Aspecte Tehnico Economice A Energiei Regenerabile

=== 6129d032ea6b336654ce31335832f2d5d79112a3_406113_1 ===

LUCRARE DE DISERTAȚIE

Coordonator:

Mihai Octavian Popescu

Absolvent:

Aspecte Tehnico-Economice A Energiilor Regenerabile

CUPRINS

Capitolul 1 Energetica. Probleme ambientale și sociale

Energetica mondială – aspecte strategice și tehnologice

Surse de energie și caracteristica lor comparativă

Consumul și producerea energiei

Impactul ambiental al energeticii bazate pe consumul de combustibili fosili

Avantajele de mediu al energiei bazate pe SER

Capitolul 2 Considerații generale

2.1. Cadrul legislativ specific din România și UE

2.2. Energetica României. Situația actuală și strategii de dezvoltare

2.2.1. Caracteristica generală a sistemului energetic al României

2.2.2. Strategia energetică a României corelată cu problemele protecției mediului

Capitolul 3 Aspecte tehnologice privind implementarea surselor de energie

3.1. Aspecte generale

3.2. Instalații și centrale autonome

3.3. Centrale aerogeneratoare conectate la rețeaua publică

3.4. Firme producatoare și costuri

3.5. Criterii privind selectarea amplasamentelor

Capitolul 4 Aprecierea analizei economice ca rezultat al implementării surselor de energie eoliană

4.1. Analiza comparativă a aerogeneratoarelor de producție europeană

4.2. Indicatorii economici ai proiectelor de investiții în construcția centralelor eoliene

4.3. Investiții capitale în construcția centralei eoliene

4.4. Estimarea cheltuielilor curente

4.5. Evaluarea eficienței economice a centralelor eoliene în condițiile României

Capitolul 1 Energetica. Probleme ambientale și sociale

Energetica mondială – aspecte strategice și tehnologice

1.1.1. Surse de energie și caracteristica lor comparativă

In momentul actual putem spune că avem la dispoziție trei tipuri de surse de energie ce se bazează pe: arderea combustibililor fosili; fisiune nucleară; captarea și conversiunea energetică regenerabilă. Cele trei categorii sus, se deosebesc prin: capacitatea de a produce energie în condițiile și perioadele de timp solicitate, prețul energiei produse și în funcție de gravitatea impactului asupra mediului.

Combustibilii fosili. In decursul ultimelor două secole aceste tipuri de combustibili au stat la baza energeticii moderne, reprezentând suportul energetic al industrializării și al progresului tehnologic și științific înregistrat în această perioadă. In prezent aproximativ 90% din cererea de energie este satisfacută prin utilizarea combustibililor fosili.

Energia nucleară. Funcționarea centralelor nucleare nu este însoțită de emisii de gaze nocive, iar rezervele de materie primă nucleară sunt suficiente pentru multe secole de acum înainte.

Sursele de energie regenerabilă (SER) cele mai importante sunt: energia vântului (eoliană); energia solară; energia hidraulică a râurilor; energia fluxurilor-refluxurilor și a valurilor mării; energia geotermală; energia biomasei.

1.1.2. Consumul și producerea energiei

In decursul ultimelor două decenii consumul de enrgie s-a majorat aproximativ de 1,35 ori și, conform aprecierilor, va continua să crească. Această creștere va fi destul de lentă în țările industrializate și mult mai intensă în statele mari aflate în curs de dezvoltare. Țările respective urmăresc calea industrializării parcursă de statele dezvoltate, punând accentul pe ,,forțarea energetică”.

Există o mare disproporție între producerea de energie și consumul acesteia. Țările Orientului Mijlociu și Rusia posedă peste 70% din rezervele mondiale de petrol și gaze naturale, iar consumul lor propriu constituie nu mai mult de 15%. Țările OECD acoperă mai mult de 60% din consumul propriu de energie primară din import.

Țările membre ale UE dispun de aproximativ 2% din resursele globale de combustibili fosili. Se consideră că peste 50 de ani aceste rezerve vor fi epuizate. Zăcămintele de uraniu disponibile sunt de asemenea destul de limitate.

Confruntările permanente între consumatorii și producătorii de energie primară, începând cu criza petrolului din anul 1973, au fost cauza mai multor perturbari economice la scară mondială. Actualmente, securitatea aprovizionării cu energie s-a transformat într-o problemă strategică de stat a țărilor industrializate.

Impactul ambiental al energeticii bazate pe consumul de combustibili fosili

Energetica reprezintă sursa de bază a emisiilor de gaz cu efect de seră. Mai exact acestea au constituit aproximativ 80% din emisiile totale în țările UE în 1990. Emisiile sunt strâns legate de cantitatea consumului și de tipul de combustibili fosili utilizați.

Fiecare din țările membre ale UE și-au trasat acțiuni concrete în programele naționale, ținâd cond de specificul propriului sistem energetic și de posibilitățile de care dispun, dintre care pot fi menționate următoarele trei, cele mai importante: acțiuni de modernizare a tehnologiilor de generare a energiei electrice și termice, inclusiv utilizarea mai largă a sistemelor de cogenerare; acțiuni de sporire a eficienței energetice, fapt ce permite diminuarea consumului și reducerea emisiilor la aceeași cantitate de producție finită; implementarea pe scară largă a surselor de energie regenerabilă, nepoluantă, care nu emană gaze cu efect de seră.

Putem preciza ca cea mai eficientă cale de reducere a emisiilor de bioxid de carbon în energetică o reprezintă utilizarea instalațiilor de producere a energiei electrice și termice din resurse regenerabile.

Avantajele de mediu al energiei bazate pe SER

Energetica bazată pe SER reprezintă calea cea mai ieftină și sigura de reducere a emisiilor de gaze poluante la producerea energiei electrice și termice.

In momentul de fata, cele mai valorificate surse sunt: energia hidraulica a raurilor, energia eoliană, energia solară și cea de conversiune a biomasei. Caracteristică pentru toate tehnologiile enumerate este lipsa emisiilor de bioxid de carbon.

Programele naționale prevăd o sporire intensă a cantității de enrgie produsă din SER și, potrivit unor pronosticuri optimiste, se consideră că peste o jumătate de secol până la 50% din întregul volum de energie electrică se va produce din vînt.

O parte considerabilă a energiei termice pentru încălzirea spațiului locativ și a apei menajere se va obține de la captatoarele solare și din biomasă și deșeuri. Se pune foarte mult accentul pe utilizarea largă, într-un viitor apropiat, a elementelor de combustie pe bază de hidrogen, care poate fi obținut din gaze naturale sau din apă, utilizând, energia electrică produsă la centralele eoliene.

Sursele de energie regenerabilă prezintă un avantaj extrem de important cel de a nu polua atmosfera cu bioxid de carbon și cu alte emisii antropice. In plus, ele sunt răspândite pe glob mult mai uniform decât resursele de combustibili. Fiecare țară de pe mapamond dispune de anumite rezerve de energie solară, eoliană, geotermală, de biomasă sau de energie hidraulică.

Capitolul 2 Considerații generale

2.1. Cadrul legislativ specific din România și UE

În ultimii 20 de ani, Uniunea Europeană a fost preocupată în permanență de promovarea energiei verzi. Energia regenerabilă prezintă astăzi o serie de beneficii sociale, economice și de mediu. Un avantaj major al utilizării energiei din surse regenerabile este ca aceasta are un impact redus asupra mediului, mai exact poate susține o creștere economică pe baze durabile.

Potrivit IEA (International Energy Agency), energia regenerabilă este definită ca o energie provenind din procese naturale, care sunt completate la un ritm mai rapid decât acestea sunt consumate.

În ultimii 20 de ani, Uniunea Europeană a fost preocupată în permanență de promovarea energiei verzi. Astfel, chiar în Tratatul de la Maastricht s-a stabilit ca obiectiv stimularea unei creșteri durabile, protejând în același timp mediul înconjurător. Tratatul de la Amsterdam a adăugat principiul dezvoltării durabile la obiectivele UE. Suplimentar, Comisia Europeană propus la 3 martie 2010 “ Strategia Europa 2020” ca o agendă pe 10 ani, pentru dezvoltarea economică și socială a Uniunii Europene. Această strategie are ca scop, “o creștere inteligentă, durabilă și favorabilă incluziunii", cu o mai mare coordonare a politicilor naționale și europene. Strategia promovează reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu cel puțin 20%, față de nivelurile din 1990 sau cu 30%, dacă există condiții favorabile, și creșterea ponderii energiei din surse regenerabile în consumul final de energie până la 20%, pentru a atinge o creștere cu 20% a eficienței energetice.

În anul 2001, Uniunea Europeană a adoptat Directiva pentru Promovarea Producției de Energie Electrică din Resurse Regenerabile (Directive for the Promotion of Electricity from Renewable Energy Resources – RES), cunoscută și sub denumirea de Directiva Regenerabilelor.

Actul a fost adoptat ca o primă măsură legală pentru reducerea gazelor cu efect de seră în conformitate cu prevederile Protocolului de la Kyoto. Ulterior, legislația a fost completată cu alte câteva acte importante dintre care menționăm: Directive concerning energy and heat production in CHT system – 2004; Action plan for biomass – COM (2005) 628, 7 dec.2005; Renewable Energy Road Map – Renewable Energies in the 21-st century; building a more sustainable future – UE, 10 ianuarie 2007.

Pe 23 aprilie 2009, Comisia Europeană a adoptat Directiva 2009/28/CE – Directiva privind energia din surse regenerabile, care stabilește un cadru european pentru promovarea energiei regenerabile și fixează obiective naționale obligatorii în acest domeniu.

Papatulică și Prisecaru subliniază faptul că deși cadrul legislativ european actual privind energia din surse regenerabile pare adecvat, principalul său instrument – țintele obligatorii – expiră în 2020, iar Directiva 2009/28/CE privind energia regenerabilă solicită Comisiei Europene să prezinte o nouă “Foaie de Parcurs” pentru regenerabile tocmai în anul 2018, care să ia în considerare stadiul de dezvoltare a tehnologiilor și experiența dobândită în urma aplicării Directivei.

În concluziile comunicării Comisiei Europene COM(2012)/271, se arată că, indiferent de forma pe care o vor lua obiectivele legate de energia din surse regenerabile după 2020, acestea trebuie să garanteze că energia din surse regenerabile face parte din piața europeană a energiei, beneficiind de sprijin limitat, dar eficace, în cazurile în care este necesar, și făcând obiectul unui volum mare de tranzacții. De asemenea, se evidențiază că trebuie să se garanteze menținerea poziției de lider mondial deținută de Uniunea Europeană în ceea ce privește cercetarea și industria. Comisia Europeană recomandă continuarea dezvoltării resurselor regenerabile de energie într-un mod eficace și la prețuri acceptabile, precum și valorificarea oportunităților aferente în materie de competitivitate, dezvoltare economică și ocuparea forței de munca.

2.2. Energetica României. Situația actuală și strategii de dezvoltare

2.2.1. Caracteristica generală a sistemului energetic al României

România dispune de o gamă diversificată, dar redusă cantitativ, de resurse de energie primară fosile și minerale: țiței, gaze naturale, cărbune, minereu de uraniu, precum și de un important potențial valorificabil de resurse regenerabile.

Dezvoltarea economică, structura economică și măsurile de eficiență energetică reprezintă principalii factori de influență ai consumului intern de energie primară. Principala restricție este cea a caracterului limitat al resurselor interne de combustibili fosili și a tendințelor de scădere a producției interne, ceea ce conduce la creșterea dependenței țării de importurile de energie primară. Datorită rezervelor limitate de resurse de energie primară, în România producția internă de energie a rămas practic constantă la valoarea de circa 27- 28 mil. tep. Fără aportul surselor regenerabile de energie această valoare va scădea treptat în următorii ani.

Având în vedere costurile ridicate de valorificare a surselor regenerabile este puțin probabil că pe termen mediu creșterea consumului de energie primară și scăderea producției interne să poată fi acoperită integral din surse regenerabile, ceea ce va conduce la creșterea importurilor de energie primară. Dependența de importurile de energie primară a crescut continuu în ultimul deceniu de la 21,5% în anul 1999 la 27,2% în 2008, cu un maxim de 31,9% în 2007, anul premergător declanșării crizei economice.

2.2.2. Strategia energetică a României corelată cu problemele protecției mediului

În ultimele decenii s-a impus tot mai clar, ca strategie la nivel mondial, că producerea de energie din surse regenerabile nu mai reprezintă o opțiune posibilă, ci una obligatorie. Astfel legislația în vigoare în diferite țări a ajuns să încorporeze reglementări cu referire exactă la consumul, producția și în general piața destinată energiei din surse regenerabile.

Necesitatea SER nu mai poate fi privită strict ca fiind voința factorilor de decizie la nivel național de a completa sursele tradiționale de energie, și eventual de a diminua dependența de importurile resurselor tradiționale (carbune, gaz natural sau petrol) – în cazul în care aceste resurse nu există în cantități suficiente ca rezerve naționale.

În Europa există două sisteme de promovare a utilizării energiei regenerabile. Un sistem este reprezentat de aplicarea pe o perioadă de 15 ani a unui preț fix al energiei regenerabile, care permite investitorului să-și facă planuri de afaceri, să încheie contracte pe termen lung. Celalalt sistem constă în aplicarea unui tarif variabil, dar care este completat cu un sistem de tranzacționare prin mecanisme de piațã a certificatelor verzi.

În România este practicat în prezent cel de al doilea sistem, piața certificatelor verzi funcționând în România începând cu anul 2005. Astfel, pentru fiecare megawatt de energie obținut prin tehnologii curate, fiecare producător primește de la Transelectrica un certificat verde, care poate fi vândut pe bursa de energie, la un preț între 24 euro și 42 euro, în cadrul OPCOM (Operatorul Pieței de Energie Electrică din România).

Limitele minime și maxime de preț sunt stabilite prin Hotărâre de Guvern: prețul minim este impus pentru protecția producătorilor, iar cel maxim pentru protecția consumatorilor. Piața certificatelor verzi are la bază în România un sistem de cote obligatorii, furnizorii de energie electrică din România fiind obligați să achiziționeze o cotă parte de energie electrică produsă din surse regenerabile, în vederea vânzării către consumatorii finali. Pentru 2007, cota stabilită de ANRE (Autoraitea Națională de Reglementare în domeniul Energiei) este de 3.74%, și pentru anii următori va crește gradual. Principalii actorii ce operează pe piața de energie electrică sau atribuții de reglementare sunt: Producători de energie electrică; dintre aceștia foarte puțini produc energie electrică din surse regeneerabilă.

Reforma în sistemul energetic Românesc s-a creionat încă din anii ’90, dar a avansat anevoios, totuși după 2000 a fost posibilă pivatizarea unor companii de distribuție de energie electrică cu actori internaționali.

Capitolul 3 Aspecte tehnologice privind implementarea surselor de energie

3.1. Aspecte generale

Energia eoliana

În funcție de modalitatea de utilizare a energiei obținute în urma conversiunii energiei vântului, instalațiile eoliene pot fi clasificate în două mari categorii: instalații mecanice și aerogeneratoare. În primul caz, energia este utilizată nemijlocit pentru efectuarea unui lucru mecanic, în timp ce instalațiile aerogeneratoare transformă energia mecanică în energie electrică, pentru a fi transportată fără dificultăți la orișice distanță și utilizată în modul cel mai rațional.

Utilizarea instalațiilor eoliene pentru producerea energiei electrice este cea mai efectivă modalitate de utilizare a energiei vântului, datorită faptului că randamentul procesului de conversiune a energiei mecanice în energie electrică constituie 90-95%, iar pierderile în linia de transport până la locul de utilizare a energiei nu depășesc, de regulă 10%.

Instalațiile aerogeneratoare pot fi completate cu generatoare de curent continuu, generatoare sincrone sau asincrone.

Generatoarele de curent continuu sunt folosite doar în instalații de putere mică: pentru încărcarea bateriilor de acumulatoare.

Generatoarele sincrone cu excitare de la magneți permanenți sunt folosite la puteri considerabile, au randamentul și factorul de putere suficienți de înalți, însă utilizarea lor este limitată din cauza problemelor legate de sincronizarea generatorului la conectarea lui în rețea.

La puteri mari, se dă prioritate generatoarelor asincrone. Construcția simplă a acestei mașini electrice îi asigura o înaltă fiabilitate, un preț redus relativ mic, cheltuieli minime la întreținere. Caracteristica electromecanică specifică a generatorului asincron îi asigura o stabilitate sporită în condiții de cuplu motor variabil la șocuri de sarcină. De asemenea, problema excitației și sincronizării nu se mai pune în cazul în care aerogeneratorul este conectat la rețeaua de curent alternativ cu parametrii constanți.

Structura instalației aerogeneratoare și modul de reglare a indicilor energiei produse depinde în mare măsură de cerințele impuse de consumatorii de energie electrică. Aceste cerințe pot fi foarte dure, în cazul motoarelor electrice, iluminatului, aparaturii electronice și mai puțin riguroase în cazul folosirii energiei pentru a produce căldură.

La alegerea structurii instalației aerogeneratoare și a modului de reglare a indicilor energiei produse se urmărește rezolvarea următoarelor probleme specifice:

Optimizarea regimului de funcționare a aeromotorului în condiții de permanentă variație a vitezei vântului;

Asigurarea compatibilității parametrilor de funcționare a aeromotorului și electrogeneratorului;

Sincronizarea parametrilor electrogeneratorului cu parametrii rețelei electrice în caz de funcționare în paralel cu alte surse electroenergetice;

Crearea de rezerve energetice pentru perioadele de timp calm, rezerve necesare consumatorilor pentru care întreruperile în alimentare sunt inadmisibile;

Optimizarea consumului de energie ieftină, dar puțin calitativa produsă de instalația aerogeneratoare.

Energia solară

Utilizarea SER permite diversificarea surselor de aprovizionare cu energie, aceastea sunt energii pure din punct de vedere ecologic și contribuie la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră (GES).

Conversiunea termică semnifica transformarea directă a radiației solare în energie termică stocată în energie internă a unor sbstante lichide, gazoase săi solide, numite substanțe de lucru. Energia termică acumulată poate fi utilizată direct pentru încălzire, uscare, sau indirect printr-o conversiune secundară în alt tip de energie – mecanica sau electrică.

Conversiunea electrică utilizează proprietățile unor materiale semiconductoare de a transforma direct energia radiantă în energie electrică de curent continuu.

Conversiunea chimică sau fotochimica permite stocarea energiei solare în energie chimică. Cel mai eficient proces fotochimic este fotosinteaza prin care plantele verzi sintetizează substanțe organice. Prin arderea acetora energia chimică tocată se reconvertește în energie termică ce poate fi utilizată direct pentru încălzire sau indirect în mașini termice.

Conversiunea mecanică reprezintă un procedeu de transformare directă a energiei solare în energie mecanică, printr-un transfer de impuls între fotoni și organul de lucru sau indirect cu ajutorul motoarelor solare în care energia solară se transformă în energie mecanică prin intermediul energiei termice.

Energia prin biomasa

Biomasa reprezintă învelișul vegetal al planetei care se cifrează la peste 1800 mlrd. tone materie uscată. Pădurile constituie aproximativ 68% din biomasa terestră, ecosistemele ierboase – aproximativ 16%, iar terenurile cultivate – 8%. Pe întreaga planetă prin fotosinteaza, în fiecare an, se produc 173 mlrd. tone substanța uscată, cantitate ce este de peste 20 de ori mai mare decât întregul volum de energie fosilă consumată anual în lume. Acest considerabil potențial al biomasei este exploatat, constituind a7-a parte din energia consumată în lume – echivalentul a peste 3 mlioane de petrol pe zi.

Principalii generatori de biomasa, utilizată în scopuri energetice în România sunt silvicultura, agricultură, sectorul zootehnic, industria alimentară și gospodăria comunală a sectorului locativ (55). Mai exact putem spune că prin biomasa se subantelege nu atâta masa organică provenită din procesul de creștere a plantelor agricole și din silvicultura, cât, în principal, diferitele reziduuri și deșeuri de origine organică.

Aceste deșeuri au un aport incontestabil în schimbarea climei, deoarece, ca rezultat al activității microbiene, ele sunt supuse unei degradări în condiții anaerobe naturale cu emisii de diferite gaze și de metan.

De vreme ce s-a dovedit că reziduurile și deșeurile sunt o formă de biomasa regenerabilă, ar fi rațional să cunoaște și metodele indicate de folosirea utilă a acestui material. Se știe că substanță organică, substanțele nutritive și microelementele conținute în reziduuri, deșeuri, nămoluri, dejecții sunt folositoare pentru sol. Incorporarea acestora în câmpuri și compostarea reprezintă avantaje evidente la fertilizarea solurilor. Substanța organică poate fi apreciată și că o sursă regenerabilă de energie.

3.2. Instalații și centrale autonome

Energia eoliana

Destinația acestor sisteme poate fi: iluminatul electric, alimentarea cu energie electrică a farurilor, mijloacelor de telecomunicație cu putere totală de până la câțiva kilowați, a altor consumatori amplasați în locuri necuprinse de rețeaua electrică publică. Instalațiile autonome pot fi și în zonele electrificate, fiind folosite ca surse de energie ieftină pentru încălzire.

Eficienta funcționarii instalațiilor aerogeneratoare, costul acestora depind în mare măsură de tipul sistemului folosit pentru reglajul vitezei aeromotorului și al puterii la arbore.

Instalațiile eoliene autonome pot fi dotate cu generatoare electrice de curent continuu cu magneți permanenți și dispozitive speciale de nivelare a pulsațiilor de curent și tensiune. Energia generată se folosește pentru a încărca bateriile de acumulatoare. În mod frecvent sunt utilizate generatoarele de tip sincron cu magneți permanenți sau cu autoexcitator și cu o buclă de reacții pe curentul de sarcină folosită pentru stabilizarea tensiunii la bornele generatorului.

