Utilizarea Eficienta a Energiei Electrice - Cursul 2

Universitatea Transilvania Braşov Catedra UNESCO Studii de masterat Managementul calităţii sistemelor electrotehnice

Cursul 2

3. Creşterea eficienţei în producerea, transportul şi distribuţia energiei

3.1. Producerea energiei electrice şi termice3.1.1. Categorii de instalaţii de producere a energiei electrice şi termice. Clasificări. Forme de energie primarăNevoile de energie electrică şi termică ale omenirii, aflate într-o permanentă creştere, au provocat o evoluţie dinamică în privinţa modalităţilor de acoperire a acestora. Se remarcă în acest sens preocupările majore existente în domeniul conversiei energiei primare în energie electrică, respectiv termică, precum şi dimensiunea şi complexitatea unităţilor de producţie.Diversitatea surselor de energie primară, atât ca formă de energie, cât şi ca parametri calitativi şi cantitativi, conduce la o mare varietate a posibilităţilor de producere a energiei electrice şi termice.După cum se poate observa din tabelul 3.1, există mari diferenţe între categoriile de centrale electrice în ceea ce priveşte penetrabilitatea pe piaţa energetică. Spectrul este deosebit de larg, de la soluţii pe deplin mature din punct de vedere comercial (centrale termoelectrice cu ardere de combustibil fosil), la altele aflate doar în faza de staţie pilot (instalaţii magnetohidrodinamice – MHD)

Tabelul 3.1Posibilităţi de producere a energiei electrice şi termice

Tipul conversiei

Sursa de energie primară folosităşi denumirea instalaţiei centralei

electrice

Dimensiuneainstalaţiei

TipulSursei

Penetra-bilitateape piaţă

Instalaţii termoenergeticeConversia energiei primare în căldură, urmată de o conversie termodinamică în lucru mecanic şi transformarea acestuia în energie electrică prin maşini rotative

Centrale termoelectrice cu ardere de combustibil fosil:

producere exclusivă de energie electrică (CTE),

producere combinată de energie electrică şi căldură (CET)

Centrale termoelectrice folosind căldura provenită din fisiunea nucleară: centrale nuclearoelectrice (CNE),Centrale termoelectrice solare (CSE),Centrale termoelectrice folosind căldura internă a scoarţei terestre (geotermale),Centrale termoelectrice pe bază de deşeuri sau biomasă,Centrale termoelectrice utilizând resurse energetice secundare provenite din industrie

M

M, m

Mm, l

m

m

m, l

C

C

CA

C

C

C(A)

**

**

**O

*

*

*

Prof.univ.dr.ing. Francisc SISAK 1 Utilizarea eficientă a energiei electrice


Transformarea energiei mecanice(potenţială şi dinamică) în energie electrică prin maşini rotative

Centrale hidroelectrice utilizând căderi de apă naturale (CHE) sau artificiale (prin pompare – CHEAP):

instalaţii folosind debite de apă şi căderi de capacitate mare,

micro-hidrocentrale,Centrale mareo-motrice, folosind diferenţele alternative de nivel dintre flux şi reflux,Centrale folosind energia valurilor,Centrale eoliene valorificând energie dinamică a mişcărilor de aer

ML

ML

m, l

CC(A)

AA

A

***

O-

*Conversii directe energie primarăenergie electrică

Instalaţii fotovoltaice,Instalaţii magnetohidrodinamice (MHD): transformarea în energie electrică a curgerii unui fluid ionizat printr-un câmp electric,Pile de combustie: transformarea potenţialului chimic de oxidare în energie electrică

l

(M)

m, l

A

C

C

*

-

O Dimensiuni: M – mare, m – medii, l – mici, exclusiv locale; Producţie: C – continuă, A – periodică (ciclică) şi aleatoare; Instalaţii mature din punct de vedere comercial, de folosinţă majoră(**), utilizare curentă în

aplicaţii mici şi mijlocii(*), în fază demonstrativă (O), în fază pilot ( - ).

