Într-o lume în care energia este din ce în ce mai rară și mai scumpă, și în care economia de energie devine o preocupare a tuturor, sistemele putând… [303141]

CUPRINS

CAPITOLUL 1

1.1. Introducere

Într-o [anonimizat] o preocupare a tuturor, sistemele putând favoriza punerea în valoare și recuperarea energiei (sau realizând diminuarea consumului), ocupă un loc din ce în ce mai important.

[anonimizat] (SET) este o [anonimizat], astfel încât energia stocată sa poata fi folosită mai târziu pentru încălzirea sau/[anonimizat], pentru generarea altor forme de energie.

[anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat], emisiile de CO2 și costurile în același timp cu creșterea globală a eficienței energetice a sistemelor.

[anonimizat].

[anonimizat]:

1) [anonimizat]-un mediu de stocare solid sau lichid ([anonimizat], [anonimizat]).

2) [anonimizat] ([anonimizat]);

3) [anonimizat], folosind reacții chimice pentru a acumula și degaja energie termică.

1.2. [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], continuă să crească. În ultimii 30 [anonimizat] s-[anonimizat].

[anonimizat]. [anonimizat], că au fost asigurate măsurile legate de reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.

[anonimizat].

[anonimizat] 2020, acest procent este de 24%, în comparație cu alte țări în care ponderea este mai mică (Bulgaria 16%, Germania 18%, Spania 20%, Franța 23%) sau mai mare (Estonia 25%, Danemarca 30%, Portugalia 31%, Austria 34 %, Letonia 40 %, Suedia 49 %).

Eficiența energetică și politicile de economisire a [anonimizat], îndeplinirea – mult mai facilă – a [anonimizat]peană.

Controlul consumului de energie în Europa și intensificarea utilizării energiei din surse regenerabile, împreună cu economia de energie și creșterea eficienței energetice, constituie componente importante ale pachetului de măsuri, necesare pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.

Conform protocolului de la Paris din 2016, obiectivul major după 2020 este de a reduce emisiile de dioxid de carbon cu 60% mai puțin decât nivelul înregistrat în anul 2010 până în anul 2050.

Energia solară, energia eoliană și biomasa sunt domeniile în care tehnologiile au rata de creștere cea mai rapidă, figura 1.1, pentru atingerea obiectivelor Uniunii Europene, până în anul 2020: 20-20-20, respectiv:

reducerea consumului de energie primară cu 20%;

reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu 20% (comparativ cu anul 1990);

creșterea ponderii surselor regenerabile de energie la 20% din consumul total de energie al Uniunii Europene.

Energia solară și energia eoliană sunt utilizate pentru producerea de energie electrică, în timp ce, biomasa, rămâne dominantă în sectorul energiei termice.

Figura 1.1 – Obiectivele strategiei 20-20-20 pentru energia regenerabilă. (W1)

1.3. Dezvoltarea durabilă și resurse energetice

Dezvoltarea durabilă este un concept relativ nou aplicat creșterii economice care, ia în considerare, aspecte de ordin economic, social și ecologic la nivel planetar. (1)

Sintagma de dezvoltare durabilă a fost utilizată pentru prima dată, în anul 1987, de către premierul Norvegiei, Gro Harlem Brundtland. (1)

În calitate de președinte al Comisiei Mondiale de Mediu și Dezvoltare, acesta a prezentat raportul „Viitorul nostru comun” în care definea dezvoltarea durabilă ca fiind „dezvoltarea care corespunde necesităților prezentului, fără a compromite posibilitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile necesități”.

Dezvoltarea durabilă reprezintă o orientare generală, globală și sistemică, a cărei evoluție, este grefată pe un deziderat major:

satisfacerea într-o măsură, din ce în ce mai mare, a trebuințelor și necesităților generațiilor prezente, fără a influența negativ, trebuințele și necesitățile generațiilor viitoare. (1)

Acest concept s-a cristalizat în timp, pe parcursul mai multor decenii, în cadrul unor dezbateri științifice aprofundate, căpătând astfel valențe politice precise în contextul globalizării.

Dezvoltarea durabilă presupune, așadar, asigurarea progresului, simultan, pe trei planuri:

economic,

social,

ecologic.