Aerogeneratoarele pot fi parte componenta a unui sistem energetic local. Puterea aerogeneratorului este de același ordin cu puterea altor generatoare în sistem.

Folosirea instalațiilor eoliene în aceste cazuri permite economisirea de combustibil. Diesel-generatorul va funcționa doar în perioadele de timp calm sau în paralele cu Instalații aerogeneratoare fără stabilizator.

O instalație eoliană include în componența sa un generator, mecanismul acționat, dispozitivul de transmisie mecanică și mai multe sisteme de orientare, stabilizare, reglaj și protecție, alte elemente constructive.

Figura 1. Elementele componente ale unei centrale eoliene

În această figură se prezintă structura internă a unei turbine eoliene, care constă din următoarele elemente:

Nacela  (2) – conține componentele cheie ale turbinei, incluzând cutia de viteze și generatorul electric. În fata nacelei este rotorul turbinei cu paletele (1) și hub-ul (9) cuplat la axul principal (8). Cutia de viteze (7) mărește viteza de rotație de aproximativ 50 de ori față de viteza redusă a rotorului cu palete. Instalația este echipată cu o frana mecanica cu disc (6), care poate fi folosită în cazuri de urgență. Generatorul turbinelor de vânt (5) conectat printr-un ax de mare viteză, convertește energia mecanică în energie electrică. El diferă față de generatoarele obișnuite, deoarece trebuie se lucreze cu o sursă de energie primară care furnizează o putere mecanică fluctuantă. Pe scară largă, la turbinele de 100-500kW, tensiunea generată este de 690V c.a. trifazat, fiind necesar un transformator ridicător de tensiune de 10 sau 30 kV, pentru a putea fi conectat la rețeaua națională de medie tensiune. Turbinele pot fi construite atât cu generatoare sincrone cât și asincrone și cu diferite tipuri de conectare la rețea: direct sau indirect. . Turnul turbinei (3) susține nacela și rotorul. În general este avantajos un turn înalt deoarece vântul e mai puternic. O turbină de 600kW are turnul de 40-60m.

Există două tipuri majore de generatoare pentru centralele eoliene și anume: cu viteză constantă sau cu viteză variabilă. Generatoarele utilizate pot fi asincrone cu rotorul în scurt circuit sau rotorul bobinat sau sincrone (GS) cu excitație separată sau cu magneți permanenți.

Instalația eoliană cu viteză constantă și generatorul asincron cu rotorul în scurt-circuit reprezintă soluția clasică, denumită și metoda daneză. În acest caz trebuie rotita nacela (yaw), precum și unghiul de înclinare a paletelor pentru modificarea unghiului de atac (pitch). Sistemele bazate pe generatoare cu viteză constantă merg în principiu cu viteza mecanică constantă având mașini cu inducție de înaltă eficenta ce funcționează la viteze de super-sincronizare. Variația vitezei pe unitate este în mod uzual mai mică de 1%. Aceste generatoare de inducție cu viteză constantă sunt simple și nu incorporează electronică de putere.

Instalația eoliană cu viteză variabilă, reprezentând metoda modernă,  utilizează în mod uzual generatoare de inducție cu dublă alimentare (DFIG), având avantajul utilizării eficiente a energiei vântului, reducerii părții mecanice (nacela ușoară, cutie de viteze redusă sau absenta și turn zvelt), dar având o parte electrică și electronică complexă, necesitând algoritmi de conducere pretențioși. Viteza mecanică de rotație a mașinii poate fi controlată prin reglarea frecventei curentului de alimentare a rotorului. Aceste elemente și modul în care se pot interconecta centralele eoliene sunt prezentate în lucrarea – Bringing wind power ashore – (Brian Richardson, Peter Jones), IEE Power Engineer , February/March 2004.).

Un model performant de turbina eoliană cu viteză variabilă utilizând un generator de inducție cu dublă alimentare (DFIG – doubly fed induction generator), caracterizat prin creșterea calității, eficentei și controlabilității a fos prezentat în lucrarea – Modeling of the Wind Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies (Lei Y.Mullane A. Lightbody G.Yacamini R.) IEEE Transactions on Energy Conversion, ISSN: 0885-8969, 2005.

Turbina, fiind elementul central al instalației, efectuează procesul de conversie a energiei eoliene în energie mecanică, având la baza forțele de interacțiune între elementele active ale turbinei și curentul de aer care îl atacă cu o anumită viteza. Dintre forțele care apar la această interacțiune se vor evidenția două cele mai importante: forța aerodinamică de ascensiune și forța de presiune frontală.

Mecanismul acționat poate fi un mecanism sau o mașină care realizează un lucru mecanic (pompaj, moară etc.), un convertor de energie mecanică în energie electrică (electrogenerator) sau în energie a aerului comprimat (compresor), fie în alt tip de energie. Dispozitivul de transmisie mecanică are rolul de a acorda parametrii energiei la arborele turbinei cu parametrii acesteia la arborele de intrare a mecanismului acționat și va conține după caz un reductor de ridicare a vitezei și cuplaje elastice sau rigide.

Se utilizează mai multe principii de clasificare a aeromotoarelor eoliene:

conform principiului de funcționare;

conform orientării axului principal;

conform nivelului de viteză.

Energia solară

Putem menționa faptul că din cele patru tipuri de conversiune a energiei solare, conversiunea termică și cea electrică sunt cele mai folosite pe plan mondial, având un grad avansat de perfecțiune tehnică, tehnologică, o piață dezvoltată de desfacere și perspective economice.

Conversiunea termică a energiei solare este una din cele mai vechi și răspândite forme de utilizare a energiei solare. Orice suprafața neagră expusă razelor de soare transforma energia solară în căldură. Pentru ameliorarea eficienței captatorului și transportarea energiei se utilizează un lichid sau un gaz, numit caloportor, care extrage căldură de la captator. În unele sisteme energia solară se transformă în căldură și este utilizată imediat, în altele –are loc stocajul sau transformarea energiei termice în energie electrică.

Figura 2 Instalație de conversie a energiei solare în energie termică.

Captatorii solari la temperatură joasă și medie. În această categorie sunt incluse sistemele de conversiune a radiației difuze și directe în energie termia la temperatri de până la 150oC. de obicei, acești captaturi cuprind următoarele elemente:

placă sau o suprafață absorbantă care transforma radiația solară în căldură;

Un circuit caloportor lichid său gazos care extrage căldura de la placă absorbanta și o transportă în punctul de utilizare sau rezervorul de stocare;

Una sau mai multe suprafețe transparente pentru radiația solară, dar opacă în gama de radiație infraroșie. Suprafața transparentă se mai numește vitraj;

Izolarea termică a plăcii absorbante în părțile laterale și inferioare;

Rezervorul pentru stocarea energiei termice;

Carcasa pentru asamblarea elementelor.

În principal se utilizează două tipuri de captatare: plan și cu tuburi vide.

Captatorul plan este utilizat pentru încălzirea apei sau a aerului, are o construcție simplă, placă absorbanta esteexecutata din metal sau material plastic prin care circulă caloportorul.

Figura 3 Instalatie pentru prepararea apei calde menajere

Aceste sisteme pot furniza apă sau aer cald pentru necesități sanitare, încălzirea piscinelor, spații locative și comerciale, ventilare și climatizare, deshidratarea produseloragricole, în tehnologiile industriale de joasă temperatura.

Figura 4 Instalatie pentru incalzirea apei din piscina

Figura 5 Instalatie pentru incalzirea locuintei

Captatorul cu tuburi vide este o construcție mai recentă în care izolația termică este vidul de un grad avansat din interiorul tubului unde se afla și placa absorbanta. Randamentul acestuia este de 50-70%, asigurându-se încălzirea lichidului caloportor până la 1500C.

Uscătorii solare. Aceatsa tehnologie este una dintre cele mai vechi și mai utilizate în agricultură și în ramurile de prelucrare a produselor agricole. Uscarea fructelor și legumelor prin expunere drecta la radiația solară se efectuează pe grătare speciale în straturi uniforme. Instalațiile sunt ieftine și ușor de construit, însă prezintă un șir de neajunsuri: productivitate mică, randament scăzut, imposibilitatea de a controla și dirija procesul, calitatea nesaisfacatoare a produsului finit.

Distilerii solare. Energia solară se utilizează direct pentru evaporarea apei de mare șu a apei cu un conținut sporit de săruri. Razele solare traversează suprafața transparentă, încălzesc și evaporează apă sărată din rezervoare. Ridicându-se, vaporii se condensează pe suprafața interioară transparenta răcită prin convecție de aerul ambiant. Această tehnologie se utilizează în regiuni izolate, unde nu există alte surse de apă potabilă. În condiții bune de radiație solară, de aproximativ 5-6 kWh/m2, zi, productivitatea de apă potabilă este de 4 l/m2 de captator, ceea ce corespunde unui randament de 40-50%.

Bucătarii solare. Este vorba de niște instalații solare care functineaza la temperaturi de 125-2000C. Se utilizează următoarele trei categorii:

Bucătărie – lada dotată cu vitraj dublu și oglinzi reflectoare plane, asigurându-se o concentrare slabă a radiației. În jurul amiezii se poate obține o temperatură de 140-1500C.

Bucătărie cu colector plan cu suprafața selectivă sau cu tuburi vide echipat și cu oglinzi reflectoare. Circuitul caloportor este alimentat cu ulei. Se ating temperaturi de 150-1800C.

Bucătărie cu concentratoare. Vasul pentru prepararea bucatelor este amplasat în focarul unui concentrator, care asigură conversia termică doar a componenței directe de radiație solară. Instalația necesită un sistem de urmărire a soarelui și poate asigura temperaturi de câteva sute de grade.

Captatorii solari la temperaturi înalte. Temperaturi înalte, de câteva sute și chiar mii de grade, pot fi obținute prin concentrarea radiației solare, care constă în direcționarea printr-o metodă oarecare a radiației solare captate pe o suprafață reflectoare către o altă suprafață, mai mică, numită receproare, unde se și realizează conversia termică, captatorii cu concentrarea radiației solare sunt dotați cu dispozitive de urmărire a soarelui fie după o singură coordonată, fie după două. Această tehnologie se utilizează în diverse procese industrialepentru topirea și producerea metalelor pure, producerea energiei electrice, hidrogenului, vaporilor de apă etc. din varietatea foarte mare de concentratori îi vom menționa pe următorii trei care sunt utilizați mai frecvent:

Concentratorii cilindro-parabolici asigura un factor de concentrare de 40-80% și temperaturi de până la 5000C. lichidul caloportor circula printr-o țeavă ce se afla în focarul cilindrului parabolic. Urmărirea soarelui se efectuează după o singur coordonată – unghiul de înălțare.

Concentratorii paraboloidali utilizează un reflector paraboidal cu urmărirea soarelui după două axe. Radiația directă este concentrată într-un singur punct, factorul de concentrație atingând valori de până la 10.000, temperatura receptorului fiind mai mare de 10000C. energia termică este captată de un lichid caloportor și transportată spre un ciclu termodinamic pentru a produce energie electrică sau este transformată în energie electrică direct în punctul focal, utilizându-se motoare Stirling.

Captator central cu heliostate, punctul focal sau receptorul este situat pe un turn amplasat în centrul unui câmp de oglinzi reflectoare teleghidate, numite heliostate. Un calculator efecteaza comanda fiecărui heliosat astfel că energia reflectată spre receptor safie maximala pe timpul zilei.

Conversiune electrică a energiei solare se efectuează fără trecerea prin stadiul intermediar de energie mecanică. Prin urmare, instalația de conversiune nu va conține piese în mișcare, fiabilitatea sistemului va fi mare, iar cheltuielile de întreținere destul de mici. Conversiunea se bazează pe trei efecte fizice: termoionic, termoelectric și fotovoltaic. Cel mai înalt grad de dezvoltare sub aspect tehnic, tehnologic și comercial a atins conversiunea fotovoltaică (PV).

Celula PV produsă pe baza materialului semiconductor este componenta principală a unui generator fotovoltaic. Sub acțiunea radiației solare se creează un câmp electric care produce purtătorii de sarcini pozitivi și negativi ce pot fi separați și colectați pe părțile laterale ale celulei. În consecință, celula PV se comportă ca un generator de curent continuu. În aplicațiile terestre cea mai mare răspândire comercială o au celulele PV din siliciu cristalin și policristalin (80%) și siliciul amorf (10%).

Energia prin biomasa

Reziduuri agricole.

Instalațiile existente în Europa pot fi clasificate în felul următor:

De capacitate mică și medie, individuale;

De capacitate mare, individuale;

Comune, cu colectarea dejecțiilor de la fermierii individuli și construite industrial, cu utilizarea tehnologiilor avansate de fermentare.

Instalațiile de capacitate mică reprezintă în jur de 70% din instalațiile existente, fiind folosite de vreo 60 de ani. În Elveția, Austria, Franța și Marea Britanie predomina instalațiile mici, individuale. Jumătate din cele 28 de instalații existente în danemarca sunt de capacitate mic și medie. Aproximativ 190 de instalații existente în Germania sunt de aceeași categorie, 25 din acestea fiind construite în ultimii 10 ani.

Putem menționa două tipuri de bazine de fermentare utilizate în instalațiile de tratare a dejecțiilor animaliere:

Orizontale din otel, utilate cu rezervoare standard din otel prevazute pentru pastrarea combustibililor lichizi;

Verticale din oțel, dotate cu rezervoare-tip pentru păstrarea diferitelor lichide.

Fermentatoarele metalice orizontale au volume de la 50 până la 100 m3, mai rar de 150 m3 și sunt dotate cu utilaj de malaxare cu ax orizontal.

Pentru instalațiile de capacitate medie se utilizează rezervoare verticale din beton armat, ale căror volume variază între 250 și 600m3, dar sunt destul de frecvențe și cele de 800-1200 m3. Deseori acestea sunt construite subteran, asigurându-se astfel atât o economie de spațiu, cât și izolare termică.

În prezent majoritatea instalațiilor utilizează cogenerarea pentu producerea electricității, cu recuperarea căldurii că produs secundar, pebtru încălzirea locuințelor sau a apei. Biogazul este stocat în gazometre cu capacitatea de 60-100m3.

Instalațiile de biogaz de capacitate mare sunt utilizate pentru tratarea dejecțiilor lichide de la complexele ziitehnice. După 1990 în Germania au fost construite 5 astfel de instalații și câteva în Olanda, Marea Britanie și danemarca. Pe teritoriul Germaniei de Est funcționează 7 instalații cu un randament de 20000 m3/zi biogaz (63).

Instalațiile colective (comune) de biogaz sunt indicate pentru tratarea dejecțiilor animaliere colectate de la fermieri. Instalațiile de acest tip au început să fie exploatate prin anul 1985. În prezent funcționează 14 instalații, care tratează peste 440 tone de dejecții animaliere acumulate de la mai mutl de 80 de ferme (63).

În prezent, toate instalațiile utilizează drept materie primă nu numai dejecțiile animaliere, dar și reziduuri organice, cu precădere pe cele provenite din industria alimentară – până la 37% – ceea ce a permis să se dubleze sau chiar să se tripleze producția de biogaz și să se stabilizeze procesul de fermentare anaerobă.

Figura 6 Schema instalatiei de producere a biogazului

Apele uzate și nămolurile de la stațiile de epurare

Pe parcursul epurării aerobe a apelor uzate, care se desfășoară doar în prezența unui sistem de alimentare a procesului cu oxigen, are loc transformarea unei părți considerabile de substanță organică biodegradabilaintr-un alt tip de biomasa, cea a bacteriilor epuratoare, aceasta, la rândul său, creând probleme de tratare ulterioară similare cu cele specifice rocesului de prelucrare a nămolurilor de la stațiile de epurare.

La epurarea anaerobă a apelor uzate, se consuma considerabil mai puțină energie. Totodată se produce biomasa în exces, transformându-se în nămol numai 4% din substanță organică biodegradabila, fermentarea anaerobă fiind însoțită de degajarea unui amestec de gaze – biogaz combustibil.

Figura 7 Caracteristica energetica a proceselor biologice de epurare aeroba si anaeroba a apelor uzate industriale.

Figura 8 Schema conventionala de epurare a apelor uzate

Figura 9 Schema tratarii anaerobe-aerobe a apelor uzate

Deșeuri solide menajere

Dintre tehnologiile de fermentare anaerobă a deșeurilor solide pot fi menționate fermentarea în stare umedă, depozitarea deșeurilor în locuri autorizate cu extragerea ulterioară a biogazului cu ajutorul sondelor după o perioadă de păstrare.

Prelucrarea deșeurilor menajere solide cu ajutorul tehnologiilor de fermentare a acestora în stare lichidă, cunoscută în europa de Vest sub denumirea ,,valorga process”, este răspândită mai ales în Olanda și în Franța. Una dintre cele mai reprezentative instalații funcționează din 1994 (66). Instalația include:

– secția de preparare

– bazinele de fermentare cu utilaje de amestecare, pompare, acumulare a biogazului,

– compresiune, evacuare și deshidratare mecanică a materialului fermentat.

– secția de tratare a fazei lichide, cea mai mare parte a apei este refolosita pentru diluarea deșeurilor, iar surplusul este evacuat în rețeaua de canalizare;

– secția de compostare, care include reactoare închise pentru descompunerea materiilor solide timp de 7 zile și o platformă de stocare a compostului pe o durată de una sau mai multe săptămâni de unde este livrat consumatorilor;

– gospodăria de biogaz.

Figura 10 Instalatie de Biogaz

3.3. Conectate instalatiilor la rețeaua publică

Energia eoliana

Mai multe turbine eoliene, de regula, în grup de pâna la 30-50 unitati alcatuiesc o centrala (ferma) eoliana (CE), care prin intermediul unui sau a mai multor transformatoare de ridicare a tensiunii sunt conectate la reteaua publica de putere considerabil de mare în  raport cu  puterea totala a instalatiilor eoliene.

Aceasta varianta de folosire a energiei este cea mai raspândita în localitatile cu conditii eoliene favorabile si în care exista sisteme energetice publice. Energia generata de CE este completamente cedata sistemului energetic pe baza comerciala. Consumatorii proprii ai CE, de asemenea, sunt conectati la reteaua publica, consumul fiind contorizat.

Figura. 11. Schema de conexiuni electrice a unei centrale eoliene:

1 – aerogenerator; 2, 3,4, 6, 7 – întrerupatoare automate; 5 – transformator 10/35kV; 8 – transformator 10/0,4 V; 9 – consumatori proprii.

În aceste condiții cele mai indicate sunt instalațiile cu generatoare asincrone datorită fiabilității înalte, prețului de cost și cheltuielilor de întreținere minime. În mod automat se rezolva problema sincronizării.

Nivelul stabilizat al tensiunii și frecventei la bornele generatoarelor este impus și menținut de rețeaua puternică, fără intervenția oricărui sistem de reglare. Sistemul de comandă intervine doar cu semnale de deconectare a generatorului de la rețea atunci când viteza vântului este prea mică și aerogeneratorul ar putea trece în regim de ventilator cu consum de energie de la rețea.

Turația practic constantă a generatorului, impusă de frecvență tensiunii în rețea va condiționa o funcționare a turbinei în regim nu totdeauna optim. În aceste condiții pot fi utile următoarele modalități de asigurare a regimului optim de conversie a energiei în turbina:

·        se utilizează un generator asincron cu număr de perechi de poli care se reglează în trepte în funcție de viteza instantanee a vântului;

·       aeromotorul funcționează cu turație optimă variabilă în funcție de viteza instantanee a vântului, energia obținută (cu frecvență și tensiunea nestabilizate) se redresează, apoi se transforma în energie de curent alternativ cu parametrii stabilizați, folosind un invertor comandat de rețea. Turația motorului se reglează în funcție de viteza vântului, modificând sarcina invertorului (puterea energiei cedate spre rețea);

·        în anumite limite poate fi lărgit domeniul de variație a turației turbinei, modificând caracteristica electromecanică a generatorului asincron, folosind impendante reglabile în circuitul static al acestuia.

O variantă de perspectiva reprezintă instalațiile cu generator asincron cu întrefier axial și rotorul disc, a cărui viteza nominală joasă concordeaza favorabil cu viteza aeromotoarelor, păstrând în același timp toate avantajele generatoarelor asincrone clasice.