Dincolo de considerente politice sau tehnologice, elementul de bază ce stabileşte ponderea unei anumite categorii de instalaţii pe piaţa energetică mondială este nivelul rezervelor şi resurselor de energie primară. Acestea se pot împărţii în două grupe reprezentative:

Energii primare finite: combustibili fosili, uraniu etc. Se găsesc în stocuri limitate iar posibilitatea de acces la ele depinde de gradul de cunoaştere geologică şi de condiţiile tehnice şi economice atinse la un moment dat,

Energii regenerabile: solară, hidraulică, eoliană etc.

Tabelul 3.2Tipuri de combustibili utilizaţi în centralele electrice din lume

Tip combustibil Participare, %anul 1995 anul 2020

Cărbune 53 53Gaz natural 15 24

Petrol 15 12Nuclear 12 7

Alţii 5 4

Structura consumurilor anuale estimate până în 2020 arată că, deşi se găsesc în cantităţi finite, combustibilii fosili şi nucleari vor continua să acopere cea mai mare parte din nevoile energetice ale lumii. Se remarcă faptul că, la nivelul anului 2020 combustibilii fosili vor deţine încă o



pondere destul de ridicată (aproximativ 75% din totalul energiei primare consumate), în timp ce energiilor regenerabile nu le va reveni mai mult de 4%.În tabelul 3.2 este prezentată participarea diferitelor tipuri de combustibili la producţia de energie electrică din anul 1995 şi un scenariu privind situaţia din anul 2020 la nivel mondial.Concluzii:

rezervele abundente şi impactul redus asupra mediului înconjurător favorizează creşterea ponderii gazului natural în producerea de energie electrică şi termică,

nivelul relativ scăzut la care se va menţine preţul cărbunelui îl recomandă drept un combustibil agreat pentru toate regiunile lumii şi în anul 2020 va continua să fie un lider în domeniul producţiei de energie electrică,

ponderea energiei nucleare scade sensibil până în anul 2020. Menţinerea ei în competiţie depinde de acţiunile întreprinse în vederea recâştigării încrederii şi înţelegerii opiniei publice.

Instalaţii de producere a energiei electrice şi termice bazate pe combustibili fosili.

Datorită faptului că în următoarele decenii, combustibilii fosili vor continua să reprezinte forma principală de energie primară pentru producerea de energie electrică şi termică, în mod logic, şi instalaţiile energetice bazate pe aceste tipuri de combustibil au o mare varietate (vezi tabelul 3.3).

Tabelul 3.3Tehnologii de conversie folosite comercial pentru centralele termoelectrice pe combustibili fosili

Felul ciclului termic

Domeniuuzual de puteri

electrice, MW

Randamentnet, %

Combusti-bil

utilizatDomenii de aplicare

A. Centrale utilizând cicluri termice convenţionale cu abur (CCA)Ciclu simplu cu abur supraîncălzit (presiune iniţială 60 – 140 bar)

10 – 100 30 – 33 C, H, GCTE de condensaţie ce lucrează în regim de vârf;CET industriale şi urbane

Ciclu cu abur supraîncălzit cu supraîncălzire intermediară (presiune iniţială140 – 310 bar)

100 – 1200 37 – 47 C, H, G

CTE de condensaţie ce lucrează în regim de semibază sau bază;CET urbane de mare capacitate

B. Centrale utilizând motoare termice (ITG, CDE)

Cicluri cu instalaţii de turbină cu gaze (ITG):- ITG industriale

(heavy – duty);- ITG aeroderivative

10 – 240

1 – 50

25 – 38

25 – 40

H, G

H, G

Grupuri de vârf şi siguranţă;CET de mică şi medie capacitate;Unităţi ce lucrează în regim de semibază

Motoare Diesel:- Lente- Rapide

5 – 400,3 – 8

33 – 34 33 – 34

HH

Grupuri de vârf şi siguranţă;CET de mică capacitate



C. Centrale utilizând cicluri combinate gaze-abur (CGA)50 – 450 40 – 58(60) C, H, G CTE de condensaţie în

regim de bază şi semibazăCET industriale şi urbane;Retehnologizarea unor centrale existente

