Cap1 Introducere [622719]

1. INTRODUCERE

1.1. Generalități

Folosirea intensă a combustibililor clasici (cărbunele, petrolul și gazele
naturale) ca surse de energie, a dus pe de o parte la diminuarea îngrijorătore a
zăcămintelor cu perspectiva ca aceste să se epuizeze într -un timp relativ scurt, iar
pe de altă parte arderea acestor combustibili a condus la o poluare puternică a
mediului înconjurător. La nivel global, î ntre anii 1970 și 2004 a avut loc cea mai
mare creștere a emisiilor de CO 2, în sectorul energetic, de 145%, urmat de
sectorul transporturi cu 120% [Strategia2012], [Gheorghe2011], [***CNRCME] .
Ca urmare, se impune adoptarea unor măsuri care să contribuie la
reducerea emisiilor de CO 2, astfel încât concentrația maximă de CO 2 în atmosferă
să nu depășească nivelul de la care fenomenul de încălzire globală poate genera
modificări ireversibile ale climei [***Directiva 2004/35/CE ].
Diminuarea consumului de combustibi li clasici conduce la creșterea
intervalului de timp până când acestea se vor epuiza și totodată la îmbunătățirea
condițiilor de viață pe pământ. Unul din e fectele poluării mediului înconjurător
const ă într-o încălzire globală tot mai accentuată a pământului .
Schimbări le climatice tot mai dramatice , provocate de poluarea excesivă a
mediului înconjurător devin ireversibile și pot conduce la cataclisme . Din acest
motiv la nivelul Uniun ii Europen e, implicit în toate statele membre , s-au adopta t
măsuri care să conducă la reducerea poluării aerului și în special a emisiilor de
gaze cu efect de seră [Directiva 2004/35/CE ], [ Directiva 2008/99/CE],
[***Directiva 97/68/CE], [Directiva 2010/26/UE], [Directiva 2010/75/UE],
[Directiva 2008/1/CE].
Consiliul Eur opei a stabilit ca până în anul 2020 să fie reduse emisiile cu
gaze ce au efect de seră cu 20% față de nivelul anului 1990. Acest obiectiv poate
fi atins prin creșterea ponder ii surselor de energie regenerabilă în total producție
energie electrică până la 20% și prin reduc erea consumului de combustibili clasici
în producția de energie electrică cu 20%. Uniunea Europeană a adoptat, prin
Comisia Europeană, în octombrie 2009 Planul Strategic European pentru
Tehnologiile Energetice – Către un viitor cu emisii reduse de carbon.
În această strategie se propune dezvoltarea tehnologiilor energetice
nepoluante, utilizarea surselor regenerabile de energie, creșterea eficienței
energetice, reducerea emisiilor de bioxid de carbon. Aceste măsuri sunt foarte
importante pentru industria e nergetică deoarece aceasta generează aproximativ
80% totalitatea gazelor cu efect de seră [Nicolescu2013] .
În fig ura 1.1 sunt prezentate obiectivele țărilor membre ale Uniunii
Europene privind ponderea pe care sursele de energie cu energie regenerabilă să
reprezinte în total producție de energie electrică la nivelul anului 2020
comparativ cu anul 2011. Din această diagramă se constată că în România
ponderea surselor regenerabile de energie în total producție de energie electrică
depășește obiectivul imp us pentru anul 2020. În această situație mai sunt opt

18 Introducere – 1
țări europene. România este din acest punct de vedere peste media europeană și
la nivelul anului 2011.
În anul 1992, în cadrul Conferinței de la Rio, a fost discutată, pentru prima
dată, de Organizația Națiunilor Unite problema schimbărilor climatice, iar ca
urmare a acestei dezbateri, s -a înființat Secretariatul la Convenția Cadru a
Națiunilor Unite pentru Schimbări Climatice (UNFCCC).
Mai apoi în anul 1997, o serie de state au semnat Protocolul de la Kyoto
(PK), al cărui obiectiv principal o reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect
de seră (GHG) [ANRE2013], [Plan2013], [INSB2013]. Programul de utilizare a
surselor regenerabile de energie se înscrie în cerințele de mediu asumate prin
Protocolul de la Kyoto la Convenția – Cadru a ONU asupra schimbărilor climatice,
adoptată în 11.12.1997 și ratificată de România prin legea nr.3/2001, respectiv de
UE în baza documentului 2002/358/CE.