O reprezentare grafică a ceea ce presupune acest concept, evidențiază faptul că, trebuie să existe o interacțiune simultană a trei „piloni” importanți (dezvoltare economică, dezvoltare socială și protecția mediului) pe care se sprijină un astfel de model al dezvoltării, figura 1.2. (2)

Figura 1.2 – Reprezentarea grafică a interacțiunii celor trei componente ale dezvoltării durabile

În România, Planul National de Dezvoltare, adoptat de către guvern în anul 2005, include ideea dezvoltării durabile a tarii și stabilește șase priorități naționale de dezvoltare:

creșterea competitivității economice ;

dezvoltarea economiei bazată pe cunoaștere ;

dezvoltare și modernizarea infrastructurii de transport;

protejarea și îmbunătățirea calității mediului;

dezvoltarea resurselor umane;

diminuarea discrepanțelor de dezvoltare între regiunile tarii.

În termeni statistici, România prezintă un profil pozitiv – aproximativ 30% – în ceea ce privește ponderea surselor regenerabile în capacitatea totală de producție.

Procentul este afectat substanțial de includerea, în baza de calcul, a hidrocentralelor de mare capacitate dar și a micro hidrocentralelor, în timp ce sursele non-hidro (energie eoliană, biomasă, energie solară, energie geotermală sau orice altă sursă regenerabilă) au o contribuție doar de aproximativ 1% la producția efectivă.

Informații oficiale asupra potențialului “regenerabil” al României arata că, biomasa este dominantă deținând un procent de 65%, locul al doilea fiind ocupat de potențialul eolian exploatabil, cu circa 17% din întreg, în timp ce, energia solară are o pondere de 12%.

Resursele economice, constituite din totalitatea elementelor, premiselor – directe și indirecte – ale acțiunilor sociale practice, care sunt utilizabile, pot fi atrase și sunt efectiv utilizate la producerea și obținerea de bunuri.

Acestea pot fi clasificate în două mari categorii în funcție de modul de obținere: resurse primare și derivate. Resursele primare (originare) le includ pe cele naturale și umane.

Locul în care se găsesc resursele naturale, posibilitatea regenerării, posibilitatea obținerii energiei, specificul substanței din care sunt alcătuite, posibilitatea arderii, posibilitatea folosirii în domeniul alimentar, sunt numai câteva dintre criteriile propuse de literatura de specialitate pentru clasificarea resurselor naturale.

Astfel, după locul în care se găsesc, deosebim, figura 1.3

Figura 1.3 – Categorii de resurse după locul în care se găsesc

În funcție de posibilitatea regenerării, aproximativ în același ritm cu cel al consumului, se cunosc, figura 1.4

Figura 1.4 – Categorii de resurse după posibilitatea regenerării

În funcție de posibilitatea obținerii energiei din resurse naturale, deosebim, figura 1.5

Figura 1.5 – Categorii de resurse după posibilitatea obținerii energiei din resurse naturale

Din punctul de vedere istoric al intrării în uz, sursele de energie pot fi, figura 1.6 :

Figura 1.6 – Categorii de surse din punct de vedere istoric

În funcție de modul de prelucrare, în vederea obținerii diverselor forme de energie, (chimică, mecanică, termică etc.), resursele primare purtătoare de energie se împart în, figura 1.7 :

Figura 1.7 – Categorii de resurse în funcție de modul de prelucrare

După specificul substanței din care sunt alcătuite(organică sau anorganică), resursele pot fi, figura 1.8:

Figura 1.8 – Categorii de resurse după specificul substanței din care sunt alcătuite

În funcție de posibilitatea arderii există resurse, figura 1.9:

Figura 1.9 – Categorii de resurse în funcție de posibilitatea arderii

1.4. Surse neconvenționale de energie

Creșterea continuă a consumului de energie, condiționată de limitele rezervelor de resurse energetice constituie una dintre principalele probleme ale umanității în general și ale sectorului energetic în special. Evoluția pe termen lung a cererii de energie la nivelul Uniunii Europene în perspectiva lărgirii acesteia la 30 de tari se prezintă în figura 1.10

Figura 1.10 – Consumul final de energie în Uniunea Europeană cu orizont 2030 (W2)

Sursele neconvenționale de energie sunt cunoscute în literatura de specialitate sub denumirea de „surse noi”, totuși, în acest context numai tehnologiile de captare, conversie și utilizare energetică și economică sunt – relativ noi. Aceste surse de energie prezintă o serie de particularități de care trebuie să se țină cont atât în procesul de utilizare, cât și în activitatea de includere a acestora în balanța energetică. (3)

Sursele neconvenționale de energie se regenerează în urma unor procese naturale și sunt inepuizabile, ceea ce le conferă calitatea de resursă certă în energetica viitorului.

