PERSPECTIVELE COGENERARII LA SCARA MICA SI MEDIE
ALIMENTRI CU ENERGIE TERMIC. PRIMA PARTE.SURSE DE PRODUCERE A
CLDURII.
1. Caracteristicile sistemelor de alimentare cu cldur 1.1
Clasificarea sistemelor de alimentare cu cldur
Consumurile de cldur pot fi clasificate dup mai multe criterii
(destinaie sau scop, durat, natura agentului termic, etc). Astfel,
dup destinaie, consumurile de cldur sunt asociate de regul tipului
consumatorului (tehnologic, teriar, rezidenial, etc). Dup durat
consumurile de cldur pot fi sezoniere i anuale, iar dup natura
agentului termic consumurile pot fi transferate de la surs la
consumatorul final prin intermediul aburului, apei fierbini, apei
calde i altor fluide. n cele ce urmeaz se vor trata problemele
asociate consumatorilor rezideniali i ale celor asimilai lor.
Sistemele de alimentare cu cldur preiau toate aceste criterii de
clasificare, crora li se mai adaug unul bazat pe numrul
consumatorilor finali unitari racordai. Dup numrul consumatorilor
finali unitari racordai sistemele pot fi individuale i colective
sau centralizate. n acest context se impune o definiie clar a
consumatorului final unitar de cldur, n funcie de care soluia de
alimentare este clasificat individual sau centralizat. n principiu,
din punct de vedere strict tehnic, consumatorul final unitar este
aparatul, agregatul sau dispozitivul n interiorul sau prin
intermediul cruia agentul termic se rcete sau chiar se consum.
Definiia este corect dar mai puin convenabil sub aspect practic,
factura de plat fiind ntocmit de regul la nivelul unei uniti
(locative, administrative, organizatorice, etc). n acelai timp este
posibil ca un titular al facturii energetice s monitorizeze
consumurile i s repartizeze cheltuielile n interiorul conturului su
pn la un anumit nivel. Societile de distribuie a cldurii ntocmesc
facturile pentru cldura livrat la nivelul cldirilor sau scrilor
alimentate i nu la nivelul fiecrui apartament. n interiorul acestui
contur, asociaia de locatari sau de proprietari asigur repartiia
sumei facturate pe fiecare apartament, n funcie de un anumit
algoritm de calcul. Acest lucru se justific n prezent prin
simplificarea raporturilor comerciale ntre furnizor i consumatorii
unitari astfel definii. Astfel, numrul cldirilor alimentate cu
cldur de ctre RADET Bucureti este de circa 8000, n timp ce numrul
apartamentelor este cu circa dou ordine de mrime mai mare.
Dezvoltarea ulterioar a sistemelor de plat on line ar putea permite
n viitor ntocmirea facturilor pe fiecare unitate locativ, aa cum se
practic n momentul de fa pentru energia electric. O situaie
asemntoare se poate ntlni ntr-o ntreprindere n care s-a implementat
un sistem de monitorizare a consumurilor de energie pe centre de
consum.
Prin urmare, definiia consumatorului final unitar de cldur poate
fi diferit n funcie de tipul consumatorului, de context i de
destinaia consumului de cldur. Astfel, alimentarea cu cldur a unei
ntreprinderi industriale avnd n componena sa mai multe procese
tehnologice consumatoare poate fi considerat centralizat chiar dac
factura energetic se ntocmete la nivelul ntreprinderii sau chiar
dac sursa de cldur este interioar n raport cu perimetrului
ntreprinderii.
Alimentarea cu cldur a unei cldiri cu destinaia de locuin cu mai
multe apartamente (bloc de locuine) se poate face i cu ajutorul
unei surse proprii, integrate de regul n structura cldirii. Acest
procedeu este cunoscut sub denumirea de nclzire central i practicat
n Romnia nc din perioada interbelic. Sistemul de alimentare este
centralizat, dar sursa de cldur i reeaua termic sunt interioare n
raport cu gruparea consumatorilor alimentai. Alimentarea cu caldur
se poate face cu agent termic asigurat de o surs exterioar cldirii,
surs care mai alimenteaz i ali consumatori (alte cldiri, centre
comerciale, coli, spitale, etc). n acest caz sistemul este
centralizat iar sursa de cldur i reeaua termic sunt exterioare n
raport cu gruparea consumatorilor alimentai.
Un sistem centralizat de alimentare cu cldur (SCAC) este alctuit
dintr-una sau mai multe surse de producere a cldurii, o reea termic
care asigur transportul i distribuia agentului termic i mai muli
consumatori finali unitari racordai la aceast reea. n componena
unui astfel de sistem pot intra una sau mai multe surse de cldur,
dar pentru ca ansamblul s fie considerat sistem centralizat de
alimentare cu cldur, trebuie ca numrul consumatorilor finali
unitari racordai la reeaua de distribuie s fie strict mai mare ca
unu.
Amplasamentul sursei sau surselor de producere a cldurii n
raport cu consumatorii finali racordai la reeaua termic constitue
unul dintre aspectele importante care definesc un sistem
centralizat de alimentare cu cldur. Din acest punct de vedere,
sursa poate fi amplasat n centrul de greutate al grupului de
consumatori, la marginea sau n exteriorul perimetrului n care sunt
concentrai consumatorii. Cu ct sursa este mai departe de centrul de
greutate al grupului de consumatori, cu att lungimea reelei este
mai mare, ceea ce constitue un dezavantaj. Trebuie precizat faptul
c lungimea reelei termice constitue unul dintre punctele slabe ale
alimentrii centralizate cu cldur. Cu ct reeaua este mai lung, cu
att pierderile de presiune, pierderile de cldur i costurile de
operare sunt mai mari. Toate acestea au drept consecin creterea
costului de producere a energiei i deci dezavantajeaz soluia
alimentrii centralizate n comparaie cu alimentarea individual.
Sistemul individual de alimentare cu cldur este de regul asociat
cu un singur apartament i este compus din centrala termic, reeaua
termic interioar i aparatele consumatoare.
1.2 Soluii de alimentare cu cldur a consumatorilorPentru oricare
categorie de consumatori finali (industriali, teriari, urbani,
etc), alimentarea cu energie n general i cu energie termic n
special se poate face fie de la o surs proprie, aflat n perimetrul
i n proprietatea consumatorului, fie de la o surs exterioar acestui
perimetru. Soluia alimentrii cu energie dintr-o surs proprie, avnd
ca scop principal satisfacerea necesarului propriu de energie,
confer consumatorului respectiv calitatea de autoproductor. Atunci
cnd alimentarea cu energie este asigurat de o surs exterioar, care
nu se afl nici n perimetrul nici n proprietarea consumatorului,
aceasta are rolul de furnizor extern de energie.
Prin urmare, soluiile posibile de alimentare cu cldur pot fi
:
a) individuale, dintr-o surs intern (care aparine consumatorului
respectiv);
b) colective sau centralizate, dintr-o surs extern;
c) mixte.
Soluiile mixte constau n combinaia de alimentare centralizat i
alimentare individual a fiecruia dintre consumatorii avui n vedere.
Consumatorii urbani astfel alimentai sunt racordai la sistemul de
alimentare centralizat cu cldur care asigur un anumit nivel de
temperatur n fiecare unitate locativ. Pentru un nivel mai mare sau
pentru nclzirea unitii locative atunci cnd sistemul centralizat
este oprit, exist posibilitatea alimentrii dintr-o surs individual
de cldur. Daca analiza se refera la modul de alimentare al unei
grupri de consumatori, soluie mixt poate nsemna c ntr-un bloc, o
parte din apartamente sunt racordate la reeaua centralizat iar
celelalte, debranate de la reea, au numai surse proprii
(individuale) de cldur.
Cumprarea i instalarea unei surse proprii de cldur cost mai mult
dect racordarea la o reea de distribuie, dar n anumite condiii ea
poate asigura o reducere a facturii energetice n comparaie cu
alimentarea centralizat. Principalul avantaj al soluiei individuale
de alimentare cu cldur const ns n autonomia consumatorului,
deoarece ea ofer celor care recurg la aceast soluie de alimentare
cu energie posibilitatea s hotrasc singuri cnd, ct i cum consum.
Trebuie sublinit faptul c aceast autonomie este limitat (depinde)
de disponibilitatea sistemului de alimentare cu combustibil, gradul
de dependen fiind invers proporional cu capacitatea stocului de
care dispune consumatorul.
Centralizarea alimentrii cu cldur permite concentrarea
capacitilor de producie n uniti mai mari, mai performante, care pot
utiliza o gam mai larg de combustibili, care dispun de personal
calificat i competent. Ea presupune i interconectarea
consumatorilor de cldur, procedeu din care decurg dou avantaje
incontestabile i anume :
- concentrarea surselor de energie n uniti cu capaciti mai mari
i performane tehnice i economice superioare, exploatate de un
personal calificat;
- aplatizarea curbei de sarcin la sursa de cldur, care conduce
la creterea duratei de utilizare a capacitii instalate n sursele
care acoper cererea.
Ambele avantaje enunate mai sus sunt legate de eficiena,
sigurana i profitabilitatea sursei de cldur. Dezavantajul major
const n faptul c legtura ntre sursa de cldur i consumatorii si se
face prin intermediul unei reele termice. Cu ct numrul
consumatorilor de cldur interconectai este mai mare, cu att reeaua
este mai ntins i mai complicat. Cresc astfel costurile aferente
construciei, ntreinerii i operrii reelei, precum i costul
pierderilor de energie prilejuite de circulaia agentului termic
prin reea ntre surs i consumatori. Costul total al transportului i
distribuiei energiei, care crete n valoare absolut cu mrimea
sistemului, se adaug costului de producie, mrind n final preul de
vnzare al energiei ctre consumatorul final. Gradul de centralizare
al sistemului poate fi exprimat fie prin intermediul numrului fie
prin intermediul capacitii consumatorilor interconectai.Alimentarea
centralizat cu cldur este deci cu att mai avantajoas pentru
furnizorul de cldur cu ct gradul de concentrare n teren a
consumatorilor racordai este mai mare. Cel mai mare grad de
concentrare a consumatorilor de tip urban este ntlnit n cartierele
de blocuri de locuine din mediul urban. Pentru gruprile, cvartalele
sau cartierele de blocuri se consider c alimentarea centralizat cu
agent termic este preferabil alimentrii centralizate cu
combustibil. Din punctul de vedere al consumatorilor de cldur,
avantajele i dezavantajele soluiei de alimentare cu cldur sunt
legate de mrimea facturii i de calitatea alimentrii, exprimate prin
gradul de autonomie al fiecrui consumator final racordat la
sistemul centralizat. n principiu, preul pltit de consumatorul
final include costurile de producere, transport i distribuie crora
li se adaug un profit. Att timp ct n domeniul alimentrii
centralizate cu cldur nu exist o concuren real ntre mai muli
furnizori, acetia nu vor avea interesul s-i minimizeze cheltuielile
de producie iar facturile consumatorilor vor reflecta acest lucru.
De asemenea, att timp ct gradul de autonomie al fiecrui consumator
final nu este apropiat de cel asigurat de soluia individual de
alimentare, consumatorii nu mai sunt stimulai s rmn racordai la
sistemul centralizat. Aplicarea soluiei individuale de alimentare
cu cldur n cazul unei cldiri cu destinaia de locuine tip bloc
presupune ca fiecare apartament s fie prevzut cu cte o central
termic. Instalarea centralelor termice de apartament este mai
complicat i presupune costuri suplimentare dac cldirea respectiv nu
a fost proiectat i construit n acest sens. Printre altele, ea
presupune o nou conduct de distribuie a gazului natural pentru
centralele individuale pentru fiecare scar a blocului.
