Solutii Tehnice de Incalzire Utilizand Surse Regenerabile de Energie

INTRODUCERE

Societatea umană trebuie să-și îmbunătățească relația sa cu natura și mediul înconjurător, recunoscând, în același timp, importanța pe care o au resursele naturale asupra dezvoltării economice, evoluției societății și a economiilor, în general.

Soarele este la originea tuturor formelor de energie pe care le-au descoperit și de care s-au servit oamenii. Energia solară se poate transforma în alte forme de energie: mecanică, termică sau electrică.

În zilele noastre, când prețul gazelor este într-o continuă creștere, ajungând chiar la cote alarmante, fiecare dintre noi dorim să găsim o nouă sursă de încălzire a locuinței cât mai convenabilă, atât din punct de vedere al confortului cât și din punct de vedere economic.

Tot mai mulți proprietari de locuințe, case sau apartamente, se gândesc să apeleze la alte surse de încălzire decât cea centralizată. Dacă pentru cei care locuiesc la apartamente de bloc este mai greu, pentru cei care stau la case soluțiile sunt mai la îndemână.

Această lucrare apare ca o necesitate pentru căutarea noilor surse de energie care să înlocuiască treptat vechile surse convenționale care distrug mediul înconjurător.

Căutare de noi surse este contiunuă pentru că mereu se descoperă alte surse de energie care ne fac viața și mediul în care trăim mai plăcut și mai frumoas fară a distruge flora și fauna planetei.

Prelungirea vieții pe planetă este compatibilă cu aceeași sursă de energie care să întrețină dezvoltarea armonioasa a vieții.

Sursa de energie trebuie să creeze o armonie între om și natură, de aceea am căutat sursa cea mai potrivită pentru această sinergie.

CAPITOLUL 1 – STADIUL ACTUAL AL CENTRALELOR TERMICE ECOLOGICE

1.1. Generalități

În momentul de față economia națională și mondială se confruntă cu prețuri ridicate de producere a energiei termice și electrice, existând numeroase tendințe de a utiliza folosirea surselor de energie regenerabile pe o scară cât mai largă. Există și alte motive pentru care s-ar renunța la producerea energiei, cu combustibili lichizi, gazoși sau fosili și anume că rezervele acestora se vor epuiza foarte curând, dar și emisiile poluante ating cote îngrijorătoare.

Chiar dacă în ultima perioadă, în România, nu se pune foarte mult accent pe folosirea surselor de energie regenerabile trebuie să înțelegem că acesta este viitorul. Biogazul este o resursă regenerabilă având un potențial uriaș în România. 

Înainte de 1990, în România existau sute de astfel de instalații pe biogaz. Problema a fost că tehnologia nu era dezvoltată și toate se făceau la ordin. Acum lucrurile s-au schimbat, tehnologia este superioară, randamentele sunt foarte bune și se pot rezolva două probleme,și anume: producerea de energie regenerabilă și reducerea poluării.

În prezent, dacă în Germania există aproape 5.000 de astfel de centrale funcționale, în România dacă sunt 7-8 astfel de instalații care să deservească ferme agrozootehnice.

Germania este lider european în materie de energie fotovoltaică (80% din sistemele din Europa, racordate la rețeaua electrică). În 2002 ea era dotată cu o putere instalată totală de 278 MW, din care 92% era racordată la rețea. Germania este urmată de, Italia, Spania, Franța și Austria.

Producția de energie în centrale pe biogaz este subvenționată de către consumatorii români prin sistemul certificatelor verzi. Pentru fiecare MWh livrat în sistem un producător de energie primește trei certificate verzi care costă pe piață între 27 și 54 de euro. În plus, producătorul primește și bani pe vânzarea propriu-zisă de curent.

Spre deosebire de eoliene sau fotovoltaice, care depind de cât de mult bate vântul sau de soare, stațiile de biogaz merg în continuu. În plus, acestea dau de mâncare și la țăranii sau fermierii din jur, care au o cerere sporită pentru mai multe culturi de porumb pe an după ce eventual,înainte de biogaz, aveau terenurile nelucrate.

1.2. Germania- lider mondial în producerea energiei din surse regenerabile

Germania realizează un nou record, și anume Germania generează 74 % din energia sa din surse regenerabile.

Scopul Germaniei este de a alimenta țara în întregime din surse regenerabile până în anul 2050. Alte țări ar trebui să ajungă la un consens politic național coerent cu privire la necesitatea de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră, prin care să se poată realiza acest lucru.

Germania este unul dintre lideri atunci când vine vorba de energia din surse regenerabile, care au investit masiv în energia eoliană și în cea de producere a energiei solare. Recent s-a anunțat că energia utilizată a fost furnizată din surse regenerabile de energie în valoare de aproape 75% din întreaga cerere până la orele prânzului. Potrivit unui raport al International Renewables, acest lucru a însemnat că prețurile lor la energia electrică au scăzut în acea zi. Aceasta este o realizare foarte mare și este setată să continue și să crească cu investiția pe care țara o face.

O mare parte din impresionanta expansiune a energiei regenerabile din Germania a fost dezvoltat în ultimii zece ani.

Figura 1.1. Surse de energie regenerabile [1]

În primele trei luni ale anului 2014, sursele de energie regenerabile au satisfăcut un record de 27% din întreaga cerere de electricitate a țării, datorită instalațiilor noi și condițiile meteorologice favorabile. Bloomberg a raportat că generatoarele regenerabile au produs 40.2 miliarde de kilowați-oră de electricitate, și până la 35,7 miliarde de kilowați-oră, în aceeași perioadă a anului trecut. Potrivit cifrelor publicate pentru luna noiembrie a anului trecut, Statele Unite ale Americii a furnizat 13% din energia sa din surse regenerabile în timp ce Germania 27%, este de două ori această cifră și este chiar în creștere într-un ritm foarte rapid.

Bernard Chabot, un expert respectat și consultant de energie din surse regenerabile cu sediul în Franța, a declarat: “Încă o dată, s-a demonstrat că un sistem modern de energie electrică, cum ar fi cel german poate accepta deja rate mari de penetrare a surselor regenerabile de energie variabile, dar previzibile, cum ar fi energia eoliană și energia solară PV. De fapt, nu există obstacole tehnice și economice pentru a merge mai întâi la 20 % din rata anuală de penetrare a cererii de energie electrică de la o combinție a acestor două tehnologii, apoi 50 % și dincolo, prin combinarea lor cu alte surse regenerabile de energie și măsurile de eficiență energetică și a unor soluții de stocare progresive la un nivel modest”[2].

Figura 1.2. Energia solară [3]

Pentru a atinge obiectivul pe care l-au stabilit pentru ei înșăși pentru 2050, Germania a adus un sistem de subvenție care a încurajat expansiunea rapidă în acest domeniu: subvențiile s-au acordat producătorilor de energie din surse regenerabile din Germania (de exemplu producători de energie solară) prin plata unei sume stabilite pentru energia electrică pe care o produc în contracte pe termen lung. Un alt exemplu din progresul lor este că de la începutul anului trecut, Germania a instalat mult mai mult capacitatea de energie solară pe cap de locuitor decât orice altă țară. Această creștere impresionantă nu este doar a energiei solare. Și în energia eoliană a fost puternic investit și într-un raport Bloomberg, s-a spus că într-o singură zi din iarna trecută energia generată de sistemele eoliene a reprezentat 39% din alimentarea cu energie electrică a acelei zile.

În urma tsunami-ului japonez și a dezastrului de la Fukushima în 2011, cancelarul german Angela Merkel a reînnoit jurământul Germaniei de a abandona toată puterea nucleară și a închis opt din cele 17 reactoare nucleare.

O conștientizare tot mai mare a succesului Germaniei și exemplul pe care aceasta îl dă țărilor dezvoltate, Paul Hockenos, un expert în energie și jurnalist din Berlin spune: “Nu uita ceea ce Germania face chiar acum. Își schimbă sursa de alimentare. Ultima dată când o sursă de energie a fost schimbată a fost revoluția industrială; acest lucru este ceva care nu a mai fost făcut înainte“, conform Revistei Terra.

Restul lumii trebuie să se trezească și să urmeze exemplul Germaniei.

1.3. Biomasa și energia hidro, potențial mai mare pentru România decât energia eoliană

Energia generată din biomasă și derivații ei, precum este biogazul, are un potențial imens, având în vedere suprafețele agricole și diferitele tipuri de deșeuri existente, materii prime în producerea acestui tip de energie regenerabilă.

Totuși, dezvoltarea acestei nișe a energiei verzi a rămas mult în urmă fată de proiectele eoliene și cele fotovoltaice, dar rămâne esențială în vederea echilibrării capacităților energetice.

Evoluția viitoare a sectorului, provocările cu care se confruntă industria, premizele de creștere, dar și rolul pe care îl joacă agricultura ca sursă de combustibil au fost punctele-cheie dezbătute în primul eveniment de acest fel din România, Conferința Natională "Biomasă, Biogaz & Cogenerare – România 2014", organizat de către GOVNET Conferences.

"România are un potențial imens în ceea ce privește biomasa și energia hidro, eu îndrăznesc să spun că un potențial chiar mai mare decât energia eoliană și energia fotovoltaică", a declarat în cadrul evenimentului Zoltan Nagy-Benge, Membru în Board-ul Autorității Naționale de Reglementare în domeniul Energiei (ANRE). Nagy a semnalat și discrepanța între evoluțiile proiectelor din zona energiei verzi: "Printre toate sursele regenerabile, energia eoliană și energia fotovoltaică au dominat piața și au văduvit celelalte surse: biomasa, biogazul și energia hidro de atenția care le-ar fi cuvenit", conform Revistei Terra.

Principalul factor care a frânat o dezvoltare similară îl reprezintă costurile considerabil mai mari implicate de un proiect pe biomasă sau biogaz, fie că este vorba de cogenerare sau nu, este cea mai mare investiție, 3 milioane – 3 milioane și ceva de euro pe MW (referindu-se la o centrală pe biogaz) față de altele care sunt undeva în jur de un milion. Este un efort financiar formidabil.

Sfera legislativă și obținerea tuturor autorizațiilor necesare constituie de asemenea impedimente cu care dezvoltatorii de proiecte pe biomasă ori biogaz se confruntă. Pentru Egger Radăuți, prelucratorul de lemn din județul Suceava care a inaugurat anul acesta o centrală pe biomasă în cogenerare, cea mai mare problemă a fost procesul de autorizare ale cărui etape s-au desfășurat foarte lent, astfel încât, deși procedurile inițiale au fost demarate în mai 2012 obținerea tuturor avizelor a durat un an și opt luni.

Un alt punct de discuție important a fost tehnologia cogenerării care coroborată cu biomasa și biogazul devine o soluție nu doar pentru asigurarea energiei electrice și termice necesare consumului propriu, cum este cazul prelucrătorilor de materie lemnoasă, sau pentru livrarea în rețea, ci și din perspectiva eficientizării energetice care va deveni obligatorie în perioada următoare, strategie în care cogenerarea are un rol determinant.

