Surse regenerabile de energie
Autor: Adrian Badea | Horia Necula (coordonatori)
Editura: A.G.I.R.
Seria: Energii neconventionale
Format: 17x24 cm
Nr. pagini: 626
Coperta: legata
ISBN: 978-973-720-469-1
Anul aparitiei: 2013
Anul aparitiei primului tiraj, 2013.
Prelungire de tiraj, noiembrie 2014
Colectivul de autori: Adrian Badea, Horia Necula (coordonatori), Victor Cenusa, Mihaela-Cristina Ciobanu, Cristian Dinca, Constantin Ghita, Constantin Ionescu, Dragos-Ovidiu Kisch, Cosmin Marculescu, Alexandru Morega, Bogdan Popa, Radu Porumb, Carmen-Anca Safta, Ion Tristiu.
PREFATA
Energia reprezinta sangele unei economii si, in final, al unei civilizatii. In Epistola intaia catre Corinteni, Sfantul Apostol Pavel spunea „daca dragoste nu am, nimic nu sunt”. Parafrazand aceasta asertiune, Marin Preda isi incheia romanul „Cel mai iubit dintre pamanteni” cu cuvintele „daca dragoste nu e, nimic nu e”. Noi, autorii, credem ca putem spune la randul nostru „fara energie nimic nu e”.
In momentul de fata omenirea isi acopera necesarul de energie primara in proportie de circa 85% din carbune, petrol si gaze naturale, resurse epuizabile si poluante, in special prin emisiile de gaze cu efect de sera, care reprezinta principala cauza a schimbarilor climatice. Energia hidro nu acopera mai mult de 7% din energia primara, iar energia nucleara nu depaseste 6,5%. Pe termen scurt si mediu nu se intrevede o crestere importanta a ponderii marilor amenajari hidro si a energiei nucleare, in special dupa accidentul de la Fukusima. Singurele energii a caror pondere poate si trebuie sa creasca masiv in anii ce vin sunt energiile regenerabile.
Sursele de energie regenerabila sunt multiple, larg raspandite, nepoluante si disponibile pe aproape toata suprafata pamantului, bine inteles cu intensitati diferite. Ele provin direct sau indirect de la soare, putand fi folosite pentru producerea directa a caldurii sau pot fi convertite in electricitate.
Directiva Uniunii Europene privind energia din surse regenerabile, adoptata in anul 2009, stabileste tinte obligatorii pentru energia din surse regenerabile, concentrandu-se pe atingerea unei ponderi de 20% a energiei din surse regenerabile in mixul energetic general al UE pana in 2020. Fiecare stat membru trebuie sa atinga obiective individuale in ceea ce priveste ponderea globala a energiei din surse regenerabile in cadrul consumului energetic. Cresterea initiala a energiei din surse regenerabile, sub impulsul acestui cadru legislativ, a fost promitatoare in primii ani de implementare.
Pentru a atinge tintele pentru anul 2020, statele membre trebuie sa-si puna in aplicare planurile de actiune nationale si sa incurajeze semnificativ finantarea acordata surselor regenerabile de energie prin scheme de sprijin (certificate verzi), sau preturi garantate.
De asemenea, pentru promovarea energiei regenerabile, aceasta trebuie sa concureze in mod echitabil pe piete deschise, piata unica a energiei fiind in curs de formare. Totodata, pentru stimularea concurentei in sectorul energetic european si promovarea surselor regenerabile este necesara eliminarea treptata a subventiilor pentru combustibilii fosili, iar taxele pe emisiile de CO2 trebuie adaptate, astfel incat sa incurajeze investitiile in tehnologii cu emisii scazute de CO2.
In acest context, autorii au considerat oportuna realizarea unei lucrari care sa abordeze majoritatea surselor de energie regenerabila, pentru o intelegere mai buna a proceselor caracteristice si domeniilor de utilizare.
Cartea se adreseaza, in primul rand, studentilor de la facultatile de profil tehnic, de la studiile de licenta sau masterat, dar si inginerilor si tehnicienilor care activeaza in domeniul surselor regenerabile de energie.
Lucrarea este structurata pe noua capitole si trateaza aspecte tehnice privind energia eoliana, energia solara, valorificarea energiei biomasei, geotermale si hidraulice, utilizarea hidrogenului ca vector energetic, dar si impactul generarii distribuite asupra retelelor electrice in cazul utilizarii surselor regenerabile de energie.
Credem in utilitatea demersului nostru si asteptam opiniile si propunerile cititorilor pentru o noua editie.