Debranarea unora dintre apartamente de la reeaua termic, urmat
eventual de instalarea unor centrale termice de apartament,
afecteaz alimentarea cu cldur a locuinelor rmase racordate la
sistemul centralizat. Diversele efecte negative sunt cu att mai
mari cu ct numrul apartamentelor debranate este mai mare.
Coexistena ambelor soluii de alimentare cu cldur ntr-un astfel de
imobil creaz complicaii i sub aspectul eliminrii i disiprii n
atmosfer a gazelor de ardere de ctre fiecare surs individual. ntr-o
democraie funcional, statul nu poate interzice locatarilor unui
bloc s se debraneze de la sistemul centralizat de alimentare, dar i
poate descuraja prin reglementri mai stricte asupra regimului
surselor individuale de cldur. n acelai timp, statul poate aplica
politici energetice care s-i conving pe cei care s-au debranat s se
rebraneze. n ultim instan, reducerea drastic a pierderilor de cldur
pe reeaua termic a sistemului centralizat de alimentare,
contorizarea corect a cldurii consumate la nivelul fiecrui
apartament i posibilitatea real de reglare local a cldurii
consumate (la nivelul fiecrui aparat consumator) pot constitui o
baz pentru rebranarea apartamentelor debranate de sistemul
centralizat n ultimii 20 de ani.
n cazul unor consumatori izolai, situai n zone greu accesibile
sau cu densitate foarte mic de locuitori, soluia alimentrii
individuale cu cldur i eventual i cu energie electric, bazat pe
procedeul cogenerrii, este de multe ori singura disponibil, oportun
i economic n acelai timp.
1.3 Situaia alimentrii centralizate cu cldur n Romnia i n lumen
Romnia, n perioada regimului comunist, alimentarea centralizat cu
energie termic a consumatorilor industriali i urbani a fost
promovat din motive diverse (ideologice, tehnice, economice, etc).
Toate sistemele centralizate de alimentare cu cldur care funcioneaz
n prezent n ara noastr au fost concepute, construite i puse n
funciune nainte de 1990. Au fost avute n vedere cu prioritate
aglomerrile urbane i platformele industriale. Economia planificat
centralizat a permis corelarea construirii i punerii n funciune a
surselor i consumatorilor de cldur. n prezent, capacitatea de
producie instalat n centralele electrice de termoficare i n
centralele termice nu mai corespunde realitilor actuale iar starea
tehnic a componentelor acestor sisteme nu este corespunztoare dect
n puine cazuri.
Un studiu statistic efectuat n anul 1995 arta c n Romnia exista
un numr circa de 7,8 milioane de locuine, din care aproximativ 4
milioane se afl n mediul urban. Circa 3 milioane de locuine sunt
concentrate n cldiri de tip bloc, marea majoritate a blocurilor
fiind situate n mediul urban. Din acestea, circa 2,4 milioane sunt
racordate la sisteme centralizate de alimentare cu cldur. Alte
circa 0,6 milioane de locuine, majoritatea blocuri construite
nainte de 1950, dispun de sisteme de nclzire central. Restul de
circa 4,8 milioane de locuine, dintre care peste 70 % se afl n
mediul rural, sunt nclzite cu sobe individuale. Dac circa 90 % din
sistemele de nclzire central folosesc combustibil lichid i gazos,
peste 90 % din sobele individuale folosesc combustibil solid.
Majoritatea sistemelor centralizate de alimentare cu cldur din
marile orae, concepute i realizate nainte de 1990, au fost
dimensionate pentru a asigura alimentarea n bune condiiuni a
gruprilor de consumatori formate din blocuri de locuine, coli,
spitale, magazine, etc. Gruprile de consumatori astfel alimentate
se caracterizeaz printr-o densitate mare de consum, cldirile
conectate la reeaua termic fiind n marea lor majoritate de tip
bloc. Sistemele centralizate de alimentare au fost concepute astfel
nct toi consumatorii s beneficieze n mod egal att de avantajele
oferite ct i de dezavantajele care decurg din aceast soluie.
Trebuie precizat c alimentarea centralizat cu cldur n sine nu
prezint dezavantaje de fond, fapt care poate fi confirmat de
practicarea ei n ri dezvoltate din Europa de Vest. n Romnia aceste
dezavantaje au fost exacerbate n perioada penuriei energetice i
alimentare din ultimii zece ani de ornduire socialist. Efectele
acestei crize persist nc n amintirea celor care au trit acea
perioad n Romnia i i motiveaz pe acetia s renune la sistemul
centralizat de alimentare cu cldur. Un alt motiv pentru care muli
locatari s-au debranat este legat de durata reviziei anuale a
sistemului centralizat, care s-a prelungit n anumite momente de la
una - dou la cinci ase sptmni. Procesul de stratificare a populaiei
din punct de vedere economic a nceput dup 1990 i continu i n
prezent. El a condus la apariia a cel puin trei categorii de ceteni
care se deosebesc prin mrimea veniturilor lor. Familii aparinnd
tuturor categoriilor amintite mai sus i care convieuiesc n comun n
aceeai cldire (bloc de locuine), au pretenii diferite n raport cu
furnizorii de utiliti. Din motive diferite, locatarii se debraneaz
de la sistemul centralizat de alimentare, deoarece unii nu sunt
mulumii de calitatea serviciilor prestate, iar alii nu i mai pot
permite s plteasc acest serviciu.
Fenomenul este de tip reacie n lan. Debranrile dezechilibreaz
circulaia debitelor prin reeaua de distribuie a cldurii i majoreaz
ponderea cotei fixe din costurile de producie i distribuie, adic
reduc i mai mult calitatea i atractivitatea serviciului prestat de
societile respective, conducnd la alte debranri i n final la
falimentul alimentrii centralizate.
Locatarii avnd posibiliti financiare peste medie i pot procura i
instala microcentrale termice de apartament sau de scar, alimentate
cu gaz natural al crui pre nu mai este subvenionat, dar care pot
face economii la factura energetica oprind nclzirea atunci cnd nu
sunt acas. Evacuarea gazelor de ardere din fiecare apartament n
atmosfera nconjurtoare nu este nc normat sau restricionat prin
reglementri, ns acest lucru s-ar putea ntmpla ntr-un viitor
apropiat. Exploatarea unor astfel de instalaii de ctre persoane fr
nici o pregtire, situaie care poate genera accidente cu urmri
grave, i va gsi cu siguran la rndul ei o rezolvare ntr-o etap
ulterioar nu foarte ndeprtat. Prevederile unor reglementri
ulterioare privind locuinele i calitatea n construcii ar putea
cuprinde unele condiii sau restricii n raport cu aceast tendin.
Curentul de opinie al locatarilor de a se debrana de la reeaua
centralizata de distribuie a cldurii a fost susinut o lunga
perioada de timp de guvern prin preuri la gazul natural mult mai
mici pentru consumatorii casnici i printr-o propagand susinut n
pres practicat de cei interesai. Creterea preului gazului natural a
avut efect doar asupra celor care nu s-au debranat nc, ns puini
dintre cei debranai au cerut pn acum rebranarea. n acelai timp,
subvenionarea nclzirii de ctre autoritile centrale i locale,
practicat nc, genereaz o perturbaie care va dispare odat cu
subvenionarea. De abia dup aceea se vor putea analiza i compara
soluiile de alimentare cu cldur.
Situaia actualilor furnizori de cldur n sistem centralizat din
oraele mari este dificil. Astfel, unele sisteme sunt n prezent
oprite. Cele care mai funcioneaz nc sunt ncrcate la o sarcin medie
sub capacitatea instalat, fapt care se reflect n costul cldurii
furnizate. Sursele de cldur de tip CET sunt separate din punct de
vedere administrativ de partea de distribuie, ceea ce complic
eventualele eforturi de rezolvare a situaiei. Reabilitarea
sistemelor presupune n primul rnd o apreciere realist a numrului de
consumatori pe care se poate conta n urmtorii 20 - 30 de ani, ceea
ce nu este posibil n multe cazuri. Pe termen mediu i lung,
furnizorii respectivi se ateapt ca mcar o parte dintre consumatorii
debranai n prezent s revin asupra deciziei lor, ns aprecierea
numrului acestora este dificil. Pe plan internaional, alimentarea
centralizat cu cldur a consumatorilor urbani se regsete ca soluie
predominant n special n fostele ri socialiste, dar i ntr-o serie de
ri capitaliste dezvoltate din Europa. n ri ca Austria, Danemarca,
Finlanda, Germania, Olanda, Suedia, tradiia tehnologic, concepia de
via i nu n ultimul rnd asprimea condiiilor de clim au prevalat
asupra concepiei individualiste care st la baza societii de tip
occidental.
Situaia alimentrii cu cldur a consumatorilor industriali este
mai puin diferit din punctul de vedere al concepiei. Alimentarea
centralizat cu cldur a uneia sau mai multor ntreprinderi
industriale situate n apropierea unei centrale de cogenerare de
putere mare sau medie a constituit i continu s constitue o soluie
costisitoare, accesibil unui numr limitat de investitori. Printre
acetia s-au numrat i statele socialiste, ale cror bugete naionale
rezultate prin planificare centralizat puteau dispune de resursele
financiare necesare construirii unor astfel de obiective.
Legile economiei de pia i dinamica economiilor libere i prospere
nu permit o astfel de concentrare n spaiu i n timp. n rile
capitaliste dezvoltate, o ntreprindere industrial dispune de regul
de o surs proprie de cldur, fie central termic fie central de
cogenerare. Sursa proprie are ca scop s acopere integral cel puin
consumul propriu tehnologic de cldur al ntreprinderii, n anumite
situaii ea putnd prelua i alimentarea unor teri. Este o situaie
ntlnit i n fostele ri socialiste, n special pentru ntreprinderi
construite nainte de 1950.
n rile capitaliste dezvoltate, concepia alimentrii cu energie a
ntreprinderilor industriale a urmrit n egal msur dinamica preurilor
purttorilor de energie primar, progresele i costurile noilor
tehnologii energetice. Numeroase studii de caz publicate dup 1980
prezint eficiena economic a nlocuirii unei surse proprii de tip
central termic sau central de cogenerare cu cazane i turbine cu
abur cu o central de cogenerare proprie cu turbin cu gaze, cu motor
cu ardere intern cu piston sau chiar cu ciclu mixt gaze-abur.
Aceast tendin a luat amploare dupa anul 1980, odat cu definirea i
contientizarea importanei conceptelor de eficien energetic i
management al energiei la nivelul ntregii societi. Pe cale de
consecin, mbuntirea eficienei energetice i reducerea corespunztoare
a cheltuielilor cu energia au devenit condiii pentru creterea
rentabilitii oricrei activiti industriale.
Efectul pozitiv direct i indirect al adoptrii unor soluii
alternative de alimentare cu energie s-a datorat n primul rnd unei
strategii pe termen lung n domeniul energiei i voinei politice la
nivelul rilor dezvoltate, care a dus la promovarea unor reglementri
coerente n sensul sprijinirii proiectelor de cogenerare sub toate
aspectele i n toate etapele de realizare.
1.4 Componentele cererii de cldur aferente consumatorilor
urbaniCantitatea de cldur cerut de consumatorii rezideniali pentru
asigurarea condiiilor de munc sau de locuit include nclzirea
spaiilor, ventilarea i prepararea apei calde. Caracteristicile
fiecruia dintre componentele cererii de cldur sunt diferite ca
durat, sub aspect cantitativ i sub aspect calitativ. Dac diferenele
sunt mari, alimentarea consumatorilor respectivi se poate face
separat, prin conducte diferite i chiar prin intermediul unor ageni
termici diferii.