Dezvoltarea viitoare a industriei depinde și de o mai mare predictibilitate legislativă, care deocamdată naște incertitudini după ce Guvernul a decis să anuleze cotele anuale obligatorii de energie regenerabilă initiale și să le stabilească anual, precum și de o mai usoară accesare a finanțărilor.

1.4. Centrale termice alimentate cu biomasă din România

a) Holzindustrie Schweighofer a finalizat la fabrica de prelucrare a lemnului de la Sebeș, construcția unei centrale de producere a energiei electrice și termice pe bază de biomasă. Energia se va obține din reziduuri industriale, scoarța și tocătura din prelucrarea buștenilor.

Centrala este a doua a grupului austriac în România, după unitatea pusă în funcțiune anul trecut la Rădăuți. Centrala se află în prezent în probe tehnice și va fi pusă în funcțiune în această vară.

Centrala are o putere 32 MW și va fi amplasată pe platforma industrială Sebeș, aflată în proprietatea companiei austriece, liderul de piață din industria de prelucrare a lemnului din România. Investiția preconizată anul trecut într-o astfel de centrală era de 25-30 milioane de euro.

Compania Holzindustrie Schweighofer a investit 20 de milioane de euro în două centrale termoelectrice alimentate cu biomasă, la Sebeș (Alba) și Rădăuți (Suceava), care vor fi date în funcțiune în decursul acestui an, fiind astfel cel mai mare producător de energie în cogenerare din țară.

Proprietarul companiei, Gerald Schweighofer, a declarat intr-o conferință de presă, că este planificată pentru acest an constructia unei centrale mai mari, de 8,5 MW, o investiție de 25 de milioane de euro. Caldura este folosită pentru uscarea cherestelei și a rumegușului, iar curentul electric verde produs poate fi livrat rețelei naționale. Capacitatea centralei de la Rădăuți este de 4,9 MW energie electrică pe oră, iar a celei de la Sebeș este de 2,5 MW, în condițiile în care o centrală de 5 MW poate aproviziona cu energie un oraș de 25.000 de locuitori. ‘Holzindustrie Schweighofer’ a achiziționat 5.000 de hectare de teren agricol în județul Botoșani, pe care, pe termen lung, se va produce biomasa, urmând a se cultiva vegetație cu creștere rapidă, care se va recolta după 7-10 ani.

În ceea ce priveste producția de peleți din lemn, fabricați la Sebeș, 99 % din capacitate este exportată în Austria și Italia, țări în care se folosește pe scară largă acest sistem de încălzire. Peleții din lemn sunt un produs folosit în Occident și SUA ca și combustibil, considerat o alternativă ecologică și mai ieftină la sistemul de încălzire cu gaz metan. Suedia este țara în care, în 1990, a demarat producția industrială de peleți din lemn în vederea folosirii acestora drept combustibil. Se consideră că sistemul de încălzire pe bază de peleți răspunde cerințelor de utilizare a energiei regenerative, fiind considerat drept cea mai curată alternativă de încălzire domestică.

Energie electrică vândută

Investiția estimată în centrala de cogenerare (energie electrică și termică) de la Sebeș, cu o capacitate de 32 MW (8,5 MW electric și 24 MW termic), este de circa 30 de milioane de euro. Centrala funcționează cu biomasă: scoarță de copaci, așchii de lemn, crengi și resturi rezultate din prelucrarea lemnului. Energia termică rezultată va fi utilizată în cadrul fabricii pentru uscarea lemnului, iar energia electrică va fi livrată în sistemul energetic național.

Holzindustrie Schweighofer are patru fabrici de producție a cherestelei, la Sebeș, Rădăuți, Siret și Comănești. Fabrica de cherestea din Sebeș exportă 30 % din producție în Europa, un sfert din producție în Asia, 20 % în Orientul Mijlociu și Apropiat, iar diferența de 25 % rămâne în țară.

b) Stația de biogaz construită la Filipeștii de Pădure, Județul Prahova, este un proiect inițiat, dezvoltat și finanțat integral de Genesis BIOPARTNER și are o capacitate de 1MW/h electric și 1,2MW/h termic și procesează zilnic o cantitate de 49 tone substrat organic, iar proiectul a presupus o investiție de aproximativ 5.000.000 euro.

Figura 1.3. Stația de biogaz de la Filipeștii de Pădure [4]

Implementarea proiectului, unic în România până în prezent, a început în luna iunie 2012 cu scopul de a produce energie regenerabilă (electrică și termică), în cogenerare, prin utilizarea de substrat organic (vegetal și, ulterior, deșeuri organice) în zona amplasamentului. Noutatea proiectului constă în furnizarea către un partener a energiei termice produse de centrala de cogenerare, producerea de energie electrică în bandă, furnizarea predictibilă (peste 8000 ore funcționare/an), precum și posibilitatea de stocare a energiei (biogazului). 

Acest proiect stă la baza dezvoltării a trei domenii prioritare în România: energia, agricultura și protecția mediului înconjurător, iar instalația de cogenerare pe bază de biogaz se pretează oricărui consumator industrial care utilizează energie termică (apă caldă, abur tehnologic, aer cald).

Consorțiul Genesis Biopartner, format din firma românească Baupartner și din firma suedeză Vireo Energy a inaugurat, anul acesta, în comuna Filipeștii de Pădure din județul Prahova, prima stație românească de producere a energiei regenerabile în cogenerare din biogaz.

Această stație este prima de acest gen din România, are o putere de 1 MW pe oră energie electrică și o capacitate de lucru de aproximativ 8.000 de ore pe an, ceea ce înseamnă că această stație produce anual aproximativ 8.500 MW/h energie electrică. Capacitatea centralei este echivalentul a 1,2 MW/h energie termică.

Energia este produsă în această stație folosindu-se resturi organice și porumb, pe care reprezentanții Genesis Biopartner îl cumpără de la producătorii din zona comunei Filipeștii de Pădure. Agentul termic produs de stație este transformat în abur și este furnizat companiei CrisTim, care are o fabrică de mezeluri în apropierea stației.

Aburul primit de la centrala pe biogaz este cu aproximativ 25% mai ieftin decât cel produs pe gaz și că această centrală asigură aproximativ 30-40% din consumul de abur al fabricii de mezeluri.

Echipamentele din stația de producere a energiei regenerabile din biogaz au fost asigurate de companiile MT Energie și AB Energy și, conform investitorului, 70% din valoarea investiției sunt bani cheltuiți în România.

La prețurile curente, valoarea certificatelor primite pentru un an complet de funcționare s-ar ridica la circa un milion de euro.

Pentru România este prima stație pe biogaz, dar la nivel de Europa sunt aproximativ 10.000 de stații funcționale, cu o capacitate instalată de aproximativ 5.000 de MW, deci este ceva uzual. Genesis Biopartner urmărește ca în următorii trei ani să realizeze încă 10 centrale de cogenerare pe biogaz.

CAPITOLUL 2 – CLASIFICAREA CENTRALELOR ECOLOGICE

În funcție de energia pe care o convertesc se deosebesc mai multe tipuri de centrale:

Termocentrale – care convertesc energia termică obținută prin arderea combustibillilor. La rândul lor, acestea pot fi:

Centrale termoelectrice, care produc în special curent electric, căldura fiind un produs secundar;

Centrale electrice de termoficare , care produc în cogenerare atât curent electric, cât și căldură, care iarna predomină.

Centrale geotermale, care convertesc energia geotermală.

Centrale hidroelectrice, care convertesc energia hidraulică.

Centrale solare, care convertesc energia solară.

Centrale mareomotrice, care convertesc energia valurilor și mareelor.

Centrale eoliene, care convertesc energia vântului.

2.1. Termocentrale

O centrală termoelectrică, sau termocentrală este o centrală electrică care produce curent electric pe baza conversiei energiei termice obținută prin ardere. Curentul electric este produs de generatoare electrice antrenate de turbine cu abur, turbine cu gaze, sau, mai rar, cu motoare cu ardere internă.

Drept combustibili se folosesc combustibilii solizi (cărbune, deșeuri sau biomasă), lichizi (păcură) sau gazoși (gaz natural).

Uneori sunt considerate termocentrale și cele care transformă energia termică provenită din alte surse, cum ar fi energia nucleară, solară sau geotermală, însă construcția acestora diferă întrucâtva de cea a centralelor care se bazează pe ardere.

În termocentrale se transformă energie termică, rezultată prin arderea combustibililor. În România, energie termică este produsă în proporție de cca. 77% de termocentrale, care folosesc licnit, petrol și gaz.

Avantajul temocentralelor este construirea rapidă și costurile mici. Dezavantajul în schimb este datorat arderii combustibililor fosili care emană o cantitate foarte mare de CO2 ce poluează atmosfera.

Cei mai mari producători de energie electrică sunt Canada, Franta și Brazilia care au în mare parte o producție termoenergetică. Alte țări care produc energie electrică folosind combustibili fosili sunt cele din Orientul Mijlociu, Africa de Nord, Golful Mexic și Europa Central-Nordică.

2.2. Centrale geotermale

Energia geotermică reprezintă căldura existentă în pământ; reprezintă o categorie particulară a energiei termice care se află în scoarța terestră. De menționat că, 99% din interiorul Pământului se găsește la o temperatură de peste 1000°C, iar restul de 1% se găsește la o temperatură de sub 100°C.

Apa fierbinte și aburii, captați în zonele cu activitate vulcanicăși tectonică, sunt utilizați pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea electricității.

Exista trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la ora actuală pe glob, pentru transformarea apei geotermale în electricitate: 'uscat', 'flash' și 'binar', depinzând astfel după starea fluidului: vapori sau lichid, sau dupa temperatura acestuia.

Centralele uscate au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.

Centralele Flash sunt cele mai răspândite centrale de astăzi. Ele folosesc apa la temperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la suprafață.

Centralele cu ciclu binar diferă față de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina, respectiv generatorul electric. Apa folosită atinge temperaturi de până la 400° F(200 °C).

Energia geotermală este utilizată la scară comercială, începând din jurul anilor 1920, când a început să fie utilizată în special căldura apelor geotermale, sau cea provenită din gheizere pentru încălzirea locuințelor sau a unor spații comerciale. Din punct de vedere al potențialului termic, energia geotermală poate avea potențial termic ridicat sau scăzut. Energia geotermală cu potențial termic ridicat este caracterizată prin nivelul ridicat al temperaturilor la care este disponibilă și poate fi transformată direct în energie electrică sau termică. Energia electrică se obține în prezent din energie geotermală, în centrale având puteri electrice de 20…50MW.