Energia produsa prin biomasa

Fabricile pentru biogaz de nivel fermier prezintă dimensiuni variate, diverse tipologii constructive, precum și o serie întreagă de tehnologii de procesare. Unele dintre aceste fabrici sunt de dimensiuni foarte mici și utilizează tehnologii simple, în timp ce altele sunt foarte mari și complexe, asemănătoare fabricilor centralizate de co-digestie. Totuși, toate funcționează după același plan constructiv general: gunoiul este colectat într-un bazin de pre-stocare, situat în apropierea digestorului, care este alimentat prin pomparea materiei prime pre-stocate. Digestorul este construit sub forma unui rezervor etanș, realizat din oțel sau beton armat și izolat termic, pentru menținerea constantă a temperaturii procesului (mezofil, la aproximativ 350 C, sau termofil, la aproximativ 550 C). Digestoarele pot fi de tip orizontal sau vertical, de obicei prevăzute cu sisteme de amestecare, în vederea omogenizării substratului și minimizării riscului de formare a straturilor de flotație și sedimentelor. Amestecarea asigură, de asemenea, și aprovizionarea microorganismelor cu toți nutrienții necesari. HRT mediu este, de obicei, de 20-40 zile, în funcție de tipul de substrat și de temperatura de digestie. Digestatul este utilizat ca îngrășământ pe terenurile agricole ale fermei, iar surplusul este comercializat către fermele care posedă culturi vegetale din vecinătate. Biogazul produs este folosit drept combustibil într-un motor cu gaz, în scopul producerii energiei electrice și a căldurii. O cantitate de aproximativ 10-30% din căldura și energia electrică produsă în acest mod este folosită pentru necesitățile proprii ale fabricii de biogaz și pentru consumul menajer al fermei, în timp ce surplusul este vândut companiilor energetice, respectiv consumatorilor de energie termică din zonele învecinate. Schema de bază a unei fabrici tipice de biogaz de nivel fermier, dotată cu un digestor orizontal, din oțel inoxidabil, este prezentată astfel:

Figura 12 Reprezentare schematică a unei fabrici de biogaz de nivel fermier, dotată cu un digestor orizontal din oțel

In afara digestorului, având un volum de 100-200 m3 și echipat cu un sistem de amestecare lentă, fabrica mai cuprinde și un tanc de pre-stocare a gunoiului, un tanc de stocare a biomasei digestate, un spațiu de depozitare a biogazului și o unitate de cogenerare a energiei electrice și termice (CHP). Temperatura procesului AD poate varia, din domeniul mezofil până la cel semi-termofil (35-480 C), iar timpul de retenție hidraulică, în intervalul de 15-25 zile. Producția de biogaz se situează între 40-50 m3 de biogaz per m3 de biomasă digerată

Digestorul poate fi construit și sub forma unui cilindru vertical, cu baza conică constând dintr-un tanc așa-numit “două într-unul”, folosit atât pentru stocarea materiei prime, cât și pentru digestie. Digestorul este construit în interiorul tancului de stocare a digestatului, tangențial la peretele acestuia, și este acoperit cu ajutorul unei membrane impermeabile pentru gaz, care va fi menținută în stare tensionată sub influența biogazului produs. Tancul este prevăzut și cu un mixer electric cu elice. De asemenea, fabrica deține și un tanc de pre-stocare a co-substratului, precum și o unitate CHP. Temperatura de procesare este de 22-250 C, iar timpul de retenție hidraulică de peste 50 de zile.

Figura 13 Reprezentare schematică a unei fabrici de nivel fermier, dotată cu un digestor de tip “două într-unul”, acoperit cu o membrană ușoară (folie)

În afara digestorului, având un volum de 100-200 m3 și echipat cu un sistem de amestecare lentă, fabrica mai cuprinde și un tanc de pre-stocare a gunoiului, un tanc de stocare a biomasei digestate, un spațiu de depozitare a biogazului și o unitate de cogenerare a energiei electrice și termice (CHP). Temperatura procesului AD poate varia, din domeniul mezofil până la cel semi-termofil (35-480 C), iar timpul de retenție hidraulică, în intervalul de 15-25 zile. Producția de biogaz se situează între 40-50 m3 de biogaz per m3 de biomasă digerată.

3.4. Agregatele eoliene pentru pompaj

În țările în curs de dezvoltare sunt, în momentul de față, puține pompe acționate eolien care să fie utilizate pentru obținerea apei potabile. Câteva au fost instalate de către misiuni religioase în comunități și școli din Africa întrucât combustibilul pentru motoare este greu de transportat în locuri izolate, lipsite de infrastructură. În Maroc s-a instalat prin anii 70 o pompă “Aeromotor” (S.U.A.) într-o localitate din munții Rif. Pompele acționate eolian sunt unele dintre cele mai rentabile instalații atunci când viteza vântului devine mai mare decât v > 3,5 m/s, motiv pentru care acestea acoperă zone întinse în țările în curs de dezvoltare. În cazul alimentării cu apă achizitorul este, de cele mai multe ori, guvernul iar acest lucru permite utilizarea unor fonduri de ajutorare, lucru care permite identificarea unor soluții mai ușor de realizat practic. Se poate sublinia că deoarece forarea unui puț poate implica costuri semnificative (spre exemplu peste 100$/m în anumite zone ale Africii) se justifică realizarea unei investiții într-o instalație capabilă să optimizeze utilizarea puțului.

Din punct de vedere cronologic, cele mai vechi sunt considerate instalațiile mecanice folosite pe larg în secolele precedente pentru punerea în mișcare a pietrelor de moară și a pompelor în sistemele de alimentare cu apa, irigare și drenaj. Și astăzi, zeci de mii de mici instalații eoliene de pompaj sunt utilizate efectiv îndeosebi în gospodăriile de fermieri. Un bazin de acumulare a apei rezolva problema rezervării pentru perioadele de timp calm și cu vânt de viteza mică.

Aceste instalații sunt dotate cu pompe cu piston sau pompe Vargnet, fiind acționate de la arborele aeromotorului prin intermediul unei tije.

Pentru o utilizare mai ușoară a energiei eoliene pe o largă gama de viteze a vântului în aceste instalații se folosesc aeromotoare cu multe pale, care începând cu vitezele joase ale vântului, dezvolta un cuplu motor mare, suficient pentru funcționarea pompei. Odată cu viteza vântului crește și numărul de turații ale motorului, ceea ce asigură o sporire proporțională a debitului pompei la o presiune practic constantă.

Un dezavantaj al instalațiilor eoliene mecanice îl constituie transmisia complicată și uzura intensă a acesteia. În plus, folosirea efiecienta a instalațiilor mecanice, de exemplu pentru pompaj, presupune existenta în același loc atât a sursei de apă, cât și a condițiilor eoliene favorabile, ceea ce nu întotdeauna are loc.

Practica a arătat că pompele acționate eolian clasice, utilizate în cadrul fermelor, fabricate industrial, nu sunt corespunzătoare pentru lucrări de irigații, ele sunt folosite destul de rar în acest scop, întrucât cerințele tehnico-economice ale irigării sunt diferite de cele ale alimentării cu apă. Ca urmare, în general, nu sunt multe rezultate în acest domeniu iar majoritatea pompelor care sunt folosite astăzi la lucrările de irigații sunt tradiționale și rudimentare. În general există tendința ca ele să fie înlocuite cu motopompe. Cu o atenție suplimentară, pompele eoliene pentru irigații pot fi simple și ieftine, întrucât trebuie să funcționeze doar câteva luni pe an iar oamenii sunt în general pregătiți să se descurce dacă apar probleme – să scoată din vânt rotorul în cazul unei furtuni (sau să strângă velele) și, de obicei, își efectuează singuri reparațiile când este necesar, fără a apela la asistențǎ din exterior. Cerințele de bază pentru o pompă acționate eolian pentru irigație vor fi: protecție automată la avarii în caz de furtună; posibilitatea de a efectua operațiile de întreținere și de reparații cu un efort minim, respectarea acestor cerințe va conduce la o scădere considerabilă a costului de investiție.

Pentru utilizarea și întreținerea pompelor, care am arătat că sunt sisteme mecanice foarte simple, este necesar ca și transmiterea mișcării de la rotorul acționat de vânt la pompa propriu-zisă să se facă prin sisteme cât mai simple. Cel mai utilizat sistem de acționare al pompei este prin utilizarea mecanismului bielă manivelă, care transformă rotația rotorului pompei într-o mișcare periodică pe direcția unei axe. Mecanismul de transmitere poate fi așezat orizontal sau vertical, abordarea din punct de vedere mecanic fiind similară în ambele cazuri.

a) Vedere din fata b) Vedere laterala

Figura 14 Schița mecanismului de transformare a rotației palei în translația pompei (după [DUY80])

Funcționarea unui agregat eolian de pompare trebuie să asigure o transmitere corespunzătoare a energiei vântului până la pompă, acest lucru măsurându-se prin randamentul total de captare al energiei.

În cadrul unui agregat există mai multe sisteme și modalități care duc la pierderea de energie, fiecare din acești factori implicând un randament caracteristic.

Dacă se ține seama însă că energia vântului, după investiția inițială în pompă, se obține gratuit, pompele eoliene actuale devin economice, cu toate aceste neajunsuri și este clar că, dacǎ vor fi utilizate diverse inovații și îmbunǎtǎțiri tehnice, mai ales pentru creșterea randamentului de adaptare, s-ar putea obține o creștere semnificativă a randamentului deci și a energiei obținute, cu beneficii economice corespunzǎtoare.

Clasificarea pompelor

Pompele sunt mașini care realizează creșterea presiunii statice a fluidelor. Mai general pomparea înseamnă transferul de energie a unui fluid pentru a realiza mișcarea lui dintr-un loc în altul sau pentru creșterea presiunii acestuia, necesară transmiterii energiei prin intermediul lichidului.

1. Volumice

– Alternative (cu piston – disc sau plunjer – si cu membrana;

– Rotative (cu angrenaje – ro vți dințate – angrenare exterioară sau interioară, melc și roată melcată, șuruburi, cu pistoane profilate, cu o aripă, cu mai multe aripi, cu segment separator, cu palete culisante, cu role, cu stator elastic, cu rotor elastic, cu disc înclinat, cu inel de lichid, cu canal laterl;

– Roto-alternative (cu pistonașe axiale, cu pistonașe radiale);

– Oscilante.

2.Rotodinamice

Centrifuge (radiale, diagonală, cu rotor retras, periferială);

Elicoidale

3.Alte principii

Electromagnetice

Inerțiale (șoc hidraulic, element vibrator)

Fluid motor (ejeor, cu gaz comprimat, pulsometre);

Bandă aderentă;

Elevatoare (cu cupe, cu palete spirale, discuri).

Pompa cu piston, care face parte din categoria de pompe volumice, reprezintă o soluția constructivă unde fenomenul de pompare se bazează pe principiul variației de volum care se obtine prin deplasarea periodică a unui organ mobil, numit piston, în interiorul unor corpuri cu profil corespunzător. Pompa cu piston are o importantă practică deosebită, datorită simplitătii ei, ca urmare a fost mult timp utilizată cu rezultate foarte bune. Deplasarea pistonului poate fi lineara sau circulara, modelul cel mai frecvent utilizat fiind acela în care se utilizează miscarea alternativă, pistonul efectuand periodic curse simetrice în ambele sensuri ale direcției de deplasare.

O astfel de pompă se compune, constructiv dintr-un piston, două supape, o conductă de aspirație și una de refulare. Solutii mai elaborate utilizează camere de aer pentru a realiza uniformizarea debitului și reducerea șocurilor. La o pompă cu piston clasică, supapa de refulare este situată în piston, iar supapa de aspirație în partea inferioară a pompei, uzual deasupra sorbului.

Dacă pistonul și supapa de refulare sunt separate, pompa respectivă se numește pompă plunjer. La această pompă când pistonul se deplasează în jos, supapa de refulare se deschide, supapa de aspirație se închide, debitul este zero și pistonul coboară liber prin coloana de apă. Dacă pistonul se deplasează în sus, supapa de refulare se va închide, supapa de aspirație se va deschide iar apa va fi ridicată (deasupra pistonului) și aspirată (sub piston dacă pompa este situată deasupra nivelului apei) până în momentul în care pistonul se deplasează din nou în jos. Va rezulta un debit de apă pulsator, sinusoidal. Acest tip de pompă se numește pompă cu simplu efect. Există de asemenea pompe cu dublu efect: cu două pistoane care se deplasează în direcții opuse cu un piston și câte două supape de aspirație și de evacuare și pompe

diferențiale.

Pompele cu dublu efect au un debit mai uniform putând furniza apă și în perioadele de pauză de la pompele cu simplu efect. La pompele cu dublu efect trebuie să se ia precauții suplimentare referitoare la flambarea tijei de acționare în timpul cursei de coborare.

3.5. Firme producatoare și costuri

Industria mondială, mai ales cea europeană și a SUA, au scos pe piața energiei eoliene aerogeneratoare și aeroturbine care cuprind o gamă foarte largă de puteri, concepte constructive și soluții de completare după destinație, din care utilizatorul ar putea alege varianta optimă pentru condiții meteorlogice concrete și în funcție de destinație.

Analizând piața de aerogeneratoare pe segmente de putere, putem constata particularitățile fiecărei serii de modele. Astfel, firmele spaniole Mode și Dosarollos domina segmentul instalațiilor de până la 500-999KW, care este deocamdată preponderent printre instalațiile existente în lume. În sfârșit, Enercon-ul și Nordex-ul împart poziția de lider pe segmentul agregatelor mai mari de 1 MW. La momentul actual, cele mai puternice sunt cele din clala 2,5 MW cu diametrul rotorului de 80 m.

Tabelul nr. 1 Firme producatoare de aerogeneratoare mari

In paralel cu piata de agregate eoliene de ordinul megawatilor se dezvolta foarte dinamic si piata instalatiilor de puteri mici, destinate pentru sisteme autonome electrice: pentru iluminat, desalinizare, refrigerare; pompe pentru petrol; pentru alimentare cu apa si irigare, pentru telecomunicatii. Cuplate la bornele bateriei de acumulatoare, ele acopera cu fiabilitate cererea individuala de electricitate a consumatorilor izolati.

Pentru casele neconectate la retea pe piata pot fi gasite aerogeneratoare d ela mai putin de 1 kW pana la 10 KW, care pot acoperi necesarul de electricitate de pana la cateva mii kwh pe an. Aceste agregate se propun in cuplu cu un sistem de acumulatoare si un regulator de curent, inlocuind cu succes grupuri electrogene poluante. Cativa dintre cei mai cunoscuti producatori ai acestor instalatii sunt:

firmele franceze vergnet, Travere, SFER, aeroturbine (0,1-30 kW);

firmele americane: Begez Windpower (850 W – 10 kW), Southwest, Windpower (< 1kW) – sisteme cuplate cu module fotovoltaice; Atlantis (0,3-6kw);

firma olandeza LMW (250 W – 10Kw);

firma daneza Windmission (600 W- 4kW) – sisteme adaptate la necesitati casnice, etc.

In anul 2000 cifrele de afaceri in domeniul producerii si desfacerii instalatiilor eoliene mici au insumat 680 miloane de euro. Exista mai multe firme specializate in elaborarea si fabricarea agregatelor eoliene mecanice: Motzan WindKraftanlangen; Adpum AeroCraft, Vetroen (Rusia) etc.

Tabelul nr 2 Firme producatoare de aerogeneratoare mici

3.6. Criterii privind selectarea amplasamentelor

Cele mai favorabile pentru folosirea energiei vântului sunt amplasamentele cu următoarele condiții meteorologice:

viteza medie anuală a vântului cât mai înaltă – caracteristică de bază care determină producția anuală de enrgie;

turbulenta minimă a torentului de aer (variația vitezei și direcției vântului) – ceea ce asigură funcționarea ritmică a agregatelor;

prezența unei direcții dominante a vântului, fapt ce permite o amplasare mai compactă a aerogeneratoarelor, în cazul unor ferme eoliene..

Pe lângă caracteristicile meteorlogice menționate, un rol aproape decisive la selectarea amplasamentului au următorii factori:

existența în apropiere a căilor de transport și a rețelelor electrice;

factorii economici – de exemplu, prețul pământului;

restricțiile ecologice (căi de migrație a păsărilor, rezervații naturale etc) sau cele impuse de securitatea circulației aeriene;

impactul asupra mediului, cum ar fi: zgomotul, deteriorarea landșaftului, perturbații cauzate canalelor de radio și televiziune.

Condițiile favorabile pentru transport și accesul fără mari cheltuieli la rețeaua electrică publică în România sunt asigurate datorită rețelelor foarte dezvoltate de drumuri și linii electrice. Distanța de la oricare eventuale amplasamente până la căile rutiere cu înveliș dur nu depășește, de regulă, 5-6 km.

O eventuală linie electrică de legătură a centralei cu rețelele de 10 kw de asemenea nu va depăși o lungime de 5-10 km. acești factori vor permite diminuarea cheltuielilor la crearea centralelor eoliene.

Remarcăm și faptul că prețul terenurilor utilizate penru viitoarele centrale reprezintă un factor economic important. Din punct de vedere meteorologic, cele mai favorabile sunt crestele sau coastele superioare ale colinelor și dealurilor. Aceste terenuri, de regulă, aride, cu solur sărace, puțin favorabile pentru agricultură, sunt utilizate doar că pășuni. Costul respectivelor terenuri va fi minim, mai ales că, la finalizarea construcției centralei eoliene, fără cheltuieli suplimentare, lor li se poate reda vechea destinație.

În cazul instalațiilor mici criteriile de bază la alegerea amplasamentului sunt:

locul pentru instalarea turbinei trebuie să fie deschis pe o rază de cel puțin 50 de înălțimi ale turnului, împrejurimile urmând să fie degajate;

amplasamentul trebuie să se facă pe coline sau pe dealuri predominante;

e bine că locul ales să fie cât, mai apropiat de utilizatorul de nergie.

Selectarea amplasamentului va fi precedată, în toate cazurile, de un calcul tehnico-economic riguros. Alte recomandări specifice pentru diferite tupuri de utilizatori ai energiei eoliene pot fi găsite în literatura de specialitate

Capitolul 4 Aprecierea analizei economice și a beneficiilor economice ca rezultat al implementării surselor de energie eoliană

4.1. Analiza comparativă a aerogeneratoarelor de producție europeană

Parametrii tehnici a 48 de tipuri de aerogeneratoare cu puterea nominala de pana la 2000 kw, fabricate de firme de renume din Europa in acest domeniu, sunt prezentati in urmatorul tabel:

Tabelul nr.1 Parametrii tehnici ai unor aerogeneratoare cu putere nominala pana la 2000kW, fabricate in Europa:

Utilizând datele din tabelul anterior și caracteristicile de putere P=f(V), a fost calculată energia care ar putea fi produsă de către aerogeneratorul respectiv într-un an (Wa), în condițiile de vânt ale amplasamentului considerat.

Tabelul nr.2 Potențialul energetic posibil de obținut cu diverse aerogeneratoare pe același amplasament.

Pentru urmatorul pas al analizei comparative a fost ales criteriul energetic – coeficientul de utilizare a puterii instalate a aerogeneratorului, ku , – calculate cu ajutorul formulei:

Ku = Wa/8760xPn

Potrivit indicatorului Ku, cele mai performante sunt aerogeneratoarele evidentiate anterior dupa indicatorul Ki.

O a treia comparative a fost efectuata in baza criteriului tehnico-economic – investitiile capital specific, care se detremina prin urmatoarele formula:

Is = Iag/Pn

Unde:

– Iag = costul aerogeneratorului, in euro;

– Pn = puterea nominal a aerogeneratorului in kW.

Urmatorul tabel prezinta rezultatele calculului pentru 7 tipuri de aerogeneratoare, cele mai performante dupa primii doi indicatori tehnici mentionati. Ultima coloana cuprinde ratingul agregatelor potrivit criteriului Is.

Tabelul nr. 3 Indicatorii tehnico-economici pentru 7 tipuri de aerogeneratoare produse in tarile UE.

În baza datelor din tabelele de mai sus, pot f formulate următoarele concluzii:

Atât indicatorii tehnici, cât și cei economici pentru agregatele cu puterea de 600 – 1200kW sunt aproape identici;

Investiții captale de 1kW putere instalată a aerogeneratoarelor variază în funcție de putere și de firma producătoare, fiind cuprinse în limitele 890-1170 euro/kW și având un preț mediu de 950 euro/kW;

Coeficientul de utilizare a puterii instalate în condițiile de vânt ale amplasamentului examinat este suficient de înalt (până la 0.4222);

Calculele de argumentare tehnico-economică a proiectelor de implementare a centralelor eoliene în România urmează a fi efectuate utilizând trei tipuri sintetice de aerogeneratoare cu puterea nominală de 250, 600 și 1000 kW, ai căror parametrii și indicatori tehnico-economici sunt prezentați în următorul tabel și corespund agregatelor cu cele mai bune performanțe în clasa respectivă de putere.

Tabelul nr.4 Aerogeneratoare sintetice: parametrii tehnici

4.2. Indicatorii economici a proiectelor de investiții în construcția centralelor eoliene

Calculul indicatorilor economici se va efectua folosind metoda generală de apreciere a eficienței economice, utilizată în țările cu economie de piață, precum și unele recomandări importante privind estimarea proiectelor de investiții în construcția obiectivelor energetic bazate pe sisteme de energie regenerabilă.

Pentru a demonstra eficienta economică a proiectului de investiții este necesar să efectuăm o analiză de tipul cost-beneficiu, prin care, în cele din urmă, sunt puse pe cântar toate eforturile financiare (costurile) prevăzute în proeict, pe de o parte, și toate efectele (beneficiile) ce vor rezulta din implementarea acestuia – pe de altă parte. În aceste condiții, proeictul merită a fi implementat doar în situația în care efectele așteptate depășesc eforturile realizate, adică atunci când există un effect net pozitiv. Această cerință reprezintă condiția generală de fezabilitate economică a proiectului de investiții.

În literartura economică eforturile realizate în cadrul unui proiect sunt identificate cu cheltuielile totale pe durata de viață a proeictului, efectele – cu venitul brut global, iar efectul net – cu venitul net.

Ținând cont de necesitatea actualizării eforturilor și efectelor, conform celor expuse mai susm putem scrie:

VNA = VTA – CTA , unde:

VNA – reprezintă venitul net actualizat, obținut pe durata pentru care este prevăzut studiul;

VTA – venitul brut global actualizat;

CTA – cheltuielile totale actualizate.

Un proiect se va considera avantajos în cazul în care venitul global VTA depășește cheltuieile effectuate CTA, ceea ce înseamnă că venitul net actualizat, obținut în urma producerii energiei pe durata de studio este pozitiv – VNA > 0.

Relațiile de mai sus precizează condiția generală de fezabilitate.