Agenii termici care asigur transferul cldurii de la surs la
consumator prin intermediul unei reele termice sunt de regul aburul
sau apa fierbinte. n majoritatea situaiilor cunoscute, cererea de
cldur cu destinaie tehnologic este furnizat sub form de abur, n
timp ce nclzirea spaiilor i prepararea apei calde de consum sunt
asigurate de regula cu ajutorul apei fierbini. Trebuie precizat
faptul c exist i excepii de la aceast regul.
Caracteristicile de natur cantitativ ale cererii de energie
termic a unui consumator sunt urmtoarele :
- valorile limit ale cererii momentane (maxim, medie,
minim);
- consumurile lunare, sezoniere i anuale de energie realizate
sau preliminate;
- durata alimentrii cu energie (n cazul existenei mai multor
perioade caracteristice, durata fiecreia dintre acestea);
- modul de variaie specific al cererii de energie pentru un
anumit interval de timp (un ciclu de funcionare, o zi, o sptmn, o
lun, un sezon, un an).
Caracteristicile de natur calitativ ale cererii de cldur sunt
:
- nivelul termic, modul i domeniul su de variaie;
- natura agentului termic;
- modul impus i eventualele restricii legate de
preluarea/livrarea cldurii.
Cererea de cldur pentru prepararea apei calde are un caracter
permanent (este prezent pe ntraga durat a anului), n timp ce
nclzirea i rcirea incintelor sunt necesare numai n perioadele de
iarn i respectiv de var, avnd deci un caracter sezonier. Aerul
ventilat necesit nclzire n perioada rece i rcire n perioada cald a
anului.
Caracteristicile cererii totale de cldur ale unei grupri de
consumatori de cldur de tip urban sau rezidenial sunt consecina
numrului i caracteristicilor cldirilor racordate la reeaua termic
(amplasament, concepie arhitectonic, materiale de construcie,
grosime perei, nivel de izolare termic a anvelopei, numr de scri,
numr de etaje, numr de apartamente) i a numrului de locatari din
fiecare apartament, scar, bloc etc.
Cererea de cldur pentru nclzirea spaiilor este deocamdat
componenta cea mai important a cererii de cldur de tip urban.
Valoarea maxim a necesarului de cldur pentru nclzire, calculat
pentru temperatura exterioar convenional de calcul, este o
caracteristic tehnic a oricrei cldiri i este menionat n proiectul
tehnic al acesteia. n funcie de aceast valoare se dimensioneaz
instalaiile de nclzire din interiorul cldirii. Valoarea minim a
necesarului de cldur pentru nclzire este zero. ntre aceste dou
limite mrimea variaz n funcie de parametrii aerului atmosferic
(temperatur i umiditate) i de viteza relativ ntre aerul atmosferic
i cldire (viteza vntului) pe perioada sezonului rece.
n regim permanent, mrimea necesarului de cldur pentru nclzire
ntr-un moment oarecare al iernii rezult din bilanul termic al
cldirii i este egal cu suma pierderilor de cldur prin transmisie i
prin ventilaie neorganizat din care se deduc efectul radiaiei
solare i degajrile interne de cldur. n regim nepermanent
(tranzitoriu), n bilan se ia n considerare i efectul capacitii de
acumulare a cldurii a corpurilor aflate n interiorul anvelopei
cldirii.
Prin urmare, necesarul de cldur pentru nclzire este o sum
algebric de mai muli termeni, principalul termen fiind pierderile
de cldur prin transmisie prin anvelopa cldirii. Calculul
aproximativ al acestui termen se poate face cu o relatie de forma
:
n relaia de mai sus x este caracteristica termic de nclzire a
cldirii, V este volumul cldirii, ti este temperatura interioar iar
te este temperatura exterioar la un moment dat. Temperatura
interioar de calcul se stabilete n funcie de destinaia incintei
nclzite i poate avea valori cuprinse ntre 15 i 25 oC. Temperatura
exterioar maxim (la care ncepe i respectiv la care se sfrete
nclzirea) este n prezent de 10 oC. Trebuie menionat faptul c ea a
fost anterior de 12 oC dar a fost redus din motive de economie.
Valoarea actual nu asigur ns n toate situaiile confortul termic al
persoanelor care locuiesc n incinta respectiv n perioada de
tranziie. Temperatura exterioar minim pentru care se calculeaz
sarcina termic maxim a instalaiei de nclzire este stabilit n
standardul SR 1907 din 1997 pentru fiecare zon climateric din
Romnia i se situeaz ntre 12 i 21 oC.Att dimensionarea ct i
funcionarea unei surse de cldur care alimenteaz consumatorii sunt
influenate de modul de variaie cu temperatura exterioar a
necesarului de cldur pentru nclzire ntr-un moment oarecare al
iernii. Pentru o incint, aceast variaie este determinat de
temperatura i umiditatea aerului exterior, de viteza vntului n
raport cu anvelopa incintei, de intensitatea i direcia radiaiei
solare i de nivelul degajrii interne de cldur la un moment dat.
Luarea n considerare a tuturor acestor factori n mod simultan i
pentru mai multe cldiri este practic imposibil. De accea, n
calculele curente variaia relativ a necesarului de cldur pentru
nclzire poate fi aproximat cu o relaie de forma :
Aceast relaie nu este satisfctoare pentru valori ale
temperaturii exterioare situate la limita superioar a domeniului de
variaie n perioada iernii, cuprinse n intervalul 3 - 12 oC. Aceasta
este perioada de tranziie de la sezonul cald la sezonul rece sau
invers. Constanta E are valori ntre 20 i 40, w este viteza vntului
la un moment dat iar wc este viteza de calcul a vntului.
Modurile posibile de livrare a cldurii de la surs ctre
consumatori pe durata a 24 ore sunt trei :
a. continuu constant;
b. continuu variabil;
c. intermitent (cu ntreruperi).
Cel mai convenabil pentru sursa de cldur este modul de livrare
continuu constant. Astfel, sursa de cldur livreaz n mod continuu
constant pe parcursul unei zile un debit de cldur pentru nclzire
corespunztor valorii medii zilnice a temperaturii exterioare. n
acest fel se asigur un regim convenabil de funcionare al sursei de
cldur pe seama capacitii de acumulare a cldurii asociat cldirii
astfel alimentate. Trebuie precizat faptul c acest mod de livrare
determin o variaie a temperaturii interioare n jurul temperaturii
de confort de pn la 1 grd, variaie considerat acceptabil.
Mrimea cererii de cldur pentru prepararea apei calde depinde de
numrul locatarilor din cldire i de consumul de ap cald al fiecruia.
Valoarea medie a consumului unei persoane, stabilit prin msurtori n
urm cu circa 40 de ani, este de 100 120 l/zi, ceea ce conduce la un
consum de cldur cuprins ntre 0,26 i 0,30 kW pentru un locatar. n
prezent aceast valoare se consider exagerat, n condiiile n care
consumatorii i pot monitoriza propriul consum prin contorizare
individual. Modul de variaie al cererii de cldur pentru prepararea
apei calde poate fi intermitent sau continuu variabil, n funcie de
numrul de robinete de ap cald interconectate la aceeai surs de
cldur. Mrimea cererii de cldur pentru prepararea apei calde depinde
i de temperatura apei potabile (reci) din care se prepar apa cald.
Temperatura apei calde trebuie s fie cel puin 50 oC la robinet,
astfel c la sursa de cldur ea trebuie s ating 55 60 oC. Temperatura
apei reci este mai mic iarna i mai mare vara, lund deci valori ntre
5 i 10 oC n perioada iernii i de pn la 20 oC n perioada verii.
Temperatura apei reci depinde de modul n care este asigurat apa
potabil (din surse de adncime, din surse de suprafa, etc).
Cererea de ap cald este la rndul ei influenat de temperatura
exterioar, fiind mai mare iarna i mai mic vara. Din aceste motive,
cantitatea de cldur pentru prepararea apei calde are o variaie
estimat aproximativ de la simplu la dublu ntre momentul cel mai
cald al verii i momentul cel mai rece al iernii. Necesarul de cldur
pentru prepararea apei calde este puternic variabil pe durata unei
zile, avnd chiar perioade n care cererea de ap cald este zero.
Sursa de cldur livreaz de regul n mod continuu constant o valoare
egal cu media zilnic a cererii. Aceast valoare medie zilnic este
legat de temperatura exterioar, fiind mai mare iarna i mai mic
vara. La fel ca la consumatorul de cldur pentru nclzire,
consumatorul de cldur sub form de ap cald are nevoie de o acumulare
de cldur pentru a pune de acord livrarea continuu constant i
consumul continuu variabil sau chiar intermitent. n cazul n care
sistemul dispune de o reea termic primar, aceasta poate contribui
semnificativ la capacitatea de acumulare necesar pentru apa cald.
Dac nu exist reea primar, pe circuitul apei calde ntre surs i
consumator se instaleaz un acumulator de cldur cu capacitatea de 1
2 ore de funcionare la consumul maxim. Cum diferena ntre valoarea
medie zilnic i valoarea maxim zilnic este mare (raportul lor fiind
cel mult 0,4), la dimensionarea conductelor i a suprafeelor de
schimb de cldur trebuie avut n vedere acest aspect.
Cererea de frig pentru rcirea incintelor n perioada verii apare
numai n perioadele foarte calde, cnd temperatura exterioar depete
35 oC. Mrimea ei este determinat ntr-o msur mai mare de efectul
radiaiei solare directe i ntr-o msur mai mic de temperatura
exterioar. Cererea de frig este influenat i de durata perioadei
caniculare, efectul de acumulare a cldurii datorat corpurilor din
interiorul cldirii trebuind contracarat prin extinderea perioadei
de alimentare efectiv cu frig. Cererea de frig asociat perioadelor
caniculare este interesant pentru sarcina termic total la sursa de
cldur doar dac frigul este produs pe seama cldurii ntr-o instalaie
frigorific cu absorbie. n acest fel crete ncrcarea medie anual a
capacitii instalate de producere a cldurii n baz, crete cantitatea
de cldur produs anual n cogenerare i deci crete i posibilitatea
recuperrii mai rapide a investiiei n sursa de cldur respectiv.
Alimentarea centralizat cu frig pentru rcirea locuinelor n
perioadele de canicul este o soluie utilizat n prezent n alte ri
(Danemarca). n Romania trebuie s lum n considerare faptul c frigul
este mai scump dect cldura i c nu toi consumatorii racordai la
reeaua termic i vor putea permite un astfel de consum.
La stabilirea sarcinii termice totale la sursa de cldur mai
trebuie avute n vedere soluia constructiv, starea tehnic i gradul
de ncrcare ale reelei termice de transport i distribuie a cldurii,
care influeneaz cauzele i deci i mrimea pierderilor de cldur pe
reeaua termic.
Cererea de cldur a consumatorilor de tip urban este suficient de
bine definit prin intermediul curbei clasate a sarcinii termice
totale la surs pentru o anumit grupare de consumatori. n prezent,
curba clasat a sarcinii termice la surs se construiete pentru o
perioad egal cu un an i include consumul de cldur pentru nclzirea
spaiilor, consumul de cldur pentru ventilare, consumul de cldur
pentru prepararea apei calde, pierderile de cldur pe reeaua termic
care asigur transportul i distribuia cldurii la consumatori i
eventual consumul propriu tehnologic de cldur al sursei.