Centralele electrice geotermale cu abur umed (figura 2.1)sunt cele mai des întâlnite. Principiul constă din prelevarea de apă fierbinte sub presiune dintr-o sursă hidrotermală și introducerea acesteia într-un expandor. Aburul format se destinde într-o turbină producând lucru mecanic și apoi condensând. Condensul astfel format se amestecă cu faza lichidă rezultată de la expandor și este reinjectat în rezervorul geotermal sau este trimis către un consumator termic. Puterea unitară pentru o astfel de unitate energetică se situează în intervalul 5 – 100 MW.

În funcție de nivelul termic al sursei hidrotermale este posibilă realizarea unei scheme cu două nivele de presiune, în care producția de abur se realizează în două expandoare înseriate. Apa evacută din expandorul de înaltă presiune este introdusă în expandorul de joasă presiune, producând o cantitate de abur ce este injectată în turbină.

Figura 2.1. Schema unei centrale electrice geotermale cu abur umed [5]

2.3. Centrale hidroelectrice

Centralele hidroelectrice (CHE) transformă energia potențială și cinetică a apei în energie electrică, valorificând astfel cel mai simplu sistem de transformare. Centralele hidroelectrice se clasifică în :

CHE cu căderi naturale: CHE pe firul apei;

CHE în derivație

CMM mareomotrice

CHE cu căderi artificiale (cu acumulare prin pompare CHEAP)

În sistemul energetic CHE au următoarea destinație:

acoperirea vârfului de sarcină;

participarea la reglajul frecvenței;

constituie o rezervă economică de avarie.

Principalele caracteristici ale CHE :

au pornire rapidă și viteză mare de încărcare;

au posibilitatea de a stoca în mod indirect energia electrică;

au randamente foarte ridicate: 0,82 – 0,9;

investiția specifică este comparabilă cu cea a centrale lor termoelectrice cu combustibili inferiori, dacă se adaugă la acestea costul transportului și al deschiderii de mine[6].

Având în vedere cercetarile efectuate la nivel mondial si experimentarile efectuate în tara noastra, se poate concluziona ca si energia valurilor Marii Negre poate fi captata si utilizata pentru aplicatii locale în conditii eficiente cu ajutorul instalatiilor hidropneumatice cu coloana oscilanta, cunoscute sub denumirea de instalatii OWC (oscillating water column), care se bucura în prezent de cel mai mare interes pe plan mondial.

Principiul de funcționare al centralei acționate de valuri (fig. 2.2.) este următorul:

Când frecvența de oscilație a unei coloane cilindrice plutitoare (flotorul) coincide cu frecvența valurilor, aceasta va intra în rezonanță și va oscila pe verticală cu o înălțime de câteva ori mai mare decât înălțimea valurilor. Prin aceasta se imprimă o forță de rotație unei elici atașate la partea inferioară a flotorului. În timp ce flotorul se mișcă în sus și în jos, elicea se rotește întrun singur sens, datorită pasului ei variabil comandat automat. Energia valurilor poate fi transformată în energie electrică prin cuplarea unui generator electric la arborele elicei, prin intermediul unui angrenaj multiplicator și al unui volant.

Figura 2.2. Principiul de funcționare al centralei acționate de valuri [7]

Țările situate în vecinătatea oceanelor și mărilor deschise pot valorifica energia mareelor prin realizarea centralelor mareomotrice. În Uniunea Europeană numai coastele maritime ale Franței și ale Marii Britanii au maree suficient de mari pentru a face interesantă o astfel de centrală.

2.4. Centrale solare

Acest tip de centrale se bazează pe conversia energiei solare în energie termică, care este utilizată într-un ciclu termodinamic. Acest tip de centrale folosește energia solară ca sursă de energie.

În prezent, în lume, sunt instalate mai mult de 100 milioane de metrii pătrați de colectoare termice solare; Apa caldă produsă în aceste colectoare și furnizată consumatorilor, reduce emisiile de CO2, față de situația în care s-ar arde combustibil solid ( cărbune, lemn, etc. ) cu 18 megatone pe an și face o economie de combustibil lichid de un miliard de litrii.

Acestea sunt concluziile raportului Agenției Internaționale a Energiei pe anul 2001, intitulat Piețe și Contribuții la livrarea de energie pe anul 2001 produs de Programul de încălizire și răcire cu energie solară. Programul a ținut cont de datele obținute în 26 de țări, care dețin peste 90 % din instalațiile solare de încălzire din întreaga lume.

Astfel de centrale au randamente de conversie a energiei termice în energie electrică

cuprinse între 25-50 % și o eficiență totală de 13-25 %. Energia calorică înmagazinată în timpul zilei în apa încălzită poate fi utilizată în timpul nopții, în diverse scopuri utilitare.

O astfel de centrală a fost costruită în California, între anii 1985-1991, compusă din 9 instalații cu o putere totală de 354 MW. Datorită rezultatelor și a cercetărilor efectuate pe aceste instalții, sistemul s-a dezvoltat prin construcția de noi instalații, cu imbunătățiri semnificative, astfel că eficiența de captare a razelor solare și de transformare a acestora în energie termică a crescut continuu de la o instalație la alta.

Cercetări în domeniul acestor instalații se fac in Germania, Spania și Statele Unite. Față de cele 9 instalații industriale, construite în California, altele nu s-au mai construit, din cauza eficienței scăzute ( 55% ) a prețului ridicat al componentelor instalației și a prețului ințial relativ ridicat al energiei electrice produse ( 140 USD/MWh ).

Datorită faptului că energia produsă cu ajutorul radiației solare este total nepoluantă se caută modalități de finanțare pentru construcția de capacități de producție. Banca Mondială, care sprijină execuția de instalații de producție nepoluante și acordă o atenție deosebită păstrării mediului ambiant curat, acordă împrumuturi nerambursabile tărilor care doresc construirea de capacități de producție. Astfel țări ca Egipt, Maroc, India, Mexic au condiții favorabile, soarele furnizând o mare cantitate de energie. În India s-a finanțat execuția unei capacități de producție cu consultanță ( Firma Lahmeyer International – Germania) și livrare de componente ( Firma Siemens ) din partea Germaniei. Puterea totală este de 140 MW, cu contribuție a energiei solare de 30 MW [8].

Având în vedere că în timpul zilei o mare cantitate de energie termică va fi stocată pentru necesități de consum în timpul nopții și că se va folosi experiența acumulată în exploatarea instalațiilor construite în California înainte de 1990, efieciența instalației din India va fi net superioară celei din California.

Energia solară – potențialul energetic total teoretic al soarelui măsoară 105 TW. Dacă ținem seama că atmosfera terestră absoarbe și reflectă o mare parte din această energie ( cca. 60% din totalul radiat), că eficiența conversiei direct din energia solară în energia electrică este mică ( de cca. 10%, conform tehnologiilor și echipamentelor actuale) , ca numai 1% din iradiația emisă este captată la nivelul solului, potențialul practic total este de cca. 25-30 TW. Echipamentele actuale au atins o eficiență a conversiei direct în energie electrică de 35%, iar pentru panouri solare de încălzire de 40-60%.

Costurile panourilor de celule fotovoltaice au scăzut de la 30 USD/W produs, la 3 USD / W produs în ultimele 2 decenii.

Costurile totale de producere a unui W sunt de 6 USD, cost mult prea mare pentru a fi economic astăzi. Costul panourilor colectoare solare de încălzire a apei, este mai scăzut datorită eficienței de conversie mai mari. De la 0,12 – 0,16 USD / kWh energie produsă s-a ajuns la costuri de 0,05 USD/ kWh, ceea ce reprezintă un preț de piață bun.

Există și aplicații industriale ale energiei termice obținute prin conversia energiei solare, cum sunt:

– cuptoarele solare;

– pompe solare;

– instalații frigorifice solare;

– instalații solare de uscare.

2.4.1. Celule solare

Celulele solare sunt de mai multe tipuri: monocristaline, policristaline, amorfe, film subtire, CIS (copper indium diselenide) și CdTe (cadmium telluride), CIGS, etc. Diferența între aceste celule constă în structura și modul cum sunt aranjați atomii. Acest lucru va da și un aspect specific fiecărei celule solare. Diferența cea mai mare constă totuși în eficiență. Eficiența celulei se măsoară în procentul de energie luminoasă transformată în energie electrică. Celulele solare monocristaline și policristaline au aproape aceeași eficiență fiind și cea mai mare din multitudinea de celule solare comerciale existente pe piață.

În ultimul timp, celulele solare CIS și CdTe au început să fie disponibile pe piață în cantități reprezentative.

Tabel 1.1.

Eficiența celulelor solare

Cercetătorii de la Universitatea South Wales in Sydney, Australia, au creat cea mai eficientă celulă solară din lume ( Figura 2.3.). Profesorul Martin Green și echipa sa de cercetători din SUA au reușit să dezvolte celule solare care transformă 43% din lumina solară în energie electrică. Trebuie să spun că recordul anterior a fost de 42,7%.

Pentru a capta lumina, noua celulă, care de fapt este o multi-combinație de celule, folosește materiale scumpe cum ar fi galiu, indiu, arsenic și fosfor. În timp ce semiconductorii utilizați sunt scumpi, oamenii de știința au ridicat bara de eficiență.

Figura 2.3. Celulă solară eficientă[9]

2.4.2. Panourile Solare

Panourile solare sunt alcătuite din celule solare. Deoarece o celulă fotovoltaică nu produce suficientă energie ca să poată fi folosită eficient, este nevoie de mai multe celule, acestea fiind legate în serie – paralel, formând astfel un panou fotovoltaic.

Panourile solare fotovoltaice sunt produse în diferite dimensiuni având puteri variate. Cele mai folosite panouri în gama rezidențială sunt cele de 50 și 75 W, iar pentru centrale fotovoltaice de puteri mari, panouri solare de 220W. Suprafata unui panou solar cristalin de 50W este de aproximativ 0,5 m2.

Panourile solare se pot conecta și ele la rândul lor în serie – paralel formând sisteme de puteri mai mari.

Un sistem solar ce va fi contectat la un singur charger trebuie să aibă panouri solare de același tip, același producător, aceeași orientare și înclinare și să nu fie umbrit parțial. Dacă acest lucru nu este posibil, se vor folosi mai multe chargere.

Panourile solare disponibile comercial au o eficiență cuprinsă între 5 – 15%. Acest lucru înseamnă că 5-15% din energia luminoasă va fi transformată în energie electrică.

Laboratoare din toată lumea dezvoltă tehnologii de panouri solare cu randament mult mai mare (aproape 30%). Dezavantajul acestor panouri solare cu eficiență foarte mare este costul de producție ridicat. Acest lucru a dus la dezvoltarea panourilor thin film (film subțire) ce au un randament mai scăzut, dar costul lor este mic.

