1

Sef lucr. univ. Dr. Ing. Ec. Ioan V. CĂLDARE

UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ-NAPOCA Facultatea de Mecanica

COGENERAREA, O SOLUTIE IMPORTANTA PENTRU CRESTEREAEFICIENTEI SISTEMELOR DE ALIMENTARE CENTRALIZATĂ CU ENERGIE TERMICĂ

2

4.1. Definiţia cogenerării. Avantaje. Scurt istoric şi dezvoltare.

Cogenerarea reprezintă un ciclu de transformare in care, pornind de la combustibil (energia primară), se produce in aceeaşi instalaţie şi in acelaşi timp energie mecanică şi energie termică; in marea majoritate a cazurilor, energia mecanică este transformată prin intermediul unui generator electric, in energie electrică. (Fig. 4.1.)

3

Fig. 4.1. Ilustrarea principiului cogenerării

4

In literatura americană sau engleză, sursele echipate cu instalaţii de cogenerare poartă denumirea prescurtată CHP (Combined Heat and Power Plant), in Germania HKW (Heizkraftwerk), in Franţa CAG (Central a Cogeneration) şi in Romania CET (Centrală Electrică de Termoficare).

Mai recent in Romania s-a generalizat şi denumirea de Centrală de Cogenerare.

Cuvantul de cogenerare este sinonim cu termoficare.

In lucrare se va folosi denumirea de cogenerare.

5

Cogenerarea prezintă nişte avantaje remarcabile, combarativ cu producerea separată a celor două forme de energie (electrică şi termică):

• Din punct de vedere termodinamic, randamentul global la producerea separată este mai mare cu peste 25% raportat la producerea in cogenerare(Fig. 4.2)

6

Superioritatea termodinamica a cogenerarii

7

• Din punct de vedere economic, cogenerarea reduce valoarea facturii energetice totale.

Amploarea acestei reduceri depinde de mai mulţi factori, cum ar fi:

- tipul tehnologiei de cogenerare utilizat- structura tarifelor energetice adoptate- tipul de combustibil utilizat- bonusuri şi privilegii acordate pentru cogenerare

- In principal se obţine o eficienţă economică mai bună prin reducerea costului cu combustibilul (se consumă mai puţin combustiobil pentru producerea aceloraşi cantităţi de energie) şi prin reducerea taxelor ecologice (prin ardera unei cantităţi mai reduse de combustibil se poluează mai puţin).

8

• Din punct de vedere al protecţiei mediului, din considerentele arătate mai sus, se realizează o reducere considerabilă a cantităţii de noxe evacuată in atmosferă.

9

Scurt istoric şi dezvoltare

Prima instalaţie de cogenerare din lume a fost realizată in SUA, in New York in anul 1877.

Apoi, in Germania, la Hamburg, a fost construită o centrală de cogenerare care alimenta cu energie termică la distanţă mai mulţi consumatori.

Argumentul principal al realizării acesteia a fost, pe langă economia de combustibil, evitarea pericolului de incendiu in construcţiile dense ale oraşului, care se incălzeau cu sobe pe cărbune.

In acest fel se asociau avantajele cogenerării cu cele ale incălzirii la distanţă.

10

Ciclul de cogenerare utilizat la aceste centrale era ciclul Rankine (cu abur), ciclu care a cunoscut o dezvoltare impresionantă atat in America cat şi in Europa pană la sfarşitul secolului XX.

Pe acest principiu s-au dezvoltat şi in ţările din “Lagărul Socialist”, pornind din Rusia Sovietică, unităţi de cogenerare de mare şi foarte mare capacitate, care aveau drept consumatori de căldură imense sisteme de alimentare la distanţă cu energie termică, consumatorii fiind atat cei rezidenţiali (populaţia) cat şi cei industriali.

11

După anul 1990 s-au intensificat cercetările in domeniul energiei de cogenerare.

Ca urmare, pe langă ciclul cu abur, s-au perfecţionat şi alte tehnologii de cogenerare, respectiv cele cu turbine cu gaze şi cele cu motoare cu ardere internă.