Odat construit, curba de sarcin, clasat sau nu, permite calculul
altor dou mrimi importante i anume coeficientul anual de cogenerare
i gradul mediu de ncrcare a capacitii de producie instalat n baz n
funcie de coeficientul nominal (instalat) de cogenerare. Pentru
aceasta este necesar integrarea i calculul cantitilor anuale de
cldur corespunztoare ordonatei fiecrui punct. 2. Surse de producere
a cldurii
2.1 Tipuri de surse de producere a cldurii.
Prin surs de producere a cldurii (SPC) se nelege un ansamblu
care ndeplinete cel puin urmtoarele cinci funciuni :
- preluarea (descrcarea), stocarea, prepararea i arderea
combustibililor;
- evacuarea i tratarea gazelor de ardere, a zgurii i a cenuii
rezultate din arderea combustibililor;
- nclzirea i vehicularea agentului termic care transport
cldura;
- prepararea unei cantiti suplimentare de agent termic care
compenseaz pierderile pe reea;
- asigurarea consumurilor proprii tehnologice materiale i
energetice ale ansamblului.
O surs de producere a cldurii poate avea n componen una sau mai
multe uniti de producere, care pot fi de acelai fel sau de mai
multe feluri. n cazul unei surse avnd n componen mai multe uniti de
producere a cldurii, acestea pot avea rolul de uniti active sau de
rezerv.
SPC care produc numai cldur se numesc centrale termice (CT). Ele
sunt dotate cu una sau mai multe uniti de producere numai a
cldurii, cunoscute sub denumirea de cazane. Cazanele sunt agregate
complexe care asigur nclzirea i eventual vaporizarea agentului
termic pe seama cldurii generate prin arderea combustibililor. SPC
nu produc n mod obligatoriu numai cldur. Unitile de cogenerare sunt
instalaii care au n componen mai multe echipamente i agregate i pot
produce simultan lucru mecanic (energie electric) i cldur. SPC care
au n componena lor astfel de uniti se numesc centrale de cogenerare
(CCG) sau centrale electrice de termoficare (CET). Cea mai complex
categorie de SPC este aceea care poate produce simultan lucru
mecanic, cldur i frig. Avnd n compunere una sau mai multe uniti de
cogenerare i cel puin o unitate de producere a frigului (instalaie
frigorific), ansamblul se numete central de trigenerare (CTG).
a. Centrale termice.
Unitile care produc numai cldur se deosebesc ntre ele n primul
rnd prin natura i calitatea combustibililor pe care i pot utiliza
(combustibili solizi, lichizi sau gazoi, combustibili superiori sau
inferiori, combustibili naturali sau sintetici, etc) i n al doilea
rnd prin natura agentului termic prin intermediul cruia cldura este
transportat la consumatori (ap cald, ap fierbinte, fluide organice,
abur saturat, abur supranclzit, etc).
O central termic poate avea n componen uniti de producere
diferite att sub aspectul combustibililor utilizai ct i sub
aspectul agentului termic preparat. Principial, un generator de
cldur (cazan) are n componen dou circuite importante :
- circuitul agentului termic primar (combustibil - aer - gaze de
ardere);
- circuitul agentului termic secundar (ap cald, ap fierbinte,
abur saturat, abur supranclzit, fluid organic, etc), destinat
alimentrii cu cldur a consumatorilor.
Dimensiunile de gabarit ale unui cazan sunt determinate n primul
rnd de dimensiunile traseului gazelor de ardere, care circul prin
cazan la presiunea atmosferic. Agentul termic secundar circul prin
cazan sub presiune, aa c volumul ocupat de acest circuit este mai
mic. Instalaiile anex asigur vehicularea agenilor termici, tratarea
chimic sau termic a agentului termic returnat i impurificat prin
contactul cu instalaiile consumatorului, evacuarea i disiparea
gazelor de ardere, depozitarea zgurii i cenuii, prepararea unui
debit de agent termic de adaus pentru compensarea pierderilor n
reeaua termic, etc.
Unitile de producere a cldurii aflate n componena unei CT sunt
cazane de ap cald, cazane de ap fierbinte, cazane de abur
industriale sau cazane pentru fluide organice. Cazanele de abur
industriale (CAI) sunt agregate avnd debitul nominal pn la 100 t/h
i presiunea nominal pn la 40 bar. Cele de capaciti mici pot fi de
tipul cu tub de flacr i evi de fum, cele cu capaciti mari fiind
numai de tipul evi de ap i cu circulaie natural n sistemul
vaporizator. Sunt agregate robuste, fiabile, care pot fi concepute
s consume orice fel de combustibili. Cerinele impuse apei de
alimentare sunt mai puin severe datorit posibilitii purjrii
continue sau periodice. Cazanele de ap fierbinte (CAF) sunt
agregate cu capaciti pn la 100 Gcal/h (116 MW) care pot funciona n
regim de baz (150/70 oC) sau n regim de vrf (150/102 oC). Cele mai
multe dintre ele nu sunt prevzute cu prenclzitoare de aer i nici cu
ventilatoare de gaze de ardere. Sunt la rndul lor agregate robuste
i fiabile, care pot fi concepute s consume orice fel de
combustibili. Agentul termic nclzit este ap dedurizat.
Performanele tehnice ale unui cazan depind de tipul
combustibilului i de calitatea exploatrii. Randamentul unui cazan
raportat la puterea calorific inferioar a combustibilului este de
regul cuprins ntre 75 i 95 %.
b. Centrale de cogenerare.
Dup cum s-a artat mai sus, o central de cogenerare cuprinde una
sau mai multe uniti de cogenerare, precum i una sau mai multe uniti
sau componente care produc numai cldur. Unitile de producere a
energiei se deosebesc ntre ele n primul rnd prin natura i calitatea
combustibililor pe care i pot utiliza (combustibili solizi, lichizi
sau gazoi, combustibili superiori sau inferiori, combustibili
naturali sau sintetici, etc) i n al doilea rnd prin natura
agentului termic prin intermediul cruia cldura este transportat la
consumatori (ap cald, ap fierbinte, fluide organice, abur saturat,
abur supranclzit, etc).
Instalaiile anex asigur funcionarea circuitului termic al
centralei (compensarea pierderilor de agent n ciclul termodinamic i
n reeaua termic, vehicularea agenilor termici, tratarea chimic sau
termic a agentului termic returnat i impurificat prin contactul cu
instalaiile consumatorului), evacuarea i disiparea gazelor de
ardere, depozitarea zgurii i cenuii, alimentarea cu energie
electric a consumatorilor proprii, transformarea energiei electrice
produse prin ridicarea tensiunii, etc.
Datorita alurii curbei de sarcin termic acoperite de o centrala
de cogenerare, n componena acesteia intr instalaii de producere a
cldurii de baza i instalaii de producere a cldurii de vrf.
Instalaiile de baz sunt uniti de cogenerare care acoper baza curbei
de sarcin termic. Ele au un grad mediu anual de ncrcare a capacitii
instalate mai mare i i pot recupera astfel mai repede investiia.
Instalaiile de vrf sunt uniti care produc numai cldur i care acoper
restul curbei de sarcin termic, rest care include i vrful acesteia.
Ele au deci un grad mediu anual de ncrcare a capacitii instalate
mai mic i i pot recupera astfel mai ncet investiia. Investiia n
instalaiile de baz este mai mare dect investiia n instalaiile de
vrf, ceea ce echilibreaz situaia recuperrii ntregii investiii n
centrala de cogenerare. O unitate de cogenerare va fi alctuit deci
din elementele constitutive ale ciclului termodinamic motor, crora
li se adaug i componentele care asigur recuperarea i livrarea n
bune condiiuni a cldurii evacuate din ciclu. Totalitatea unitilor
de cogenerare constitue instalaia de baz a centralei de cogenerare.
Instalaia de vrf este constituit de regul din unul sau mai multe
cazane. n cazul n care instalaia de baz include turbine cu gaze i
recuperatoare de cldur, vrful poate fi acoperit parial sau total
prin ardere suplimentar nainte sau n cazanul recuperator. Instalaia
care asigur arderea suplimentar n cazanul recuperator este n acest
caz instalaie de vrf, n timp ce restul cazanului recuperator este
inclus n instalaia de baz. Tipul mainii termice, natura agentului
de lucru i parametrii ciclului termodinamic motor care intr n
componena unei uniti de cogenerare au consecine asupra urmtoarelor
aspecte specifice :
- randamentul de producere a lucrului mecanic;
- gradul maxim posibil de preluare/recuperare a cldurii evacuate
din ciclul termodinamic;
- nivelul termic maxim al cldurii obinute prin recuperare.
Soluiile tehnice disponibile pentru cogenerare sunt n prezent
bazate pe instalaii de turbine cu abur, instalaii de turbine cu
gaze i motoare cu ardere intern cu piston. Instalaia cu turbin cu
abur funcioneaz dup un ciclu termodinamic nchis, n timp ce
instalaia de turbin cu gaze i motorul cu ardere intern cu piston
funcioneaz dup un ciclu termodinamic deschis.
c. Centrale de trigenerare.
Combinarea producerii lucrului mecanic, cldurii i frigului este
un procedeu relativ nou, consemnat n literatura de specialitate n
ultimii zece ani sub numele de trigenerare. Termenul de
trigenerare, utilizat n literatura de specialitate i pentru alte
combinaii, nu este ns unanim acceptat de ctre specialiti.
Divergenele sunt ns legate numai de terminologie, procedeul ca
atare, oricare va rmne denumirea sa pn la urm, fiind impus de
practic pentru avantajele incontestabile pe care le prezint n
raport cu producerea separat a celor trei forme de energie.
Aa cum s-a artat mai sus, o central de trigenerare se compune
din cel puin o unitate de cogenerare i cel puin o unitate de
producere a frigului. Combinarea celor dou tipuri de uniti
presupune c instalaia frigorific va consuma fie o parte din energia
mecanic (electric), fie o parte din cldura produse prin cogenerare.
Dac instalaia frigorific este de tipul cu comprimare mecanic de
vapori, ea va consuma o parte din energia electric (mecanic) produs
de unitatea de cogenerare. Dac instalaia frigorific este de tipul
cu comprimare termo-chimic (cu absorbie), ea va consuma o parte din
energia termic produs de unitatea de cogenerare.
Centrala de trigenerare va include deci uniti de cogenerare,
uniti de producere numai a cldurii i uniti de producere a frigului.
Unitile de cogenerare i cazanele se vor deosebi ntre ele i n acest
caz prin natura i calitatea combustibililor pe care i pot utiliza
(combustibili solizi, lichizi sau gazoi, combustibili superiori sau
inferiori, combustibili naturali sau sintetici, etc) i n al doilea
rnd prin natura agentului termic prin intermediul cruia cldura i
frigul sunt transportate la consumatori.
Instalaiile anex asigur funcionarea circuitului termic al
centralei (compensarea pierderilor de agent n ciclul termodinamic,
n reeaua termic i n reeaua frigorific, vehicularea agenilor
termici, tratarea chimic sau termic a agentului termic returnat i
impurificat prin contactul cu instalaiile consumatorului),
evacuarea i disiparea gazelor de ardere, depozitarea zgurii i
cenuii, alimentarea cu energie electric a consumatorilor proprii,
transformarea energiei electrice produse prin ridicarea tensiunii,
etc. Combinaia unui numr att de mare de uniti diferite prezint
interes i este oportun mai ales n msura n care prezena unitii de
producere a frigului mbuntete alura uneia dintre curbele de sarcin
ale unitii de cogenerare i duce la majorarea cantitilor de energie
produse n regim de cogenerare. n cazul alimentrii cu cldur a
consumatorilor urbani, vara consumul de cldur pentru prepararea
apei calde constitue circa 10 15% din valoarea maxim a consumului n
plin iarn. Cum n Romnia durata iernii este comparabil cu durata
verii, alimentarea cu frig a consumatorilor urbani n perioadele
foarte calde ale verii ar mbunti gradul de ncrcare mediu anual al
capacitii totale de producere a cldurii instalate n centrala de
trigenerare. Acest lucru este posibil numai dac frigul este produs
pe seama cldurii ntr-o instalaie frigorific cu absorbie.