2.4.3. Energia solară fotovoltaică

Conversia directă a energiei solare în energie electrică bazată pe efectul fotovoltaic constituie unul din mijloacele cele mai atractive de a utiliza energia solară, datorită valorilor ridicate ale puterii specifice produse, siguranței în funcționare și întreținerii ușoare. Utilizări cunoscute sunt ceasurile, radiourile și unele calculatoare de buzunar fotovoltaice. Dezavantajele actuale ale sistemului sunt costul ridicat (Anexa 3) și dificultatea de a stoca mari cantități de energie electrică în scopul utilizării ulterioare, în comparație cu relativa ușurință de a stoca căldură.

Celulele solare – celule fotovoltaice, au fost utilizate până nu demult ca surse de energie doar în aplicațiile spațiale.Pentru aplicații terestre singurele sisteme de putere, de conversie directă, comercial disponibile sunt cele bazate pe celule cu siliciu monocristalin și pe celule cu sulfură de cadmiu.

Sistemele fotovoltaice pot fi autonome sau conectate la rețeaua electrică. Un modul de celule fotovoltaice se compune din 40 de celule; 10 astfel de module sunt montate pe panouri fotovoltaice, care pot măsura câțiva metri lățime. Pentru a asigura alimentarea cu energie electrică a unei case sunt necesare 10-20 de module, care pot fi amplasate pe acoperiș. Racordând sistemul de captatori solari la rețeaua locală de electricitate, este posibil să se vândă energia electrică excedentară societății publice de distribuție. Noaptea sistemul se alimentează din rețeaua locală de electricitate.

În locurile izolate, unde nu este posibil un sistem racordat la rețea, se pot utiliza baterii de acumulatoare pentru stocarea curentului. În acest caz este necesară supradimensionarea instalației solare fotovoltaice în scopul obținerii unei cantități suficiente de electricitate în perioadele însorite, atât pentru alimentare a consumatorilor casnici, cât și pentru stocarea unei părți în bateriile de acumulatoare. Noaptea sistemul se comută pe baterii. Germania este lider european în materie de energie fotovoltaică (80% din sistemele din Europa, racordate la rețeaua electrică).

În 2002 ea era dotată cu o putere instalată totală de 278 MW, din care 92% era racordată la rețea. Germania este urmată de, Italia, Spania, Franța și Austria. Din punct de vedere al mediului, tehnologia fotovoltaică de producere a electricității prezintă un important avantaj față de tehnologiile clasice cu combustibili fosili: nu au nici o emisie de CO2 sau de alți poluanți în timpul funcționării. În același timp, trebuie ameliorată durata de viață a celulelor solare (15 – 20 de ani în prezent), îmbunătățirea randamentului lor (în prezent acesta fiind de circa 15%), iar pentru ca soluția să devină interesantă economic, reducerea costului acestor celule (de 5ori) [10].

Principala problemă de mediu pusă de sistemele fotovoltaice este legată de utilizarea, în timpul procesului de fabricație, de compuși toxici, cum sunt sulfura de cadmiu și arsenura de galiu. Aceste substanțe chimice nu sunt biodegradabile, sunt foarte toxice și remanența lor în mediul ambiant poate dura secole; de aceea depozitarea captatorilor scoși din funcțiune poate prezenta un pericol ecologic major. Acest inconvenient ar putea fi suprimat prin utilizarea de celule fotovoltaice pe bază de siliciu, mai ieftine, mai ușor de fabricat și cu un randament mai mare.

2.5. Centrale mareomotrice

Valurile mărilor și oceanelor, mareele, sunt o sursă permanentă de energie, total nepoluantă și gratuită. O altă posibilitate rezultă din conversia în energie electrică a diferenței de temperatură dintre apa de la suprafață a mărilor calde și cea de la adâncime. De asemenea, la vărsarea fluviilor în mare, prin amestecarea apei dulci cu cea sărată, se risipește o cantitate enormă de energie, care s-ar putea recupera prin osmoză.

Aceste procedee au fost puțin utilizate, în principal, din cauza costului ridicat al instalațiilor necesare. Dificultățile actuale legate de utilizarea energiei valurilor sunt:

– valurile oceanice au dispersie mare și este greu să se concentreze energia în mod eficient, întrucât aceasta are o densitate scăzută;

– mărimea valurilor are o fluctuație mare datorită vremii, ceea ce face dificilă generarea unei energii constante și stabile;

– valurile oceanice sunt neuniforme, cuprinzând valuri de diferite înălțimi și lungimi, venind din direcții diferite;

– construirea și întreținerea instalațiilor din largul oceanului este mai dificilă decât a celor de pe țărm.

Mareele – oscilațiile periodice ale nivelului mărilor și oceanelor deschise datorită atracției lunii și soarelui – dezvoltă o putere de ordinul a 109 MW, dar partea tehnic amenajabilă din această putere este mică și implică investiții foarte mari. Un număr limitat de locuri din lume au o amplitudine suficientă a mareelor pentru a justifica construirea unei centrale.

Mareele se produc cu regularitate în anumite zone de litoral de pe glob, cu amplitudini care pot ajunge uneori la 14-18 m, determinând oscilații lente de nivel ale apelor marine. Principiul de utilizare a energiei mareelor în centralele mareomotrice (prima realizare importantă în domeniu este centrala mareomotrice Rance, din Franța, cu o putere de 240 MW , pusă în funcțiune în 1966) constă în amenajarea unor bazine îndiguite care să facă posibilă captarea energiei apei, declanșată de aceste oscilații, atât la umplere (la flux), cât și la golire (reflux) [11].

2.6. Energia eoliană

Energia eoliană este energia vântului, o formă de energie regenerabilă. La început energia vântului era transformată în energie mecanică. Valorificarea energiei eoliene a început în anii 1970, odată cu prima criză mondială a petrolului.

În anii 1990 a revenit în prim plan din cauza îngrijorărilor generate de impactul asupra mediului a poluării generate de combustibilii fosili. Singurele dezavantaje ale folosirii energiei eoliene este impactul asupra păsărilor și impactul vizual asupra mediului.

Unele turbine pot produce 5 MW, deși aceasta necesită o viteză a vîntului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 km/oră. Puține zone de pe Pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mari și în zone oceanice.

Figura 2.4. Centrale eoliene [12]

Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi și, turbine noi de vânt se construiesc în toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25 % din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice. Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată în prezent. Acest nivel de exploatare ar necesita ca, 12,7% din suprafața Pământului (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că un kilometru pătrat de teren ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătățirea randamentului turbinelor și a soluțiilor tehnice utilizate [13].

Energia eoliană este sursa de energie care crește ca aport procentual cel mai mult. Pe ultimii zece ani se poate vorbi de o medie de aproximativ 29% creștere anuală (anul 2005 a înregistrat o creștere record de 43%), mult peste 2,5% pentru cărbune, 1,8% pentru energie nucleară, 2,5% pentru gaz natural și 1,7% pentru petrol. Datorită iminentei crize a combustibililor și efectelor alarmante ale încălzirii globale este de așteptat ca aceste cifre să crească în cazul energiei eoliene.

Figura 2.5. Puterea vântului: capacitatea mondială instalată 1996- 2010 [14]

Europa este continentul care produce cea mai mare cantitate de energie folosind puterea vântului. Trebuie menționat că, între anii 1999 și 2006, producția energiei eoliene a crescut, practic, de cinci ori, ajungând, ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ:Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%). În luna aprilie 2008, capacitatea fermelor eoliene din lume era de 100.000 MW, reprezentând 1,3% din consumul global de energie electrică. Pentru anul 2010, World Wide Energy Association s-a așteaptat ca la nivel mondial să se producă 160 GW de electricitate folosind energie eoliană. Țara cu cel mai mare procent de electricitate provenit din energie eoliană este Danemarca, cu aproximativ 20%, iar țara care produce cea mai mare cantitate de energie este Germania, cu 38,5 TWh în 2007.

Pe continentul nord american lucrurile se mișcă mai greu, dar se mișcă în direcția corectă, statele din SUA ce produc cantități însemnate de curent folosind energia eoliană fiind Texas și California [15].

Pe locul patru la nivel mondial se situează India cu 6270 MW în 2006. India este totodată și unul dintre cei mai mari producători de turbine eoliene.

Tehnologia de prodicere a energiei electrice s-a dezvoltat continuu în ultimele două decenii; costurile de investiții au scăzut la nivel de 1 USD/kW energie electrică produsă. Acest cost este economic și plasează sursa de energie eoliană în rândul surselor de energie ieftine.

Capacitatea de producerea totală a energiei electrice folosind energia eoliană, la nivelul anului 2005 a fost de 59 GW.

Potențialul total mondial teoretic de resurse eoliene este de 55 TW. Practic poate fi folosit un potențial de 2 TW, restul neoferind condiții economice la nivelul tehnicii actuale.Rezerva nefolisită în condițiile tehnologiilor actuale este o speranță pentru viitor.

2.7. Centralele termice

Aceste centrale pot fi împărțite în mai multe categorii în funcție de trei factori principali:

– puterea centralei termice;

– tipul combustibilului folosit;

– locul instalării centralei.

Puterea centralei termice este un factor important și duce la următoarea clasificare:

– centrale termice mici cu puterea de până la 100KW;

– medii cu puterea cuprinsă între 100 și 2000KW;

– centrale termice mari, cu puteri peste 2000KW.

Pentru uz rezidențial în general se folosesc centrale termice cu puteri de până la 24KW.

După tipul combustibilului folosit:

– centrale termice pe lemne;

– cu peleți;

– pe gaz (metan, propan, butan),

– lichid (motorina),

– electrice.

Centralele pe gaz, la rândul lor pot fi împărțite după tehnologia de funcționare în:

– centrale instant;

– centrale conventionale;

– centrale în condensare (ce au un randament ridicat).

Centralele pot produce doar agent termic pentru încălzire dar există și variante care produc și apă caldă menajeră (ACM). La centralele cu ACM, apa poate fi preîncălzită de la panouri solare sau boiler electric.

Locul instalării centralei termice se referă la amplasarea fizică existând doua posibilități:

– centrale termice murale (pe perete, pot fi încastrate în mobilier);

– centrale termice pe pardoseala, necesită coș de evacuare al fumului și au dimensiuni mai mari.

Mai putem vorbi și despre o altă clasificare, și anume:

– centrale termice cu acumulare;

– centrale termice fară acumulare.

Centralele termice cu acumulare dispun de un rezervor bine izolat termic cu capacitate de până la câțiva zeci de litri care asigură un aport suplimentar de apă caldă menajeră. Aceste centrale sunt ideale pentru imobilele cu mai mulți consumatori de apă.