In ultima perioadă se dezvoltă din ce in ce mai mult ciclurile mixte, gaze-abur, care au avantajul posibilităţii realizării unui randament electric de peste 50%.

12

Paralel cu instalaţiile de cogenerare de mare putere cu un grad ridicat de centralizare, a inceput şi dezvoltarea tehnologiilor de cogenerare de medie, mică şi foarte mică capacitate, aplicabiile la centralele distribuite in teritoriu(Distributed Generation).

Acestea utilizează in special tehnologiile de cogenerare bazate pe motoare cu ardere internă, turbine cu gaze şi microturbine cu gaze.

De asemenea sunt in curs de derulare cercetări privind dezvoltarea tehnologiilor de cogenerare cu motoare Stirling şi pile de combustie (Fuel Cells).

13

4.2. Indicatori de performanţă utilizaţi în studiul instalaţiilor de cogenerare.

Din punct de vedere energetic, randamentul global al unei centrale de cogenerare este ridicat, fiind superior instalaţiilor de producere separată a celor două forme de energie luate in ansamblu.

Aşa cum se ştie, in urma procesului de cogenerare rezultă cele două forme de energie care prezintă următoarele particularităţi:

• Energia electrică este o energie ordonată cu valoare mare de intrebuinţare (cu conţinut de anergie zero). Ea poate fi transportată la distanţe mari faţă de locul de producere, putandu-se valorifica pe o piaţă zonaşă sau naţională. In consecinţă şi preţurile de vanzare ale acestei energii sunt mai ridicate.

14

• Energia termică (căldura) este o energie dezordonată cu un conţinut mare de anergie.

Randamentul de producere separată a căldurii este mai mare, dar valoarea de intrebuinţare este mai mică.

Căldura nu poate fi transportată eficient la distanţe mari (comparativ cu energia electrică), piaţa acestui produs fiind una locală. Drept urmare, preţurile de vanzare ale acestei forme de enregie sunt mai mici.

15

Ca urmare a acestor considerente, analiza economică a tehnologiilor decogenerare nu se poate face numai pe baza randamentului global.

Indicatorii de bază folosiţi sunt:1) Indicele de cogenerare – y – este definit ca raportul dintre energia

electrică şi energia termică produsă de ciclul (tehnologia) de cogenerare.

unde:

QCOG – energia termică produsă in cogenerareECOG - energia electrică produsă in cogenerareEE – energia electrică produsă in ciclul de cogenerareET – energia termică produsă in ciclul de cogenerareEB – energia combustibilului introdus in cicluEB=B x PciB – cantitatea de combustibil introdusă in cicluPci – puterea calorică inferioară a combustibilului

16

2) Randamentul electric - ηE – se defineşte ca raportul dintre energia electrică produsă de ciclul de cogenerare şi energia combustibilului introdus in ciclu.

In concordanţă cu datele prezentate anterior, randamentul electric are un rol foarte important (ca şi valoarea indicelui de cogenerare) in eficienţa economică a ciclului.

17

3) Randamentul termic – ηQ – se defineşte ca raportul dintre energia termică produsă de ciclul de cogenerare şi energia combustibilului introdus in ciclu:

18

4) Randamentul global – ηgl – este definit ca raportul dintre suma dintre energia electrică şi termică utilă obţinută din ciclul de cogenerare şi energia combustibilului introdus in ciclu:

19

5) Gradul de recuperare a căldurii – xr – reprezintă raportul dintre energia termică utilă (recuperată din ciclu) şi cantitatea totală de căldură (deşeu) rezultată din procesul termodinamic (energia termică recuperabilă).

Xr = căldura efectiv recuperată din ciclu/ căldura rezultată din ciclu

La ciclurile cu circuit inchis (cazul ciclurilor cu instalaţie cu turbină cu abur– ITA), xr=1.

20

La ciclurile cu circuit deschis (cazul ciclurilor cu instalaţie cu turbină cu gaze –ITG- şi instalaţiilor cu motoare cu ardere internă - IMAI ), xr<1.