De asemenea, echipamentele cu care acestea pot fi captate pot fi utilizate atât în sistemul energetic descentralizat pentru consumatori izolați, cât și conectate la sistemul energetic național.

La nivel mondial, din totalul resurselor primare existente, de 10.038 Mtep, sursele regenerabile de energie reprezintă 1.352 Mtep adică 13,5%. Dintre acestea, energia hidroelectrică reprezintă 2,2%, energia conținută în combustibil și deșeuri biodegradabile (biomasă solidă) 10,8% și alte resurse 0,5%.

În condițiile meteogeografice din România, în balanța energetică pe termen mediu și lung se iau în considerare următoarele tipuri de surse regenerabile de energie: energia solară, energia eoliană, hidroenergia, biomasa și energia geotermală.

Tipul de resurse și potențialul energetic al surselor regenerabile de energie din România sunt prezentate sintetic în Tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 – Potențialul energetic al surselor regenerabile de energie din România

Resursele regenerabile de energie reprezintă deja o componentă semnificativă în cadrul economiei de combustibili pe plan mondial. Acestea pot avea o contribuție tot mai importantă la diversificarea alimentării cu energie, reducerea emisiilor și durabilitatea dezvoltării energetice pe termen lung.

În prezent, calitatea esențială a energiei neconvenționale, și anume, aceea de sursă nepoluantă, a readus în atenție alternativa înlocuirii treptate a energiei produse pe bază de combustibili fosili.

Ponderea energiei regenerabile în consumul global de energie al Uniunii Europene este strâns legată de tendințele consumului și de conservarea energiei, figura 1.11.

Figura 1.11 – Evoluția consumului de energie din surse regenerabile în Uniunea Europeană

În viziunea europeană, pentru încadrarea unei surse de energie în categoria surselor regenerabile, produsele sau procesele naturale trebuie să îndeplinească două condiții:

să aibă potențial energetic

să poată fi convertite în energie prin tehnologii accesibile în prezent.

În acest sens, sunt definite ca regenerabile următoarele categorii de surse de energie: energia solară, energia eoliană, energia geotermală, energia valurilor, energia mareelor, energia hidro, biomasa, gazul de depozit (gaz rezultat din fermentarea deșeurilor), energia conținută în gazul de fermentare a nămolurilor din instalațiile de epurare a apelor uzate, biogazul.

Elementele care diferențiază astfel de surse de cele convenționale constau în dispersia pronunțată a potențialului exploatabil pe arii relativ extinse și dependența nemijlocită de condițiile meteorologice și de anotimp (sezoane) , excepție făcând numai energia geotermală.

Energia solară

Energia solară prezintă o serie de caracteristici, dintre care putem enumera:

este inepuizabilă și nepoluantă;

reprezintă un considerabil potențial energetic;

este o formă de energie larg dispersată, fapt ce permite utilizarea acesteia prin conversie, în alte forme de energie, direct la locul de consum, eliminându-se astfel transportul;

are o intensitate variabilă, fiind în scădere de la Ecuator spre polii tereștri; este variabilă și în funcție de anotimp, nebulozitate; este intermitentă, cu alternanță zi-noapte etc.

În România, posibilitățile utilizării energiei solare sunt condiționate, în mod direct, de potențialul tehnic amenajabil, fiind necesar să se ia în considerare dispunerea aleatoare a acestor resurse. Latitudinea geografică și condițiile climatice favorabile determină un potențial ridicat (peste 4000 TJ/an), dar sezonier (variația medie oscilând între 1100 și 1400 kWh/m2/an) de radiație solară. (Turcu, I., 2008)

Potențialul energetic solar din România poate fi repartizat pe mai multe zone geografice, figura 1.12, diferențiate în funcție de nivelul fluxului energetic măsurat.