Figura1.1 Obiectivul UE pentru 2020 (Sursa: Comisia Europeană) [***ECEUROPA]
Uniunea Europeană promove ază și susțin e proiecte de cercetare inovativ e,
proiecte care să promoveze consumul și producția “inteligentă” de energie ,
eficiența energetică, îndeosebi în zonele cu cei mai mari consumatori -zonele
urbane; prin îmbunătățirea tehnologiilor de stocare a energiei electrice (pentru a
utiliza mai larg energia solară și eoliană) , prin încurajare a producerii de noi tipuri
de biocombustibili , prin încurajarea implementării rețele lor electrice inteligente
(care pot distri bui energia electrică în funcție de consum ul necesar la un moment
dat). În acest demer s al Uniunii Europene se încadrează și cercetările privind
implementare unor centrale termo -electrice cu lentile Fresnel și motoare Stirling
[INSR2013] .
Începând cu anul 1989, în România, în urma activităților economice și
sociale desfășurate, s -a diminuat cantitatea de emisii poluante a mediului
înconjurător. Cea mai puternică scădere s -a înregistrat în perioada 1989 -1994 ( –
39,4%) ca urmare a declinului industriei și a altor activități. Un alt moment
important , din punct de vedere al emisiilor de bioxid de carbon, a fost anul 2009,
când datorită efectelor crizei economice, emisiile de gaze cu efect de seră s -a
diminuat cu -15,8% comparativ cu anul anterior [Raport2013] .

1.1 Generalități 19
Uniunea Europeană este preocupată de promovarea energiilor verzi pe
termen lung, și în acest sens, se dorește ca până în 2020, 20% din consumul final
de energie primară să rezulte din surse regenerabile. În anul 2011 , energia
regenerabilă reprezintă aproxi mativ 8,5% din totalul energiei utilizate la nivelul
Uniunii Europene, prin urmare aceste obiective ambițioase necesită efort susținut
constant din partea fiecărui stat membru al Uniunii Europene, inclusiv România,
[Strategia2011] , [GSR2015], [Tudorel2014] ].
Cererea globală din ce în ce mai mare de energie impune crearea , sau
găsirea de noi soluții inovative, care să înlocuiască și să completeze sursele
primare de energie utilizând combustibili fosili , deoarece se estimează că nevoia
de energie până în anul 2030 va crește cu aproape 50% comparativ cu anul 2006,
iar cererea pentru petrol va fi cu aproape 46% mai mare.
Europa trebuie să importe mai mult de jumătate din necesarul său de
energie deoarece aceasta dis pune de rezerve energetice reduse . Și cum prețurile
se stabilesc la nivelul piețel or mondiale, Europa va plătii în următorii ani tot mai
mult pentru a asigura resursele energetice necesare .
Prin urmare, cea mai eficientă soluție pe care o avem pentru a re duce
factura la energie este să acționăm asupra cantității consum ate prin creșterea
eficienței energetice, respectiv prin utilizarea surselor regenerabile de energie
[Purica2015] .
Având în vedere faptul că rezervele de petrol pot susține necesarul de
energ ie, la nivelul actual de consum doar până în anul 2040, iar cele de gaze
naturale până în anul 2070; respectiv rezervele mondiale de huilă pentru o
perioadă de peste 200 de ani , și faptul că dezvoltarea economică necesită surse
energetice suplimentare , rezultă că preocupările legate de extensia utilizării
energiilor regenerabile este pe deplin justificată [Strategia2011] , [Gheorghe2011],
[Coste2011].
România, conform reglementărilor în vigoare (Hotărârea de Guvern nr.
1535 din 18.12.2003 privind Strategia de valorificare a surselor regenerabile de
energie) producția de energie electrică din surse de energie regenerabilă trebuie
să ajungă în 2020 la o pondere de 24% din total energie produsă.
Atingerea acestui obiectiv presupune o legislație în domeniu care să
asigure predictibilitate, stabilitate și eficiență economică. Impredictibilitatea
legislativă, birocrația excesivă, motivarea deficitară a producătorilor de energie
verde (reducerea numărului de certificate verzi) și altele, sunt doar unele din
problem ele care au generat o dezvoltare mai lentă a surselor de energie
regenerabilă (energie verde) comparativ cu alte state europene [UPT2012] ,
[ADR2010], [Ionescu2006], [Pachauri2007] .
O posibilă soluție pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră ar
reprezenta -o valorificarea potențialul energiilor regenerabile la nivelul atât a
Uniunii Europene, cât și a României.
Astfel, identificarea surselor regenerabile de energie și analiza
oportunităților de valorificare specifice pentru zona noastră de climat, reprezintă
un important aspect pe care trebuie să îl avem în vedere [Luminosu2013], [De
Sabata2013], [Luminosu2015].
În actualul ritm de consum, activitatea energetică este responsabilă în
proporție de peste 50% din emisiile de metan și monoxid de carbon, de
aproximativ 90% din emisiile de dioxid de sulf, aproximativ 88% din emisiile de
oxizi de azot, 72% din cantitatea d e pulberi în suspensie evacuate în atmosferă și