C – cărbune, H – hidrocarburi lichide, G – gaze

Din tabelul 3.3 rezultă că puterile unitare sunt într-o gamă largă (0,3 – 1200 MW), putând satisface orice categorie de consumator. Din punctul de vedere al randamentelor, cele mai ridicate valori se ating la centralele care utilizează un ciclu de conversie termodinamic. În ceea ce priveşte modul în care se încadrează în acoperirea curbelor de sarcină electrică sau termică, centralele electrice bazate pe combustibili fosili pot fi întâlnite atât la bază (CCA, CGA), cât şi la vârf (ITG, CDE). Cerinţe legate de producţia de energie electrică şi termicăConform prognozelor, consumul mondial de energie va creşte spectaculos în următoarele decenii. În ceea ce priveşte energia electrică, există scenarii în care cererea va creşte anual cu aproximativ 3,1%, ajungând ca în anul 2020 să fie de 2,2 ori mai mare decât la nivelul anului 1995. Acest fapt ar implica creşterea puterii instalate în centralele electrice cu aproape 2500 GW.O eventuală diminuare a acestor valori, îndeosebi datorită creşterii eficienţei de utilizare a energiei electrice, nu exclude luarea din timp de măsuri care să evite declanşarea unor eventuale crize. Sunt de remarcat recomandările formulate la Congresul Mondial al Energiei de la Tokio din anul 1995, care vizează nu numai domeniul energiei electrice, ci toate formele de energie ce fac obiectul unei cereri şi al unui consum:

guvernele trebuie să elimine în mod progresiv toate subvenţiile , astfel încât preţul serviciilor energetice să fie determinat numai de costul lor,

riscul minimizat, calitatea serviciului prestat şi competenţa în asigurarea cerinţelor constituie factori determinanţi în alegerea soluţiilor tehnice,

criteriile de decizie în domeniul energetic trebuie să se bazeze pe o gândire de perspectivă şi să ţină cont de încadrarea soluţiilor într-o strategie durabilă, aplicabilă deci unei dezvoltări ce se poate susţine dincolo de viaţa tehnică a instalaţiilor,

statul şi sectorul privat au datoria să majoreze investiţiile în domeniul energiilor regenerabile şi secundare,

guvernele trebuie să garanteze, pe piaţa energetică, eficacitatea jocului cerere-ofertă şi satisfacerea cererilor consumatorilor,

furnizorii de energie, împreună cu consumatorii, trebuie să colaboreze în sensul creşterii eficienţei de utilizare finală, a descoperirii de noi surse de economisire şi de reciclare, în avantajul ambelor părţi. Consumatorul trebuie penalizat dacă utilizează energia prin soluţii ineficiente sau poluante.

Ţinând seama de aceste recomandări, ţările UE au elaborat reglementări privind limitele inferioare ale eficienţei de conversie în centralele electrice noi, bazate pe utilizarea combustibililor fosili (tabelul 3.4).Chiar dacă pot fi prevăzute abateri, în cazul aplicaţiilor de termoficare, de la valorile din tabelul 3.4, aceste valori sunt deosebit de ridicate şi duc la următoarele concluzii importante:

gazul natural se poate utiliza exclusiv în cadrul unor cicluri combinate gaze-abur,



grupurile de mare putere pe bază de păcură grea sau huilă vor trebui să funcţioneze cu parametri supracritici, pentru a respecta normele de eficienţă.

Tabelul 3.4Niveluri minime de eficienţă pentru producerea energiei electrice

CombustibilRandament electric la borne, %

>1200 MWt* 1200 – 300 MWt 300 – 50 MWt

Gaz 57 57-55 55-54Păcură grea 45 45-43 43-42

Cărbune:- huilă- lignit

4542

45-4342-40

43-4240-39

* Putere termică la cazan 3.1.2. Limite de performanţă ale centralelor convenţionale cu abur (CCA) pe combustibili fosili

În secolul XX majoritatea energiei electrice s-a produs în centrale convenţionale cu abur, acestea acoperind un domeniu extrem de larg de puteri, de la unităţi de condensaţie pură până la cele cu producere combinată de energie electrică şi termică (vezi tabelul 3.3). Până în jurul anului 1960 randamentul centralelor convenţionale cu abur a crescut vertiginos, după care urmează o perioadă în care această creştere este atenuată puternic. Pentru o creştere suplimentară a eficienţei, acţiunile întreprinse trebuie să aibă în vedere:

perfecţionarea componentelor elementare (cazan, turbină, conducte), în sensul diminuării pierderilor energetice şi exergetice,