Figura 1.12 – Potențialul solar al României

Distribuția geografică a potențialului energetic solar relevă că mai mult de jumătate din suprafața României beneficiază de un flux anual de energie cuprins între 1.200kWh/m2an și 1.350 kWh/m2an. Zona cu cel mai înalt potențial este platoul continental al Mării Negre, cu o perioadă însorită de peste 2.300 ore/an.

Energia eoliană

Această energie a fost folosită cu succes în ultimul deceniu ca rezultat al caracterului nepoluant și a posibilității utilizării ca sursă individuală de alimentare cu energie electrică în zonele rurale ale globului. În același timp, extinderea acesteia este limitată, ca urmare a intermitenței al fluxului și a vitezei variabile a vântului. (ADR 2010)

Disponibilul energetic eolian a fost estimat prin măsurători efectuate până la înălțimea de 200 m și este de circa 3 TW/an la nivel mondial. Valorificarea potențialului energetic eolian în condiții de eficiență economică impune folosirea unor tehnologii și echipamente adecvate (grupuri aerogeneratoare cu putere nominală de la 750 kW până la 7.000 kW).

În vederea exploatării energiei potențiale a vântului este necesară parcurgerea mai multor etape: producerea energiei (energie mecanică); conversia energiei în energie hidraulică, electrică sau calorică; stocarea energiei prin utilizarea pompelor de căldură, a recipienților de aer comprimat, a bateriilor de acumulatori etc.; consumul energiei.

Actuala dezvoltare a tehnologiei a dus la reducerea costurilor de investiții și exploatare, valoarea minimă a acestora fiind apropiată de cea a centralelor clasice, care folosesc drept combustibil cărbunele.

Odată cu impactul tot mai mare al energiei eoliene, sistemele electrice se vor confrunta cu provocări noi. În Danemarca, de exemplu, peste 20% din electricitate este produsă acum de turbinele eoliene, ceea ce are implicații asupra stabilității rețelei de electricitate.

Potențialul eolian tehnic amenajabil al României este evaluat la cca. 100.000 TJ/an, existând zone favorabile amenajărilor de acest tip în care viteza vântului depășește 6 m/s.

În România s-au identificat cinci zone eoliene distincte (I – V) în funcție de potențialul energetic existent, de condițiile de mediu și topo-geografice.

În Tabelul 1.2 sunt prezentate elementele tehnico-economice de exploatare a potențialului energetic al zonelor eoliene din România.

Tabelul 1.2 – Elemente tehnico-economice de exploatare a potențialului energetic al zonelor eoliene din România

Harta eoliană a României, figura 1.13, s-a elaborat luând în considerare potențialul energetic al surselor eoliene la înălțimea medie de 50 metri, pe baza datelor și informațiilor meteogeografice colectate începând din anul 1990.

Figura 1.13 – Potențialul eolian al României

Compararea sistemului energetic eolian cu alte opțiuni energetice conduce la delimitarea a doi factori semnificativi: fezabilitatea economică și limitele de natură tehnică, al doilea factor contribuind semnificativ la restricționarea utilizării energiei eoliene în raport cu alte forme de energie. Cantitatea de energie electrică se obține prin valorificarea energiei potențiale a vântului fără consum suplimentar de combustibili fosili, iar cheltuielile de întreținere și exploatare se situează mult sub nivelul celor apărute în cazul utilizării electrocentrale ce funcționează pe bază de combustibili convenționali.

Mărimea capitalului investit este dependent de locul amplasării instalațiilor și de tehnologia aplicată atât în cazul sistemului de energie eoliană, cât și pentru sistemele energetice clasice.

Energia hidroelectrică

Potențialul hidroenergetic teoretic liniar al cursurilor și căderilor de apă ale planetei noastre reprezintă 6,2 mil. MW, respectiv 54.224 mld. kWh anual.

Potențialul economic amenajabil este însă mult mai mic și anume de 554.000 MW.