20 Introducere – 1
aproximativ 99% din emisiile de dioxid de carbon, doar în acest ultim caz,
concentrația dioxidului de carbon a crescut considerabil din perioada pre –
industrială până în prezent, lucru care este foarte îngrijo rător. [Coste2011], [
Uzuna2010], [***CNRCME], [Papatulică2013 ].
Producția de energie primară din România care se bazează pe valorificarea
rezervelor de combustibili fosili, se estimează că nu va crește în următorii 20 -30
ani. Surplusul de energie necesar se poate acoperi în România prin creșterea
utilizării surselor de energie regenerab ilă [Strategia2011] .
Dacă cantitatea de energie electrică produsă din surse de energie cu
energie regenerabil ă continuă tendința de creștere din ultimii ani, România p oate
reușii să acopere necesarul de energie din următorii ani, în special în zonele greu
accesibil și în zonele rurale defavorizate, care încă nu sunt racordate le sistemul
energetic național [[HG2013], [INSB2013], [***ECEUROPA ]. Pentru astfel de zone
centrale le termo -solare cu lentile Fresnel și motoare Stirling sunt foarte indicate.
Desigur aceste instalații trebuie să fie însoțite și de sisteme pentru stocarea
energiei [Strategia2011] , [HG2013], [ADR2010], [Ionescu2006] .
România are nevoie de noi investiții în tehnologii inovative pentru
producerea energiei verzi, energie regenerabilă precum energia solară concentrată
(lentile Fresnel), energia geotermală, etc. De asemenea, evoluția economică și
socială a României în perioada crizei și după această perioadă, a influențat intens
consumul de energie și structura acestuia, astfel încât este necesară urgentarea
unor noi investiții în tehnologii de producere a energiei termice și el ectrice din
surse regenerabile [ADR2010] .
Soarele ne dă mult mai multă energie dec ât ne va trebui vreodată, trebuie
doar să găsim modalitățile, sursele și elementele care ne permit colectarea de
energie de la Soare.
În lume în prezent există captatoare solare cu oglinzi parabolice care
concentrează lumina și permit utiliza rea acestei î n acționarea unor motoare
Stirling care prin punerea în mișcare a generatoarelor electrice produc energie
electrică. Unele din cele mai mari parcuri cu oglinzi și motoare Stirling sunt
amplasate în Los Angeles și San Diego (SEGS I și II), la acestea se mai adaugă
doar în SUA șapte centrale noi care se întind pe o suprafață de circa 650 hectare,
cu o putere totală de 354MW. Centrale termo -solare care sunt prevăzute și cu
sisteme pentru stocarea căldurii, există în Spania – Andasol, Andaluzia, la Guadix ,
în Arizona, în Germania, în Australia, în California, în Nevada ș.a.
Conform statisticilor puse la dispoziție de Eurostat, România beneficiază de
un potențialul solar, eolian și geotermal demn de luat în considerare, astfel încât,
știind că potențialul solar al României este răspândit aproape pe întreg teritoriul
țării, beneficiind de aproximativ 210 zile însorite pe an, având cele mai bune locuri
pentru parcuri solare în regiunea de sud -est a României, vest, centru dar și estul
țării, centrale le termo -electrice cu lentile Fresnel și motoare Stirling pot fi
amplasate pe întreg teritoriul național [INSR2013] , [Turcu2014] , [PHARE2003],
[Luminosu2015] .
În cadrul Departamentului Bazele Fizice ale Ingineriei a fost implementat,
începând cu anul 2009, programu l de studii masterale Energii regenerabile –
Energia Solară [Luminosu2013 ].
De asemenea, a u fost soluționat e două contract e de cercetare cu tem ele:
„Realizarea și testarea în vederea certificării și producerii sale în serie a
prototipului unei microcentrale termoelectrice solare cu lentile Fresnel și motor
Stirling” Proiect PN -II-IN-CI-2012- 1-0104; “Realizarea, testarea și certificarea