2.2 Cogenerarea, alternativ la producerea separat a energiei
electrice i termice.Cogenerarea se definete ca fiind producerea
combinat i simultan a lucrului mecanic i cldurii, ambele fiind
generate de o singur unitate de producie i pe seama aceluiai tip de
energie primar (combustibil). Sursa unic a celor dou fluxuri de
energie este ciclul termodinamic motor (direct) funcionnd n regim
de cogenerare. Un ciclu termodinamic motor funcioneaz (produce
lucru mecanic) prelund (absorbind) de la sursa cald un flux de
cldur cu temperatur mai ridicat i eliminnd ctre sursa rece un flux
de cldur cu temperatur mai cobort. Dac ciclul nu funcioneaz n regim
de cogenerare, cantitatea de cldur cu temperatur mai cobort este
cedat de ctre sursa rece mediului nconjurtor (aer atmosferic, ruri,
mri, oceane, etc). Cogenerarea const n preluarea a cel puin unei
pri din cldura eliminat din ciclul termodinamic motor n vederea
valorificrii ei sub aceast form pentru alimentarea unuia sau mai
multor consumatori.
Consumatorii astfel alimentai preiau deci parial sau total rolul
de surs rece a ciclului termodinamic motor funcionnd n regim de
cogenerare. Nivelul termic mediu al cldurii astfel obinute depinde
de tipul i de parametrii ciclului termodinamic i este deci limitat
superior. n anumite cazuri, nivelul termic al cldurii evacuate din
maina termic poate fi ns majorat ulterior, prin nclzirea agentului
termic purttor n interiorul sau n afara instalaiei de cogenerare
propriu-zise, dar n interiorul perimetrului centralei de
cogenerare. Principala justificare a cogenerrii este economia de
energie primar realizat n comparaie cu producerea separat a
acelorai cantiti de energie electric i termic. Economia de energie
primar nu este ns un scop n sine, ea trebuind s conduc la o
economie de cheltuieli cu combustibilul i deci la scderea
costurilor specifice de producere a celor dou forme de energie.
Trebuie precizat faptul c economia de combustibil nu conduce
automat la o economie de cheltuieli dect dac producerea combinat i
producerea separat utilizeaz acelai tip de combustibil sau
combustibili diferii avnd acelai cost raportat la coninutul de
energie. De asemenea, trebuie amintit faptul c poluarea pe care o
produc instalaiile energetice este proporional cu consumul lor de
energie primar.Procedeu cunoscut n Romnia i sub denumirea de
termoficare, cogenerarea presupune deci existena unui ciclu
termodinamic motor sau direct, ale crui componente sunt concepute,
adaptate, modificate sau complectate n acest scop. n funcie de
tipul mainii termice care lucreaz n ciclul termic, cogenerarea
poate fi obligatorie sau facultativ. Cu alte cuvinte, un ciclu
termodinamic conceput pentru cogenerare poate funciona numai n
acest regim sau poate funciona i ca un ciclu termodinamic fr
cogenerare, n regim de noncogenerare, de monogenerare sau de
producere numai a lucrului mecanic. n practica actual acest lucru
depinde de tipul mainii termice utilizat (turbin cu abur cu
contrapresiune, turbin cu abur cu condensaie i priz reglabil,
instalaie de turbin cu gaze, motor cu ardere intern cu piston,
etc).
Instalatiile de cogenerare cu turbine cu abur pot include
turbine cu contrapresiune cu sau fr priz reglabil, turbine cu
condensaie cu una sau dou prize reglabile, turbine cu condensaie i
vid nrutit i chiar turbine de condensaie pur adaptate pentru
cogenerare urban. Principalul avantaj al instalaiilor cu turbine cu
abur este legat de posibilitatea cazanelor de abur energetice de a
consuma orice tip de combustibil. Turbinele cu gaze i motoarele cu
ardere intern nu pot valorifica dect combustibili superiori
(hidrocarburi). Din punct de vedere al performanelor energetice,
instalaiile de turbine cu gaze i motoarele cu ardere intern cu
piston realizeaz n prezent randamente de producere a lucrului
mecanic comparabile cu cele ale instalaiilor cu turbine cu abur. n
comparaie cu instalaiile de turbine cu gaze i motoarele cu ardere
intern cu piston, instalaiile de turbine cu abur prezint
dezavantajul unei legturi mai puternice ntre performanele
energetice i capacitatea unitar de producie. Din acest motiv, mai
ales la puteri unitare mici, performanele energetice ale
instalaiilor de turbine cu gaze i cele ale motoarelor cu ardere
intern cu piston sunt de cele mai multe ori superioare
performanelor energetice ale instalaiilor de turbine cu abur.
n cazul instalaiilor de turbine cu gaze i al motoarelor cu
ardere intern cu piston, cogenerarea presupune recuperarea cldurii
coninute n gazele de ardere eapate din main cu o temperatur cuprins
n general ntre 300 i 600 oC. Pentru turbina cu gaze, cldura coninut
n gazele eapate este singurul flux de energie recuperabil, ceea ce
simplific instalaia n ansamblul ei.
Motorul cu ardere intern mai permite recuperarea cldurii
rezultate din rcirea blocului motor, a uleiului i a altor
subansamble. Problema suplimentar a motorului cu ardere intern este
aceea c recuperarea rcirilor sale tehnologice nu trebuie s afecteze
regimul termic al mainii, aa cum a fost el stabilit de ctre
constructor, ceea ce nseamn o condiie n plus. Din acest motiv, n
anumite situaii se renun la recuperarea unora din rcirile
tehnologice, acceptndu-se un grad mai mic de recuperare a cldurii
evacuate din ciclu i un randament global mai redus.
O consecin a recuperrii cldurii coninute de ctre gazele de
ardere eapate din maina termic const n faptul c acestea au un
coninut rezidual de oxigen, urmare a unui exces mare de aer de
ardere. Prezena oxigenului n gazele de ardere permite arderea
nainte de sau chiar n cazanul recuperator a unei cantiti
suplimentare de combustibil n amestec cu gazele, fr un debit
suplimentar de aer de ardere. Aceasta este o soluie simpl, eficient
din punct de vedere energetic i ieftin pentru acoperirea vrfurilor
de consum de cldur. Trebuie precizat faptul c un exces de aer de
ardere mai mare duce la o temperatur maxim a gazelor rezultate din
ardere mai mic, ceea ce reduce randamentul de producere a lucrului
mecanic (randamentul termic al ciclului fr cogenerare). Reducerea
(limitarea) temperaturii gazelor de ardere este cerut de rezistena
la temperatur a materialului pieselor i componentelor mainii cu
care gazele vin n contact direct. Temperatura de lucru a
materialului respectiv poate fi meninut la nivelul dorit prin
rcire, dar aceasta nu este posibil nc n toate cazurile.
Un avantaj al mainilor cu ciclu termic deschis (instalatii de
turbine cu gaze i motoare cu ardere intern cu piston) este acela c
recuperarea cldurii eapate din ciclu i deci cogenerarea nu
constitue o obligaie ci numai o recomandare. Altfel spus, puterea
mainii nu depinde de cantitatea i parametrii cldurii recuperate, aa
cum se ntmpl la turbinele cu abur.
Trebuie precizat faptul c, nainte de 1990, prin termoficare se
nelegea att procedeul amintit mai sus (cogenerarea) ct i
alimentarea centralizat cu cldur n ansamblul ei. Termoficare este
un termen aprut n limba romn dup 1948 i constitue o adaptare a
termenului omolog din limba rus (teploficaia). Avnd o dubl
semnificaie, n anumite condiii el putea da natere la confuzii.
2.3 Cicluri termodinamice de cogenerare.
Ciclurile termodinamice directe disponibile pentru cogenerare
pot fi clasificate dup mai multe criterii. Astfel, ciclurile pot fi
nchise sau deschise, fluidul de lucru (ap, fluide organice, etc)
parcurgnd n primul caz un circuit nchis. n al doilea caz pot
fluidul de lucru este ntr-o prim etap aerul de ardere iar n etapa a
doua gaze de ardere. Ciclurile deschise se nchid prin atmosfer, din
care se aspir aerul de ardere i n care se elimin gazele de ardere n
mod continuu sau intermitent. De asemenea, fazele ciclului pot fi
fracionate, rezultnd o alternan de nclziri i destinderi repetate
sau/i de comprimri i rciri repetate. Fracionarea aduce un ciclu
real mai aproape de ciclul ideal (Carnot). n cazul ciclurilor
nchise, fluidul de lucru i schimb de regul starea de agregare,
transformndu-se din lichid n vapori i din vapori saturai sau
supranclzii napoi n lichid.
Un ciclu termodinamic motor fr cogenerare produce lucru mecanic
prelund din exterior prin intermediul sursei calde un debit (un
flux, o cantitate) de cldur cu un nivel termic ridicat i cednd
mediului nconjurtor prin intermediul sursei reci un debit de cldur
(o putere termic) cu un nivel termic mai cobort. Sistemul produce
un singur efect util i anume lucrul mecanic, a crui mrime este egal
cu diferena ntre debitul de cldur intrat i debitul de cldur ieit
din ciclu. Cantitatea de cldur evacuat din ciclu prin intermediul
sursei reci este considerat o pierdere de energie. Producerea numai
a lucrului mecanic ntr-un ciclu termodinamic fr cogenerare poate fi
numit fie monogenerare, prin simetrie cu termenul de cogenerare fie
noncogenerare fie producere separat.
Analiza i evaluarea ciclurilor termodinamice directe fr
cogenerare are prin urmare n vedere numai condiiile de producere a
lucrului mecanic i posibilitile de majorare a mrimii acestui unic
efect util. Indicatorul de performan de natur termodinamic utilizat
n acest scop este randamentul energetic al ciclului. n cazul
ciclurilor termodinamice directe cu cogenerare, pe lng lucrul
mecanic produs trebuie avute n vedere cantitatea (debitul), nivelul
termic i gradul maxim posibil de recuperare ale cldurii evacuate
din ciclu. Ambele fluxuri de energie devin efecte utile ale
ciclului termodinamic. Randamentul energetic, indiferent de cum
este el definit, nu este un indicator de performan suficient de
relevant pentru un ciclu termodinamic cu cogenerare. Randamentul
este un indicator de performan de tip cantitativ, care nu reflect
diferena de calitate ntre lucru mecanic i cldur. De asemenea, el nu
reflect nivelul termic al cldurii preluate i valorificate.
Nivelul termic al cldurii preluate/recuperate din ciclul
termodinamic motor cu cogenerare, legat n mod direct de temperatura
medie inferioar a ciclului, constitue un aspect de natur calitativ
care poate influena n mod semnificativ direciile i posibilitile de
valorificare a cldurii respective. Astfel, cu ct temperatura medie
inferioar este mai mare, cu att posibilitile de valorificare sunt
mai diverse i uneori se mbuntete chiar gradul maxim posibil de
recuperare. n acelai timp, o temperatur medie inferioar ridicat
duce la scderea lucrului mecanic produs i influeneaz astfel
randamentul de producere a lucrului mecanic i raportul ntre acesta
i cldura obinut prin cogenerare.
Pentru ca un ciclu termodinamic motor cu cogenerare s poat
asigura att un randament de producere a lucrului mecanic ct i un
nivel termic al cldurii ct mai ridicate, temperatura sa medie
superioar trebuie s fie ct mai mare. Nivelul acesteia depinde de
tipul ciclului, de tipul sursei calde, de tipul mainii termice, de
natura agentului de lucru precum i de modul n care agentul preia
(absoarbe) cldura de la sursa cald.
