sistemele centralizate de încălzire. Aceasta a dus la debranşarea de la sistemele centralizate a 21% din apartamentele aferente.

Aproximativ 70% din cei debranşaţi au ales ca soluţie încălzirea individuală la nivel de bloc, scară, apartament folosind cazane/centrale cu gaz natural. Acest fenomen este favorizat de amplasarea în locuri unde acest combustibil este disponibil, în condiţiile în care în România preţul gazelor naturale este încă relativ scăzut.

Un raport recent al FMI intitulat “Enigma sistemului energiei termice în România”identifică aceleaşi probleme semnalate mai sus.

Se apreciază că Guvernul şi-a concentrat eforturile mai mult pe proiecte de reabilitare a sistemului de producţie şi de reducere a pierderilor în reţelele de transport, proiecte a căror eficienţă reală nu a fost încă evaluată.

O evaluare a reabilitării sistemelor de încălzire centralizată în România estimează investiţii de circa 3.9 miliarde Euro. Nu sunt precizate efectele şi eficienţa, sau dacă această evaluare s-a bazat pe necesarul real de căldură rezultat în urma epuizării tuturor măsurilor de eficientizare la consumator.

Pe de altă parte, reabilitarea termică şi eficientizarea locuinţelor la nivelul întregii ţări implică fonduri foarte mari (7 – 10 miliarde Euro!), ţinând cont de faptul că aproximativ 78% din locuinţele existente au o vechime mai mare de 25 de ani.

Sunt în curs de derulare acţiuni de modernizare (de exemplu, Programul de contorizare din Bucureşti şi alte oraşe), dar ritmul şi gradul de acoperire sunt insuficiente.

În concluzie se poate aprecia că eforturile pentru dezvoltarea grupurilor de cogenerare mică (< 1 MWe) şi medie (25 MWe) ar putea să contribuie la ameliorarea situaţiei prezente.

Soluţia trebuie promovată complementar/alternativ faţă de soluţiile de cogenerare de mare putere şi trebuie să fie susţinută şi de o legislaţie favorabilă.

3.4. Trigenerarea

Plecând de la limitarea utilizării cogenerării în raport de necesarul de căldură care este sezonier, s-a dezvoltat conceptul de trigenerare.

Trigenerarea implică producerea simultană a energiei mecanice (electrice), a căldurii şi a frigului, pe baza unui singur combustibil utilizat; ea reprezintă o extindere a cogenerării şi se înscrie în conceptul “ecogenerare”, care înglobează soluţii tehnice de producere optimizată a unor energii “curate” într-un sistem.

Dezvoltarea trigenerării are la bază soluţiile analizate cu MT şi TG.


- 22 -

În diagrama exergetică prezentată în figura 3.1 se poate observa efectul energetic optimizat al folosirii energiei primare.

Conceptul de trigenerare se regăseşte şi 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 exergetică a trigenerării

Ca rezultat al trigenerării se pot obţine: apă fierbinte, abur, apă răcită şi energie electrică. Acestea îşi găsesc utilitatea pentru unele destinaţii privilegiate: spitale, şcoli, supermarketuri, teatre, aeroporturi, colegii/universităţi, clădiri de birouri, clădiri guvernamentale, hoteluri, restaurante etc.

Eficienţa trigenerării poate ajunge să depăşească cu până la 50% pe aceea a unei cogenerări cu ciclu combinat.

A treia formă de energie produsă – frigul – poate rezulta prin utilizarea directă a energiei mecanice a unui motor sau a unei turbine sau poate fi produs indirect, prin intermediul unui grup de absorbţie.

Trigenerarea, ca soluţie energetică ce combină tehnica cogenerării şi producerii frigului prin absorbţie, oferă avantaje considerabile care o impun în strategia energetică actuală şi viitoare:

a) producerea de electricitate, căldură şi frig pornind de la gaze naturale;

b) utilizează apa ca fluid frigorific;

c) diminuează mult efectele poluante asupra atmosferei.

În figura 3.2. este prezentată schema de funcţionare a unei instalaţii de trigenerare.


- 23 -

Combustibilul – gaz natural – alimentează un motor dintr-o instalaţie de cogenerare, cuplat la un alternator, pentru a produce energie electrică utilizată atât pentru autoconsum, cât şi pentru livrare în reţea.

Figura 3.2. Schema de funcţionare a unei instalaţii de trigenerare

Căldura produsă de motor în timpul combustiei este valorificată parţial pentru alimentarea unei reţele de încălzire urbană şi apoi a unui absorber cu apă caldă. Acesta, la rândul lui, produce un amestec apă – gheaţă pentru o reţea urbană de climatizare. Un cazan (pe gaz) permite producerea unui supliment de apă caldă şi de apă cu gheaţă (prin intermediul absorberului cu apă caldă). Un al doilea absorber pe gaz şi un turbocompresor asigură un supliment de sarcină frigorifică. Fluidele frigorifice utilizate sunt: vapori de apă pentru absorberele cu bromură de litiu şi agentul R134a pentru turbocompresor (epurat de particulele de clor).

Bibliografie selectivă

1. Bianchi A.-M. - “Thermodynamique”, Université Technique de Constructions Bucarest, 1997.

2. Frunzulică R., Ţoropoc M. - “Cogeneration et réseaux de chaleur”, Editura PRINTECH, Bucureşti, 2002.

3. Levy C. - “Les techniques de cogeneration”, Génie Énergetique, Paris, 1998.

4. Chiriac F., Dumitrescu R. - “Sisteme de cogenerare şi trigenerare. Concepţii privind situaţia din România”, Simpozionul “Instalaţii pentru Construcţii şi Confortul Ambiental”, Timişoara, 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

SISTEME DE COGENERARE -...

Documents

Transcript of SISTEME DE COGENERARE -...