In acest caz xr se calculează astfel:

unde:tg – temperatura gazelor de ardere ieşite din ciclutev – temperatura de evacuare a gazelor de ardere (la coş)t0 – temperatura mediului ambiantLa ITG xr = 0,75 – 0,8 şi la IMAI xr = 0,7 – 0,75 (căldura este evacuată

la potenţiale termice diferite).

21

Toţi indicatorii de performanţă prezentaţi mai sus sunt indicatori de performanţă specifici ciclului (tehnologiei de cogenerare).

6) Coeficientul de cogenerare – α – este un indicator specific centralei in care este amplasată instalaţia (tehnologia) de cogenerare. El se defineşte ca raportul dintre cantitatea de căldură obţinută in cogenerare şi cantitatea de căldură totală produsă in centrală (atat de instalaţia de cogenerare cat şi de instalaţiile de varf – cazane):

unde:QCOG – căldura obţinută in cogenerareQV – căldura obţinută in cazane (instalaţiile de varf ale centralei)

22

4.3. Asocierea cogenerare-SACET

Cogenerarea are un grad ridicat de utilizare in cadrul sistemelor centralizate de incălzire.

Acest lucru se explică prin următoarele considerente:

- SACET trebuie să concureze cu soluţiile de incălzire individuală, in condiţiile in care de la inceput pleacă cu un handicap al pierderilor de căldură realizate in reţelele de transport şi distribuţie. De aici rezultă necesitatea ca tehnologiile de producere a căldurii să fie cu un grad cat mai ridicat de eficienţă; cogenerarea este unul din acestea.

23

- In zonele locuite, in special in aglomerările urbane, sarcina termică este asociată cu necesarul de energie electrică pentru consumatorii casnici şi industriali, necesar pe care instalaţiile de cogenerare il pot acoperi la nivel local.

In acest fel se pot evita pierderile cauzate de transportul energiei electrice la distanţe mari, prin reţeaua naţională electro-energetică, la locul de consum.

Acest concept este utilizat la SACET de mică şi medie capacitate, unde cogenerarea merge alături de conceptul de producere distribuită a energiei electrice (un concept care devine tot mai utilizat in Europa şi in lume).

24

Unul din motivele pentru care in perioada 1960 – 1980 in Romania, SACET de mare capacitate a avut o puternică dezvoltare, este faptul că in acea perioadă singura tehnologie de cogenerare viabilă era cea bazată pe ciclul cu abur (Rankine – Hirn), in special a turbinelor cu condensaţie şi priză reglabilă, tehnologie care avea randamente electrice bune numai la puteri mari, de la 50 Mwel pe grup, ajungandu-se şi la puteri de 330 Mwel pe grup, avand şi o producţie de energie termică la aceeaşi scară.

Drept urmare, sarcinile termice mari impuneau consumatori termici pe măsură, adică SACET de capacitate mare şi foarte mare cu puteri instalate de ordinul sutelor de MWt.

25

După anii 1995, ca urmare a activităţii de cercetare deosebit de intense in domeniul tehnologiilor de cogenerare, s-au dezvoltat noi tehnologii, din care in prezent cele mai utilizate sunt:

- ciclurile de cogenerare cu motoare cu ardere internă,

- turbine cu gaze şi - microturbine cu gaze.

Alte tehnologii, cum ar fi:- motoarele Stirling şi - pilele de combustie vor intra pe scară largă in anii

următori.

26

Trebuie menţionat in mod deosebit dezvoltarea tehnologiilor de cogenerare bazate pe ciclul mixt gaze-abur, care realizează randamente electrice de peste 50%, şi chiar 60%, cu puteri instalate in general mari, de ordinul zecilor pana la sute de MWe.

Dar ultimile noutăţi in domeniu arată că noile cercetări au dezvoltat şi la puteri mici aceste tehnologii, ele putand atinge o putere totală de 7 MWe.