Temperatura medie superioar este limitat n primul rnd de
rezistena materialului cu care agentul de lucru vine n contact n
timpul nclzirii i apoi al destinderii, fiind influenat de presiunea
de lucru i de posibilitile tehnice de rcire pe care le ofer
soluiile constructive ale echipamentelor sau agregatelor n care au
loc procesele respective. Astfel, oelul refractar nalt aliat rezist
la temperaturi pn la circa 850 oC i presiuni de ordinul sutelor de
bari, n timp ce materialele ceramice sau compozite pot suporta
temperaturi mult mai ridicate i presiuni de ordinul zecilor de
bari.
n al doilea rnd, temperatura medie superioar mai poate fi
influenat de o eventual condiie de corelare ntre temperatura maxim
i presiunea maxim a ciclului, precum i de modalitatea i de
condiiile n care agentul de lucru din ciclul termodinamic preia
cldura la sursa cald (sub form de cldur sensibil, sub form de cldur
latent, o combinaie ntre cele dou, la presiune constant, la
temperatur constant, la volum constant, etc).
Configuraia minim a unui ciclu termodinamic motor nchis include
patru transformri succesive ale agentul de lucru i anume
comprimarea, nclzirea, destinderea i rcirea. n cazul unui ciclu
deschis, acesta se nchide prin intermediul atmosferei. Faza de
rcire este nlocuit de evacuarea n atmosfer a agentului uzat (un
amestec de gaze de ardere) urmat de aspirarea din atmosfer a unei
cantiti aproape egale de aer proaspt. Performanele termodinamice
ale ciclului motor minimal astfel definit depind numai de
parametrii agentului de lucru n fiecare dintre cele patru puncte
caracteristice ale sale. Acetia determin mrimea efectului util,
definit ca diferen ntre lucrul mecanic produs n faza de destindere
i lucrul mecanic consumat n faza de comprimare a agentului de
lucru. Parametrii ciclului determin totodat i mrimea efectului
consumat, care const n cantitatea de cldur preluat de la sursa cald
de ctre agentul de lucru n faza de nclzire.
Pentru mbuntirea performanelor termodinamice ale unui ciclu
motor simplu (fr cogenerare) care iniial dispune de o configuraie
minimal, se poate recurge la una dintre urmtoarele msuri :
a) modificarea parametrilor agentului de lucru n punctele
caracteristice;
b) fracionarea comprimrii i/sau a destinderii agentului de
lucru;
c) aplicarea unor soluii de recuperare intern (reciclare) a unei
pri din cldura evacuat la sursa rece, ceea ce poate presupune
eventual adugarea unor componente suplimentare n sistem.
Ciclul termodinamic motor poate prezenta o singur faz de nclzire
urmat de o singur faz de destindere sau mai multe perechi
nclzire-destindere. Fracionarea nclzirii i respectiv a destinderii
are ca efect creterea temperaturii medii superioare a ciclului i
deci majorarea randamentului de producere a lucrului mecanic. Un
efect similar l are fracionarea comprimrii, agentul de lucru fiind
rcit ntre dou comprimri succesive.
Performanele termodinamice ale unui ciclu motor cu cogenerare
pot fi exprimate prin intermediul mai multor indicatori, msurile i
soluiile tehnice necesare mbuntirii unuia dintre aceti indicatori
putnd intra n contradicie cu cerinele asociate mbuntirii celorlali.
Aceast situaie se explic prin caracterul complementar al celor dou
efecte utile ale cogenerrii. Dac temperatura medie superioar rmne
aceeai, majorarea lucrului mecanic produs n ciclu duce n mod
obligatoriu la micorarea cantitii de cldur produse prin cogenerare
i uneori chiar i la scderea nivelului de temperatur al acesteia i
viceversa. n cele mai multe cazuri fabricanii de echipamente de
cogenerare urmresc majorarea lucrului mecanic produs pe seama
micorrii cldurii produse i nu invers. Msurile i soluiile tehnice
care conduc la creterea temperaturii medii superioare a unui ciclu
termodinamic cu cogenerare sunt de regul benefice n raport cu
ambele efecte utile ale acestuia. Toate celelalte msuri i soluii au
consecine pozitive doar asupra unuia dintre efectele utile i
consecine negative asupra celuilalt. Acest fapt nu le exclude
definitiv pe acestea din urm dintre alternativele avute n vedere la
concepia unei scheme de cogenerare, oportunitatea aplicrii oricreia
dintre ele constituind de regul consecina unei situaii concrete,
particulare, specifice.
Ciclul termodinamic motor nchis, n care agentul de lucru n stare
de lichid se nclzete, se transform n vapori i eventual se
supranclzete n faza de aport de cldur, se destinde n stare de
vapori i apoi condenseaz n faza de cedare de cldur este denumit n
literatura de specialitate ciclul Rankine - Hirn. Agentul de lucru
din ciclu poate s fie apa sau unele fluide organice. Cel mai vechi
dintre ciclurile termodinamice directe utilizate att pentru
producerea separat de lucru mecanic ct i pentru cogenerare este
ciclul n care agentul de lucru este apa.
Comprimarea avnd loc n faza lichid, lucrul mecanic net este
considerat prin convenie egal cu lucrul mecanic produs prin
destindere. Destinderea i comprimarea sunt transformri adiabate
neizentrope, ambele avnd loc cu cretere de entropie. Lucrul mecanic
consumat pentru pomparea apei, mult mai mic dect cel produs prin
destinderea aburului, este de regul adunat cu alte consumuri
proprii tehnologice de lucru mecanic ale sistemului.
Pentru varianta fr cogenerare, majorarea randamentului energetic
al ciclului se poate obine prin creterea parametrilor iniiali
(parametrii agentului de lucru n punctul de nceput al destinderii),
scderea parametrilor finali (parametrii agentului de lucru n
punctul final al destinderii), fracionarea fazei de nclzire a
agentului (procedeu cunoscut sub denumirea de supranclzire
intermediar a vaporilor) i prenclzirea regenerativ a agentului de
lucru aflat n stare lichid nainte de intrarea n generatorul de
vapori cu abur din procesul de destindere.
Caracteristica principal a ciclului Rankine-Hirn cu vapori de ap
cu cogenerare este contradicia ntre mrimea randamentului de
producere a lucrului mecanic i nivelul termic al cldurii care poate
fi preluat n vederea valorificrii. Cu alte cuvinte, cogenerarea
presupune n acest caz un sacrificiu care const n reducerea lucrului
mecanic astfel produs pentru ca i nivelul termic al cldurii s fie
suficient de ridicat. Cogenerarea este facultativ numai n cazul n
care maina termic a fost conceput att pentru regimul de cogenerare
ct i pentru regimul de monogenerare.
Soluiile constructive adoptate n prezent pentru componentele
sistemului n care au loc fazele de nclzire i de destindere a
agentului de lucru (generatorul de abur i turbina cu abur) conduc
la limitarea presiunii maxime a ciclului, care n prezent este fie
sub fie puin peste presiunea critic a vaporilor de ap. Temperatura
maxim este corelat cu presiunea maxim i este la rndul ei limitat
din condiia de a nu se depi nivelul maxim admisibil de temperatur n
materialul evilor cazanului. Nivelul termic al cldurii evacuate
dintr-un ciclu fr cogenerare este cuprins ntre 25 i 45 oC, n timp
ce pentru cldura recuperabil prin cogenerare acesta este situat de
regul peste 80 oC. Coninutul de cldur al aburului evacuat din maina
termic n vederea cogenerrii este valorificat n proporie de 100 %.
Altfel spus, dac se recurge la o mrime specific ciclurilor
deschise, gradul de recuperare al cldurii evacuate din ciclu este
obligatoriu 100 %, condiie care apare n cazul ciclurilor cu
cogenerare nchise. Agentul de lucru din ciclul termodinamic poate
prelua i rolul de agent termic.
Ciclul termodinamic motor asociat instalaiilor de turbin cu
gaze, cunoscut n literatura de specialitate i sub denumirea de
ciclul Brayton-Joule, face parte dintre ciclurile deschise, n care
evolueaz aer atmosferic i apoi gaze de ardere. Transformrile
termodinamice succesive nu presupun schimbarea strii de agregare a
agentului de lucru, care rmne gazoas pe ntreg parcursul ciclului,
compus din aspiraie, comprimare adiabat neizentrop, nclzire izobar,
destindere adiabat neizentrop i evacuare. Majorarea randamentului
ciclului se poate obine prin creterea presiunii aerului la ieirea
din compresor, prin creterea temperaturii maxime a ciclului, prin
fracionarea comprimrii i a destinderii i prin recuperarea intern
(recircularea) unei pri din coninutul de cldur al gazelor de
ardere. Ultima soluie presupune fie prenclzirea regenerativ a
aerului la intrarea n camera de ardere fie producerea de abur i
injectarea lui n camera de ardere. Comprimarea avnd loc n faza
gazoas, lucrul mecanic net este definit ca diferen ntre lucrul
mecanic produs prin destinderea agentului de lucru i lucrul mecanic
consumat pentru comprimare acestuia.
Cogenerarea nu modific i nu influeneaz cu nimic funcionarea
ciclului motor al instalaiei de turbin cu gaze, deoarece ea
presupune doar recuperarea coninutului de cldur al gazelor de
ardere evacuate din turbin. Datorit faptului c ciclul Brayton-Joule
se nchide prin atmosfer, cldura evacuat din ciclu prin intermediul
gazelor de ardere nu poate fi recuperat integral, deoarece gazele
de ardere nu pot fi rcite n recuperatorul de cldur pn la
temperatura aerului atmosferic aspirat de compresor. Gradul de
recuperare maxim posibil depinde de modul de valorificare a cldurii
recuperate i de temperatura gazelor la ieirea din turbin.
Cogenerarea presupune n acest caz recuperarea coninutului de
cldur al gazelor de ardere eapate din turbin. Ea este facultativ i
nu obligatorie, gazele de ardere avnd posibilitatea de a ocoli
recuperatorul de cldur fr ca funcionarea instalaiei de turbin cu
gaze s fie afectat n vreun fel. Gradul de recuperare real poate fi
prin urmare mai mic dect cel maxim posibil, putnd ajunge chiar zero
n absena cogenerrii.
Performanele ciclului Brayton-Joule fr cogenerare depind de
temperatura maxim a ciclului (temperatura gazelor la nceputul
destinderii), de temperatura minim a ciclului (temperatura gazelor
la sfritul destinderii) i de raportul de comprimare. Cum
destinderea este considerat un proces adiabat neizentrop,
temperatura minim a ciclului este determinat de temperatura maxim,
de raportul de comprimare i de gradul de imperfeciune al
procesului, exprimat prin intermediul randamentului intern.
Randamentul energetic al ciclului fr cogenerare, numit mai sus i
randament de producere a lucrului mecanic, este indicatorul de
performan energetic care definete att ciclul fr cogenerare ct i
ciclul cu cogenerare. Recuperarea cldurii gazelor de ardere fiind
facultativ, ea poate fi considerat o etap ulterioar producerii
lucrului mecanic prin conversie termodinamic, deoarece ea nu
influeneaz practic acest proces.
Ciclurile termodinamice asociate motoarelor cu ardere intern cu
piston sunt de mai multe feluri, toate fiind ns cicluri deschise.
Diferenele constau n natura combustibilului i modul n care are loc
aprinderea i arderea acestuia, n numrul de timpi, n existena sau nu
a supraalimentrii, etc. Transformrile termodinamice suferite de
agentul de lucru nu presupun schimbarea strii sale de agregare,
care rmne gazoas pe ntreg parcursul ciclului, compus din aspiraie,
comprimare, nclzire (ardere), destindere i evacuare. Datorit rcirii
pereilor cilindrului n care au loc transformrile succesive ale
agentului de lucru, nici destinderea i nici comprimarea nu mai pot
fi considerate adiabate, ci politrope. Faza de nclzire a agentului
de lucru este la rndul ei o transformare complex, deoarece
aprinderea combustibilului ncepe nc din timpul comprimrii iar
arderea se prelungete i n timpul destinderii.