Evaluarea eforturilor și efectelor, iar ulterior – compararea acestora – presupune luarea în considerație a unor factori, precum sunt:

Eforturile și efectele determinate pentru o perioadă îndelungată de timp Ts, cunoscută ca perioada de studio sau perioada de analiza care, de regulă, este egală cu durata normată de viață a instalațiilor, Ts = 15-20 de ani;

Atât eforturile, cât și efectele globale pentru perioada de studio trebuie să fie actualizate (raportate la un moment de timp, de regulă, actual) la o rata, ce urmează a fi stabilită;

Calculul beneficiului care, în cazul examinat, reprezintă valoarea monetară a energiei electrice ce urmează a fi stability;

Previziunile pe un termen de mai mulți ani conțin erori semnificative. În aceste condiții, efectele ce vor rezulta vor fi niște mărimi cu un grad avansat de incertitudine – ceea ce face că, pe de o parte, calculele să fie mai laborioase, iar, pe de altă parte, ca luare a deciziei finale să fie mai dificilă.

Luând în calcul respctivele considerente, analiza proiectelor de acest gen se efectuează folosind un număr maxim de indicatori.

Analiza cost-beneficiu tine de un domeniu mai larg – cel al eficienței investițiilor, care, în general, este catacterizata de un sistem de indicatori, precum: venitul net actualizat; rata internă de rentabilitate; cheltuielile totale actualizate și durata de recuperare, etc.

În cazul unui sistem de producere a energiei regenerabile, la acești indicatori se mai adaugă și alții, specifici domeniului, cum sunt: volumul energiei regenerabile produse, prețul de cost al acestuia, continuitatea producerii energiei.

O investiție, de regulă, se face cu scopul de a obține profit. Din acest punct de vedere, profitabilitatea reprezintă cel mai important aspect al proiectului de investiții. Profitabilitatea se măsoară prin intermediul al câtorva indicatori, inclusiv venitul net actualizat (VNA) pentru durata desfășurării proiectului.

Venitul net actualizat și beneficial anual reprezintă acea parte a veniturilor totale, obține pe parcursul anului (venit brut), rămasă după excluderea tuturor cheltuielilor efectuate în anul respectiv. Pentru oarecare an t al perioadei de studiu:

VNt = Vt – CTt , unde:

VNt – reprezintă venitul net estimat a fi obținut în anul t;

Vt – venitul brut estimat pentru anul t;

CTt – cheltuielile totale estimate pentru anul t, ce includ cheltuielile de investiții It și de exploatare Ct , exclusiv amortismentele.

Astfel, CTt=It + Ct.

Pentru o sursă de energie venitul brut Vt, reprezintă costul obținut în urma producerii energiei:

Vt=Wt /Cw , unde

Wt – volumul energiei produse în anul t;

Cw – costul de oportunitate al unui kWh de energie produsă.

Venitul net actualizat (VNA) pentru perioada de studiu (Ts ) se determina prin totalizarea veniturilor nete anuale actualizate.

Venitul net actualizat poate fi calculat că diferența a venitului total actualizat (VTA) și a cheltuielilor totale actualizate (CTA):

VNA=VTA – CTA

Venitul net actualizat este unul dintre cei mai importanți indicatori de eficienta economică a investițiilor. Realizarea unui profit cât mai mare este, de regulă, criteriul prioritar în alegerea soluției optime.

Rentabilitatea. Actualizarea cheltuielilor și veniturilor presupune utilizarea unei valori predeterminate a ratei și de actualizare, ce mai are și o altă semnificație – ea reprezintă un indicator de eficienta economică numit Rata Internă de Rentabilitate (RIR).

Rata internă de rentabilitate a unui proiect economic exprima acea valoare a ratei care egalează valorile actualizate ale veniturilor și cheltuielilor totale pentru întreaga perioadă de studiu fiind determinată prin ecuația:

VNA (RIR)=0.

În condiții concrete, când Vt=const; Ct=const, iar investițiile capitale se efectuează într-un an, la începutul perioadei de analiza, RIR se va determina prin metoda probelor consecutive:

Durata de recuperare sau termenul de recuperare a investițiilor Trec este un indicator care exprimă numărul de ani în care investiția realizată poate fi redobândita din profitul obținut în urma funcționarii capacităților de producție.

Pentru cazul tipic al unui proiect de implementare a surselor de energie eoliană durata de recuperare a investițiilor se determina din formula:

I/VN = 1 – (1+i)/i

Construcția unui obiectiv este justificată atunci, când durata de recuperare a investițiilor este sub nivelul duratei medii de recuperare în sectorul energetic.

Preþul de cost al energiei electrice livrate este indicatorul determinant de eficienta economicã al unei surse de energie. În studiul de fezabilitate acest indicator se calculează prin raportarea cheltuielilor totale actualizate la volumul energiei produse:

Cw = CTA/Wact , unde:

CTA – reprezintă cheltuielile totale (investiția efectuată plus cheltuielile de producție) actualizate pe durata de viață a instalației;

Wact – volumul total actualizat al energiei produsã în aceastã perioadã.

În cazul în care volumul energiei produse nu variază de la an la an și este egală cu Wan, se poate scrie următoarea relație:

Cw = CTA/Wact , unde:

CĂ include amortismentele anuale (A), costul anual al împrumutului bancar investițional (Ia) și cheltuielile anuale de producer.

În cazul surselor de energie regenerabilă ce nu presupun cheltuieli pentru combustibil formula de calcul al costului 1 kWh energie electrică devine:

Cw=Îs+(Ee +E)/Tm , unde:

Îs – investiția specifică în SER;

Ee – coeficientul de rambursare a investițiilor:

Ec = i/1-(1+i)

E – cheltuieli de întreținere și reparații, raportate la valoarea investiției;

Tm – durata de utilizare a puterii nominale a instalației, (Tm=8760 ku), în ore;

ku – coeficientul de utilizare a puterii nominale a aerogeneratorului.

4.3. Investiții capitale în construcția centralei eoliene

A) Structura investițiilor capitale

Investitiile capitale în constructia unei centrale eoliene constau din doua componente de baza: costul aerogeneratoarelor si costul infrastructurii ingineresti care asigura functionarea acestora. Costul aerogeneratoarelor corespunde pretului cu care acestea se vând la uzina si nu includ costul constructiilor ingineresti, al utilajului electric suplimentar si al lucrarilor de montare, ajustare si conectare la retea. Cheltuielile mentionate si cele care tin de proiectarea si managementul constructiei se includ, de regula, în costul infrastructurii ingineresti.

B) Costul aerogeneratoarelor

Preturile de livrare ale aerogeneratoarelor, spicuite din listele de preturi ale firmelor producatoare, pentru diferite tipuri de agregate au fost prezentate în tabelul anterior. Din acest tabel se poate observa ca costul unui kW de putere instalata a aerogeneratorului constituie de la 890 pâna la 1170 euro. În calculele ce urmeaza se vor utiliza costurile stabilite pentru aerogeneratoarele sintetice din tabelul anterior

Costurile lucrarilor de transportare a aerogeneratoarelor de la fabrica la locul de instalare, de montaj si ajustare al acestora, de dare în exploatare si întretinere pe parcursul termenului de garantie sunt stabilite de firma producatoare, de regula, sub forma de procente calculate din costul aerogeneratoarelor.

C) Costul infrastructurii inginerești

Lucrarile de constructie includ:

constructia fundatiilor;

constructia si completarea punctului (centrului) de comanda;

constructia cailor de acces si comunicatii.

Costul infrastructurii electrice include:

costul posturilor de reglare a tensiunii;

costul liniei electrice de 10 kW de legatura cu reteaua publica;

montarea cablurilor de putere si a celor de comanda.

Costul lucrarilor de proiectare, asigurare inginereasca si de management al constructiei include de asemenea cheltuielile pentru:

investigatii geologice ale terenului si efectuarea unui studiu;

investigatii, inclusiv experimentale, privind potenþialul energetic eolian în zona amplasamentului;

preproiectarea si proiectarea centralei.

Cheltuielile legate de crearea infrastructurii ingineresti sunt estimate la etapa de proiectare a centralei prin elaborarea devizului constructiei, tinând cont de condiþiile locale, inclusiv de pretul fortei de muncã.

Pentru aprecieri tehnico-economice se utilizeaza, de regula, rezultatele generalizate dupa prototip. Costul total al lucrarilor de proiectare si construcþie, precum si al utilajelor centralei eoliene (cu exceptia aerogeneratoarelor) se apreciaza la 15 – 30% din costul total al centralei.

În cazul Romaniei poate fi acceptata cifra minima de 15%, dat fiind costul redus al fortei de munca si luând în consideratie faptul ca atât lungimea cailor de acces, cât si cea a liniilor de conectare la reteaua publica a eventualelor centrale eoliene va fi mica (<10 km) drept urmare a faptului ca retelele de drumuri si cele electrice în tara sunt destul de dezvoltate.

D) Exemplu de calcul

Se considera o centrala eoliana cu puterea nominala de 3 MW. Se examineaza trei variante de utilare cu aerogeneratoare:

Varianta 1: 12 aerogeneratoare AG1 cu PN=250 kW;

Varianta 2: 5 aerogeneratoare AG2 cu PN=600 kW;

Varianta 3: 3 aerogeneratoare AG3 cu PN=1000 kW.

Calculele sunt prezentate în tabelul urmator:.

Tabelul 5. Costul componentelor investitiilor capitale în constructia unei centrale eoliene de 3 MW.

Rezultatele obtinute se afla în deplina concordanta cu costurile, privind structura investitiilor capitale.

4.4. Estimarea cheltuielilor curente

La producerea energiei electrice cheltuielile curente includ:

costul combustibilului (în cazul centralelor eoliene acesta nu se utilizeaza);

mijloacele financiare necesare pentru deservire si reparatii;

cheltuielile bancare (plata dobânzii bancare), pentru arenda pamântului (amplasamentul).

De regula, la aprecierea prealabila a eficientei economice a centralelor eoliene se recomanda [17] o rata anuala a cheltuielilor de întretinere si reparatie la nivelul de 1-2% din costul investitiilor capitale în constructia centralei.

În [18] cheltuielile de exploatare si întretinere sunt apreciate la nivel de 25 euro/kW/an în cazul instalatiilor de 200 kW si de cca 15 euro/kW/an pentru masini de 500 kW. În ambele cazuri, se obtin rezultate cvasi identice.

4.5. Evaluarea eficienței economice a centralelor eoliene în conditiile României

Mai multi factori ne fac sa credem ca, în conditiile Romaniei, o raspândire mai mare vor avea centralele eoliene relativ mici, cu puterea instalata de 3-8 MW. Printre acesti factori poate fi numit, în primul rând, cel financiar.

Va fi greu de investit o singura data mai mult de 10 milioane euro din împrumuturi externe sau din acumulari interne. Un alt factor poate fi repartizarea uniforma a utilizatorilor cu puterea instalata relativ mica. Daca dorim sa obtinem cel mai mare efect de la energetica eoliana, centralele trebuie sa fie amplasate în imediata vecinatate a consumatorilor.

În tabelul anterior sunt prezentate rezultatele calculelor indicatorilor economici pentru o eventuala centrala eoliana construita. Se examineaza trei variante de dotare a centralei cu aerogeneratoare. Calculele au fost efectuate presupunând ca durata de viata a utilajelor principale TS=15 ani; rata de actualizare i=0,1 – tipica pentru obiective energetice; rata cheltuielilor anuale pentru exploatare si reparatii aE=0,01 din investitiile capitale.

În aceste conditii, costul de producere al energiei electrice va constitui 0,0508- 0,067 euro/kWh în functie de varianta de completare cu aerogeneratoare.

Se poate observa ca eficacitatea cea mai înalta se obtine în cazul utilizarii aerogeneratoarelor cu puterea nominala de 0,6 MW fiecare, urmate de generatoarele de 1 MW. Investitiile capitale în acest caz sunt maxime, dar datorita volumului mai mare de energie produsa anual pretul de cost al energiei electrice este mai mic.

Variantele de calcul 2 si 3 nu difera cu mult dupa toti indicatorii economici. Este cunoscut faptul ca la stabilirea pretului de cumparare si a tarifelor de livrare a energiei electrice se iau în consideratie mai multi factori, inclusiv sociali si politici.

Asupra pretului de cumparare va influenta mult si factorul de timp. De exemplu, în majoritatea tarilor se opereaza majorari esentiale (pâna la 30%) daca energia se produce în orele de vârf si în lunile de sarcina maximã (decembrie – februarie). Viteze mai mari ale vântului se înregistreaza între orele 7-9 dimineata si între 14-18 post meridian; cea mai mare intensitate a vântului se observa în lunile ianuarie–februarie, adica tocmai în perioada în care cererea de energie este maxima.

Tabelul nr 6 Rezultatele calculelor indicatorilor economici pentru o centrală eoliană de 3MW.

Un factor foarte important, care ar putea determina firmele distribuitoare de energie electrică să accepte cumpărarea energiei electrice de la centrale eoliene la un preț mai ridicat este amplasarea acestora în nemijlocita vecinătate de consumatorii ce se afla la o mare distanță de centralele termoelectrice. Dacă, de exemplu, se va lua decizia de a construi centrale eoliene la sudul țării și, respectiv la nord, aceste centrale ar acoperi o parte importantã din cererea de energie a orășelelor și satelor din aceste regiuni. La o eventuală introducere în prețuri a costurilor externale pentru energia electrică provenită de la centrale termoelectrice pe cărbune, gaze naturale sau petrol, producerea energiei electrice la centrale eoliene ar fi mai rentabilă în comparație cu cea obținută la termocentrale.

Tabelul nr.7 Costuri externale la producerea energiei electrice utilizând diferite tipuri de combustibili fosili, fisiunea nucleară și SER, în eurocenți/kWh

=== 6129d032ea6b336654ce31335832f2d5d79112a3_408487_1 ===

LUCRARE DE DISERTAȚIE

Coordonator:

Mihai Octavian Popescu

Absolvent:

Aspecte Tehnico-Economice A Energiilor Regenerabile

CUPRINS

Capitolul 1 Energetica. Probleme ambientale și sociale………………………………………..4

Energetica mondială – aspecte strategice și tehnologice……………………………………………….4

Surse de energie și caracteristica lor comparativă………………………………………………………..4

Consumul și producerea energiei………………………………………………………………………………4

Impactul ambiental al energeticii bazate pe consumul de combustibili fosili…………………..5

Avantajele de mediu al energiei bazate pe SER…………………………………………………………..6

Capitolul 2 Considerații generale…………………………………………………………………7

2.1. Cadrul legislativ specific din România și UE………………………………………………….7

2.2. Energetica României. Situația actuală și strategii de dezvoltare……………………………….8

2.2.1. Caracteristica generală a sistemului energetic al României………………………………….8

2.2.2. Strategia energetică a României corelată cu problemele protecției mediului…………………9

Capitolul 3 Aspecte tehnologice privind implementarea surselor de energie………………… 10

3.1. Aspecte generale……………………………………………………………………………….10

3.2. Instalații și centrale autonome………………………………………………………………….13

3.3. Centrale aerogeneratoare conectate la rețeaua public………………………………………..…27

3.4. Firme producatoare și costuri…………………………………………………………………..30

3.5. Criterii privind selectarea amplasamentelor……………………………………………………34

Capitolul 4 Aprecierea analizei economice ca rezultat al implementării surselor de energie eoliană………………………………………………………………………………………………39

4.1. Analiza comparativă a aerogeneratoarelor de producție europeană……………………………39

4.2. Indicatorii economici ai proiectelor de investiții în construcția centralelor eoliene……………43

4.3. Investiții capitale în construcția centralei eoliene……………………………………………….46

4.4. Estimarea cheltuielilor curente………………………………………………………………….49

4.5. Evaluarea eficienței economice a centralelor eoliene în condițiile României…………………49

Concluzii…………………………………………………………………………………………….52

Bibliografie…………………………………………………………………………………………55

Capitolul 1 Energetica. Probleme ambientale și sociale

Energetica mondială – aspecte strategice și tehnologice

1.1.1. Surse de energie și caracteristica lor comparativă

In momentul actual putem spune că avem la dispoziție trei tipuri de surse de energie ce se bazează pe: arderea combustibililor fosili; fisiune nucleară; captarea și conversiunea energetică regenerabilă. Cele trei categorii menționate mai sus, se deosebesc prin: capacitatea de a produce energie în condițiile și perioadele de timp solicitate, prețul energiei produse și în funcție de gravitatea impactului asupra mediului.

Combustibilii fosili. In decursul ultimelor două secole aceste tipuri de combustibili au stat la baza energeticii moderne, reprezentând suportul energetic al industrializării și al progresului tehnologic și științific înregistrat în această perioadă. In prezent aproximativ 90% din cererea de energie este satisfacută prin utilizarea combustibililor fosili.

Energia nucleară. Funcționarea centralelor nucleare nu este însoțită de emisii de gaze nocive, iar rezervele de materie primă nucleară sunt suficiente pentru multe secole de acum înainte.

Sursele de energie regenerabilă (SER) cele mai importante sunt: energia vântului (eoliană); energia solară; energia hidraulică a râurilor; energia fluxurilor-refluxurilor și a valurilor mării; energia geotermală; energia biomasei.

1.1.2. Consumul și producerea energiei

In decursul ultimelor două decenii consumul de energie s-a majorat aproximativ de 1,35 ori și, conform aprecierilor, v-a continua să crească. Această creștere v-a fi destul de lentă în țările industrializate și mult mai intensă în statele mari aflate în curs de dezvoltare. Țările respective urmăresc calea industrializării parcursă de statele dezvoltate, punând accentul pe ,,forțarea energetică”.

Există o mare disproporție între producerea de energie și consumul acesteia. Țările Orientului Mijlociu și Rusia posedă peste 70% din rezervele mondiale de petrol și gaze naturale, iar consumul lor propriu constituie nu mai mult de 15%. Țările OECD acoperă mai mult de 60% din consumul propriu de energie primară din import.

Țările membre ale UE dispun de aproximativ 2% din resursele globale de combustibili fosili. Se consideră că peste 50 de ani aceste rezerve vor fi epuizate. Zăcămintele de uraniu disponibile sunt de asemenea destul de limitate.

Confruntările permanente între consumatorii și producătorii de energie primară, începând cu criza petrolului din anul 1973, au fost cauza mai multor perturbari economice la scară mondială. Actualmente, securitatea aprovizionării cu energie s-a transformat într-o problemă strategică de stat a țărilor industrializate.

Impactul ambiental al energeticii bazate pe consumul de combustibili fosili

Energetica reprezintă sursa de bază a emisiilor de gaz cu efect de seră. Mai exact acestea au constituit aproximativ 80% din emisiile totale în țările UE în 1990. Emisiile sunt strâns legate de cantitatea consumului și de tipul de combustibili fosili utilizați.

Fiecare din țările membre ale UE și-au trasat acțiuni concrete în programele naționale, ținâd cond de specificul propriului sistem energetic și de posibilitățile de care dispun, dintre care pot fi menționate următoarele trei, cele mai importante: acțiuni de modernizare a tehnologiilor de generare a energiei electrice și termice, inclusiv utilizarea mai largă a sistemelor de cogenerare; acțiuni de sporire a eficienței energetice, fapt ce permite diminuarea consumului și reducerea emisiilor la aceeași cantitate de producție finită; implementarea pe scară largă a surselor de energie regenerabilă, nepoluantă, care nu emană gaze cu efect de seră.

Putem preciza ca cea mai eficientă cale de reducere a emisiilor de bioxid de carbon în energetică o reprezintă utilizarea instalațiilor de producere a energiei electrice și termice din resurse regenerabile.

Avantajele de mediu al energiei bazate pe SER

Energetica bazată pe SER reprezintă calea cea mai ieftină și sigura de reducere a emisiilor de gaze poluante la producerea energiei electrice și termice.

In momentul de față, cele mai valorificate surse sunt: energia hidraulică a râurilor, energia eoliană, energia solară și cea de conversiune a biomasei. Caracteristică pentru toate tehnologiile enumerate este lipsa emisiilor de bioxid de carbon.

Programele naționale prevăd o sporire intensă a cantității de enrgie produsă din SER și, potrivit unor pronosticuri optimiste, se consideră că peste o jumătate de secol până la 50% din întregul volum de energie electrică se v-a produce din vînt.

O parte considerabilă a energiei termice pentru încălzirea spațiului locativ și a apei menajere se v-a obține de la captatoarele solare și din biomasă și deșeuri. Se pune foarte mult accentul pe utilizarea largă, într-un viitor apropiat, a elementelor de combustie pe bază de hidrogen, care poate fi obținut din gaze naturale sau din apă, utilizând, energia electrică produsă la centralele eoliene.

Sursele de energie regenerabilă prezintă un avantaj extrem de important cel de a nu polua atmosfera cu bioxid de carbon și cu alte emisii antropice. In plus, ele sunt răspândite pe glob mult mai uniform decât resursele de combustibili. Fiecare țară de pe mapamond dispune de anumite rezerve de energie solară, eoliană, geotermală, de biomasă sau de energie hidraulică.

Capitolul 2 Considerații generale

2.1. Cadrul legislativ specific din România și UE

În ultimii 20 de ani, Uniunea Europeană a fost preocupată în permanență de promovarea energiei verzi. Energia regenerabilă prezintă astăzi o serie de beneficii sociale, economice și de mediu. Un avantaj major al utilizării energiei din surse regenerabile este că aceasta are un impact redus asupra mediului, mai exact poate susține o creștere economică pe baze durabile.

Potrivit IEA (International Energy Agency), energia regenerabilă este definită ca o energie provenind din procese naturale, care sunt completate la un ritm mai rapid decât acestea sunt consumate.