1.1 Generalități 21
prototipurilor LS01 și LS02 ale colectoarelor/concentratoarelor solare cu lentile
Fresnel și pregătirea pentru introducere în fabricație în vederea producerii și
comercializării acestora pe piața internă și europeană”, pe programul POSCCE – A2-
O2.3.1 -2008-1- ETAPA X, ID 1418, cod SMIS 41646.

1.2. Scop, obiective și structură

Scopul temei tezei de doctorat este de a analiza modul în care diverși
parametri influențează funcționarea centralelor termoelectrice cu lentile Fresnel și
motor Stirling. În această analiză se utilizează modele analitice, modele numerice
și modele experimentale. Verificarea rezultatelor obținute utilizând modele
analitice și numerice se face cu ajutorul modelelor fizice. Pentru aceasta s -a
conceput și realiz at un model experimental de centrală ter mo-solară cu lentilă
Fresnel și motor Stirling. Modelele utilizate permit identificarea posibilităților de
optimizare a centralei în scopul producerii și implementării acestor tipuri de
centrale termo -solare pe scară largă în producerea energiei electrice și termice .
Lucrarea are ca obiectiv ”Optimizarea unei centrale termo -electrice cu
lentilă Fresnel și motor Stirling” iar din acest obiectiv decurg obiectivele specifice
care sunt prezentate în structura fiecărui capitol.
Astfel, lucrarea este structurată pe nouă capitole după cum urmează:
Capitolul unu – Introducere – sunt prezentate: politicil e energetice ale
Uniunii Europene și a României ; impactului exploatării resurselor primare de
energie asupra mediului pre cum; energiilor regenerabile și obiectivele României în
acest sens; potențialului energetic al României, cu preponderență în zona de Vest.
Capitolul doi este dedicat studiului energiei solare, precum și a aspectelor
privind utilizarea energiei solare la centralele termo -electrice -solare care au în
componență lentile Fresnel și motoare Stirling.
Este analizată iradianța solară și potențialul solar în zona de Vest a
României, acolo unde s -au făcut determinări experimentale cu ajutorul modelului
experimental de centrală termo -solară cu lentile Fresnel și motoare Stirling.
În capitolul trei sunt prezentate cele trei modele experimentale de centra lă
termo -solară cu lentilă Fresnel și motor Stirling, conceput e și realizat e, precum și
echipamentele , respectiv aparatele de măsură necesare măsurătorilor realizate în
condiții de laborator și în condiții reale.
În condiții de laborator s-a utilizat ca sursă de căldură o lampă cu gaz
butan , iar în condiții reale ca sursă de căldură s -a folosit energia solară,
concentrată cu ajutorul lentilei Fresnel în zona caldă a motorul ui Stirling.
În capitolul patru se prezintă modelul analitic și numeric pentru an aliza
funcționării motorului Stirling . Se determină ciclul de funcționare al motorului
(diagramei presiune -volum ). Se prezintă, de asemenea, modelul numeric conceput
utilizând mediul de programare Matlab care ne permite să analizăm pornind de la
diferiți p arametrii de intrare, randamentul și puterea motorului.
În capitolul cinci se analizează numeric transferul de căldură în interiorul
motorului Stirling; sunt descriși pașii realizării modelului precum și stabilirea
regimului de funcționare și a condițiilo r la limită.
Tot aici se analizează modelul numeric pentru generatorul electric,
schema de principiu și parametrii generatorului.

22 Introducere – 1
În capitolul șase sunt prezentate rezultatele determinărilor experimentale
ale diferitelor instalații de centrală termo -electrică cu lentilă Fresnel și motor
Stirling în condiții reale, precum și în condiții de laborator.
Capitolul șapte este dedicat analizei economice și soluțiilor de opt imizare a
unui parc de centrale termo -electrice cu lentile Fresnel și motoare Stirling.
În ultimul capitol se prezintă principalele concluzii rezultate în urma
studiului realizat, precum și principale contribuții științifice ale autoarei prezentate
în teza de doctorat.