Din punct de vedere al tirajului există trei categorii de centrale:

– centrale termice cu tiraj natural, la care centrala preia aerul din încăperea unde este montata; din acestă cauză camera centralei trebuie să fie aerisită în permanență și trebuie să existe un coș exterior pentru eliminarea gazelor arse;

– centrale termice cu tiraj forțat, sunt foarte răspandite, de mici dimensiuni și pot fi montate în balcon, baie sau bucătărie deoarece aerul necesar arderii este adus dinafara camerei pe coșul care este folosit și pentru evacuare;

– centrale termice cu tiraj forțat în condensație, sunt mai eficiente decât cele cu tiraj forțat, în partea de evacuare având montat un dispozitiv care preia căldura gazelor arse și o folosește pentru preîncălzirea apei menajere.

2.7.1. Termoșeminee

Termoșemineele sunt, datorită folosirii combustibilului solid, soluția perfectă pentru încălzirea cu costuri foarte mici a locuințelor. Acestea se montează foarte ușor și se pot racorda la căminul de fum existent. Funcționează atât în sisteme de încălzire cu circuit natural cât și în cele cu tiraj forțat, dotate cu pompă de circulație, fiind foarte simplu de folosit. Datorită dimensiunii mari a ușii de alimentare se pot folosi piese mari de lemn pentru foc.

Se cunosc o mare diversitate de termoșeminee comercializate pe piață caracterizate printr-o construcție mai mult sau mai puțin complexă care determină performanțele de ardere, suprafața de contact termic, cantitatea de apă utilizată, etc.

Dezavantajul principal al termoșemineelor comercializate pe piață este randamentul scăzut determinat de suprafața redusă de schimb de căldura și lipsa unui sistem performant de reglare și control al temperaturii agentului termic.

Sistemele folosite, în general,în trecut folosesc energia termică dintr-un șemineu pentru a încălzi apă, ca de exemplu cele descrise în brevetele SUA 219978,SUA 1352371,SUA 1432538 și SUA 2113896, care sunt caracterizate printr-o suprafață redusă de transfer de căldura, acesta fiind principalul lor dezavantaj.

De exemplu, brevetul CA1024958A1 descrie un termoșemineu cu un sistem de încălzire convențional, o pompă de apă, un rezervor de stocare apă și un radiator. Dezavantajul principal al acestei soluții tehnice este suprafața redusă de transfer de căldura, construcția complicată și costisitoare, precum și lipsa unui sistem de reglare și control al temperaturii.

realizarea unui termoșemineu cu randament ridicat de transfer al căldurii.

CAPITOLUL 3 – TIPURI DE COMBUSTIBILI

Din punct de vedere chimic combustibilii sunt substanțe care prin reacția chimică de oxidare eliberează energia stocată în structura substanței.

În industria energetică prezintă importanță combustibilii energetici, la care căldura degajată prin ardere poate fi utilizată avantajos din punct de vedere tehnico-economic.

3.1. Combustibili fosili

Combustibilii fosili sunt substanțe naturale care s-au format în urma unui proces de fosilizare a organismelor vegetale și animale. Presiunea mare, căldura și absența oxigenului au făcut din resturile în descompunere materii care pot suferi procese de ardere: cărbune, petrol, gaze naturale.

Arderea este procesul chimic de combinare a două substanțe, și anume combustibilul și oxidantul, care are loc cu degajare de căldură, provocând o creștere bruscă a temperaturii amestecului substanțelor aflate în reacție. Oxidantul este orice substanță care conține și care poate degaja atomi de oxigen în stare liberă.

Orice substanță care conține și degajă liber elemente carburante în stare atomică poartă denumirea de combustibil fosil. Pentru ca o substanță să fie folosită drept combustibil, aceasta trebuie să îndeplinească anumite condiții din punct de vedere energetic:

– să se combine exotermic cu oxigenul din aer, iar degajarea specifică de căldură să fie cât mai mare;

– să se găsească în cantități suficiente accesibile unei exploatări economice și să nu aibă o utilizare superioară arderii (de ex. în petrochimie);

– să-și mențină constante în timp proprietățile fizico-chimice și tehnologice, pentru a putea fi prelucrată;

– să conțină, în cantități foarte reduse, substanțe precum sulful sau vanadiu, care, prin ardere produc gaze cu acțiune nocivă asupra pereților metalici.

Combustibilii fosili se clasifică după mai multe criterii. De exemplu:

– după starea de agregare se deosebesc combustibili: solizi, lichizi și gazoși;

– după proveniență combustibilii pot fi: naturali și artificiali;

– după puterea calorică combustibilii fosili se pot grupa în: superiori, medii și inferiori.

În compoziția unui combustibil fosil intră:

masa combustibilă (partea care nu este legată direct de balast, fiind compusă din: C, H, N, O, S);

masa minerală necombustibilă (provine din substanțe minerale, sulfați, oxizi, săruri, oxizi metalici etc);

umiditatea (cantitatea totală de apă din combustibil) [16].

3.2. Combustibili solizi

Din categoria combustibililor solizi cei mai utilizați în procesele energetice sunt cărbunii, iar dintre aceștia, cărbunele brun și huilele; lemnele sunt folosite numai pentru scopuri de încălzire locală. Cărbunele brun cuprinde mai multe grupe, funcție de vârsta geologică, și anume: brun lemnos (BL) numit și lignit, brun mat (BM), brun pământos (BP), brun smâlos (BS), brun huilos (BH). Huilele se întâlnesc sub formă de huilă cu flacără lungă (HL), huilă pentru gaz (HG), huilă pentru cocs (HC), huilă slabă sau semigrasă (HS), huilă antrocitoasă (H/A). Antracitul (A) este cel mai vechi cărbune natural; el nu se utilizează în scopul energetice și are o putere calorifică apropiată de cea a combustibilului convențional.

Caracteristicile tehnice și energetice principale ale cărbunilor sunt:

– materiile volatile (V) – respectiv cantitatea totală de gaze formate în procesul de transformare termică a masei combustibile (determinate prin încălzire timp de 7 minute, la o temperatură de cca 8150C);

– cenușa (Ai) provine din masa minerală rămasă după arderea combustibilului;

– temperatura de curgere a cenușii – temperatura la care corpul de probă curge pe placă și influențează sistemul de evacuare;

– vâscozitatea zgurii – sau rezistența pe care o opune deplasării particulelor în timpul curgerii și care influențează evacuarea lichidă;

– balastul – partea din combustibil care nu produce căldură prin ardere;

– puterea calorică inferioară [Hi(Kj/Kg)] – cantitatea de căldură degajată prin arderea unității de combustibil, fără ca vaporii de apă să se condenseze; se calculează funcție de conținutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, sulf și umiditate, la starea inițială;

– cenușa raportabilă – aceasta influențează tipul de grătar și modul de ardere;

– rezistența la stocare – reprezintă timpul în care cărbunele se degradează (se fărâmițează), până la mărunțirea lui completă [17].

Această caracteristică influențează timpul de stocare. Extragerea cărbunelui se face din mine subterane sau de suprafață, activitate care antrenează bulversarea a mari suprafețe de teren din subteran sau de la suprafață și un impact ecologic major asupra plantelor, animalelor, însă și asupra oamenilor. Materialul necesar pentru extracție, forajul și transportul pot contribui la formarea de substanțe chimice periculoase, așa cum sunt „noroiul” de foraj și produsele derivate din petrol, care contaminează solul.

Metanul, un gaz asociat extracției miniere subterane, poate provoca explozii în mine. Cel mai puternic impact îl regăsim în cazul arderii combustibililor fosili, iar dintre aceștia, cărbunele atrage cele mai numeroase consecințe negative în privința emisiilor de noxe în atmosferă și a poluării solului.

Dintre combustibilii solizi naturali fac parte biomasa din plante arse ca atare (paie, lemn), cărbunii, șisturile combustibile. Sunt considerați combustibili artificiali mangalul, cocsul și semicocsul, brichetele de cărbune, deșeurile combustibile solide (rumeguș, talaș, coji de semințe, puzderii etc.), combustibilii pentru rachete solizi.

3.2.1. Peleții

Peleții constituie un nou combustibil, care răspunde actualelor cerințe de utilizare a energiei curate și regenerative reprezentând alternativa de încălzire domestică și industrială cea mai curate, iar pentru România în condițiile alinierii prețurilor combustibililor clasici la prețurile europene, în curând va deveni alternativa cea mai economică și în același timp confortabilă.

Prin definiție, peletul este o minibrichetă obținută prin presarea rumegușului rezultat din tehnologiile de debitare a buștenilor, respectiv prelucrarea primară și secundară a lemnului precum și din tocătura de lemn provenită din deșeurile lemnoase sau din doborăturile copacilor dar și din alte materiale vegetale.

Un scurt istoric al producției de peleți se prezintă astfel:

– 1970 – este construită prima unitate de producție a peleților din lemn în orașul Brownsville din SUA;

– 1983 – este vândută în SUA prima centrală termică rezidențială ce utilizează drept combustibil – peleți;

– 1990 – în Suedia se începe producția industrială a peleților din lemn ca și combustibili;

– 1996 – existau deja peste 20 de producători de centrale termice și mai mult de 80 de producatori de peleți. Peste un milion de tone de peleți încălzesc deja case din America de Nord;

– 1997 – existau deja peste 500.000 de centrale termice pe bază de peleți în America de Nord.

Producția de peleți din lemn și dezvoltarea rapidă a pieței de desfacere pentru acest produs, se datorează în principal următoarelor motive:

– constituie o utilizare eficientă a resurselor locale ale comunității, pentru producerea de energie termică la costuri reduse;

– peleții sunt ușor de utilizat, ca atare, în instalațiile cu alimentare automată, spre deosebire de brichetele clasice de dimensiuni mari care în general se utilizează ca înlocuitor a lemnului de foc;

– prin ardere nu elimină noxe și nu conduc la fenomenul de încălzire globală, eliberând tot atata bioxid de carbon cât consumă materia primă vegetală pentru a fi produsă [18].

Producerea acestor minibrichete se realizează în instalații specializate, în general prin extrudare și nu necesită aditivi și lianți datorită rășinilor existente în mod natural în materia primă de bază.

În principiu, o instalație tehnologică pentru fabricarea peleților se compune din următoarele echipamente:

– depozit de materie primă

– tocător lemn

– sisteme de transport și alimentare

– uscător de rumeguș

– moară cu ciocane pentru mărunțire

– sistem de condiționare fibră

– extruder de peletizare

– unitate de răcire peleți

– mașină de ambalare peleți

– spații de condiționare

– depozit de produs finit.

În Germania, dinamica pe ultimii 3 ani a vânzărilor de sobe și cazane care utilizează drept combustibil lemnul sub formă de peleți se prezintă astfel:

– 2003 – 11000 bucăți;

– 2004 – 23000 bucăți;

– 2005 – 38000 bucăți.

Principalele caracteristici ale peleților din lemn sunt următoarele:

Mărime:diametrul: 6 – 8mm; lungimea maximă: de 5 ori diametrul

Putere calorică: 16,9 -18MJ/kg ( 4,7 – 5 kWh/kg )

Umiditate: 8 – 12%

Conținut cenușă: 0,5%

Materie primă: rumeguș lemn, material lemnos tocat

Densitate: 650 – 700kg / mc

Volum depozitare: 1,5mc / tonă

Echivalența: 1000 litri combustibil lichid = 2,1 tone peleși; 1 tonă combustibil lichid = 2,5 tone peleți.