În ultimii 20 de ani, Uniunea Europeană a fost preocupată în permanență de promovarea energiei verzi. Astfel, chiar în Tratatul de la Maastricht s-a stabilit ca obiectiv stimularea unei creșteri durabile, protejând în același timp mediul înconjurător. Tratatul de la Amsterdam a adăugat principiul dezvoltării durabile la obiectivele UE. Suplimentar, Comisia Europeană propus la 3 martie 2010 “ Strategia Europa 2020” ca o agendă pe 10 ani, pentru dezvoltarea economică și socială a Uniunii Europene. Această strategie are ca scop, “o creștere inteligentă, durabilă și favorabilă incluziunii", cu o mai mare coordonare a politicilor naționale și europene. Strategia promovează reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu cel puțin 20%, față de nivelurile din 1990 sau cu 30%, dacă există condiții favorabile, și creșterea ponderii energiei din surse regenerabile în consumul final de energie până la 20%, pentru a atinge o creștere cu 20% a eficienței energetice.

În anul 2001, Uniunea Europeană a adoptat Directiva pentru Promovarea Producției de Energie Electrică din Resurse Regenerabile (Directive for the Promotion of Electricity from Renewable Energy Resources – RES), cunoscută și sub denumirea de Directiva Regenerabilelor.

Actul a fost adoptat ca o primă măsură legală pentru reducerea gazelor cu efect de seră în conformitate cu prevederile Protocolului de la Kyoto. Ulterior, legislația a fost completată cu alte câteva acte importante dintre care menționăm: Directive concerning energy and heat production in CHT system – 2004; Action plan for biomass – COM (2005) 628, 7 dec.2005; Renewable Energy Road Map – Renewable Energies in the 21-st century; building a more sustainable future – UE, 10 ianuarie 2007.

Pe 23 aprilie 2009, Comisia Europeană a adoptat Directiva 2009/28/CE – Directiva privind energia din surse regenerabile, care stabilește un cadru european pentru promovarea energiei regenerabile și fixează obiective naționale obligatorii în acest domeniu.

Papatulică și Prisecaru subliniază faptul că deși cadrul legislativ european actual privind energia din surse regenerabile pare adecvat, principalul său instrument – țintele obligatorii – expiră în 2020, iar Directiva 2009/28/CE privind energia regenerabilă solicită Comisiei Europene să prezinte o nouă “Foaie de Parcurs” pentru regenerabile tocmai în anul 2018, care să ia în considerare stadiul de dezvoltare a tehnologiilor și experiența dobândită în urma aplicării Directivei.

În concluziile comunicării Comisiei Europene COM (2012)/271, se arată că, indiferent de forma pe care o vor lua obiectivele legate de energia din surse regenerabile după 2020, acestea trebuie să garanteze că energia din surse regenerabile face parte din piața europeană a energiei, beneficiind de sprijin limitat, dar eficace, în cazurile în care este necesar, și făcând obiectul unui volum mare de tranzacții. De asemenea, se evidențiază că trebuie să se garanteze menținerea poziției de lider mondial deținută de Uniunea Europeană în ceea ce privește cercetarea și industria. Comisia Europeană recomandă continuarea dezvoltării resurselor regenerabile de energie într-un mod eficace și la prețuri acceptabile, precum și valorificarea oportunităților aferente în materie de competitivitate, dezvoltare economică și ocuparea forței de munca.

2.2. Energetica României. Situația actuală și strategii de dezvoltare

2.2.1. Caracteristica generală a sistemului energetic al României

România dispune de o gamă diversificată, dar redusă cantitativ, de resurse de energie primară fosile și minerale: țiței, gaze naturale, cărbune, minereu de uraniu, precum și de un important potențial valorificabil de resurse regenerabile.

Dezvoltarea economică, structura economică și măsurile de eficiență energetică reprezintă principalii factori de influență ai consumului intern de energie primară. Principala restricție este cea a caracterului limitat al resurselor interne de combustibili fosili și a tendințelor de scădere a producției interne, ceea ce conduce la creșterea dependenței țării de importurile de energie primară. Datorită rezervelor limitate de resurse de energie primară, în România producția internă de energie a rămas practic constantă la valoarea de circa 27- 28 mil. tep. Fără aportul surselor regenerabile de energie această valoare va scădea treptat în următorii ani.

Având în vedere costurile ridicate de valorificare a surselor regenerabile este puțin probabil că pe termen mediu creșterea consumului de energie primară și scăderea producției interne să poată fi acoperită integral din surse regenerabile, ceea ce va conduce la creșterea importurilor de energie primară. Dependența de importurile de energie primară a crescut continuu în ultimul deceniu de la 21,5% în anul 1999 la 27,2% în 2008, cu un maxim de 31,9% în 2007, anul premergător declanșării crizei economice.

2.2.2. Strategia energetică a României corelată cu problemele protecției mediului

În ultimele decenii s-a impus tot mai clar, ca strategie la nivel mondial, că producerea de energie din surse regenerabile nu mai reprezintă o opțiune posibilă, ci una obligatorie. Astfel legislația în vigoare în diferite țări a ajuns să încorporeze reglementări cu referire exactă la consumul, producția și în general piața destinată energiei din surse regenerabile.

Necesitatea SER nu mai poate fi privită strict ca fiind voința factorilor de decizie la nivel național de a completa sursele tradiționale de energie, și eventual de a diminua dependența de importurile resurselor tradiționale (carbune, gaz natural sau petrol) – în cazul în care aceste resurse nu există în cantități suficiente ca rezerve naționale.

În Europa există două sisteme de promovare a utilizării energiei regenerabile. Un sistem este reprezentat de aplicarea pe o perioadă de 15 ani a unui preț fix al energiei regenerabile, care permite investitorului să-și facă planuri de afaceri, să încheie contracte pe termen lung. Celalalt sistem constă în aplicarea unui tarif variabil, dar care este completat cu un sistem de tranzacționare prin mecanisme de piațã a certificatelor verzi.

În România este practicat în prezent cel de al doilea sistem, piața certificatelor verzi funcționând în România începând cu anul 2005. Astfel, pentru fiecare megawatt de energie obținut prin tehnologii curate, fiecare producător primește de la Transelectrica un certificat verde, care poate fi vândut pe bursa de energie, la un preț între 24 euro și 42 euro, în cadrul OPCOM (Operatorul Pieței de Energie Electrică din România).

Limitele minime și maxime de preț sunt stabilite prin Hotărâre de Guvern: prețul minim este impus pentru protecția producătorilor, iar cel maxim pentru protecția consumatorilor. Piața certificatelor verzi are la bază în România un sistem de cote obligatorii, furnizorii de energie electrică din România fiind obligați să achiziționeze o cotă parte de energie electrică produsă din surse regenerabile, în vederea vânzării către consumatorii finali. Pentru 2007, cota stabilită de ANRE (Autoritea Națională de Reglementare în domeniul Energiei) este de 3.74%, și pentru anii următori va crește gradual. Principalii actorii ce operează pe piața de energie electrică sau atribuții de reglementare sunt: Producători de energie electrică; dintre aceștia foarte puțini produc energie electrică din surse regeneerabilă.

Reforma în sistemul energetic Românesc s-a creionat încă din anii ’90, dar a avansat anevoios, totuși după 2000 a fost posibilă pivatizarea unor companii de distribuție de energie electrică cu actori internaționali.

Capitolul 3 Aspecte tehnologice privind implementarea surselor de energie

3.1. Aspecte generale

Energia eoliană

În funcție de modalitatea de utilizare a energiei obținute în urma conversiunii energiei vântului, instalațiile eoliene pot fi clasificate în două mari categorii: instalații mecanice și aerogeneratoare. În primul caz, energia este utilizată nemijlocit pentru efectuarea unui lucru mecanic, în timp ce instalațiile aerogeneratoare transformă energia mecanică în energie electrică, pentru a fi transportată fără dificultăți la orice distanță și utilizată în modul cel mai rațional.

Utilizarea instalațiilor eoliene pentru producerea energiei electrice este cea mai efectivă modalitate de utilizare a energiei vântului, datorită faptului că randamentul procesului de conversiune a energiei mecanice în energie electrică constituie 90-95%, iar pierderile în linia de transport până la locul de utilizare a energiei nu depășesc, de regulă 10%.

Instalațiile aerogeneratoare pot fi completate cu generatoare de curent continuu, generatoare sincrone sau asincrone.

Generatoarele de curent continuu sunt folosite doar în instalații de putere mică: pentru încărcarea bateriilor de acumulatoare.

Generatoarele sincrone cu excitare de la magneți permanenți sunt folosite la puteri considerabile, au randamentul și factorul de putere suficienți de înalți, însă utilizarea lor este limitată din cauza problemelor legate de sincronizarea generatorului la conectarea lui în rețea.

La puteri mari, se dă prioritate generatoarelor asincrone. Construcția simplă a acestei mașini electrice îi asigură o înaltă fiabilitate, un preț redus relativ mic, cheltuieli minime la întreținere. Caracteristica electromecanică specifică a generatorului asincron îi asigură o stabilitate sporită în condiții de cuplu motor variabil la șocuri de sarcină. De asemenea, problema excitației și sincronizării nu se mai pune în cazul în care aerogeneratorul este conectat la rețeaua de curent alternativ cu parametrii constanți.

Structura instalației aerogeneratoare și modul de reglare a indicilor energiei produse depinde în mare măsură de cerințele impuse de consumatorii de energie electrică. Aceste cerințe pot fi foarte dure, în cazul motoarelor electrice, iluminatului, aparaturii electronice și mai puțin riguroase în cazul folosirii energiei pentru a produce căldură.

La alegerea structurii instalației aerogeneratoare și a modului de reglare a indicilor energiei produse se urmărește rezolvarea următoarelor probleme specifice:

Optimizarea regimului de funcționare a aeromotorului în condiții de permanentă variație a vitezei vântului;

Asigurarea compatibilității parametrilor de funcționare a aeromotorului și electrogeneratorului;

Sincronizarea parametrilor electrogeneratorului cu parametrii rețelei electrice în caz de funcționare în paralel cu alte surse electroenergetice;

Crearea de rezerve energetice pentru perioadele de timp calm, rezerve necesare consumatorilor pentru care întreruperile în alimentare sunt inadmisibile;

Optimizarea consumului de energie ieftină, dar puțin calitativa produsă de instalația aerogeneratoare.

Energia solară

Utilizarea SER permite diversificarea surselor de aprovizionare cu energie, aceastea sunt energii pure din punct de vedere ecologic și contribuie la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră (GES).

Conversiunea termică semnifică transformarea directă a radiației solare în energie termică stocată în energie internă a unor sbstante lichide, gazoase sau solide, numite substanțe de lucru. Energia termică acumulată poate fi utilizată direct pentru încălzire, uscare, sau indirect printr-o conversiune secundară în alt tip de energie – mecanica sau electrică.

Conversiunea electrică utilizează proprietățile unor materiale semiconductoare de a transforma direct energia radiantă în energie electrică de curent continuu.

Conversiunea chimică sau fotochimică permite stocarea energiei solare în energie chimică. Cel mai eficient proces fotochimic este fotosinteza prin care plantele verzi sintetizează substanțe organice. Prin arderea acetora energia chimică stocată se reconvertește în energie termică ce poate fi utilizată direct pentru încălzire sau indirect în mașini termice.

Conversiunea mecanică reprezintă un procedeu de transformare directă a energiei solare în energie mecanică, printr-un transfer de impuls între fotoni și organul de lucru sau indirect cu ajutorul motoarelor solare în care energia solară se transformă în energie mecanică prin intermediul energiei termice.

Energia prin biomasă

Biomasa reprezintă învelișul vegetal al planetei care se cifrează la peste 1800 mlrd. tone materie uscată. Pădurile constituie aproximativ 68% din biomasa terestră, ecosistemele ierboase – aproximativ 16%, iar terenurile cultivate – 8%. Pe întreaga planetă prin fotosinteaza, în fiecare an, se produc 173 mlrd. tone substanța uscată, cantitate ce este de peste 20 de ori mai mare decât întregul volum de energie fosilă consumată anual în lume. Acest considerabil potențial al biomasei este exploatat, constituind a7-a parte din energia consumată în lume – echivalentul a peste 3 mlioane de petrol pe zi.

Principalii generatori de biomasă, utilizată în scopuri energetice în România sunt silvicultura, agricultura, sectorul zootehnic, industria alimentară și gospodăria comunală a sectorului locativ. Mai exact putem spune că prin biomasă se subînțelege nu doar masa organică provenită din procesul de creștere a plantelor agricole și din silvicultură, cât, în principal, diferitele reziduuri și deșeuri de origine organică.

Aceste deșeuri au un aport incontestabil în schimbarea climei, deoarece, ca rezultat al activității microbiene, ele sunt supuse unei degradări în condiții anaerobe naturale cu emisii de diferite gaze și de metan.

De vreme ce s-a dovedit că reziduurile și deșeurile sunt o formă de biomasă regenerabilă, ar fi rațional să cunoaște și metodele indicate de folosirea utilă a acestui material. Se știe că substanța organică, substanțele nutritive și microelementele conținute în reziduuri, deșeuri, nămoluri, dejecții sunt folositoare pentru sol. Incorporarea acestora în câmpuri și compostare reprezintă avantaje evidente la fertilizarea solurilor. Substanța organică poate fi apreciată și că o sursă regenerabilă de energie.

3.2. Instalații și centrale autonome

Energia eoliană

Destinația acestor sisteme poate fi: iluminatul electric, alimentarea cu energie electrică a farurilor, mijloacelor de telecomunicație cu putere totală de până la câțiva kilowați, a altor consumatori amplasați în locuri necuprinse de rețeaua electrică publică. Instalațiile autonome pot fi și în zonele electrificate, fiind folosite ca surse de energie ieftină pentru încălzire.

Eficienta funcționarii instalațiilor aerogeneratoare, costul acestora depind în mare măsură de tipul sistemului folosit pentru reglajul vitezei aeromotorului și al puterii la arbore.

Instalațiile eoliene autonome pot fi dotate cu generatoare electrice de curent continuu cu magneți permanenți și dispozitive speciale de nivelare a pulsațiilor de curent și tensiune. Energia generată se folosește pentru a încărca bateriile de acumulatoare. În mod frecvent sunt utilizate generatoarele de tip sincron cu magneți permanenți sau cu autoexcitator și cu o buclă de reacții pe curentul de sarcină folosită pentru stabilizarea tensiunii la bornele generatorului.

Aerogeneratoarele pot fi parte componentă a unui sistem energetic local. Puterea aerogeneratorului este de același ordin cu puterea altor generatoare în sistem.

Folosirea instalațiilor eoliene în aceste cazuri permite economisirea de combustibil. Diesel-generatorul va funcționa doar în perioadele de timp calm sau în paralele cu Instalații aerogeneratoare fără stabilizator.

O instalație eoliană include în componența sa un generator, mecanismul acționat, dispozitivul de transmisie mecanică și mai multe sisteme de orientare, stabilizare, reglaj și protecție, alte elemente constructive.

Figura 1. Elementele componente ale unei centrale eoliene

În această figură se prezintă structura internă a unei turbine eoliene, care este alcatuită din următoarele elemente:

Nacela  (2) – conține componentele cheie ale turbinei, incluzând cutia de viteze și generatorul electric. În fața nacelei este rotorul turbinei cu paletele (1) și hub-ul (9) cuplat la axul principal (8). Cutia de viteze (7) mărește viteza de rotație de aproximativ 50 de ori față de viteza redusă a rotorului cu palete. Instalația este echipată cu o frână mecanică cu disc (6), care poate fi folosită în cazuri de urgență. Generatorul turbinelor de vânt (5) conectat printr-un ax de mare viteză, convertește energia mecanică în energie electrică. El diferă față de generatoarele obișnuite, deoarece trebuie se lucreze cu o sursă de energie primară care furnizează o putere mecanică fluctuantă. Pe scară largă, la turbinele de 100-500kW, tensiunea generată este de 690V c.a. trifazat, fiind necesar un transformator ridicător de tensiune de 10 sau 30 kV, pentru a putea fi conectat la rețeaua națională de medie tensiune. Turbinele pot fi construite atât cu generatoare sincrone cât și asincrone și cu diferite tipuri de conectare la rețea: direct sau indirect. Turnul turbinei (3) susține nacela și rotorul. În general este avantajos un turn înalt deoarece vântul e mai puternic. O turbină de 600kW are turnul de 40-60m.

Există două tipuri majore de generatoare pentru centralele eoliene și anume: cu viteză constantă sau cu viteză variabilă. Generatoarele utilizate pot fi asincrone cu rotorul în scurt circuit sau rotorul bobinat sau sincrone (GS) cu excitație separată sau cu magneți permanenți.

Instalația eoliană cu viteză constantă și generatorul asincron cu rotorul în scurt-circuit reprezintă soluția clasică, denumită și metoda daneză. În acest caz trebuie rotită nacela (yaw), precum și unghiul de înclinare a paletelor pentru modificarea unghiului de atac (pitch). Sistemele bazate pe generatoare cu viteză constantă merg în principiu cu viteza mecanică constantă având mașini cu inducție de înaltă eficenta ce funcționează la viteze de super-sincronizare. Variația vitezei pe unitate este în mod uzual mai mică de 1%. Aceste generatoare de inducție cu viteză constantă sunt simple și nu incorporează electronică de putere.

Instalația eoliană cu viteză variabilă, reprezentând metoda modernă,  utilizează în mod uzual generatoare de inducție cu dublă alimentare (DFIG), având avantajul utilizării eficiente a energiei vântului, reducerii părții mecanice (nacela ușoară, cutie de viteze redusă sau absenta și turn zvelt), dar având o parte electrică și electronică complexă, necesitând algoritmi de conducere pretențioși. Viteza mecanică de rotație a mașinii poate fi controlată prin reglarea frecvenței curentului de alimentare a rotorului. Aceste elemente și modul în care se pot interconecta centralele eoliene sunt prezentate în lucrarea – Bringing wind power ashore – (Brian Richardson, Peter Jones), IEE Power Engineer , February/March 2004.).

Un model performant de turbina eoliană cu viteză variabilă utilizând un generator de inducție cu dublă alimentare (DFIG – doubly fed induction generator), caracterizat prin creșterea calității, eficentei și controlabilității a fos prezentat în lucrarea – Modeling of the Wind Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies (Lei Y.Mullane A. Lightbody G.Yacamini R.) IEEE Transactions on Energy Conversion.

Turbina, fiind elementul central al instalației, efectuează procesul de conversie a energiei eoliene în energie mecanică, având la bază forțele de interacțiune între elementele active ale turbinei și curentul de aer care îl atacă cu o anumită viteza. Dintre forțele care apar la această interacțiune se vor evidenția două cele mai importante: forța aerodinamică de ascensiune și forța de presiune frontală.

Mecanismul acționat poate fi un mecanism sau o mașină care realizează un lucru mecanic (pompaj, moară etc.), un convertor de energie mecanică în energie electrică (electrogenerator) sau în energie a aerului comprimat (compresor), fie în alt tip de energie. Dispozitivul de transmisie mecanică are rolul de a acorda parametrii energiei la arborele turbinei cu parametrii acesteia la arborele de intrare a mecanismului acționat și va conține după caz un reductor de ridicare a vitezei și cuplaje elastice sau rigide.

Se utilizează mai multe principii de clasificare a aeromotoarelor eoliene:

conform principiului de funcționare;

conform orientării axului principal;

conform nivelului de viteză.

Energia solară

Putem menționa faptul că din cele patru tipuri de conversiune a energiei solare, conversiunea termică și cea electrică sunt cele mai folosite pe plan mondial, având un grad avansat de perfecțiune tehnică, tehnologică, o piață dezvoltată de desfacere și perspective economice.

Conversiunea termică a energiei solare este una din cele mai vechi și răspândite forme de utilizare a energiei solare. Orice suprafața neagră expusă razelor de soare transforma energia solară în căldură. Pentru ameliorarea eficienței captatorului și transportarea energiei se utilizează un lichid sau un gaz, numit caloportor, care extrage căldură de la captator. În unele sisteme energia solară se transformă în căldură și este utilizată imediat, în altele –are loc stocajul sau transformarea energiei termice în energie electrică.

Figura 2 Instalație de conversie a energiei solare în energie termică.

Captatorii solari la temperatură joasă și medie. În această categorie sunt incluse sistemele de conversiune a radiației difuze și directe în energie termia la temperatri de până la 150oC. de obicei, acești captatori cuprind următoarele elemente:

placă sau o suprafață absorbantă care transformă radiația solară în căldură;

Un circuit caloportor lichid său gazos care extrage căldura de la placă absorbantă și o transportă în punctul de utilizare sau rezervorul de stocare;

Una sau mai multe suprafețe transparente pentru radiația solară, dar opacă în gama de radiație infraroșie. Suprafața transparentă se mai numește vitraj;

Izolarea termică a plăcii absorbante în părțile laterale și inferioare;

Rezervorul pentru stocarea energiei termice;

Carcasa pentru asamblarea elementelor.

În principal se utilizează două tipuri de captatare: plan și cu tuburi vide.

Captatorul plan este utilizat pentru încălzirea apei sau a aerului, are o construcție simplă, placă absorbantă este executată din metal sau material plastic prin care circulă caloportorul.

Figura 3. Instalație pentru prepararea apei calde menajere

Aceste sisteme pot furniza apă sau aer cald pentru necesități sanitare, încălzirea piscinelor, spații locative și comerciale, ventilare și climatizare, deshidratarea produselor agricole, în tehnologiile industriale de joasă temperatura.