creşterea performanţelor ciclului termodinamic.Trebuie însă precizat faptul că efectul măsurilor din a doua categorie este sensibil mai puternic decât o eventuală creştere a randamentelor componentelor elementare, deci trebuie insistat în această direcţie.Principalele măsuri de creştere a performanţelor unui ciclu cu abur supraîncălzit (grup de condensaţie pură) se împart în două categorii:

măsuri ce acţionează asupra părţii calde:- creşterea presiunii iniţiale,- creşterea temperaturii iniţiale,- introducerea supraîncălzirii intermediare repetate,- creşterea gradului de preîncălzire regenerativă,

măsuri ce acţionează asupra părţii reci:- coborârea presiunii de condensaţie.

În creşterea temperaturii şi presiunii iniţiale principalele limitări sunt date de materialele din care este realizat sistemul sub presiune al cazanului. În comparaţie cu echipamentele realizate în urmă cu 30 – 40 de ani, cazanele cu abur actuale cu parametri înalţi trebuie să răspundă următoarelor cerinţe suplimentare:

producţie de abur considerabil mai mare, funcţionare în regim de semibază cu fluctuaţii sensibile ale sarcinii pe parcursul unei zile, utilizarea în zona focarului a unor pereţi membrană în locul zidăriei tradiţionale.

La sfârşitul secolului trecut au apărut două elemente notabile care au permis o creştere suplimentară a temperaturii iniţiale a ciclului:



obţinerea unei noi clase de oţel feritic/martensitic ce poate rezista până la temperaturi de 600 ºC,

încercările efectuate în scopul utilizării pe o scară cât mai largă a oţelurilor austenitice.Creşterea calităţii materialelor va permite trecerea spre cicluri cu parametri supracritici, de înaltă eficienţă.Supraîncălzirea intermediară repetată nu duce la creşterea performanţelor ciclurilor cu abur supraîncălzit, sporul de randament termic introdus de o a doua supraîncălzire intermediară este de aproximativ 1%, care nu justifică investiţiile suplimentare.Creşterea gradului de preîncălzire regenerativă reprezintă o problemă de optim tehnico-economic în care trebuie să se ţină seama de nivelul investiţiilor suplimentare, de durata de utilizare anuală a puterii instalate, de preţul combustibilului, de sporul de randament obţinut etc.Coborârea temperaturii (presiunii) de condensaţie reprezintă, de departe, cea mai eficace metodă de creştere a randamentului. Efectul produs de o scădere a temperaturii de condensaţie cu 1ºC poate echivala cu cel corespunzător creşterii cu 10-15ºC a temperaturii iniţiale a ciclului.În concluzie, performanţele unei centrale convenţionale cu abur (CCA) se pot creşte prin următoarele posibilităţi:

creşterea temperaturii iniţiale a ciclului este limitată când se utilizează oţeluri feritice, chiar dacă la ora actuală există încercări de a utiliza componente austenitice. Datorită considerentelor legate de creşterea fiabilităţii şi disponibilităţii se recomandă adoptarea unor valori chiar mai scăzute de temperatură decât cele admisibile din punctul de vedere al materialelor,

creşterea presiunii iniţiale la valori supracritice, însoţită de o a doua supraîncălzire intermediară, pare a fi calea cea mai bună pentru creşterea performanţelor CCA, putând atinge randamente ce pot depăşi 47%,

coborârea presiunii de condensaţie, deşi foarte eficientă din punct de vedere termodinamic, este limitată de factori naturali (potenţialul termic şi masic al sursei de răcire disponibile), tehnologici (evitarea fenomenului de eroziune în turbina de abur), precum şi de reglementările legale privind evitarea poluării termice,

în condiţiile existenţei unei legislaţii dure ce impune praguri ridicate de eficienţă pentru centrale noi, CCA rămâne o soluţie utilizând drept combustibil doar a cărbunelui şi a păcurii,

respectarea standardelor de limitare a emisiilor de noxe în atmosferă impune echiparea CCA cu instalaţii costisitoare de reducere a SO2 şi NOx, care are ca efect reducerea eficienţei nete cu 4% până la 5%.


Utilizarea Eficienta a Energiei Electrice - Cursul 2

Documents

Transcript of Utilizarea Eficienta a Energiei Electrice - Cursul 2