În țările Europei de vest există normative pentru peleți. Astfel, în Germania peleții utilizati trebuie sa corespunda cu DIN 51731 care specifică următoarele caracteristici:

Diametre – exista 5 clase de la 4 la 10mm

Lungime – mai mica sau egala cu 50mm

Densitate – 1 – 1,4g/cmc

Umiditate – mai mică sau egală cu 12%

Conținut cenușă – mai mică sau egală cu 1,5%

Putere calorică 17,5 – 19,5MJ/kg

Conținut de sulf – mai mic de 0,08%

Conținut de azot – mai mic de 0,3%

Conținut de clor- mai mic de 0,03%

În privința emisiei de noxe studiile arată că peletul are cea mai redusă emisie în comparație cu emisiile altor combustibili ca de exemplu lemnul de foc, rumegușul sau petrolul.

Costurile producției de peleți;

– Există un studiu realizat în anul 2003 și publicat în ianuarie 2004 de către un grup de cercetători de la mai multe institute de cercetare ale resurselor energetice secundare după cum urmează: WIP – München; ETA – Renewable Energies; EUBIA; CARTIF; CRES. Studiul a fost realizat pe un grup de 5 țări producătoare de peleți și anume Austria, Franța, Germania, Portugalia și Elveția. Cele 5 țări au produs în anul 2004 o cantitate totală de cca 128 milioane tone de peleți. Costurile de producție, pentru producția unei tone de peleți în aceste 5 țări analizate, se prezintă astfel:

Tabelul 3.1.

Costuri de producție

În privința sursei de materie primă pentru realizarea de peleți trebuie spus că aceasta nu se limitează la materia lemnoasă, iar cercetările din țările dezvoltate au condus la realizarea prin mutații genetice a unor plante cu deosebite capacități de regenerare.

Astfel în Suedia există deja cultivate cca. 50.000 ha de teren cu o plantă denumită "salcie energetică" – plantă ce produce în primul an de la însămânțare cca. 10 tone de material vegetal la un hectar, iar începând din al doilea an producția ajunge la 40 tone/ha.

În Ungaria au fost cultivate deja 2000 hectare cu această plantă iar producția, datorită zonei cu temperaturi mai ridicate decât în Suedia, a fost de 60 tone/ha. Comunitatea Europeană a elaborat deja o legislație, iar țările din comunitate printre care și Ungaria au adoptat deja această legislație prin care se subventionează de către stat ca agenții economici care doresc să cultive aceste plante energetice.

În România există agenți economici care deja dețin licențe pentru cultivarea in pepiniera a bulbilor necesari pentru plantarea acestor arbuști energetici și așteaptă momentul apariției legii privind subvenționarea acestor culturi. Soluția utilizării acestor plante pentru obținerea de energie are marele avantaj ca materia primă este regenerabilă și nu limitată ca actualii carburanți.

3.3. Combustibili lichizi

Combustibilii lichizi sunt amestecuri de hidrocarburi lichide și compuși ai acestora cu oxigenul, sulful sau azotul, care se obțin prin distilarea fracționată sau prin dizolvare din țiței (combustibil lichid natural) din șisturi bituminoase. Ei se împart în:

– benzine, amestecuri de hidrocarburi care fierb la temperaturi cuprinse între 300 0C și 2050 0C și se folosesc la motoarele cu aprindere prin scânteie;

– petroluri, amestecuri de hidrocarburi care fierb la temperaturi cuprinse între 1500 0C și 2800 0C (de ex. petrol lampant, petrol pentru tractor, pentru reactor);

– motorine, amestecuri compexe de hidrocarburi mai grele, care fierb de la 2000 0C până la 3800 0C; se folosesc la motoarele Diesel;

– păcuri, amestecuri de hidrocarburi grele care fierb la temperaturi cuprinse între 3000 0C și 5000 0C; la temperatura mediului ambiant au consistență vâscoasă, culoare neagră, tendință de oxidare (asfaltizare), cel mai frecvent utilizate, dar după o încălzire prealabilă, în instalațiile de ardere;

– combustibil lichid ușor (de calorifer) – amestec de produse petroliere (de obicei motorină și păcură), folosit la instalația de ardere cu o capacitate redusă.

Păcura – este cel mai utilizat combustibil lichid folosit în instalațiile de ardere ale generatoarelor cu abur energetice.

3.4. Combustibilii gazoși

Sunt amestecuri de gaze combustibile, oxigen, azot, vapori de apă. Gazul natural este combustibilul fosil a cărui ardere este cea mai curată; el este un amestec compus în principal din metan cu urme de alte hidrocarburi gazoase și este extras în majoritatea cazurilor din zăcăminte de gaze uscate (90%) care nu conțin petrol. Gazul este transportat de la zăcăminte, prin conducte sub presiune, direct la consumatorii urbani sau industriali. După o filtrare prealabilă, pentru eliminarea impurităților și umidității, gazul este utilizat pentru încălzire și pentru gătit, având o putere calorică ridicată și pentru că arderea sa generează mai puține gaze cu efect de seră, comparativ cu petrolul și cărbunele.

Gazul petrolier lichefiat (GPL) este un reziduu al zăcămintelor petroliere conținând un amestec de propan și alte hidrocarburi gazoase dizolvate în petrolul brut. După separarea de petrolul lichid și stocarea sub presiune în cisterne metalice, el este condus până la clienții particulari, unde este folosit pentru încălzire și pentru gătit. În afara problemelor de ardere, prezentate mai sus, se menționează și riscul emisiilor accidentale de gaz în atmosferă și pericolul de explozie. Caracteristicile energetice principale ale combustibililor gazoși sunt: compoziția volumetrică, densitatea, puterea calorifică inferioară, temperatura de aprindere.

3.5. Biomasa

Biomasa este energia solară sub formă chimică, stocată în materia organică nefosilă, cum ar fi copacii și vegetalele, dar și în reziduurile biodegradabile de natură animală, forestieră și agricolă, precum și în componentele biodegradabile ale deșeurilor industriale. Aceasta include, fără excepție, toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului. Este o formă de energie regenerabilă, cea mai abundentă de pe planetă, cu mențiunea că este, totuși, nevoie de scurte perioade de timp pentru ca ceea ce a fost folosit ca sursă de energie să se regenereze.

Deși biomasa este una dintre principalele resurse de energie regenerabilă ale României, în prezent țara noastră își obține cea mai mare parte din energia verde care provine din resurse hidro. Exploatarea biomasei câștigă însă tot mai mult teren și la noi. Oficialii de la Bruxelles cer ca 20% din carburantul utilizat în 2020 să fie biogaz (în anul 2010 procentul a fost de 6% ). Pentru a atinge acest obiectiv, guvernul britanic a redus taxele asupra biocarburanților cu 0,30 de euro pe litru, în timp ce reprezentanții Uniunii Europene au dat, agricultorilor 45 de euro pe hectar pentru culturile din care se produc combustibili verzi (biogaz sau alcool) (o perioadă, pentru că, pe măsură ce suprafețele ocupate de plante ce produc biocombustibili au crescut, subvențiile acordate de UE au suferit modificări) . Utilizați la scară mică, biocarburanții sunt inofensivi. Dar, susțin unii specialiști în domeniul energiei, proiectele Uniunii Europene cer crearea de culturi special destinate producerii de combustibil, ceea ce nu reprezintă tocmai un demers ecologic.

Produse energetice finale rezultate din biomasă

Biomasa acoperă un evantai larg de filiere de producție cu numeroase tipuri de resurse, un anumit număr de tehnologii de conversie și trei produse energetice finale:

– Căldură;

– Energie electrică;

– Combustibili lichizi pentru transport.

Biomasa utilizează:

– Plantele oleaginoase (rapița, floarea soarelui, soia);

– Plantele cu zahăr și amidon (sfecla de zahăr, cereale, sorgul dulce);

– Biomasa solidă (lemnul, paiele, turba);

– Biomasa umedă (deșeuri organice, bălegarul).

Contrar altor resurse energetice, utilizarea biomasei are două avantaje: pe de o parte se produce energie, iar pe de altă parte se scapă de deșeuri, care reprezintă un risc potențial pentru mediu.

Producția de căldură

Arderea lemnului pentru a produce căldură este unul din principalele moduri de a genera bioenergie. În funcție de volum se pot utiliza mai multe sisteme: sobele cu lemne, casnice, care utilizează bușteni sau granule; cazane care ard talaș; cazane mari, capabile să ardă o gamă largă de combustibili, de la deșeuri de lemn până la combustibil extras din gunoaie.

Energie electrică sau cogenerare de căldură și energie electrică

Arderea este principala opțiune exploatată în prezent în acest domeniu, însă apar noi tehnologii: gazeificarea (tratarea termică a biomasei, care permite obținerea unui amestec de gaze ce pot fi utilizate pentru generarea de energie); piroliza (degradarea termică a lemnului, care este transformat în lichid, biouleiul); fermentarea anaerobă (proces biologic care convertește biomasa în biogaz, în principal metan și CO2; cogenerarea, similară celei aplicate combustibililor fosili pentru creșterea eficienței energetice globale, ajungându-se la un randament global de 80-90%, față de 30-40% în cazul unei centrale termoelectrice clasice. Utilizarea deșeurilor urbane pentru a genera energie electrică și căldură este tot mai mult acceptată ca o manieră importantă de a reduce costul colectării deșeurilor, constituind totodată o strategie interesantă pentru o dezvoltare urbană durabilă. Astfel este posibil să se transforme gunoiul menajer în biogaz, în vaste întreprinderi industriale de producere a metanului (metanizare – ca la Seine – Saint Denis, în Franța) în scopul de a reduce cât mai mult cantitatea de deșeuri și de a utiliza o parte din deșeurile menajere cu putere calorică mai mare, combinate cu combustibili tradiționali, pentru cogenerarea de căldură și energie electrică.

Totuși, trebuie menționat că utilizarea deșeurilor urbane pentru cogenerarea de căldură și energie prezintă și riscuri și inconveniente, ceea ce face această metodă puțin atrăgătoare. Compostarea deșeurilor urbane comportă diverse riscuri și prezintă conotații socioculturale negative, cum ar fi potențialul de transmitere a bolilor și a agenților patogeni; ea presupune de asemenea și un cost suplimentar pentru transportul materiilor prime și a produselor finale, costuri salariale pentru colectarea și trierea deșeurilor, precum și degradarea calității vieții în vecinătatea întreprinderilor de tratare.