Energia hidroelectrică reprezintă, în prezent, o treime din sursele de energie regenerabile, însă posibilitățile de extindere sunt practic nule, întrucât dezvoltarea de noi amplasamente întâmpină o puternică rezistență locală. Astfel doar despre centralele hidroelectrice mici se poate spune că au un oarecare viitor.

Diferențierea între centralele hidroelectrice de mare și mică putere se face în jurul valorii de 10 MW.

Centralele hidroelectrice necesită o investiție inițială mare, contrabalansată de costurile mici de exploatare (având în vedere dispariția costurilor de achiziționare a combustibilului) și de durata de viață a acestora. Centralele hidroelectrice de mică putere (mai mică de 10 MW/loc de producere) s-au extins cu rapiditate în ultimii ani.

La nivel european, puterea instalată în centrale hidroelectrice reprezintă 81% din totalul capacității instalate pe bază de surse regenerabile.

În România, potențialul hidroenergetic al râurilor principale, figura 1.14, este de circa 40.000 GWh/an, energie care se poate obține în amenajări hidroenergetice de mare putere (>10MW/unitate hidro) sau de mică putere (<10 MW/unitate hidro), după următoarea repartizare: amenajări hidroenergetice de mare putere (34.000 GWh/an); amenajări hidroenergetice de mică putere (6.000 GWh/an). (3)

Figura 1.14 – Potențialul hidroenergetic al României

Energia hidroelectrică prezintă o serie de avantaje de moment și de perspectivă, dintre care amintim:

cheltuielile neglijabile de exploatare a hidrocentralelor;

costul scăzut al energiei hidroelectrice (de ¾ ori mai mic decât costul energiei obținute în termocentrale);

posibilitatea valorificării integrate și complexe a bazinelor hidrografice în scopul prevenirii inundațiilor, al irigării unor terenuri agricole, creării de noi căi navigabile, alimentării cu apă potabilă și industrială etc.

Biomasa

Termenul generic „biomasă” cuprinde o varietate de resurse: materii lemnoase și reziduuri rezultate din procesele industriale de prelucrare a cherestelei, reziduuri agricole, agroalimentare, îngrășăminte naturale, reziduuri din procesele tehnologice de prelucrare a cerealelor, fracții organice de la deșeurile solide municipale, deșeuri de la gospodării individuale și noroi de la apele menajere.

Biomasa este rezultatul direct sau indirect al desfășurării procesului de fotosinteză, mijloc natural de stocare a energiei solare sub formă de carbon, hidrogen și oxigen. Prin acest proces materia vegetală absoarbe fotonii din radiația solară care emit particule atomice (electroni), cu rolul de a reduce și transfera gazul carbonic din atmosferă în hidrați de carbon și, care permit, producerea de constituenți ce stau la baza materiei vii. O mare parte a cantității de biomasă astfel produsă se consumă, în timp ce, restul se degradează datorită mediului oxidant de la suprafața pământului, ajutând astfel la formarea combustibililor fosili.

Pentru producerea energiei electrice utilizând această resursă regenerabilă trebuie să coexiste și să funcționeze împreună două sisteme: cel de furnizare a biomasei, în calitate de combustibil și cel de producere/comercializare a energiei electrice.

Pădurile din România acoperă în jur de 28% din suprafața țării, cele mai importante surse de biomasă fiind lemnele de foc și deșeurile agricole, folosite pentru producerea energiei în special în zona rurală. Potențialul energetic al lemnelor de foc este estimat la 3 Mtep, însă se apreciază că din totalul biomasei numai 30% este biomasă comercială, iar 70% este contribuția biomasei de la proprietarii particulari de păduri și grădini.

În baza configurației topogeografice existente se apreciază că România are un potențial energetic ridicat de biomasă, figura 1.15, evaluat la circa 7.594 mii tep/an (318×109 MJ/an), ceea ce reprezintă aproape 19% din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2006, împărțit pe următoarele categorii de combustibil:

reziduuri din exploatări forestiere și lemn de foc:1.175 mii tep (49,8×109 MJ/an);

deșeuri de lemn – rumeguș și alte resturi de lemn: 487 mii tep (20,4×109 MJ/an);

deșeuri agricole rezultate din cereale, tulpini de porumb, resturi vegetale de viță de vie etc.: 4.799 mii tep (200,9×109 MJ/an);

biogaz: 588 mii tep (24,6×109 MJ/an);

deșeuri și reziduuri menajere urbane: 545 mii tep (22,8x109MJ/an).