Motorul cu ardere intern cu piston funcioneaz dup ciclurile
termodinamice Otto sau Diesel, care se deosebesc de ciclul
Brayton-Joule n primul rnd prin faptul c faza de nclzire (arderea
combustibilului) nu mai este o izobar, ci o politrop (izobar
izocor).
Majorarea randamentului energetic al motorului cu ardere intern
cu piston se poate obine prin creterea presiunii medii n cilindru i
prin creterea temperaturii maxime a ciclului. Cogenerarea nu
modific i nu influeneaz cu nimic funcionarea ciclului motor,
deoarece ea presupune i n acest caz doar recuperarea cldurii
evacuate din ciclu. Spre deosebire de turbina cu gaze, motorul cu
ardere intern cu piston elimin cldura att prin intermediul rcirilor
tehnologice ct i prin intermediul gazelor de ardere evacuate din
motor. Datorit faptului c ciclul termodinamic se nchide prin
atmosfer, cldura evacuat din ciclu prin intermediul gazelor de
ardere nu poate fi recuperat integral. Gradul de recuperare maxim
posibil al cldurii evacuate prin intermediul gazelor de ardere
depinde de modul de valorificare a cldurii recuperate, de concepia
schemei de recuperare i de temperatura gazelor la ieirea din motor.
Gradul de recuperare al cldurii evacuate prin intermediul rcirilor
tehnologice poate atinge 100 %.
Cogenerarea este facultativ i n acest caz, cu condiia asigurrii
disiprii ntregului debit de cldur evacuat prin intermediul rcirilor
tehnologice, proces care condiioneaz buna funcionare a motorului.
Recuperatorul de cldur pentru gazele de ardere poate fi ocolit de
ctre acestea fr ca funcionarea motorului s fie afectat n vreun fel.
Gradul de recuperare real poate fi i n cazul MAI mai mic dect cel
maxim posibil, putnd ajunge chiar zero n absena cogenerrii.
Motorul Stirling nu face parte din categoria motoarelor cu
ardere intern, ciclul termodinamic asociat acestuia fiind unul
nchis, alctuit din dou izoterme i dou izocore. Agent de lucru poate
fi aerul atmosferic sau un alt gaz. Motorul Stirling realizeaz
schimburile de cldur cu exteriorul prin intermediul cte unei
suprafee de schimb de cldur, ceea ce reduce substanial nivelul
termic maxim al cldurii prelucrate i deci i randamentul de
producere a lucrului mecanic.
Motorul Stirling a fost conceput pentru recuperarea cldurii cu
nivel termic mediu i cobort prin conversie termodinamic i se afl i
n prezent ntr-un stadiu experimental. El nu este nc o main termic
potrivit pentru cogenerare.
Practica producerii lucrului mecanic prin conversie termodinamic
a impus procedeul cuplrii n cascad a dou cicluri termodinamice
directe prin intermediul unei suprafee de schimb de cldur, n aa fel
nct sursa rece a unuia dintre ele, numit ciclu superior, s devin
sursa cald a celuilalt, numit ciclu inferior. Combinaia este
cunoscut n literatura de specialitate sub denumirile de cicluri
combinate. Consecina cuplrii ciclurilor const n primul rnd n
majorarea lucrului mecanic produs pe seama aceleiai cantiti de
cldur, injectate la nivelul sursei calde a ciclului superior i n al
doilea rnd n micorarea cantitii de cldur evacuate prin intermediul
sursei reci a ciclului inferior i n reducerea nivelului termic al
acesteia.
Combinaia cea mai des ntlnit n prezent n domeniul producerii
energiei este aceea n care ciclul superior este un ciclu
Brayton-Joule iar ciclul inferior este un ciclu Rankine-Hirn.
Cuplarea se realizeaz prin intermediul unui recuperator de cldur
pentru gazele de ardere eapate din turbina cu gaze i care preia
rolul de cazan de abur viu. Formal, cogenerarea se realizeaz n
acest caz numai la nivelul ciclului termic cu abur, producerea
cldurii ducnd la reducerea produciei de lucru mecanic. Exist i
instalaii n care o parte din cldur este preluat de agentul termic
direct din cazanul recuperator, care poate fi dotat sau nu cu
instalaie de ardere suplimentar. Schemele de cogenerare cu ciclu
combinat sunt recomandate n situaiile n care este necesar ct mai
mult lucru mecanic. Trebuie precizat faptul c, n cazul ciclurilor
cuplate, modul de abordare a eficienei ansamblului este diferit de
modul n care abordm un ciclu simplu.
n cazul unui ciclu simplu problema eficienei este legat de
micorarea cantitii de cldur consumate la sursa cald prin creterea
randamentului termodinamic al ciclului. n cazul ciclurilor cuplate,
aceast condiie se pune numai pentru ciclul superior, n timp ce
pentru ciclul inferior problema eficienei este o combinaie exprimat
prin condiia ca produsul ntre gradul de recuperare a cldurii
provenite de la ciclul superior i randamentul termodinamic al
ciclului inferior s fie maxim.
2.4 Justificarea cogenerrii
Principalul avantaj al producerii combinate prin cogenerare n
comparaie cu producerea separat a energiei electrice n CTE i a
energiei termice n CT este economia de combustibil realizat prin
producerea combinat. Cu alte cuvinte, aceleai cantiti de energie
electric i de energie termic sunt produse prin cogenerare consumnd
mai puin combustibil dect n cazul producerii separate. Economia de
resurse energetice primare este important la nivelul unei ri, mai
ales atunci cnd aceste resurse nu provin din subsolul propriu ci
din import. Ea este important i la nivelul unui grup de state aa
cum este Uniunea European.
La nivelul unei companii productoare de energie este mai
important economia de cheltuieli cu enegia primar. Presupunnd c
celelalte cheltuieli n afara celor cu combustibilul sunt
aproximativ aceleai i pentru producerea combinat i pentru
producerea separat, costurile de producere sunt deci mai mici n
cazul producerii combinate dect n cazul producerii separate.
Economia de combustibil i deci i economia de cheltuieli pentru
procurarea combustibilului pot fi definite numai dac producerea
separat a energiei electrice se face n CTE iar producerea separat a
cldurii n CT.Economia de combustibili are i avantajul reducerii
proporionale a polurii mediului ambiant. Mai puin combustibil ars
emite n atmosfer mai puine noxe.
n economia capitalist, competiia ntre productorii de energie
electric presupune existena unei puteri instalate mai mari dect
cererea maxim de putere electric. n aceast situaie, o parte din
aceast putere instalat rmne neutilizat. Funcionarea unei uniti de
cogenerare la un moment dat face deci ca o alt unitate de alt fel s
nu produc n acel moment. Avantajul cogenerrii va fi deci judecat i
n raport cu acea unitate pe care a nlocuit-o. Dac centrala de
cogenerare a nlocuit o CTE, comparaia are la baz economia de
combustibil i eventual economia de cheltuieli cu combustibilul. Dac
ns ea nlocuiete o CNE, o CHE sau o surs care valorific energie
regenerabil, funcionarea centralei de cogenerare conduce la
creterea consumului de combustibil la nivelul economiei naionale i
la creterea polurii generate prin arderea sa. De asemenea energia
produs prin cogenerare ar putea fi mai scump dect energia care ar
fi fost produs de sursa care nu a funcionat. Prin urmare, avantajul
economiei de combustibil realizat prin cogenerare nu este unul
absolut i trebuie analizat n contextul structurii surselor de
producere a energiei electrice din ara respectiv, structur diferit
de la o ar la alta i de la o perioad la alta. Oportunitatea ncrcrii
unitilor de cogenerare existente i a instalrii unora noi va depinde
de tipul i capacitatea disponibil a surselor de producere separat a
energiei electrice care sunt nlocuite prin cogenerare i de fluxul
de energie primar consumat de fiecare dintre aceste surse. Plecnd
de la situaia concret din fiecare ar, administraia central
(guvernul) sau administraiile locale trebuie s aib o strategie n
acest domeniu i pot stabili reglementrile privind modul n care
unitile de cogenerare intervin n producerea energiei electrice i
pot valorifica energia electric astfel produs (vnzare direct ctre
anumii consumatori, vnzare ctre reeaua public, etc).
n condiiile n care toate consecinele utilizrii unui anumit tip
de energie primar, inclusiv efectele polurii, vor fi internalizate
pentru toi productorii de energie electric, regsindu-se ntr-un
anumit fel n cheltuielile de producie, reducerea costului de
producere i deci a preului de vnzare a energiei electrice ar trebui
s fie principalul argument n favoarea sau mpotriva aplicrii
cogenerrii ntr-un anumit caz.
3. Indici i indicatori de eficien energetic pentru ciclul
termodinamic i pentru centrala de cogenerare n ansamblul ei.
3.1 Indici i indicatori care caracterizeaz ciclul termodinamic n
regim de cogenerare.
Ciclul termodinamic motor care funcioneaz n regim de cogenerare
total (pur) este acel ciclu n care ntreaga cantitate de lucru
mecanic disponibil la axul mainii termice (turbin cu abur, turbin
cu gaze, motor cu ardere intern cu piston) este produs n regim de
cogenerare. Un astfel de ciclu este caracterizat prin intermediul a
trei indicatori:
a. gradul de recuperare a cldurii evacuate din ciclul
termodinamic;
b. randamentul de producere a energiei electrice;
c. indicele de cogenerare.
Trebuie precizat faptul c, dintre toate tipurile de main termic
amintite mai sus, numai ciclul termodinamic care include n
componena lui turbina de cogenerare cu abur cu condensaie i cu cel
puin o priz reglabil nu poate funciona n regim de cogenerare total
sau pur. Prin urmare, puterea electric produs la bornele
generatorului este ntotdeauna o sum de doi termeni, unul fiind
puterea produs n regim de cogenerare i al doilea puterea produs n
regim de condensaie. Dac puterea produs n cogenerare este nul
atunci cnd debitul extras din priza reglabil este nul, puterea
produs n condensaie este strict pozitiv deoarece este proporional
cu debitul de abur care circul prin corpul de joas presiune al
turbinei. Ciclul termodinamic cu turbin de cogenerare cu abur cu
condensaie i priz reglabil poate deci funciona n regim de
condensaie pur, dar nu poate funciona n regim de cogenerare
pur.
Referitor la ciclul termodinamic simplu funcionnd n regim de
cogenerare total (pur), n care lucrul mecanic este transformat n
energie electric, se fac urmtoarele notaii :
QBb = consumul de energie primar la sursa de cldur a ciclului
termodinamic (cazanul de abur viu, camera de ardere, etc);
Q1 = cantitatea de cldur transmis agentului de lucru din ciclu
la sursa cald;
PEB = puterea electric la bornele generatorului antrenat de
maina termic;
PCG = puterea electric la borne produs n regim de
cogenerare;
Q2 = cantitatea de cldur evacuat din ciclu la sursa rece;
QCG = cantitatea de cldur obinut din ciclu prin cogenerare;
m g = produsul ntre randamentul mecanic i randamentul
generatorului electric;
= randament care ine seama de pierderile de energie n exteriorul
ciclului termodinamic;
e = randamentul de producere a energiei electrice la bornele
generatorului;
ycg = indicele de cogenerare;
xr = gradul de recuperare a cldurii evacuate din ciclu la sursa
rece.