Biocombustibilii lichizi

Uleiurile vegetale, esterii metilici și biodiesel-ul pot fi utilizate în motoarele automobilelor, fie în stare pură, fie în amestec cu motorină. Etanolul (un biocombustibil lichid produs prin fermentarea materiilor prime pe bază de sfeclă, urmată de o distilare) poate fi folosit în motoarele pe benzină. Se pot obține, de asemenea, biocombustibili lichizi pornind de la biogaz îmbogățit (metan) și se dezvoltă în prezent producerea lor din materii prime pe bază de lemn.

Uleiul de rapiță este un lubrifiant al sistemelor mecanice, oferind o mai buna protecție la uzură, cu un impact mai redus asupra mediului, comparativ cu lubrifianții minerali, fiind mai puțin volatil decât aceștia.

Dacă biomasa se gestionează de manieră durabilă, arderea ei nu produce aceleași efecte ca cele ale combustibililor fosili: vegetalele suplimentare recoltate ca sursă viitoare de biomasă consumă dioxid de carbon prin procesul de fotosinteză, astfel că, global, emisiile de CO2 sunt mai mici în cursul procesului de ardere, față de arderea combustibililor fosili.

Avantaje ale utilizării biomasei , ca sursă de energie

Biomasa ca sursă de energie are următoarele avantaje:

componentele sale sunt foarte ușor de procurat;

securitatea aprovizionării este garantată (poate fi stocată în cantități mari);

tehnologia ei contribuie la crearea de locuri de muncă stabile, în special în regiunile rurale;

oferă bune oportunități de a exporta tehnologii de dezvoltare și know-how (savoir-faire);

utilizarea ei contribuie la atenuarea emisiilor de CO2 și la reducerea altor emisii, de exemplu SOx.

Totuși, vegetalele sunt foarte puțin eficiente în ceea ce privește conversia energiei solare în biomasă și este necesar să se consacre suprafețe considerabile de terenuri cultivate pentru a obține același randament energetic. Conform unor estimări, ar trebui circa 600 ha de vegetale recoltate pentru a obține 1 MW într-o centrală electrică.

CAPITOLUL 4 – SOLUȚII TEHNICE DE ÎNCĂLZIRE UTILIZÂND SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

În momentul de față economia națională și mondială se confruntă cu prețuri ridicate de producere a energiei termice și electrice, existând numeroase tendințe de a utiliza folosirea surselor de energie regenerabile pe o scară cât mai largă. Există și alte motive pentru care s-ar renunța la producerea energiei, cu combustibili lichizi, gazoși sau fosili și anume că rezervele acestora se vor epuiza foarte curând, dar și emisiile poluante ating cote îngrijorătoare. La fel se poate vorbi și despre energie nucleară care produce deșeuri radioactive foarte periculoase pentru mediul înconjurător, dar și, despre riscului legat de producere unei catastrofe nucleare.Pentru acești combustibili clasici se prevede o creștere sporită a prețurilor, deoarece rezervele lor scad, fenomen care conturează renunțarea și mai rapidă la ei.

Principale tipuri de energie regenerabile sunt energia solară și energia eoliană. Acestea sunt tot timpul constante față de sursa energiei care le generează. Există un inconvenient major legat de captarea și stocarea ei într-o oarecare formă și apoi ulterior să fie utilizată. Pe lângă instalații care încălzesc locuințe mai sunt și acelea care folosesc energia solară în scopul răcirii aerului. Energia regenerabilă este captată de diferite fluxuri de energie produse de diferite fenomene ale naturii, precum: vântul, soarele, apele curgătoare, energia geotermală sau fluxuri biologice. Acestea au marele avantaj că folosec radiația solară respectiv forța vântului, pentru a produce energie iar ele nu sunt influențate în nici un fel de preț, deoarece acestea nu se cumpără ci sunt gratuite. În general cantitatea de căldură ce cade pe acoperișul unei case este mai mare decât energia total consumată în casă. Există posibilitatea folosirii sistemelor solare în combinație cu alte sisteme termice cu combustibili clasici, aceasta pentru a reduce o parte din cheltuieli. Singurele dezavantaje ale acestora ar fi cheltuielile legate de costul instalației și a cheltuielilor de întreținere care la ora actuală au o valoare ridicată.

Din cele mai vechi timpuri a existat dorința captării acestor tipuri de energiei într-nu mod cât mai eficient, lucru care nu a fost posibil până acum, dar la ora actuală odată cu avansarea tehnlogiei s-au creat condiții, care acum sunt la îndemâna noastră să exploatăm aceste resurse.

Pentru a încălzi o locuință folosind surse de energie regenerabile se vor analiza câteva soluții de încălzire a locuințelor,pentru ca la urmă să putem alege soluția cea mai optimă. Soluțiile care vor fi analizate sunt: utilizarea energiei solare, utilizarea unei pompe de căldură în trei variante: varianta sol-apă,apă-apă și aer-apă, dar și utilizarea unui sistem de încălzire cu combustibil solid regenerabil (lemn, peleți, rumeguș).

4.1. Utilizarea energiei solare

Prima variantă care este analizată este energia solară, care se transmite spre pământ sub formă de căldură prin radiație. Pentru a produce energie termică din energia solară avem nevoie de o instalație corespunzătoare. O astfel de instalație se achiziționează în ideea că printr-o investiție inițială mai mare, costul acesteia va fi amortizat într-un timp mai îndelungat, soluție rentabilă economic. Pe lângă instalații care încălzesc locuințe mai sunt și acelea care folosesc energia solară în scopul răcirii aerului.

Modul de captare a energiei solare se face prin intermediul unor componente ale instalației numite captatori solari. Tipul captatorilor solari poate fi cu colector plat sau tuburi vidate. Caracteristica lor legată de modul lor de poziționare față de soare este că unii se pot regla automat prin modificarea unghiului de înclinație, aceștia numindu-se active, iar ceilalți se montează într-o poziție cât mai optimă care rămâne constantă și în timp se numesc pasivi. Aceste componente pot funcționa numai pe timplul zilei deoarece este implicit faptul că numai atunci există radiație solară. Eficiența cu care se utilizează energia solară este puternic influiențată de mai mulți factori. Cauzele repective sunt datorate de pierderile în intensitate la intrarea în atmosferă, a fluxului energetic, prin reflexie, dispersie, absorbție cauzate de particulele de praf și de gaz existente în drumul lor. Tulburările atmosferice sunt de asemenea un obstacol ce stă în calea lor împiedicându-le să ajungă pe pământ cu valoarea fluxului de energie inițial. Randamentul colectării radiției este strâns legat de valoarea unghiului de incidență care pentru eficiență maximă trebuie să fie de 90º altfel spus radiația solară trebuie să cadă perpendicular pe panoul solar. Cantitatea de radiație solară care ajunge direct pe suprafața pământului se numește radiație direct, iar cealaltă care este reflectată sau absorbită de particulele de gaz și praf se numește radiație difuzivă.

În figura de mai jos se va prezenta principiul de funcționare al unui captator plan:

Figura 4.1. Principiul de funcționare al unui captator plan pasiv [19]

Pentru a vedea modul de realizeazare a montajului, pe acoperișul locuințelor a acestui tip de captator solar plan, se va prezinta în figura de mai jos o astfel de aplicație.

Figura 4.2. Montaj captator plan pe acoperiș [20]

4.2. Utilizarea unei pompe de căldură

Indiferent că este vorba de energia termică din aer, din apă sau din sol – în afara energiei geotermale – aceasta este întotdeauna energia solară acumulată. Pompa de căldură se alimentează din această energie acumulată de mediu.

Pompele de căldură sunt instalații frigorifice care au rolul de a prelua căldura dintr-un mediu, prin intermediul unui agent frigorific, ca pe urmă să o cedeze altui mediu, cu temperatura diferită de primul. Pentru ca agentul frigorific să poată transporta căldura dintr-un mediu într-altul el trebuie să își schimbe starea de agregare. Principiul fundamental care stă la baza funcționării acestor sisteme spune că nu este posibilă trecerea căldurii de la un corp având temperatura mai mică la altul cu temperatură mai mare, decât dacă se introdce în sistem un lucru mecanic.

Modul de funcționare al pompei de căldură este asemănător cu un frigider, diferența dintre aceste două instalații este că pompa de căldură are efectul util în condensator, iar la frigider efectul util este realizat în vaporizator. Prin adaptarea corectă a surselor și a sistemului de distribuție a căldurii la regimul de funcționare a pompelor de căldură se obține o funcționare sigură și economică a instalației de încălzire. Pompele de căldură obțin aproape o treime din energia necesară pentru încălzire din mediul înconjurător , iar pentru restul instalației se folosește energie electrică.

Pentru ca o asemenea instalație să poată funcționa aceasta trebuie să conțină minim patru elemente constructive de bază cum ar fi: vaporizatorul, compresorul, condensatorul și ventilul de laminare. Pe lângă aceste componente mai pot exista și alte elemente cum ar fi schimbătorul de căldură intermediar, aparatură de automatizare. Schimbătorul de căldură intermediar are rolul de-a crește eficiența sistemului, iar aparatura de automatizare îndeplinește funcția comandă, pentru o funcționare independentă a instalației. Componentul principal al acestui sistem fără care nu s-ar putea face transportul căldurii de la vaporizator la condensator și invers este agentul termic.

Acest agent are proprietatea că fierbe la o temperatură mult sub cea de 0°C. Pentru ca agentul să trecă din starea de lichid în cea de vapori, temperatura mediului unde este amplasat vaporizatorul trebuie să fie mai mare decât temperatura de vaporizare a agentului respectiv. În cazul folosirii unei pompe de căldură la încălzirea locuințelor vaporizatorul absoarbe energia termică solară acumulată în sol, apă și aer.

Efectul util al unei astfel de instalație este îndeplinit de condensator, care cedează căldura înmagazinată după procesul de comprimare, unui agent secundar care apoi distribuie căldura obținută la alte componente ale instalației.

Figura 4.3.Circuitul pompelor de căldură [21]

Figura 4.4. Principiul de funcționare al pompelor de căldură [22]

4.2.1.Utilizarea pompei de căldură în varianta aer-apă

Această variantă de pompă de căldură, funcționează pe baza schimbului de căldură dintre aerul exterior și agentul frigorific. Din aerul care acumulează energia solară, se extrage căldura necesară care apoi este introdusă în circuitul pentru încălzirea locuinței. Cum această sursă de energie se găsește în cantități nelimitate, la orice oră și în orice anotimp rezultă că acest sistem de pompă de căldură poate să funcționeze fără probleme un an întreg. Nu este permisă folosirea aerului din interiorul incintelor ca sursă de energie pentru încălzirea locuințelor, însă există situații speciale, ca de exemplu în industrie atunci când se utilizează o partedin căldura recuperată. Regimul de funcționare al instalației poate fi monovalent sau monoeergetic în combinație cu o rezistență electrică, dacă clădirea respectivă este construită după standardele în vigoare. Sistemul de preluare a căldurii din aerul exterior este compus dintr-o carcasă Cantitatea de aer necesară este dirijată de către un ventilator încorporat în aparat, prin niște fante de admisiune către vaporizaor, care extrage căldura din el. Rolul ventilatorului este să asigure o circulatie continuă a aerului peste vaporizator, pentru că aerul ce a cedat odată căldura trebuie să părăsească imediat zona respecivă deoarece el s-a rcit și nu mai poate încălzi eficient vaporizatorului.