Cantitatea de căldură rezultată din valorificarea energetică a biomasei deține o pondere diferită în balanța resurselor primare, în funcție de tipul de deșeuri utilizat sau după destinația consumului final.

Figura 1.15 – Potențialul energetic al biomasei în România

Astfel, 54% din căldura produsă pe bază de biomasă se obține din arderea de reziduuri forestiere, iar 89% din căldura necesară încălzirii locuințelor și prepararea hranei (în special în mediul rural) este rezultatul consumului de reziduuri și deșeuri vegetale. (3)

Energia Geotermală

Căldura naturală înmagazinată în scoarța terestră determină existența energiei geotermale, care poate fi de joasă sau de înaltă temperatură. Teoretic, energia geotermală de joasă temperatură poate fi accesibilă în orice parte a globului, datorându-se creșterii naturale de temperatură în funcție de adâncime (aproximativ 3°C la 100 m). Energia geotermală de înaltă temperatură este caracteristică zonelor vulcanice. În contact cu rocile fierbinți, apele subterane ating temperaturi de sute de grade, realizându-se, de multe ori, o vaporizare parțială, această sursă de căldură putând fi valorificată în cadrul unei centrale electrice. O posibilitate de geotermie artificială constă în folosirea căldurii magmei infiltrate în anumite zone până aproape de suprafață, la adâncimi de ordinul a 2.000 – 7.000 m. În acest caz se forează puțuri în care este injectată apă, producându-se astfel abur supraîncălzit.

Energia geotermală are aplicabilitate în domenii diverse, cum ar fi: utilizarea apei calde pentru satisfacerea unor nevoi de uz gospodăresc, comercial sau industrial, sisteme de încălzire și climatizare, energie electrică obținută prin conversia energetică a aburului de înaltă presiune etc. Întrucât resursele geotermale sunt relativ constante, acestea își găsesc utilitatea pentru satisfacerea nevoilor de energie fie în regim normal, fie pentru asigurarea necesarului de energie în regim de vârf de sarcină.

La nivel mondial, centralele generatoare de energie geotermală au o capacitate totală instalată de peste 8000 MW. Sistemele care convertesc energia geotermală pot furniza electricitate cu un factor de capacitate de sarcină anual de peste 90%.

În România se regăsesc surse hidrogeotermale (cu exploatare prin foraj-extracție) în geotermie de joasă entalpie (cu temperaturi cuprinse între 25°C și 60°C, în ape de adâncime) și geotermie de temperatură medie (de la 60°C până la 125°C în ape mezotermale).

Resursele geotermale de joasă entalpie se utilizează la încălzirea și prepararea apei calde menajere în locuințe individuale, servicii sociale (birouri, învățământ, spații comerciale și sociale etc.), sectorul industrial sau spații agrozootehnice (sere, solarii, ferme pentru creșterea animalelor etc.).

Rezerva de energie geotermală cu posibilități de exploatare curentă în România, figura 1.16, este de circa 167 mii tep (7.000×106 GJ/an). Cantitatea de energie echivalentă produsă și livrată la capul de exploatare al sondei este de circa 30,171 mii tep (1.326×106 GJ/an), cu un grad mediu de folosire anuală de 22,3%. (3)

Limita economică de foraj și extracție pentru ape geotermale s-a convenit pentru adâncimea de 3.300 m și a fost atinsă în unele zone din România, cum ar fi bazinul geotermal București Nord – Otopeni, anumite perimetre din aria localităților Snagov și Balotești etc.

Figura 1.16 – Potențialul geotermal în România

În România sunt în exploatare 70 sonde cu utilizări locale pentru asigurarea nevoilor de încălzire și apă caldă menajeră (cu temperatura peste 60°C) la ansambluri de locuințe, clădiri cu destinație publică sau industriale, incinte agrozootehnice etc., în diferite zone geografice.

De asemenea, în etapa actuală se află în conservare sau rezervă 45 sonde cu potențial energetic atestat.