27

Avand in vedere procesele tehnologice ale ciclurilor de cogenerare care ating randamente electrice şi globale foarte bune la puteri mici, gandirea privind importanţa efectului de scară asupra eficienţelor SACET trebuie modificată, in sensul evaluării dimensiunilor acestora.

Consideram că SACET de capacitate medie şi mică, asociate ce tehnologiile de cogenerare modernă menţionate, sunt mai eficiente din punct de vedere energetic şi economic.

28

Avand in vedere avantajele cogenerării prezentate anterior, introducerea in instalaţiile unei centrale a unor capacităţi de cogenerare, măreşte eficienţa economică a sursei, facand-o mai competitivă.

Nivelul la care este dimensionată instalaţia de cogenerare faţă de totalul capacităţii termice instalate a centralei se face ţinand cont de un calcul de optimizare.

29

4.4. Încadrarea instalaţiei de cogenerare în centrală. Modul de dimensionare al capacităţii de cogenerare

Centrala de cogenerare se compune in principal din următoarele componente producătoare de energie:

• Instalaţia de cogenerare propriu-zisă care produce energie termică şi energie electrică, care avantajele energetice şi economice prezentate anterior.

• Instalaţia de producere numai a energiei termice (cazanele), care sunt cu mult mai ieftine decat instalaţia de cogenerare. Din acest motiv acoperirea necesarului de energie termică al consumatorilor nu se face numai din instalaţia de cogenerare ci şi din cazane.

30

Modul de dimensionare al acestor echipamente (instalaţii de cogenerare şi cazane)

Modul de dimensionare al acestor echipamente (instalaţii de cogenerare şi cazane) va fi analizat in continuare.

In dimensionarea centralelor de cogenerare apar două situaţii posibile, in funcţie de modul de livrare al energiei electrice produse:

A. Centrala de cogenerare funcţionează insularizat din punct de vedere al furnizării energiei electrice, asigurand alimentarea cu energie electrică a unui consumator (sau zone de consum – de exemplu o platformă industrială) bine stabilit din punct de vedere al cererii de energie electrică.

In această situaţie, dimensionarea se face după capacitatea electrică a consumatorului (“după electric”), condiţie in care capacitatea de cogenerare este impusă de puterea electrică a consumatorului, rezultand şi puterea termică instalată.

31

Deci coeficientul de cogenereare este unic determinat.

In aceste condiţii;- energia electrică este asigurată

integral din sursa de cogenerare,- iar energia termică se asigură din

instalaţia de cogenerare şi in cazul creşterii cererii de căldură din partea consumatorului, din instalaţiile termice de varf (cazane).

32

Există insă riscul scăderii cererii de energie termică din partea consumatorului (cererea de energie electrică menţinandu-se constantă, situaţie in care instalaţia de cogenerare va funcţiona in regim de cogenerare parţială, sau chiar de noncogenerare, situaţie in care se reduce eficienţa şi avantajele care rezultau din funcţionarea in regim de cogenerare.

33

Fig.4.3. Dimensionarea unei surse de cogenerare „după electric”Q – căldura furnizată de centrala de cogenerareE – energia electrică produsă de centrala de cogenerare

34

B. Centrala de cogenerare livrează energie electrică intr-un sistem electroenergetic. In această situaţie, dimensionarea instalaţiei de cogenerare din cadrul centralei, se face după cererea de energie termică(“după termic”), nemaiexistand ca in situaţia precedentă limitarea capacităţii instalaţiei de cogenerare funcţie de puterea electrică impusă de consumator.

In această situaţie, coeficientul de cogenerare α (care arată practic gradul de cogenerare al centralei) este obiectul unui calcul de optimizare (cat din puterea cerută de consumator să fie asigurat de instalaţia de cogenerare şi cat din instalaţia de varf).

35

Fig.4.4. Dimensionarea unei surse de cogenerare “după termic”

.