Mrimea consumului de energie primar al ciclului termodinamic
este egal cu produsul ntre debitul fizic (masic, volumic, molar,
etc) de combustibil i puterea sa calorific. Tradiia face ca n
Romnia s utilizm nc n acest scop puterea calorific inferioar. n
alte ri ns se utilizeaz deja n calcule numai puterea calorific
superioar. Pe lng faptul c aceas abordare are un caracter
stimulativ, trebuie amintit c furnizorii de gaz natural din Romania
factureaz n prezent consumul n funcie de puterea calorific
superioar i c utilizarea acesteia este inevitabil n cazurile n care
n instalaiile consumatoare se valorific i o parte din cldura latent
de vaporizare-condensare a vaporilor de ap rezultai din arderea
combustibilului.
Cele trei mrimi care caracterizeaz ciclul termodinamic simplu
funcionnd n regim de cogenerare total (pur) se definesc astfel
:
ntre mrimile definite mai sus, numai pentru regimul de
cogenerare total, se pot stabili urmtoarele relaii :
Relaia bilanului energetic de mai sus este valabil ca atare
numai pentru turbinele cu abur i pentru turbinele cu gaze. Pentru
motoarele cu ardere intern cu piston, mrimea randamentului mecanic
m nu mai este o mrime separat, pierderile mecanice fiind incluse n
Q2. Prin urmare, la numitorul raportului din relaia de bilan nu mai
rmne dect randamentul generatorului electric g. Relaia bilanului
energetic constitue legtura ntre cele trei mrimi care caracterizeaz
ciclul termodinamic n regim de cogenerare total. Prin mprirea ei cu
PEB se obine :
Pentru ciclurile termodinamice nchise cu turbine de cogenerare
cu abur, gradul de recuperare este de 100% sau xr = 1. Pentru
ciclurile termodinamice deschise cu turbine cu gaze sau cu motoare
cu ardere intern cu piston, gradul de recuperare este strict mai
mic dect 100 % sau xr < 1. n ultimul caz situaia se datoreaz
imposibilitii recuperrii integrale a cldurii coninute n gazele de
ardere evacuate din maina termic, deoarece acest lucru ar presupune
rcirea acestora n recuperatorul de cldur pn la temperatura mediului
ambiant.
Recuperaturul de cldur este un schimbtor n care gazele de ardere
joac rolul agentului termic primar iar agentul termic secundar (ap,
abur, etc) este cel care asigur transportul cldurii la consumator.
Cum agentul termic secundar vine de la consumator cu o temperatur
strict mai mare dect temperatura mediului ambiant, temperatura
minim a agentului termic primar trebuie s fie strict mai mare dect
aceasta din urm, deci cu att mai mult ea este mai mare dect
temperatura mediului ambiant.
Gradul de recuperare pentru instalaiile de turbine cu gaze i
motoarele cu ardere intern cu piston este cuprins de regul ntre 70
i 85 %, n funcie de caracteristicile tehnice ale mainii respective
i de schema adptat pentru recuperarea cldurii.
Randamentul de producere a energiei electrice la bornele
generatorului este definit fcndu-se abstracie de cldura produs n
cogenerare, ca i cum energia electric ar fi singurul efect util
produs pe seama consumului de energie primar. El este deci definit
pentru situaia n care ciclul termodinamic nu funcioneaz n regim de
cogenerare ci n regim de monogenerare. Nu toi autorii sunt de acord
cu asocierea acestei mrimi cu ciclurile de cogenerare cu abur, ea
fiind potrivit numai pentru ciclurile de cogenerare deschise
combustibil aer gaze de ardere, n care recuperarea cldurii poate fi
considerat o etap ulterioar producerii lucrului mecanic i este
facultativ din punct de vedere tehnic. Discutabil din punct de
vedere principial, extinderea noiunii de randament de producere a
energiei electrice i la ciclurile de cogenerare cu abur permite
tratarea unitar a tuturor ciclurilor termodinamice motoare, ceea ce
este un argument practic n favoarea sa.
Indicele de cogenerare este un indicator a crui semnificaie
depete nivelul eficienei energetice, pentru care efectele utile ale
cogenerrii sunt egale ca valoare i poate fi considerat ca avnd
conotaii exergetice. Este cunoscut faptul c o cantitate de energie
electric se poate transforma intergral n cldur, n timp ce o
cantitate de cldur nu se poate transforma n energie electric dect
ntr-o anumit proporie, dat de principiul al doilea al
termodinamicii. Prin urmare, din acest punct de vedere, valoarea
energetic a unui kWh de energie electric este mai mare dect
valoarea energetic a unui kWh de energie termic, iar ciclul care
realizeaz cel mai mare indice de cogenerare este cel mai bun.
Indicele de cogenerare este util n compararea mai multor cicluri cu
cogenerare, deoarece valoarea randamentului global al ciclului este
aproape aceeai pentru toate ciclurile cu cogenerare.
Mrimea indicelui de cogenerare este legat direct att de mrimea
randamentului de producere a energiei electrice la bornele
generatorului ct i de mrimea gradului de recuperare a cldurii
evacuate din ciclu.
Randamentul care ine seama de pierderile de energie care nu au
fost exprimate prin intermediul altor mrimi trebuie definit pentru
fiecare tip de main termic n parte. Astfel, pentru ciclurile
termodinamice cu cazane i turbine cu abur, el este cel mult egal cu
randamentul energetic al cazanului de abur (0,80 0,92). Pentru
ciclurile termodinamice cu turbine cu gaze, el este cel mult egal
cu randamentul camerei de ardere (0,98 0,99). Pentru ciclurile
termodinamice cu motoare cu ardere intern cu piston, el este
considerat a fi ntre 0,94 0,96 i ine seama de pierderile directe de
cldur prin anvelopa motorului.
Valorile recomandate att pentru acest randament ct i pentru
gradul de recuperare al cldurii evacuate din ciclu sunt valabile
pentru cazul n care QBb este definit pornind de la puterea
calorific inferioar a combustibilului consumat n centrala de
cogenerare.
n condiiile n care parametrii ciclului rmn aceeai, randamentul
de producere a energiei electrice i indicele de cogenerare teoretic
i pstreaz valoarea. Aceste mrimi se modific doar odat cu gradul de
ncrcare a capacitii de producere a energiei, tendina fiind de
scdere la scderea ncrcrii. Trebuie precizat faptul c performanele
ciclurilor deschise mai sunt influenate i de temperatura aerului
atmosferic aspirat n main.
Definirea gradului de ncrcare nu este la fel pentru toate
tipurile de maini, ns la majoritatea el este legat de capacitatea
de producere a energiei electrice i este exprimat de regul prin
raportul ntre puterea electric produs i puterea electric nominal la
bornele generatorului electric antrenat de maina respectiv. Excepie
face turbina de cogenerare cu abur cu condensaie i priz reglabil,
unde exprimarea gradului de ncrcare se poate face prin intermediul
debitului de abur admis n turbin, al puterii electrice la borne sau
al sarcinii termice la priza reglabil. Din pcate, niciuna dintre
cele trei variante nu reflect n mod riguros gradul de ncrcare al
mainii.
Gradul de recuperare al cldurii coninute n gazele de ardere se
modific la modificarea regimului termic al recuperaturului. Aceasta
nseamn modificarea debitului sau a temperaturii de intrare a
oricruia dintre agenii termici. De regul, ntr-un regim normal de
funcionare, aceste modificri apar fie la modificarea gradului de
ncrcare fie la modificarea temperaturii aerului atmosferic. Trebuie
amintit faptul c temperatura aerului atmosferic influeneaz att
performanele ciclurilor deschise ct i mrimea cererii de cldur i
parametrii agentului termic.
Coninutul acestui paragraf se refer strict la cogenerarea
realizat ntr-un singur ciclu termodinamic. n cazul schemelor de
cogenerare avnd la baz ciclul combinat gaze-abur, care include dou
cicluri termodinamice cuplate termic astfel nct sursa rece a
ciclului superior s fie sursa cald a ciclului inferior, apar
complicaii care trebuie tratate individual pentru fiecare schem.
Complicaiile sunt generate de faptul c sursa cald a ciclului
inferior poate primi pentru prelucrare o cantitate de cldur mai mic
sau mai mare dect cantitatea eliminat din ciclul superior la sursa
rece. Aceast decuplare parial exclude tratarea celor dou cicluri ca
un tot unitar (ca un monolit) i oblig deci tratarea lor separat cel
puin pentru calculele de tip estimativ.
Diferena ntre cele dou fluxuri de cldur poate fi datorat
prelurii directe de ctre agentul termic al unei pri din cldura
evacuat din ciclul superior, care nu mai ajunge astfel n ciclul
inferior. Este cazul n care cantitatea de cldur evacuat din ciclul
superior este mai mare dect cantitatea de cldur preluat de sursa
cald a ciclului inferior. Diferena merge direct la consumatorul de
cldur, fr a mai fi prelucrat n ciclul inferior. Justificarea unei
asemenea soluii este de regul legat de creterea gradului de
recuperare n ciclul superior. Al doilea caz presupune arderea unei
cantiti de combustibil direct la sursa cald a ciclului inferior.
Procedeul este cunoscut sub denumirea de ardere suplimentar sau
post-ardere i majoreaz cantitatea de cldur care intr prin
intermediul sursei calde n ciclul inferior, care va fi mai mare
dect cantitatea de cldur evacuat din ciclul superior. Prezena
turbinei de cogenerare cu abur cu condensaie i cel puin o priz
reglabil n ciclul inferior complic la rndul su situaia, deoarece
ciclul inferior nu poate funciona n regim de cogenerare pur.
Dintre toi indicatorii de performan, complicaiile cele mai mari
intervin la calculul indicelui de cogenerare, deoarece ciclul
combinat cu decuplare parial permite identificarea mai multor
cicluri componente prin suprapunerea crora rezult situaia real i
deci calculul mai multor indici de cogenerare, cte unul pentru
fiecare ciclu component. De asemenea, pot apare complicaii i la
definirea coeficientului nominal de cogenerare, deoarece ciclul
combinat ca instalaie de baz are dou surse de cldur distincte i
anume turbina cu abur i cazanul recuperator, care este de regul
dotat i cu un schimbtor de cldur gaze de ardere ap de reea, avnd ca
scop majorarea gradului de recuperare al cldurii coninute de gazele
de ardere.
n cazul n care se cunosc caracteristicile energetice particulare
ale fiecruia dintre cele dou cicluri, acestea se pot trata separat,
rezultatele obinute fiind apoi combinate n scopul calculului
acelorai mrimi definite anterior. Metoda necesit mai multe
informaii i duraz mai mult. Singurul caz n care cele dou cicluri
pot fi tratate ca un tot unitar este cel al cuplajului total, n
care cantitatea de cldur evacuat din ciclul superior este transmis
integral ciclului inferior, fr ardere suplimentar i cu o turbin cu
abur cu contrapresiune n ciclul inferior.
3.2 Indici i indicatori care caracterizeaz centrala de
cogenerare n ansamblul ei.
Mrimile i indicatorii care caracterizeaz modul de dimensionare i
funcionarea centralei de cogenerare n ansamblul ei sunt urmtoarele
:
a. coeficientul de cogenerare;
b. gradul de cogenerare;
c. indicele de structur;
d. randamentul global;
e. economia de energie primar realizat prin producerea combinat
(cogenerare) n comparaie cu producerea separat a energiei electrice
i termice.
Coeficientul de cogenerare este cel mai important indicator i
caracterizeaz att modul de dimensionare ct i funcionarea unei
centrale de cogenerare. Coeficientul nominal (instalat) de
cogenerare se definete ca raportul ntre capacitatea de producere a
cldurii instalat n baz i sarcina termic maxim pe care centrala de
cogenerare trebuie s o asigure i care acoper cererea maxim net de
cldur a consumatorilor alimentai, pierderea de cldur pe reeaua
termic i consumul propriu tehnologic de cldur al centralei n acest
regim nominal de funcionare. Coeficientul nominal (instalat) de
cogenerare reflect deci raportul ntre capacitatea de producere
a