Figura 4. Instalație pentru încalzirea apei din piscină

Figura 5 Instalație pentru încălzirea locuinței

Captatorul cu tuburi vide este o construcție mai recentă în care izolația termică este vidul de un grad avansat din interiorul tubului unde se află și placa absorbantă. Randamentul acestuia este de 50-70%, asigurându-se încălzirea lichidului caloportor până la 1500C.

Uscătorii solare. Această tehnologie este una dintre cele mai vechi și mai utilizate în agricultură și în ramurile de prelucrare a produselor agricole. Uscarea fructelor și legumelor prin expunere directă la radiația solară se efectuează pe grătare speciale în straturi uniforme. Instalațiile sunt ieftine și ușor de construit, însă prezintă un șir de neajunsuri: productivitate mică, randament scăzut, imposibilitatea de a controla și dirija procesul, calitatea nesatisfăcătoare a produsului finit.

Distilerii solare. Energia solară se utilizează direct pentru evaporarea apei de mare sau a apei cu un conținut sporit de săruri. Razele solare traversează suprafața transparentă, încălzesc și evaporează apa sărată din rezervoare. Ridicându-se, vaporii se condensează pe suprafața interioară transparentă răcită prin convecție de aerul ambiant. Această tehnologie se utilizează în regiuni izolate, unde nu există alte surse de apă potabilă. În condiții bune de radiație solară, de aproximativ 5-6 kWh/m2, zi, productivitatea de apă potabilă este de 4 l/m2 de captator, ceea ce corespunde unui randament de 40-50%.

Bucătarii solare. Este vorba de niște instalații solare care funcționează la temperaturi de 125-2000C. Se utilizează următoarele trei categorii:

Bucătărie – ladă dotată cu vitraj dublu și oglinzi reflectoare plane, asigurându-se o concentrare slabă a radiației. În jurul amiezii se poate obține o temperatură de 140-1500C.

Bucătărie cu colector plan cu suprafață selectivă sau cu tuburi vide echipat și cu oglinzi reflectoare. Circuitul caloportor este alimentat cu ulei. Se ating temperaturi de 150-1800C.

Bucătărie cu concentratoare. Vasul pentru prepararea bucatelor este amplasat în focarul unui concentrator, care asigură conversia termică doar a componenței directe de radiație solară. Instalația necesită un sistem de urmărire a soarelui și poate asigura temperaturi de câteva sute de grade.

Captatorii solari la temperaturi înalte. Temperaturi înalte, de câteva sute și chiar mii de grade, pot fi obținute prin concentrarea radiației solare, care constă în direcționarea printr-o metodă oarecare a radiației solare captate pe o suprafață reflectoare către o altă suprafață, mai mică, numită receptoare, unde se și realizează conversia termică, captatorii cu concentrarea radiației solare sunt dotați cu dispozitive de urmărire a soarelui fie după o singură coordonată, fie după două. Această tehnologie se utilizează în diverse procese industriale pentru topirea și producerea metalelor pure, producerea energiei electrice, hidrogenului, vaporilor de apă etc. din varietatea foarte mare de concentratori îi vom menționa pe următorii trei care sunt utilizați mai frecvent:

Concentratorii cilindro-parabolici asigură un factor de concentrare de 40-80% și temperaturi de până la 5000C. Lichidul caloportor circulă printr-o țeavă ce se află în focarul cilindrului parabolic. Urmărirea soarelui se efectuează după o singură coordonată – unghiul de înălțare.

Concentratorii paraboloidali utilizează un reflector paraboidal cu urmărirea soarelui după două axe. Radiația directă este concentrată într-un singur punct, factorul de concentrație atingând valori de până la 10.000, temperatura receptorului fiind mai mare de 10000C. Energia termică este captată de un lichid caloportor și transportată spre un ciclu termodinamic pentru a produce energie electrică sau este transformată în energie electrică direct în punctul focal, utilizându-se motoare Stirling.

Captator central cu heliostate, punctul focal sau receptorul este situat pe un turn amplasat în centrul unui câmp de oglinzi reflectoare teleghidate, numite heliostate. Un calculator efectează comanda fiecărui heliosat astfel că energia reflectată spre receptor să fie maximală pe timpul zilei.

Conversiune electrică a energiei solare se efectuează fără trecerea prin stadiul intermediar de energie mecanică. Prin urmare, instalația de conversiune nu va conține piese în mișcare, fiabilitatea sistemului va fi mare, iar cheltuielile de întreținere destul de mici. Conversiunea se bazează pe trei efecte fizice: termoionic, termoelectric și fotovoltaic. Cel mai înalt grad de dezvoltare sub aspect tehnic, tehnologic și comercial a atins conversiunea fotovoltaică (PV).

Celula PV produsă pe baza materialului semiconductor este componenta principală a unui generator fotovoltaic. Sub acțiunea radiației solare se creează un câmp electric care produce purtătorii de sarcini pozitivi și negativi ce pot fi separați și colectați pe părțile laterale ale celulei. În consecință, celula PV se comportă ca un generator de curent continuu. În aplicațiile terestre cea mai mare răspândire comercială o au celulele PV din siliciu cristalin și policristalin (80%) și siliciul amorf (10%).

Energia prin biomasă

Reziduuri agricole.

Instalațiile existente în Europa pot fi clasificate în felul următor:

de capacitate mică și medie, individuale;

de capacitate mare, individuale;

comune, cu colectarea dejecțiilor de la fermierii individuli și construite industrial, cu utilizarea tehnologiilor avansate de fermentare.

Instalațiile de capacitate mică reprezintă în jur de 70% din instalațiile existente, fiind folosite de vreo 60 de ani. În Elveția, Austria, Franța și Marea Britanie predomină instalațiile mici, individuale. Jumătate din cele 28 de instalații existente în Danemarca sunt de capacitate mic și medie. Aproximativ 190 de instalații existente în Germania sunt de aceeași categorie, 25 din acestea fiind construite în ultimii 10 ani.

Putem menționa două tipuri de bazine de fermentare utilizate în instalațiile de tratare a dejecțiilor animaliere:

orizontale din oțel, utilate cu rezervoare standard din oțel prevăzute pentru păstrarea combustibililor lichizi;

verticale din oțel, dotate cu rezervoare-tip pentru păstrarea diferitelor lichide.

Fermentatoarele metalice orizontale au volume de la 50 până la 100 m3, mai rar de 150 m3 și sunt dotate cu utilaj de malaxare cu ax orizontal.

Pentru instalațiile de capacitate medie se utilizează rezervoare verticale din beton armat, ale căror volume variază între 250 și 600 m3, dar sunt destul de frecvente și cele de 800-1200 m3. Deseori acestea sunt construite subteran, asigurându-se astfel atât o economie de spațiu, cât și izolare termică.

În prezent majoritatea instalațiilor utilizează cogenerarea pentu producerea electricității, cu recuperarea căldurii că produs secundar, pentru încălzirea locuințelor sau a apei. Biogazul este stocat în gazometre cu capacitatea de 60-100m3.

Instalațiile de biogaz de capacitate mare sunt utilizate pentru tratarea dejecțiilor lichide de la complexele zootehnice. După 1990 în Germania au fost construite 5 astfel de instalații și câteva în Olanda, Marea Britanie și Danemarca. Pe teritoriul Germaniei de Est funcționează 7 instalații cu un randament de 20000 m3/zi biogaz.

Instalațiile colective (comune) de biogaz sunt indicate pentru tratarea dejecțiilor animaliere colectate de la fermieri. Instalațiile de acest tip au început să fie exploatate prin anul 1985. În prezent funcționează 14 instalații, care tratează peste 440 tone de dejecții animaliere acumulate de la mai mult de 80 de ferme.

În prezent, toate instalațiile utilizează drept materie primă nu numai dejecțiile animaliere, dar și reziduuri organice, cu precădere pe cele provenite din industria alimentară – până la 37% – ceea ce a permis să se dubleze sau chiar să se tripleze producția de biogaz și să se stabilizeze procesul de fermentare anaerobă.

Figura 6. Schema instalației de producere a biogazului

Apele uzate și nămolurile de la stațiile de epurare

Pe parcursul epurării aerobe a apelor uzate, care se desfășoară doar în prezența unui sistem de alimentare a procesului cu oxigen, are loc transformarea unei părți considerabile de substanță organică biodegradabilă într-un alt tip de biomasă, cea a bacteriilor epuratoare, aceasta, la rândul său, creând probleme de tratare ulterioară similare cu cele specifice rocesului de prelucrare a nămolurilor de la stațiile de epurare.

La epurarea anaerobă a apelor uzate, se consumă considerabil mai puțină energie. Totodată se produce biomasă în exces, transformându-se în nămol numai 4% din substanță organică biodegradabilă, fermentarea anaerobă fiind însoțită de degajarea unui amestec de gaze – biogaz combustibil.

Figura 7 Caracteristica energetică a proceselor biologice de epurare aerobă și anaerobă a apelor uzate industriale.

Figura 8. Schema convențională de epurare a apelor uzate

Figura 9 Schema tratării anaerobe-aerobe a apelor uzate

Deșeuri solide menajere

Dintre tehnologiile de fermentare anaerobă a deșeurilor solide pot fi menționate fermentarea în stare umedă, depozitarea deșeurilor în locuri autorizate cu extragerea ulterioară a biogazului cu ajutorul sondelor după o perioadă de păstrare.

Prelucrarea deșeurilor menajere solide cu ajutorul tehnologiilor de fermentare a acestora în stare lichidă, cunoscută în europa de Vest sub denumirea ,,valorga process”, este răspândită mai ales în Olanda și în Franța. Una dintre cele mai reprezentative instalații funcționează din 1994.

Instalația include:

– secția de preparare

– bazinele de fermentare cu utilaje de amestecare, pompare, acumulare a biogazului,

– compresiune, evacuare și deshidratare mecanică a materialului fermentat.

– secția de tratare a fazei lichide, cea mai mare parte a apei este refolosită pentru diluarea deșeurilor, iar surplusul este evacuat în rețeaua de canalizare;

– secția de compostare, care include reactoare închise pentru descompunerea materiilor solide timp de 7 zile și o platformă de stocare a compostului pe o durată de una sau mai multe săptămâni de unde este livrat consumatorilor;

– gospodăria de biogaz.

Figura 10 Instalație de Biogaz

3.3. Conectate instalațiilor la rețeaua publică

Energia eoliană

Mai multe turbine eoliene, de regula, în grup de pâna la 30-50 unități alcătuiesc o centrală (fermă) eoliană (CE), care prin intermediul unuia sau a mai multor transformatoare de ridicare a tensiunii sunt conectate la rețeaua publică de putere considerabil de mare în  raport cu  puterea totală a instalațiilor eoliene.

Această variantă de folosire a energiei este cea mai raspândită în localitățile cu condiții eoliene favorabile și în care există sisteme energetice publice. Energia generată de CE este complet cedată sistemului energetic pe bază comercială. Consumatorii proprii ai CE, de asemenea, sunt conectați la rețeaua publică, consumul fiind contorizat.

Figura. 11. Schema de conexiuni electrice a unei centrale eoliene:

1 – aerogenerator; 2, 3,4, 6, 7 – întrerupatoare automate; 5 – transformator 10/35kV; 8 – transformator 10/0,4 V; 9 – consumatori proprii.

În aceste condiții cele mai indicate sunt instalațiile cu generatoare asincrone datorită fiabilității înalte, prețului de cost și cheltuielilor de întreținere minime. În mod automat se rezolvă problema sincronizării.

Nivelul stabilizat al tensiunii și frecventei la bornele generatoarelor este impus și menținut de rețeaua puternică, fără intervenția oricărui sistem de reglare. Sistemul de comandă intervine doar cu semnale de deconectare a generatorului de la rețea atunci când viteza vântului este prea mică și aerogeneratorul ar putea trece în regim de ventilator cu consum de energie de la rețea.

Turația practic constantă a generatorului, impusă de frecvență tensiunii în rețea va condiționa o funcționare a turbinei în regim nu totdeauna optim. În aceste condiții pot fi utile următoarele modalități de asigurare a regimului optim de conversie a energiei în turbină:

·        se utilizează un generator asincron cu număr de perechi de poli care se reglează în trepte în funcție de viteza instantanee a vântului;

·       aeromotorul funcționează cu turație optimă variabilă în funcție de viteza instantanee a vântului, energia obținută (cu frecvență și tensiunea nestabilizate) se redresează, apoi se transformă în energie de curent alternativ cu parametrii stabilizați, folosind un invertor comandat de rețea. Turația motorului se reglează în funcție de viteza vântului, modificând sarcina invertorului (puterea energiei cedate spre rețea);

·        în anumite limite poate fi lărgit domeniul de variație a turației turbinei, modificând caracteristica electromecanică a generatorului asincron, folosind impendanțe reglabile în circuitul static al acestuia.

O variantă de perspectiva reprezintă instalațiile cu generator asincron cu întrefier axial și rotorul disc, a cărui viteza nominală joasă concordeaza favorabil cu viteza aeromotoarelor, păstrând în același timp toate avantajele generatoarelor asincrone clasice.

Energia produsă prin biomasă

Fabricile pentru biogaz de nivel fermier prezintă dimensiuni variate, diverse tipologii constructive, precum și o serie întreagă de tehnologii de procesare. Unele dintre aceste fabrici sunt de dimensiuni foarte mici și utilizează tehnologii simple, în timp ce altele sunt foarte mari și complexe, asemănătoare fabricilor centralizate de co-digestie. Totuși, toate funcționează după același plan constructiv general: gunoiul este colectat într-un bazin de pre-stocare, situat în apropierea digestorului, care este alimentat prin pomparea materiei prime pre-stocate. Digestorul este construit sub forma unui rezervor etanș, realizat din oțel sau beton armat și izolat termic, pentru menținerea constantă a temperaturii procesului (mezofil, la aproximativ 350 C, sau termofil, la aproximativ 550 C). Digestoarele pot fi de tip orizontal sau vertical, de obicei prevăzute cu sisteme de amestecare, în vederea omogenizării substratului și minimizării riscului de formare a straturilor de flotație și sedimentelor. Amestecarea asigură, de asemenea, și aprovizionarea microorganismelor cu toți nutrienții necesari. HRT mediu este, de obicei, de 20-40 zile, în funcție de tipul de substrat și de temperatura de digestie. Digestatul este utilizat ca îngrășământ pe terenurile agricole ale fermei, iar surplusul este comercializat către fermele care posedă culturi vegetale din vecinătate. Biogazul produs este folosit drept combustibil într-un motor cu gaz, în scopul producerii energiei electrice și a căldurii. O cantitate de aproximativ 10-30% din căldura și energia electrică produsă în acest mod este folosită pentru necesitățile proprii ale fabricii de biogaz și pentru consumul menajer al fermei, în timp ce surplusul este vândut companiilor energetice, respectiv consumatorilor de energie termică din zonele învecinate. Schema de bază a unei fabrici tipice de biogaz de nivel fermier, dotată cu un digestor orizontal, din oțel inoxidabil, este prezentată astfel:

Figura 12 Reprezentare schematică a unei fabrici de biogaz de nivel fermier, dotată cu un digestor orizontal din oțel

In afara digestorului, având un volum de 100-200 m3 și echipat cu un sistem de amestecare lentă, fabrica mai cuprinde și un tanc de pre-stocare a gunoiului, un tanc de stocare a biomasei digestate, un spațiu de depozitare a biogazului și o unitate de cogenerare a energiei electrice și termice (CHP). Temperatura procesului AD poate varia, din domeniul mezofil până la cel semi-termofil (35-480 C), iar timpul de retenție hidraulică, în intervalul de 15-25 zile. Producția de biogaz se situează între 40-50 m3 de biogaz per m3 de biomasă digerată

Digestorul poate fi construit și sub forma unui cilindru vertical, cu baza conică constând dintr-un tanc așa-numit “două într-unul”, folosit atât pentru stocarea materiei prime, cât și pentru digestie. Digestorul este construit în interiorul tancului de stocare a digestatului, tangențial la peretele acestuia, și este acoperit cu ajutorul unei membrane impermeabile pentru gaz, care va fi menținută în stare tensionată sub influența biogazului produs. Tancul este prevăzut și cu un mixer electric cu elice. De asemenea, fabrica deține și un tanc de pre-stocare a co-substratului, precum și o unitate CHP. Temperatura de procesare este de 22-250 C, iar timpul de retenție hidraulică de peste 50 de zile.

Figura 13 Reprezentare schematică a unei fabrici de nivel fermier, dotată cu un digestor de tip “două într-unul”, acoperit cu o membrană ușoară (folie)

În afara digestorului, având un volum de 100-200 m3 și echipat cu un sistem de amestecare lentă, fabrica mai cuprinde și un tanc de pre-stocare a gunoiului, un tanc de stocare a biomasei digestate, un spațiu de depozitare a biogazului și o unitate de cogenerare a energiei electrice și termice (CHP). Temperatura procesului AD poate varia, din domeniul mezofil până la cel semi-termofil (35-480 C), iar timpul de retenție hidraulică, în intervalul de 15-25 zile. Producția de biogaz se situează între 40-50 m3 de biogaz per m3 de biomasă digerată.

3.4. Agregatele eoliene pentru pompaj

În țările în curs de dezvoltare sunt, în momentul de față, puține pompe acționate eolien care să fie utilizate pentru obținerea apei potabile. Câteva au fost instalate de către misiuni religioase în comunități și școli din Africa întrucât combustibilul pentru motoare este greu de transportat în locuri izolate, lipsite de infrastructură. În Maroc s-a instalat prin anii 70 o pompă “Aeromotor” (S.U.A.) într-o localitate din munții Rif. Pompele acționate eolian sunt unele dintre cele mai rentabile instalații atunci când viteza vântului devine mai mare decât v > 3,5 m/s, motiv pentru care acestea acoperă zone întinse în țările în curs de dezvoltare. În cazul alimentării cu apă achizitorul este, de cele mai multe ori, guvernul iar acest lucru permite utilizarea unor fonduri de ajutorare, lucru care permite identificarea unor soluții mai ușor de realizat practic. Se poate sublinia că deoarece forarea unui puț poate implica costuri semnificative (spre exemplu peste 100$/m în anumite zone ale Africii) se justifică realizarea unei investiții într-o instalație capabilă să optimizeze utilizarea puțului.

Din punct de vedere cronologic, cele mai vechi sunt considerate instalațiile mecanice folosite pe larg în secolele precedente pentru punerea în mișcare a pietrelor de moară și a pompelor în sistemele de alimentare cu apa, irigare și drenaj. Și astăzi, zeci de mii de mici instalații eoliene de pompaj sunt utilizate efectiv îndeosebi în gospodăriile de fermieri. Un bazin de acumulare a apei rezolva problema rezervării pentru perioadele de timp calm și cu vânt de viteza mică.

Aceste instalații sunt dotate cu pompe cu piston sau pompe Vargnet, fiind acționate de la arborele aeromotorului prin intermediul unei tije.

Pentru o utilizare mai ușoară a energiei eoliene pe o largă gamă de viteze a vântului în aceste instalații se folosesc aeromotoare cu multe pale, care începând cu vitezele joase ale vântului, dezvoltă un cuplu motor mare, suficient pentru funcționarea pompei. Odată cu viteza vântului crește și numărul de turații ale motorului, ceea ce asigură o sporire proporțională a debitului pompei la o presiune practic constantă.

Un dezavantaj al instalațiilor eoliene mecanice îl constituie transmisia complicată și uzura intensă a acesteia. În plus, folosirea efiecientă a instalațiilor mecanice, de exemplu pentru pompaj, presupune existența în același loc atât a sursei de apă, cât și a condițiilor eoliene favorabile, ceea ce nu întotdeauna are loc.

Practica a arătat că pompele acționate eolian clasice, utilizate în cadrul fermelor, fabricate industrial, nu sunt corespunzătoare pentru lucrări de irigații, ele sunt folosite destul de rar în acest scop, întrucât cerințele tehnico-economice ale irigării sunt diferite de cele ale alimentării cu apă. Ca urmare, în general, nu sunt multe rezultate în acest domeniu iar majoritatea pompelor care sunt folosite astăzi la lucrările de irigații sunt tradiționale și rudimentare. În general există tendința ca ele să fie înlocuite cu motopompe. Cu o atenție suplimentară, pompele eoliene pentru irigații pot fi simple și ieftine, întrucât trebuie să funcționeze doar câteva luni pe an iar oamenii sunt în general pregătiți să se descurce dacă apar probleme – să scoată din vânt rotorul în cazul unei furtuni (sau să strângă velele) și, de obicei, își efectuează singuri reparațiile când este necesar, fără a apela la asistențǎ din exterior. Cerințele de bază pentru o pompă acționată eolian pentru irigație vor fi: protecție automată la avarii în caz de furtună; posibilitatea de a efectua operațiile de întreținere și de reparații cu un efort minim, respectarea acestor cerințe va conduce la o scădere considerabilă a costului de investiție.

Pentru utilizarea și întreținerea pompelor, care am arătat că sunt sisteme mecanice foarte simple, este necesar ca și transmiterea mișcării de la rotorul acționat de vânt la pompa propriu-zisă să se facă prin sisteme cât mai simple. Cel mai utilizat sistem de acționare al pompei este prin utilizarea mecanismului bielă manivelă, care transformă rotația rotorului pompei într-o mișcare periodică pe direcția unei axe. Mecanismul de transmitere poate fi așezat orizontal sau vertical, abordarea din punct de vedere mecanic fiind similară în ambele cazuri.

a) Vedere din față b) Vedere laterală

Figura 14 Schița mecanismului de transformare a rotației palei în translația pompei (după [DUY80])

Funcționarea unui agregat eolian de pompare trebuie să asigure o transmitere corespunzătoare a energiei vântului până la pompă, acest lucru măsurându-se prin randamentul total de captare al energiei.