Figura 4.5. Instalație termică a pompei de căldură tip aer-apă [23]

Există situații când pe tur, trebuie să se asigure temperatura apei la o valoare mai mare decât cea superioară pe care o poate realiza pompa de căldură, iar atunci pompa de căldură va funcționa numai în completarea unui generator de căldură convențional. Pentru că aceste pompe preiau căldura de la aerul exterior, iar în sezonul rece, aerul are o temperatură foare scăzute, se constată că eficiența pompei de căldură scade considerabil.

4.2.2. Utilizarea pompei de căldură în varianta sol-apă

Pompa de căldură în varianta sol-apă absoarbe căldura din solul care inmagazinează energia solară . Această energie este transmisă solului pe mai multe căi, prin radiație solară directă, prin căldura stocată din precipitații și prin căldura pe care o deține aerul. Solul are proprietatea că mentine aproape constantă temperatura pentru o perioadă lungă de timp condiție necesară în funcționarea pompelor la un randament bun. Componentele instalației prin care se captează căldura sunt de două feluri: schimbătoare de căldură pentru sol așezate orizontal numite colectori sau schimbătoare de căldură așezate vertical numite sonde pentru sol.

Căldura mediului ambiant este transmisă instalației de colectare prin intermediul unui agent de protecție la ingheț, acesta având un punct de îngheț care se situează în jurul valorii de aproximativ -15 ºC. Acest agent este o saramră care garantează funcționarea fără probleme a sistemului de colectare al căldurii din sol. Apa sărată se recirculă prin tubulatură cu ajutorul unei pompe, în acest fel făcându-se preluarea căldurii preluată din sol.

În cazul când preluarea căldurii din sol se face prin intermediul colectorilor orizontali dispunerea tuburilor colectoare se așează pe rânduri la odistanța de 0,5 până la 0,7 metrii unul de celălalt. Această distanță dintre tuburi este necesară pentru a creea condițiile regenerării căldurii din sol. Tuburi respectivele sunt confecționate din material plastic, deoarece acesta nu reactionează în nici un fel cu mediul ambiant. Tuburile din material plastic sunt dispuse paralel în sol la oadâncime de 1,2 până la o adâncime de 1,5 metrii. La o suprafață de un metru pătrat de de absorbție este indicat să se monteze o lungime tub cu valoarea cuprinsă între 1,43 până la 2 metrii. Lungimea totală de tuburi montate nu trebuie să depășească o distanță mai mare de 100 m pentru a împiedica apariția pierderilor mari de presiune de presiune. Dacă sunt pierderi mari de presiune și puterea pompei de recirculare trebuie să fie mai mare, acesta reprezentă un inconvenient, și el trebuie evitat. În perioada de funcționare a pompei de căldură în jurul tuburilor apare înghețul solului, acesta se răcește după cedarea căldurii, însă acesta nu are efecte secundare asupra funcționării instalației. Singurul inconvenient al apariției înghețului poate influența vegetația care există la suprafața solului, dar numai asupra acelora cu rădăcini mai lungi.

Pentru introducerea tubulaturii în sol trebuie făcute săpături până la adâncimile prescrise, iar acesta implică cheltuieli suplimentare destul mari. O influiență în transmiterea căldurii către sistemul de colectare o are natura solului unde sunt amplasate tuburile sau sondele, mai indicat este pământul argilos umed. În momentul în care trebuie introduși colectorii în pământ trbuie neapărat cunoascută natura solului, deoarece dimensionarea colectorilor se face în funcție de acest factor. Spre exemplu solul care are o componență mai nisipoasă, are caracterisici de reținere a căldurii mai proaste. Din lipsa spațiului sau a altor inconvenientei cele mai preferate colectoare sunt cele cu așezare vericală, deoarece acestea ocupă suprafață mai mică, cel mai utilizat spațiu este cel de pe verticală. Pe durata unui an se consideră că, puterea medie de preluare a căldurii din sol, este de la 10 până la 35 watt pentru fiecare metru pătrat de sol, asta când instalația funcționează numai în regim monovalent. În litratura de specialitate există diferite soluții și modele tehnice de instalare ale acestor colectoare. În cazul sondei cu tub dublu, tip profil U de regulă se montează patru tuburi paralele prin care curge apa sărată în jos din distribuitor în două tuburi și este recirculată în sus prin celelalte două tuburi spre colector. Altă variantă este cea realizată din tuburi coaxiale cu un tub interior din material plastic, pentru alimentare și un alt ub exterior din material plastic pentru recircularea apei sărate. Modul de introducere în sol a colectorilor se face prin folosirea tehnologiei de foraj sau prin batere.

Figura 4.6. Instalație termică cu pompă de căldură de tip sol-apă,

cu colectori orizontali [24]

Figura 4.7.Instalație termică cu pompă de căldură de tip sol-apă, cu sonde [25]

În condiții hidrologice normale puterea medie a sondelor poate porni de la o valoare de 50 watt pentru fiecare metru din lungime a sondei. Dacă solul unde se amplasează colectorii are o infiltrație de apă mai ridicăcată decât media, asta dacă prin apropiere există un izvor de apă care menține nivelul constant de infiltrații, puterea de preluare a căldurii crește semnificativ, deoarece există o răcire mai lentă a solului. O astfel de situație poate să asigure un regim de funcționare monovalent fără nici un fel de probleme.

4.2.3. Utilizarea pompei de căldură în varianta apă-apă

Principiul de funcționare al acestui tip de pompă de căldură este oarecum asemanător cu acela din varianta anterioră analizată, diferența este făcută de sursa directă de căldură care în cazul acesta este pânza freatică. Apa din izvoare este un bun acumulator de energie solară, ea menține temperatura constantă chiar dacă afară este foarte frig. Altă sursă de energie pentru aceste tipuri de pompe mai poat efi și apa din râuri sau lacuri. O consecință a nivelului de temperatură constantă este randamentul pompei, care este ridicat iar instalația proiectată va funcționa la parametrii nominali.

Utilizarea energiei solare acumulată în apa din pânza freatică se face într-un mod foarte asemănător cu cel descris mai sus în cazul utilizării energiei solului. Apa freatică este un bun acumulator pentru căldura solară, care chiar și în zilele reci de iarnă se menține o temperatură constantă, de 7 până la 12 °C, conform diagramei din figura (1.1.1.1), fapt care reprezintă un avantaj. Datorită nivelului de temperatură constant al sursei de căldură, indicele de putere al pompei de căldură se menține ridicat de-a lungul întregului an.

păcate, apa freatică nu se găsește în cantități suficiente în toate zonele și nu are o calitate corespunzătoare. Dar acolo unde condițiile permit, merită să se utilizeze acest sistem. În cazul apelor freatice fără conținut de oxigen, dar cu conținut ridicat de fier și mangan se îngălbenesc puțurile. În aceste cazuri apa freatică nu trebuie să vină în contact cu aerul sau trebuie tratată în mod corespunzător.

Utilizarea apei freatice trebuie aprobată de către organele competente. Pentru utilizarea căldurii trbuie relizat un puț aspirant și un puț absorbant, puț drenant. Chiar și lacurile și râurile sunt indicate pentru obținerea de căldură. În acest caz terbuie proiectat un circuit intermediar. Referitor la posibilitățile de utilizare a apei trebuie discutat cu regia de distribuție a apei.

În figura următoare se va reprezenta o instalație cu pompă de caldură de tip apă-apă:

Figura 4.8. Instalație termică cu pompă de căldură de tip apă-apă [26]

4.3.Utilizarea unui cazan cu combustibil solid – regenerabil

Din categoria combustibilului solid regenerabil face parte lemnul, care se poate afla și sub formă deșeuri rezultate după prelucrarea industrială a acestuia. Lemnul este cel mai vechi combustibil folosit la incălzitul locuințelor, deoarece el existată din toate timpurile și a fost întotdeauna la îndemâna omului. În afară de lemn mai sunt și alte tipuri de combustibil regenerabili: paiele, trunchiurile de porumb, porumbul, sâmburii fructelor.

Chiar dacă copacii au un rol foarte important în producerea oxigenului, iar tăierea lor afectează ecosistemul, se poate evita această situație prin defișarea controlată a pădurilor, și înlocuirea arborilor cu puiet. Utilizarea rezidurilor lemnoase este o soluție atractivă, deoarece ele se găsesc pe teritoriul țării noastre în cantități impresionante iar prețul acestora este mai mic decât cel al trunchiului de copac.

Principalele inconveniente ale acestora deșeuri ar fi cele legate de spațiul de depozitare, care trebuie să fie un loc uscat iar spațiul ocupat de acestea este destul de mare. În timpul procesului de ardere se înregistrează foarte des neuniformitatea arderii deoarece căldura degajată în faza inițială are o variație prea mare față de fazele următoare. Explicația acestui fenomen constă în faptul că viteza de ardere în faza ințială este mare, deoarece în masa deșeului există spații mai mari care favorizează viteza de propagare aflăcării.

Rezidurile lemului se găsesc sub formă de rumeguș, talaș dar mai sunt și alte componente lemnoase spre exemplu: ramurile de copac sau arbuști. Industria mai recuperează o parte din aceste deșeuri transformându-le prin presare în panouri termoizolante sau sunt transformate într-o pastă din care pe urmă se realizează celuloza și hârtia. O depozitare neglijentă a deșeurilor pune în pericol mediul înconjurător datorită biodegradării, deoarece acestea se descompun chimic. Fiindcă puterea calorifică a deșeurilor este una ridicată, iar volumul lor ridică probleme de depozitare dar și de transport, există posibilitatea reducerii volumului lor printr-o comprimare mecanică.Astfel se realizează așa numitele brichte și peleți care au o calitate energetică superioară mai mare decât cea a deșeurilor din care au fost făcute. La aceste produse se obține o densitate mai mare față de deșeul vrac.

Dacă se doresc calități mai bune ale rumegușul, caesta poate fi prelucrat mecanic prin presare, iar dacă umiditatea acestuia este necorespunzătoare el poate fi în prealabil uscat. În cazul în care cazanul funcționează cu peleți sau brichete timpul de realimentare a cazanului cu combustibil este mai mare decât acela în care s-ar folosi combustibil de tip vrac.

În continuare se vor arăta câteva imagini cu aceste tipuri de combustibil solid regenerabil:

b)

Figura 4.9. Tipuri de combustibili: a) brichete, b) peleți.