36

Criteriul de optimizare cel mai des utilizat in literatura de specialitate este criteriul Venitului Net Actualizat:

Unde: Ini – incasările obţinute in anul iCi – cheltuielile anuale de exploatare a instalaţiei de

cogenerareIi – investiţiile efectuate in anul ia – rata de actualizare (in condiţiile din Romania a=12%)

37

Forma matematică a acestei ecuaţii se obţine prin exprimarea tuturor componentelor (Ini, Ci, Ii) in funcţie de α.

Valoarea lui α optim se obţine din ecuaţia :

Cu respectarea condiţiei:

38

Rezolvarea analitică a acestei ecuaţii este imposibilă deoarece α intervine in ecuaţie la puteri fracţionare. Ca urmare, găsirea lui α optim se face prin metode grafo-analitice.

Rezolvarea conduce la valoarea lui αoptim=0,15- 0,25, adică exact ponderea consumului de căldură pentru preparat apă caldă de consum in puterea termică totală a centralei.

Acest lucru este valabil numai cand sarcina termică a consumului de căldură al centralei este sarcina termică urbană (situaţia a peste 90% din SACET din Romania).

In concluzie, acoperirea sarcinii termice urbane din instalaţiile de cogenerare şi de varf se face conform figurii 4.5.

39

Fig.4.5. Modul de acoperire al sarcinii termice din instalatiile centralei

40

4.5. Definirea noţiunii de cogenerare de înaltă eficienţă în contextul legislaţiei UE

In anul 2004, luna februarie, s-a votat in Parlamentul European legea privind promovarea cogenerării de inaltă eficienţă, produsă pe bază de energie termică utilă. Această lege vine să intărească ideea prin care cogenerarea este o tehnologie deosebit de eficientă care contribuie foarte mult la protecţia mediului.

Această legislaţie cuprinde prevederi favorabile cogenerării, şi anume:

- condiţionarea eliberării autorizaţiei de construcţie a unor noi surse de energie de protejarea mediului ambiant şi de asigurarea eficienţei energetice;

41

- impunerea gestionarului reţelei de distribuţie a energiei electrice să dea prioritate celor care produc energie folosind surse regenerabile, deşeuri sau cogenerare;

- obligativitatea de a practica tarife nediscriminatorii şi transparente pentru toţi utilizatorii reţelei electrice de transport şi distribuţie; (nereturnabile);

42

- deschiderea pieţei gazului natural şi practicarea de tarife nediscriminatorii indiferent de mărimea consumului;

- obţinerea de bonusuri pentru energia electrică produsă in cogenerare şi vandută;

- obţinerea unor facilităţi avantajoase (eventual nereturnabile).

43

Legislaţia din Romania s-a aliniat la cea europeană prin promovarea HG 219/2007, completată cu Ordinul ANRE nr.13/2007.

In aceste legislaţii se prezintă clar condiţiile necesare pentru ca o instalaţie de cogenerare să fie considerată de inaltă eficienţă, şi anume condiţia ca economia de energie primară (combustibil) la producerea in cogenerare a celor două forme de energie (electrică şi termică) să fie de cel puţin 10% faţă de producerea separată a celor două forme de energie:

44

Avand in vedere importanţa acestei prevederi, care dacă nu este indeplinită, instalaţia de cogenerare nu poate beneficia de nici unul din avantajele prezentate mai sus, am conceput o metodă rapidă de determinare a acestei cerinţe.

Considerand că:

Din cele două ecuaţii am exprimat randamentul electric al cogenerării in funcţie de randamentul global al acestei, sub forma unui grafic, prezentat in Fig.4.6.

45

Fig. 4.6. Corelarea randamentului echipamentului de cogenerare pentru incadrarea in cerinţele cogenerării de inalta eficienţă

46

Acest grafic s-a făcut ţinand cont de coeficienţii:

conform prevederilor Ordinului ANRE

nr.13/2007.

Cu ajutorul acestui grafic se pot determina cu uşurinţă condiţiile ca echipamentul să corespundă sau nu cerinţelor cogenerării de inaltă eficienţă, in funcţie de datele prezentate de furnizorul de echipament de cogenerare.

47

Va multumim pentru atentie !