În cadrul unui agregat există mai multe sisteme și modalități care duc la pierderea de energie, fiecare din acești factori implicând un randament caracteristic.

Dacă se ține seama însă că energia vântului, după investiția inițială în pompă, se obține gratuit, pompele eoliene actuale devin economice, cu toate aceste neajunsuri și este clar că, dacǎ vor fi utilizate diverse inovații și îmbunǎtǎțiri tehnice, mai ales pentru creșterea randamentului de adaptare, s-ar putea obține o creștere semnificativă a randamentului deci și a energiei obținute, cu beneficii economice corespunzǎtoare.

Clasificarea pompelor

Pompele sunt mașini care realizează creșterea presiunii statice a fluidelor. In general pomparea înseamnă transferul de energie a unui fluid pentru a realiza mișcarea lui dintr-un loc în altul sau pentru creșterea presiunii acestuia, necesară transmiterii energiei prin intermediul lichidului.

1. Volumice

– Alternative (cu piston – disc sau plunjer – si cu membrana);

– Rotative (cu angrenaje – roți dințate – angrenare exterioară sau interioară, melc și roată melcată, șuruburi, cu pistoane profilate, cu o aripă, cu mai multe aripi, cu segment separator, cu palete culisante, cu role, cu stator elastic, cu rotor elastic, cu disc înclinat, cu inel de lichid, cu canal lateral);

– Roto-alternative (cu pistonașe axiale, cu pistonașe radiale);

– Oscilante.

2.Rotodinamice

Centrifuge (radiale, diagonală, cu rotor retras, periferială);

Elicoidale

3.Alte principii

Electromagnetice

Inerțiale (șoc hidraulic, element vibrator)

Fluid motor (ejeor, cu gaz comprimat, pulsometre);

Bandă aderentă;

Elevatoare (cu cupe, cu palete spirale, discuri).

Pompa cu piston, care face parte din categoria de pompe volumice, reprezintă o soluția constructivă unde fenomenul de pompare se bazează pe principiul variației de volum care se obtine prin deplasarea periodică a unui organ mobil, numit piston, în interiorul unor corpuri cu profil corespunzător. Pompa cu piston are o importantă practică deosebită, datorită simplitătii ei, ca urmare a fost mult timp utilizată cu rezultate foarte bune. Deplasarea pistonului poate fi lineara sau circulara, modelul cel mai frecvent utilizat fiind acela în care se utilizează miscarea alternativă, pistonul efectuând periodic curse simetrice în ambele sensuri ale direcției de deplasare.

O astfel de pompă se compune, constructiv dintr-un piston, două supape, o conductă de aspirație și una de refulare. Solutii mai elaborate utilizează camere de aer pentru a realiza uniformizarea debitului și reducerea șocurilor. La o pompă cu piston clasică, supapa de refulare este situată în piston, iar supapa de aspirație în partea inferioară a pompei, uzual deasupra sorbului.

Dacă pistonul și supapa de refulare sunt separate, pompa respectivă se numește pompă plunjer. La această pompă când pistonul se deplasează în jos, supapa de refulare se deschide, supapa de aspirație se închide, debitul este zero și pistonul coboară liber prin coloana de apă. Dacă pistonul se deplasează în sus, supapa de refulare se va închide, supapa de aspirație se va deschide iar apa va fi ridicată (deasupra pistonului) și aspirată (sub piston dacă pompa este situată deasupra nivelului apei) până în momentul în care pistonul se deplasează din nou în jos. Va rezulta un debit de apă pulsator, sinusoidal. Acest tip de pompă se numește pompă cu simplu efect. Există de asemenea pompe cu dublu efect: cu două pistoane care se deplasează în direcții opuse cu un piston și câte două supape de aspirație și de evacuare și pompe diferențiale.

Pompele cu dublu efect au un debit mai uniform putând furniza apă și în perioadele de pauză de la pompele cu simplu efect. La pompele cu dublu efect trebuie să se ia precauții suplimentare referitoare la flambarea tijei de acționare în timpul cursei de coborare.

3.5. Firme producatoare și costuri

Industria mondială, mai ales cea europeană și a SUA, au scos pe piața energiei eoliene aerogeneratoare și aeroturbine care cuprind o gamă foarte largă de puteri, concepte constructive și soluții de completare după destinație, din care utilizatorul ar putea alege varianta optimă pentru condiții meteorlogice concrete și în funcție de destinație.

Analizând piața de aerogeneratoare pe segmente de putere, putem constata particularitățile fiecărei serii de modele. Astfel, firmele spaniole Mode și Dosarollos domina segmentul instalațiilor de până la 500-999 KW, care este deocamdată preponderent printre instalațiile existente în lume. În sfârșit, Enercon-ul și Nordex-ul împart poziția de lider pe segmentul agregatelor mai mari de 1 MW. La momentul actual, cele mai puternice sunt cele din clala 2,5 MW cu diametrul rotorului de 80 m.

Tabelul nr. 1 Firme producatoare de aerogeneratoare mari

In paralel cu piața de agregate eoliene de ordinul megawaților se dezvoltă foarte dinamic și piața instalațiilor de puteri mici, destinate pentru sisteme autonome electrice: pentru iluminat, desalinizare, refrigerare; pompe pentru petrol; pentru alimentare cu apă si irigare, pentru telecomunicații. Cuplate la bornele bateriei de acumulatoare, ele acoperă cu fiabilitate cererea individuală de electricitate a consumatorilor izolați.

Pentru casele neconectate la rețea pe piață pot fi găsite aerogeneratoare de la mai putin de 1 kW până la 10 KW, care pot acoperi necesarul de electricitate de până la câteva mii kwh pe an. Aceste agregate se propun în cuplu cu un sistem de acumulatoare și un regulator de curent, înlocuind cu succes grupuri electrogene poluante. Câțiva dintre cei mai cunoscuți producători ai acestor instalații sunt:firmele franceze vergnet, Travere, SFER, aeroturbine (0,1-30 kW);

firmele americane: Begez Windpower (850 W – 10 kW), Southwest, Windpower (< 1kW) – sisteme cuplate cu module fotovoltaice; Atlantis (0,3-6kw);

firma olandeză LMW (250 W – 10Kw);

firma daneza Windmission (600 W- 4kW) – sisteme adaptate la necesități casnice, etc.

In anul 2000 cifrele de afaceri în domeniul producerii și desfacerii instalațiilor eoliene mici au însumat 680 miloane de euro. Există mai multe firme specializate în elaborarea și fabricarea agregatelor eoliene mecanice: Motzan WindKraftanlangen; Adpum AeroCraft, Vetroen (Rusia) etc.

Tabelul nr 2 Firme producătoare de aerogeneratoare mici

3.6. Criterii privind selectarea amplasamentelor

Cele mai favorabile pentru folosirea energiei vântului sunt amplasamentele cu următoarele condiții meteorologice:

viteza medie anuală a vântului cât mai înaltă – caracteristică de bază care determină producția anuală de enrgie;

turbulența minimă a torentului de aer (variația vitezei și direcției vântului) – ceea ce asigură funcționarea ritmică a agregatelor;

prezența unei direcții dominante a vântului, fapt ce permite o amplasare mai compactă a aerogeneratoarelor, în cazul unor ferme eoliene..

Pe lângă caracteristicile meteorlogice menționate, un rol aproape decisive la selectarea amplasamentului au următorii factori:

existența în apropiere a căilor de transport și a rețelelor electrice;

factorii economici – de exemplu, prețul pământului;

restricțiile ecologice (căi de migrație a păsărilor, rezervații naturale etc) sau cele impuse de securitatea circulației aeriene;

impactul asupra mediului, cum ar fi: zgomotul, deteriorarea landșaftului, perturbații cauzate canalelor de radio și televiziune.

Condițiile favorabile pentru transport și accesul fără mari cheltuieli la rețeaua electrică publică în România sunt asigurate datorită rețelelor foarte dezvoltate de drumuri și linii electrice. Distanța de la oricare eventuale amplasamente până la căile rutiere cu înveliș dur nu depășește, de regulă, 5-6 km.

O eventuală linie electrică de legătură a centralei cu rețelele de 10 kw de asemenea nu va depăși o lungime de 5-10 km. acești factori vor permite diminuarea cheltuielilor la crearea centralelor eoliene.

Remarcăm și faptul că prețul terenurilor utilizate penru viitoarele centrale reprezintă un factor economic important. Din punct de vedere meteorologic, cele mai favorabile sunt crestele sau coastele superioare ale colinelor și dealurilor. Aceste terenuri, de regulă, aride, cu solur sărace, puțin favorabile pentru agricultură, sunt utilizate doar că pășuni. Costul respectivelor terenuri va fi minim, mai ales că, la finalizarea construcției centralei eoliene, fără cheltuieli suplimentare, lor li se poate reda vechea destinație.

În cazul instalațiilor mici criteriile de bază la alegerea amplasamentului sunt:

locul pentru instalarea turbinei trebuie să fie deschis pe o rază de cel puțin 50 de înălțimi ale turnului, împrejurimile urmând să fie degajate;

amplasamentul trebuie să se facă pe coline sau pe dealuri predominante;

e bine că locul ales să fie cât, mai apropiat de utilizatorul de nergie.

Selectarea amplasamentului va fi precedată, în toate cazurile, de un calcul tehnico-economic riguros. Alte recomandări specifice pentru diferite tupuri de utilizatori ai energiei eoliene pot fi găsite în literatura de specialitate

Capitolul 4 Aprecierea analizei economice și a beneficiilor economice ca rezultat al implementării surselor de energie eoliană

4.1. Analiza comparativă a aerogeneratoarelor de producție europeană

Parametrii tehnici a 48 de tipuri de aerogeneratoare cu puterea nominală de până la 2000 kw, fabricate de firme de renume din Europa în acest domeniu, sunt prezentați în urmatorul tabel:

Tabelul nr.1 Parametrii tehnici ai unor aerogeneratoare cu putere nominală până la 2000kW, fabricate în Europa:

Utilizând datele din tabelul anterior și caracteristicile de putere P=f(V), a fost calculată energia care ar putea fi produsă de către aerogeneratorul respectiv într-un an (Wa), în condițiile de vânt ale amplasamentului considerat.

Tabelul nr.2 Potențialul energetic posibil de obținut cu diverse aerogeneratoare pe același amplasament.

Pentru următorul pas al analizei comparative a fost ales criteriul energetic – coeficientul de utilizare a puterii instalate a aerogeneratorului, ku , – calculate cu ajutorul formulei:

Ku = Wa/8760xPn

Potrivit indicatorului Ku, cele mai performante sunt aerogeneratoarele evidențiate anterior dupa indicatorul Ki.

O a treia comparație a fost efectuată în baza criteriului tehnico-economic – investițiile capital specific, care se determină prin urmatoarea formulă:

Is = Iag/Pn

Unde:

– Iag = costul aerogeneratorului, în euro;

– Pn = puterea nominală a aerogeneratorului în kW.

Următorul tabel prezintă rezultatele calculului pentru 7 tipuri de aerogeneratoare, cele mai performante după primii doi indicatori tehnici mentionați. Ultima coloană cuprinde ratingul agregatelor potrivit criteriului Is.

Tabelul nr. 3 Indicatorii tehnico-economici pentru 7 tipuri de aerogeneratoare produse în țările UE.

În baza datelor din tabelele de mai sus, pot fi formulate următoarele concluzii:

Atât indicatorii tehnici, cât și cei economici pentru agregatele cu puterea de 600 – 1200kW sunt aproape identici;

Investiții captale de 1kW putere instalată a aerogeneratoarelor variază în funcție de putere și de firma producătoare, fiind cuprinse în limitele 890-1170 euro/kW și având un preț mediu de 950 euro/kW;

Coeficientul de utilizare a puterii instalate în condițiile de vânt ale amplasamentului examinat este suficient de înalt (până la 0.4222);

Calculele de argumentare tehnico-economică a proiectelor de implementare a centralelor eoliene în România urmează a fi efectuate utilizând trei tipuri sintetice de aerogeneratoare cu puterea nominală de 250, 600 și 1000 kW, ai căror parametrii și indicatori tehnico-economici sunt prezentați în următorul tabel și corespund agregatelor cu cele mai bune performanțe în clasa respectivă de putere.

Tabelul nr.4 Aerogeneratoare sintetice: parametrii tehnici

4.2. Indicatorii economici a proiectelor de investiții în construcția centralelor eoliene

Calculul indicatorilor economici se va efectua folosind metoda generală de apreciere a eficienței economice, utilizată în țările cu economie de piață, precum și unele recomandări importante privind estimarea proiectelor de investiții în construcția obiectivelor energetic bazate pe sisteme de energie regenerabilă.

Pentru a demonstra eficienta economică a proiectului de investiții este necesar să efectuăm o analiză de tipul cost-beneficiu, prin care, în cele din urmă, sunt puse pe cântar toate eforturile financiare (costurile) prevăzute în proeict, pe de o parte, și toate efectele (beneficiile) ce vor rezulta din implementarea acestuia – pe de altă parte. În aceste condiții, proiectul merită a fi implementat doar în situația în care efectele așteptate depășesc eforturile realizate, adică atunci când există un effect net pozitiv. Această cerință reprezintă condiția generală de fezabilitate economică a proiectului de investiții.

În literartura economică eforturile realizate în cadrul unui proiect sunt identificate cu cheltuielile totale pe durata de viață a proeictului, efectele – cu venitul brut global, iar efectul net – cu venitul net.

Ținând cont de necesitatea actualizării eforturilor și efectelor, conform celor expuse mai susm putem scrie:

VNA = VTA – CTA , unde:

VNA – reprezintă venitul net actualizat, obținut pe durata pentru care este prevăzut studiul;

VTA – venitul brut global actualizat;

CTA – cheltuielile totale actualizate.

Un proiect se va considera avantajos în cazul în care venitul global VTA depășește cheltuieile effectuate CTA, ceea ce înseamnă că venitul net actualizat, obținut în urma producerii energiei pe durata de studio este pozitiv – VNA > 0.

Relațiile de mai sus precizează condiția generală de fezabilitate.

Evaluarea eforturilor și efectelor, iar ulterior – compararea acestora – presupune luarea în considerație a unor factori, precum sunt:

Eforturile și efectele determinate pentru o perioadă îndelungată de timp Ts, cunoscută ca perioada de studio sau perioada de analiza care, de regulă, este egală cu durata normată de viață a instalațiilor, Ts = 15-20 de ani;

Atât eforturile, cât și efectele globale pentru perioada de studio trebuie să fie actualizate (raportate la un moment de timp, de regulă, actual) la o rata, ce urmează a fi stabilită;

Calculul beneficiului care, în cazul examinat, reprezintă valoarea monetară a energiei electrice ce urmează a fi stabilită;

Previziunile pe un termen de mai mulți ani conțin erori semnificative. În aceste condiții, efectele ce vor rezulta vor fi niște mărimi cu un grad avansat de incertitudine – ceea ce face că, pe de o parte, calculele să fie mai laborioase, iar, pe de altă parte, ca luare a deciziei finale să fie mai dificilă.

Luând în calcul respctivele considerente, analiza proiectelor de acest gen se efectuează folosind un număr maxim de indicatori.

Analiza cost-beneficiu ține de un domeniu mai larg – cel al eficienței investițiilor, care, în general, este catacterizată de un sistem de indicatori, precum: venitul net actualizat; rata internă de rentabilitate; cheltuielile totale actualizate și durata de recuperare, etc.

În cazul unui sistem de producere a energiei regenerabile, la acești indicatori se mai adaugă și alții, specifici domeniului, cum sunt: volumul energiei regenerabile produse, prețul de cost al acestuia, continuitatea producerii energiei.

O investiție, de regulă, se face cu scopul de a obține profit. Din acest punct de vedere, profitabilitatea reprezintă cel mai important aspect al proiectului de investiții. Profitabilitatea se măsoară prin intermediul al câtorva indicatori, inclusiv venitul net actualizat (VNA) pentru durata desfășurării proiectului.

Venitul net actualizat și beneficial anual reprezintă acea parte a veniturilor totale, obține pe parcursul anului (venit brut), rămasă după excluderea tuturor cheltuielilor efectuate în anul respectiv. Pentru oarecare an t al perioadei de studiu:

VNt = Vt – CTt , unde:

VNt – reprezintă venitul net estimat a fi obținut în anul t;

Vt – venitul brut estimat pentru anul t;

CTt – cheltuielile totale estimate pentru anul t, ce includ cheltuielile de investiții It și de exploatare Ct , exclusiv amortismentele.

Astfel, CTt=It + Ct.

Pentru o sursă de energie venitul brut Vt, reprezintă costul obținut în urma producerii energiei:

Vt=Wt /Cw , unde

Wt – volumul energiei produse în anul t;

Cw – costul de oportunitate al unui kWh de energie produsă.

Venitul net actualizat (VNA) pentru perioada de studiu (Ts ) se determina prin totalizarea veniturilor nete anuale actualizate.

Venitul net actualizat poate fi calculat că diferența a venitului total actualizat (VTA) și a cheltuielilor totale actualizate (CTA):

VNA=VTA-CTA

Venitul net actualizat este unul dintre cei mai importanți indicatori de eficienta economică a investițiilor. Realizarea unui profit cât mai mare este, de regulă, criteriul prioritar în alegerea soluției optime.

Rentabilitatea. Actualizarea cheltuielilor și veniturilor presupune utilizarea unei valori predeterminate a ratei și de actualizare, ce mai are și o altă semnificație – ea reprezintă un indicator de eficienta economică numit Rata Internă de Rentabilitate (RIR).

Rata internă de rentabilitate a unui proiect economic exprima acea valoare a ratei care egalează valorile actualizate ale veniturilor și cheltuielilor totale pentru întreaga perioadă de studiu fiind determinată prin ecuația:

VNA /(RIR)=0.

În condiții concrete, când Vt=const; Ct=const, iar investițiile capitale se efectuează într-un an, la începutul perioadei de analiza, RIR se va determina prin metoda probelor consecutive:

Durata de recuperare sau termenul de recuperare a investițiilor Trec este un indicator care exprimă numărul de ani în care investiția realizată poate fi redobândita din profitul obținut în urma funcționarii capacităților de producție.

Pentru cazul tipic al unui proiect de implementare a surselor de energie eoliană durata de recuperare a investițiilor se determină din formula:

I/VN = 1 – (1+i)/i

Construcția unui obiectiv este justificată atunci, când durata de recuperare a investițiilor este sub nivelul duratei medii de recuperare în sectorul energetic.

Prețul de cost al energiei electrice livrate este indicatorul determinant de eficienșa economică al unei surse de energie. În studiul de fezabilitate acest indicator se calculează prin raportarea cheltuielilor totale actualizate la volumul energiei produse:

Cw = CTA/Wact , unde:

CTA – reprezintă cheltuielile totale (investiția efectuată plus cheltuielile de producție) actualizate pe durata de viață a instalației;

Wact – volumul total actualizat al energiei produsă în această perioadă.

În cazul în care volumul energiei produse nu variază de la an la an și este egală cu Wan, se poate scrie următoarea relație:

Cw = CTA/Wact , unde:

CA include amortismentele anuale (A), costul anual al împrumutului bancar investițional (Ia) și cheltuielile anuale de producer.

În cazul surselor de energie regenerabilă ce nu presupun cheltuieli pentru combustibil formula de calcul al costului 1 kWh energie electrică devine:

Cw=Is+(Ee +E)/Tm , unde:

Is – investiția specifică în SER;

E e- coeficientul de rambursare a investițiilor:

Ec = i/1-(1+i)

E – cheltuieli de întreținere și reparații, raportate la valoarea investiției;

Tm – durata de utilizare a puterii nominale a instalației, (Tm=8760 ku), în ore;

ku – coeficientul de utilizare a puterii nominale a aerogeneratorului.

4.3. Investiții capitale în construcția centralei eoliene

A) Structura investițiilor capitale

Investitiile capitale în construcția unei centrale eoliene constau din două componente de bază: costul aerogeneratoarelor și costul infrastructurii inginerești care asigură funcționarea acestora. Costul aerogeneratoarelor corespunde prețului cu care acestea se vând la uzină și nu includ costul construcțiilor inginerești, al utilajului electric suplimentar și al lucrărilor de montare, ajustare și conectare la rețea. Cheltuielile menționate și cele care țin de proiectarea și managementul construcției se includ, de regulă, în costul infrastructurii inginerești.

B) Costul aerogeneratoarelor

Prețurile de livrare ale aerogeneratoarelor, spicuite din listele de prețuri ale firmelor producătoare, pentru diferite tipuri de agregate au fost prezentate în tabelul anterior. Din acest tabel se poate observa că costul unui kW de putere instalată a aerogeneratorului constituie de la 890 până la 1170 euro. În calculele ce urmează se vor utiliza costurile stabilite pentru aerogeneratoarele sintetice din tabelul anterior

Costurile lucrărilor de transportare a aerogeneratoarelor de la fabrică la locul de instalare, de montaj și ajustare al acestora, de dare în exploatare și întreținere pe parcursul termenului de garanție sunt stabilite de firma producătoare, de regulă, sub formă de procente calculate din costul aerogeneratoarelor.

C) Costul infrastructurii inginerești

Lucrarile de construcție includ:

construcția fundațiilor;

construcția și completarea punctului (centrului) de comandă;

construcția căilor de acces și comunicații.

Costul infrastructurii electrice include:

costul posturilor de reglare a tensiunii;

costul liniei electrice de 10 kW de legătură cu rețeaua publică;

montarea cablurilor de putere și a celor de comandă.

Costul lucrărilor de proiectare, asigurare inginerească și de management al construcției include de asemenea cheltuielile pentru:

investigații geologice ale terenului și efectuarea unui studiu;

investigații, inclusiv experimentale, privind potențialul energetic eolian în zona amplasamentului;

preproiectarea și proiectarea centralei.

Cheltuielile legate de crearea infrastructurii ingineresti sunt estimate la etapa de proiectare a centralei prin elaborarea devizului constructiei, tinând cont de condiþiile locale, inclusiv de pretul fortei de muncã.

Pentru aprecieri tehnico-economice se utilizeaza, de regula, rezultatele generalizate dupa prototip. Costul total al lucrarilor de proiectare si construcþie, precum si al utilajelor centralei eoliene (cu exceptia aerogeneratoarelor) se apreciaza la 15 – 30% din costul total al centralei.

În cazul Romaniei poate fi acceptata cifra minima de 15%, dat fiind costul redus al fortei de munca si luând în consideratie faptul ca atât lungimea cailor de acces, cât si cea a liniilor de conectare la reteaua publica a eventualelor centrale eoliene va fi mica (<10 km) drept urmare a faptului ca retelele de drumuri si cele electrice în tara sunt destul de dezvoltate.

D) Exemplu de calcul

Se considera o centrala eoliana cu puterea nominala de 3 MW. Se examineaza trei variante de utilare cu aerogeneratoare:

Varianta 1: 12 aerogeneratoare AG1 cu PN=250 kW;

Varianta 2: 5 aerogeneratoare AG2 cu PN=600 kW;

Varianta 3: 3 aerogeneratoare AG3 cu PN=1000 kW.

Calculele sunt prezentate în tabelul urmator:.

Tabelul 5. Costul componentelor investitiilor capitale în constructia unei centrale eoliene de 3 MW.

Rezultatele obținute se află în deplină concordanță cu costurile, privind structura investițiilor capitale.

4.4. Estimarea cheltuielilor curente

La producerea energiei electrice cheltuielile curente includ:

costul combustibilului (în cazul centralelor eoliene acesta nu se utilizează);

mijloacele financiare necesare pentru deservire și reparații;

cheltuielile bancare (plata dobânzii bancare), pentru arenda pamântului (amplasamentul).

De regulă, la aprecierea prealabilă a eficienței economice a centralelor eoliene se recomandă o rată anuală a cheltuielilor de întreținere și reparație la nivelul de 1-2% din costul investițiilor capitale în construcția centralei.

În cheltuielile de exploatare și întreținere sunt apreciate la nivel de 25 euro/kW/an în cazul instalațiilor de 200 kW și de cca 15 euro/kW/an pentru mașini de 500 kW. În ambele cazuri, se obțin rezultate cvasi identice.

4.5. Evaluarea eficienței economice a centralelor eoliene în condițiile României

Mai mulți factori ne fac să credem că, în conditiile României, o raspândire mai mare vor avea centralele eoliene relativ mici, cu puterea instalată de 3-8 MW. Printre acești factori poate fi numit, în primul rând, cel financiar.

Va fi greu de investit o singură dată mai mult de 10 milioane euro din împrumuturi externe sau din acumulări interne. Un alt factor poate fi repartizarea uniformă a utilizatorilor cu puterea instalată relativ mică. Dacă dorim să obținem cel mai mare efect de la energetica eoliană, centralele trebuie să fie amplasate în imediata vecinătate a consumatorilor.

În tabelul anterior sunt prezentate rezultatele calculelor indicatorilor economici pentru o eventuală centrală eoliană construită. Se examinează trei variante de dotare a centralei cu aerogeneratoare. Calculele au fost efectuate presupunând ca durata de viață a utilajelor principale TS=15 ani; rata de actualizare i=0,1 – tipică pentru obiective energetice; rata cheltuielilor anuale pentru exploatare și reparații aE=0,01 din investițiile capitale.

În aceste condiții, costul de producere al energiei electrice va constitui 0,0508 – 0,067 euro/kWh în funcție de varianta de completare cu aerogeneratoare.

Se poate observa că eficacitatea cea mai înaltă se obține în cazul utilizării aerogeneratoarelor cu puterea nominală de 0,6 MW fiecare, urmate de generatoarele de 1 MW. Investițiile capitale în acest caz sunt maxime, dar datorită volumului mai mare de energie produsă anual prețul de cost al energiei electrice este mai mic.

Variantele de calcul 2 si 3 nu diferă cu mult după toți indicatorii economici. Este cunoscut faptul că la stabilirea prețului de cumpărare și a tarifelor de livrare a energiei electrice se iau în considerație mai mulți factori, inclusiv sociali și politici.

Asupra prețului de cumpărare va influența mult și factorul de timp. De exemplu, în majoritatea țărilor se operează majorări esențiale (pâna la 30%) dacă energia se produce în orele de vârf și în lunile de sarcină maximă (decembrie – februarie). Viteze mai mari ale vântului se înregistrează între orele 7-9 dimineața și între 14-18 post meridian; cea mai mare intensitate a vântului se observă în lunile ianuarie–februarie, adică tocmai în perioada în care cererea de energie este maximă.

Tabelul nr. 6 Rezultatele calculelor indicatorilor economici pentru o centrală eoliană de 3MW

Un factor foarte important, care ar putea determina firmele distribuitoare de energie electrică să accepte cumpărarea energiei electrice de la centrale eoliene la un preț mai ridicat este amplasarea acestora în nemijlocita vecinătate de consumatorii ce se află la o mare distanță de centralele termoelectrice. Dacă, de exemplu, se va lua decizia de a construi centrale eoliene la sudul țării și, respectiv la nord, aceste centrale ar acoperi o parte importantă din cererea de energie a orășelelor și satelor din aceste regiuni. La o eventuală introducere în prețuri a costurilor externale pentru energia electrică provenită de la centrale termoelectrice pe cărbune, gaze naturale sau petrol, producerea energiei electrice la centrale eoliene ar fi mai rentabilă în comparație cu cea obținută la termocentrale.

Tabelul nr.7 Costuri externale la producerea energiei electrice utilizând diferite tipuri de combustibili fosili, fisiunea nucleară și SER, în eurocenți/kWh

Concluzii

În ultimii 20 de ani, Uniunea Europeană a fost preocupată în permanență de promovarea energiei verzi. Astfel, chiar în Tratatul de la Maastricht s-a stabilit ca obiectiv stimularea unei creșteri durabile, protejând în același timp mediul înconjurător. Tratatul de la Amsterdam a adăugat principiul dezvoltării durabile la obiectivele UE. Suplimentar, Comisia Europeană propus la 3 martie 2010 “ Strategia Europa 2020” ca o agendă pe 10 ani, pentru dezvoltarea economică și socială a Uniunii Europene. Această strategie are ca scop, “o creștere inteligentă, durabilă și favorabilă incluziunii", cu o mai mare coordonare a politicilor naționale și europene. Strategia promovează reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu cel puțin 20%, față de nivelurile din 1990 sau cu 30%, dacă există condiții favorabile, și creșterea ponderii energiei din surse regenerabile în consumul final de energie până la 20%, pentru a atinge o creștere cu 20% a eficienței energetice.

România dispune de o gamă diversificată, dar redusă cantitativ, de resurse de energie primară fosile și minerale: țiței, gaze naturale, cărbune, minereu de uraniu, precum și de un important potențial valorificabil de resurse regenerabile.

Dezvoltarea economică, structura economică și măsurile de eficiență energetică reprezintă principalii factori de influență ai consumului intern de energie primară. Principala restricție este cea a caracterului limitat al resurselor interne de combustibili fosili și a tendințelor de scădere a producției interne, ceea ce conduce la creșterea dependenței țării de importurile de energie primară. Datorită rezervelor limitate de resurse de energie primară, în România producția internă de energie a rămas practic constantă la valoarea de circa 27- 28 mil. tep. Fără aportul surselor regenerabile de energie această valoare va scădea treptat în următorii ani.

În Europa există două sisteme de promovare a utilizării energiei regenerabile. Un sistem este reprezentat de aplicarea pe o perioadă de 15 ani a unui preț fix al energiei regenerabile, care permite investitorului să-și facă planuri de afaceri, să încheie contracte pe termen lung. Celalalt sistem constă în aplicarea unui tarif variabil, dar care este completat cu un sistem de tranzacționare prin mecanisme de piațã a certificatelor verzi.

Industria mondială, mai ales cea europeană și a SUA, au scos pe piața energiei eoliene aerogeneratoare și aeroturbine care cuprind o gamă foarte largă de puteri, concepte constructive și soluții de completare după destinație, din care utilizatorul ar putea alege varianta optimă pentru condiții meteorlogice concrete și în funcție de destinație.

Analizând piața de aerogeneratoare pe segmente de putere, putem constata particularitățile fiecărei serii de modele. Astfel, firmele spaniole Mode și Dosarollos domina segmentul instalațiilor de până la 500-999 KW, care este deocamdată preponderent printre instalațiile existente în lume. În sfârșit, Enercon-ul și Nordex-ul împart poziția de lider pe segmentul agregatelor mai mari de 1 MW. La momentul actual, cele mai puternice sunt cele din clala 2,5 MW cu diametrul rotorului de 80 m.

In paralel cu piața de agregate eoliene de ordinul megawaților se dezvoltă foarte dinamic și piața instalațiilor de puteri mici, destinate pentru sisteme autonome electrice: pentru iluminat, desalinizare, refrigerare; pompe pentru petrol; pentru alimentare cu apă si irigare, pentru telecomunicații. Cuplate la bornele bateriei de acumulatoare, ele acoperă cu fiabilitate cererea individuală de electricitate a consumatorilor izolați.

In anul 2000 cifrele de afaceri în domeniul producerii și desfacerii instalațiilor eoliene mici au însumat 680 miloane de euro. Există mai multe firme specializate în elaborarea și fabricarea agregatelor eoliene mecanice: Motzan WindKraftanlangen; Adpum AeroCraft, Vetroen (Rusia) etc.

In urma studiului de caz efectuat au rezultat urmatoarele aspecte:

Atât indicatorii tehnici, cât și cei economici pentru agregatele cu puterea de 600 – 1200kW sunt aproape identici;

Investiții captale de 1kW putere instalată a aerogeneratoarelor variază în funcție de putere și de firma producătoare, fiind cuprinse în limitele 890-1170 euro/kW și având un preț mediu de 950 euro/kW;

Coeficientul de utilizare a puterii instalate în condițiile de vânt ale amplasamentului examinat este suficient de înalt (până la 0.4222);

Calculele de argumentare tehnico-economică a proiectelor de implementare a centralelor eoliene în România urmează a fi efectuate utilizând trei tipuri sintetice de aerogeneratoare cu puterea nominală de 250, 600 și 1000 kW, ai căror parametrii și indicatori tehnico-economici sunt prezentați în următorul tabel și corespund agregatelor cu cele mai bune performanțe în clasa respectivă de putere.

În urma calculelor efectuate asupra indicatorilor economici pentru o eventuală centrală eoliană construită, a fost necesara examinarea a trei variante de dotare a centralei cu aerogeneratoare. Calculele au fost efectuate presupunând ca durata de viață a utilajelor principale TS=15 ani; rata de actualizare i=0,1 – tipică pentru obiective energetice; rata cheltuielilor anuale pentru exploatare și reparații aE=0,01 din investițiile capitale.

În aceste condiții, costul de producere al energiei electrice va constitui 0,0508 – 0,067 euro/kWh în funcție de varianta de completare cu aerogeneratoare.

In urma rezultatelor obtinute am putut observa faptul că eficacitatea cea mai înaltă se obține în cazul utilizării aerogeneratoarelor cu puterea nominală de 0,6 MW fiecare, urmate de generatoarele de 1 MW. Investițiile capitale în acest caz sunt maxime, dar datorită volumului mai mare de energie produsă anual prețul de cost al energiei electrice este mai mic.

Un factor foarte important, care ar putea determina firmele distribuitoare de energie electrică să accepte cumpărarea energiei electrice de la centrale eoliene la un preț mai ridicat este amplasarea acestora în nemijlocita vecinătate de consumatorii ce se află la o mare distanță de centralele termoelectrice. Dacă, de exemplu, se va lua decizia de a construi centrale eoliene la sudul țării și, respectiv la nord, aceste centrale ar acoperi o parte importantă din cererea de energie a orășelelor și satelor din aceste regiuni. La o eventuală introducere în prețuri a costurilor externale pentru energia electrică provenită de la centrale termoelectrice pe cărbune, gaze naturale sau petrol, producerea energiei electrice la centrale eoliene ar fi mai rentabilă în comparație cu cea obținută la termocentrale.

Bibliografie

ABBOTT, I.H., VON DOENHOFF, A., „Theory of wing sections. (Including a summary of airfoil data), „General Publishing Company Ltd., Canada, 1959.

ADEME, Les enjeux de long terme de la maîtrise de l`énergie, Paris 2003-05-11.

ADEME, Les enjeux « renouvelable » du débat national sur l`énergie, Paris, 2003. Cazan, G., Eficiența energetică a clădirilor și calitatea mediului interior. În: Știință și Inginerie, vol. 15, Editura AGIR, București, 2009.

AKIO Toba , Thomas A. Lipo: „ Generic Torque-Maximizing Design Methodology of Permanent Magnet Vernier Machine”, IEEE 1999.

ALDOSS T.K., Obeidat K.M.. Performance analysis of two Savonius rotors running side by side using the discrete vortex method. Wind Eng, 1987.

ALEONTE M., C.COFARU, R.COSGAREA, M.L.SCUTARU, L.JELENSCHI, G.SANDU – “Experimental Researches of fulling systems and alcool blends on Combustions and emission in a two strocke si engine”, 12th WSEAS of International Conference on Automation & Information Transilvania University of Brasov, Aprilie 11-13, 2011.

ANDRE GERARG SCHELLEKENS : Brevet de Invenție , UK.

ANTON L, BAVA A, Hidraulică și masini hidraulice, Vol. I, II, Ed. Mirton, Timișoara, 1994, 1995.

AMASI L. – “Studiul adaptării la condițiile de amplasament a pompelor eoliene” Referat doctorat nr.1, Universitatea Politehnica Timisoara, Catedra de Masini Hidraulice, 1996.

ARNOLD, V.I., Ecuații diferențiale ordinare. Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1973.

ARNOLD, V.I., Metodele matematice ale mecanicii clasice. Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1980. Alexandru Baya, Centrale și statii de pompare, București 1990.

T. AMBROS, I. Sobor ș.a, Surse regenerabile de energie, Chisinău 1999.

ALEXANDRU BAVA, Centrale și statii de pompare, București 1990.

BALA M, Constructii hidrotehnice și centrale hidroelectrice, Vol. II E.D.P. București 1967 Sultanov Iu.I., Riger P.N. “Exploatation experience and possibilities of increasing.

BALA C., Mircea Ignat, Victor Stoica „Aspecte privind realizarea unor generatoare sincrone în gama 5- 10 kw pentru energie eoliană” INCDIE ICPE-CA (Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică).

BALINT, D. I., „Metode numerice de calcul al câmpurilor tridim în distribuitorul și rotorul turbinei Kaplan, 2007.

BANDOC, G., DEGERATU, M., „Instalații și echipamente pentru utilizarea energiei mecanice nepoluante . Utilizarea energiei vântului” Editura Matrix Rom, București, 2007.

BOSTAN I., DULGHERU V., Sisteme de conversie a energiilor regenerabile, Ed. Tehnică – Info.

BRAG J.M. , SGHMIDT W.L. –“ Performance Matching and Optimization of Wind Powered Water Pumping“ , Energy Conversion, vol 19, Perjamon Press, Oxford, 1979.

CAZAN, G., Crearea și menținerea avantajului competitiv prin strategii ofensive. În: Știință și Inginerie, vol. 15, Editura AGIR, București, 2009.

CAZAN, G., Surse regenerabile de energie și dezvoltare energetică durabilă. În: Știință și Inginerie, vol. 17, Editura AGIR, București, 2010.

CAZAN, G., Energiile regenerabile și încălzirea clădirilor. În: Știință și Inginerie, vol. 17, Editura AGIR, București, 2010.

R.COSGAREA, C.Cofaru, M.Aleonte, M.L.Scutaru, L.Jelenschi, G.Sandu –An approach for modeling the valve train systemto control the homogeneous combustion in a compression ignition engine, 12th WSEAS of International Conference on Automation & Information Transilvania University of Brasov, Aprilie 11-13, 2011.

DELIU Gh., Secara E., Macovei M., – Regimul aerodinamic al palelor de turbină eoliană cu ax vertical” , Buletinul Universității Petrol-Gaze Ploiești, Vol.LI-1999, Nr.1.

DELIU Gh., Secară E., Macovei M., -„Legea optimă de variație a unghiului de orientare a palelor la turbine eoliene verticale”, Buletinul Universității Petrol-Gaze Ploiești, Vol.LI-1999, Nr.1.

DELIU Gh., Cotoros D., Popescu R., – “ Analysis and Synthesis of a Plane Mechanism used in Industrial Aplication”, al VII-lea Simpozion național cu participare internațională PRASIC’02, Brașov, 7-8 Noiembrie 2002, Vol.I, Editura Universității Transilvania.

DELIU Gh., – Mecanica. Ed. Albastra, Cluj-Napoca, 2003.

Deliu Gh., Vlase S., Deliu M., – “ A Study and an Optimization of a Plane Mechanism used in Industrial Applications”, INTERANTIONAL CONFERENCE ON ADAPTIVE MODELLING &SIMULATION, ADMOS 2003, 29 September – 1 October, 2003, Book of Abstracts, Goteborg,

DELIU Gh., Vlase S., – “Lanț cinematic închis prin inerție”, Annals of the University of Oradea, IMT Oradea, 26-27 mai 2005.

DELIU M, Deliu Gh., – “A simple Method to Estimate the Wind Potential os a Region”, RECENT, Vol.8, nr.2 (20), Iulie 2007.

DELIU M, Deliu Gh., – “ On the Statistical Aspect of the Wind potential of a Land Zone”, Proceeding of the 4th ICCEMS, 25-26 October 2007, RECENT, Vol.8., nr.3a (21a) November, 2007.

D. HADJIJI, Y. Aït-Amirat, A. Miraoui, J-M. Kauffmann:” Modelling and Simulation of a New In-Wheel Motor”, EPE Lausanne 1999.

DEMETER Elek, Cistelecan Mihail, Nițiguș Victor, Popescu Mihail. “Motor electric de curent alternativ cu magneți permanenți“Brevet RO-118 348.

HUTH G.: “Permanent magnet excited AC servo motors in tooth-coil technology”, IEEE Trans. On EC, Vol.30, No.2, 2005,.

DORA R.I., Designul si opimizarea turbinelor eoliene cu ax vertical, de mica putere, implementabile in mediul urban, Brasov, 2014

P.S. FAGARAS (Haba), M.L. SCUTARU, I. BURCA, M.V. MUNTEANU – „Mechanical models for the virtual analysis of the mechanical systems- Part II”, 4th International Conference Advanced Composite Materials Engineerings COMAT 2012, 18-20 Oct. Brasov, 2012

V.GHEORGHE, M.Lihtețchi, M.L.Scutaru, C.Cofaru, S.Vlase – Test of steering boxes with change hydraulic reaction, The. 4th International Conference, “Computational Mechanics and Virtual Engineering”COMEC 2011, 20-22 Octombrie, Brasov

Le GOURIERES D. Énergie éolienne. Eyrolles; Paris; 1980.

GODFREY Bozle , Renewable Energy, Power for a sustainable future, 2004.

GODFREY Bozle , Renewable Energy, Power for a sustainable future, 2004.

J.F. LIBRE, D. Matt: "Vernier reluctance magnet machine for electric vehicle" Congrès ICEM, Paris, septembre 1994.

J.F. LIBRE, D. Matt: "A cylindrical vernier reluctance permanent-magnet machine." Electromotion, vol. 5, n°1, 1998.

D. HADJIJI, Y. Aït-Amirat, A. Miraoui, J-M. Kauffmann:” Modelling and Simulation of a New In-Wheel Motor”, EPE Lausanne 1999.

DEMETER Elek, Cistelecan Mihail, Nițiguș Victor, Popescu Mihail. “Motor electric de curent alternativ cu magneți permanenți“Brevet RO-118 348

HUTH G.: “Permanent magnet excited AC servo motors in tooth-coil technology”, IEEE Trans. On EC, Vol.30, No.2, 2005.

MELCESCU L., Contribuții la studiul câmpului magnetic în mașinile sincrone cu magneți permanenți, teză de doctorat, Univ. POLITEHNICA București, 2006

Gh.M. MIHAIESCU, W. Kappel, S. Nicolae, M. Hondrea (ICPE-CA), M. Cazacu Hidrogeneratoare de mică putere (UPB), C. Berar (BERIMPEX SRL), ,Atelierul Actualități și perspective în domeniul Mașinilor Electrice, ICPE-ME, București, 4 noiembrie 2004.

M. MOMARLAN, L. Mureșan, A. A. M. Sayigh, T. N. Veziroglu, Renewable Energy: Renewable Energy, Energy Efficiency and the Environment, 2, 1258 (1996) .

M.L.SCUTARU, E.SECARA, I.ENESCU, R.Purcarea, C.Ambruș – “Finit element analisys of a shell element with a general tree-dimension motion, The. 4th International Conference, “ Bauquis, P.R., Un point de vue sur les besoins et les approvisionnements en énergie a l`horizons 2050, Revue de l`Energie, nr.509, 1999.

SCUTARU M.L., TEODORESCU –DRAGHICESCU H., VLASE S.,- Mecanica Tehnică, Editura Infomarket, 2009.

VASILE Marina, Mecanica rațională, Vol.I, Editura Tehnica-Info, 2011.

T. N. VEZIROGLU, International Journal of Hydrogen Energy, 2000.