Autorii
CUPRINS
1. SURSELE REGENERABILE DE ENERGIE, COMPONENTA IMPORTANTA A DEZVOLTARII ENERGETICE DURABILE 1
Bibliografie 30
2. SISTEME EOLIENE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE 31
2.1. Resursa energetica eoliana 31
2.1.1. Vantul 31
2.1.2. Energia eoliana disponibila 33
2.1.3. Potentialul eolian al Romaniei 37
2.2. Turbine eoliene 38
2.2.1. Parametri caracteristici ai turbinei 38
2.2.2. Criterii de clasificare si tipuri de turbine eoliene 41
2.2.3. Teoria generala a turbinelor eoliene. Notiuni de aerodinamica. 47
2.2.4. Elemente constructive din alcatuirea turbinelor eoliene 58
2.3. Ferme de turbine eoliene 62
2.3.1. Ferme onshore 62
2.3.2. Ferme offshore 63
2.4. Impactul turbinelor eoliene asupra mediului 66
2.4.1. Impactul vizual 66
2.4.2. Zgomotul turbinelor eoliene 66
2.4.3. Interferenta electromagnetica 69
2.4.4. Alti factori de mediu 70
2.5. Aspecte economice ale proiectelor in energie eoliana 70
2.5.1. Costurile investitiei 70
2.5.2. Costuri de mentenenta si reparatii 72
2.5.3. Estimarea pretului de cost al energiei produse 72
2.5.4. Finantarea si gestionarea investitiilor in proiecte de valorificare a potentialului eolian 75
2.6. Generatoare electrice pentru surse eoliene 79
2.6.1. Generalitati 79
2.6.2. Generatoare asincrone 81
2.6.3. Generatoare sincrone 92
2.6.4. Generatoare de curent continuu (c.c.) 105
2.6.5. Probleme speciale privind generatoarele eoliene 110
2.7. Convertoare electronice pentru conditionarea surselor de energie eoliana 113
2.7.1. Compensatoare statice de energie reactiva 113
2.7.2. Conectarea surselor alternative de energie si a sistemelor de stocare a energiei 118
2.7.3. Interconectare eoliana sau hidro de putere mica 121
2.7.4. Interconectare Minnesota - topologie de interconectare cu reteaua a sistemelor fotovoltaice, eoliene si a pilelor de combustie 121
2.7.5. Interconectarea sistemelor de stocare a energiei sistemul de c.a. 122
2.7.6. Turbine eoliene cu generatoare asincrone si sincrone 123
2.7.7. Comanda si functionarea individuala a convertoarelor statice 132
Bibliografie 153
3. VALORIFICAREA TERMICA A ENERGIEI SOLARE 159
3.1. Elemente caracteristice ale radiatiei solare 159
3.1.1. Parametrii de referinta standard ai radiatiei solare 159
3.1.2. Caracteristicile radiatiei termice 162
3.1.3. Legile radiatiei termice 166
3.1.4. Elemente definitorii de baza in analiza radiatiei solare 172
3.1.5. Mpnitorizarea potentialului energetic solar 174
3.2. Sisteme pasive de valorificare a energiei solare 180
3.2.1. Captatori plani de valorificare a energiei solare 180
3.2.2. Captatori cu concentrarea energiei solare 192
3.3. Sisteme hibrid de valorificare a energiei solare in vederea producerii de energie electrica 197
3.3.1. Motoare Stirling cuplate cu captatori solari 199
3.3.2. Aplicatii industriale ale captatorilor cu concentratori ai energiei solare 202
3.3.3. Integrarea sistemelor de valorificare a energiei solare in cadrul cladirilor 205
3.3.4. Sisteme hibride ce contin colectoare solare termice si surse de rezerva, pentru incalzire si preparare de a.c.m. 207
3.3.5. Pompe de caldura integrate sistemelor solar 224
3.4. Elemente de calcul economic al eficientei sistemelor de valorificare termica a energiei solare 227
3.4.1. Utilizarea metodelor de simulare numerica avansata 227
3.4.2. Metode de calcul economic al ciclului de viata al captatorilor solari 228
3.4.3. Evaluarea ecologica pe ciclul de viata al panourilor solare 229
Bibliografie 242
4. SISTEME FOTOVOLTAICE 245
4.1. Introducere 245
4.2. Principiul de functionare al celulei fotovoltaice 246
4.2.1. Modelul atomic Bohr 247
4.2.2. Efectul fotoelectric 248
4.2.3. Principiul de functionare al celulei fotovoltaice 250
4.3. Tehnici de fabricatie pentru celule si module fotovoltaice 254
4.3.1. Tehnologiile de fabricatie Pfann si Czochralski 255
4.3.2. Etape de fabricatie 258
4.3.3. Module solare cu celule cristaline 258
4.3.4. Module solare de tip pelicula (film subtire) 259
4.4. Eficienta conversiei fotovoltaice 259
4.4.1. Timpul de amortizare si randamentul energie obtinuta in raport cu energia investita 261
4.5. Descrierea electrica a celulelor fotovolatice 264
4.5.1. Circuitul echivalent - modelul simplificat 264
4.5.2. Circuitul echivalent - modelul extins, cu o dioda 265
4.5.3. Circuitul echivalent - modelul extins, cu doua diode 266
4.5.4. Circuitul echivalent - modelul extins, cu doua diode si termen suplimentar 266
4.5.5. Alti parametri electrici 268
4.5.6. Dependenta de temperatura a parametrilor celulelor fotovoltaice 269
4.5.7. Determinarea parametrilor celulelor fotovoltaice 270
4.6. Descrierea electrica a modulelor fotovoltaice 270
4.6.1. Conexiunea serie a celulelor fotovoltaice 270
4.6.2. Date tehnice pentru module solare 273
4.7. Functionarea generatoarelor solare in sarcina 274
4.7.1. Sarcina rezistiva 274
4.7.2. Convertoare curent continuu - curent continuu 275
4.7.3. Convertoare de tip buck 275
4.7.4. Convertoare de tip boost 276
4.7.5. Alte convertoare de tip curent continuu - curent continuu 277
4.7.6. Maximizarea randamentului conversiei fotovoltaice. Trackingul solar 278
Bibliografie 279
5. VALORIFICAREA ENERGETICA A BIOMASEI 281
5.1. Biomasa. Definitie si importanta 281
5.2. Potentialul si valorificarea biomasei. Situatia la nivel international 282
5.3. Clasificarea biomasei 283
5.3.1. Surse si tipuri de biomasa 283
5.3.2. Evaluarea productiei. Potentialul de biomasa lemnoasa si agricola al Romaniei 287
5.4. Compozitie si proprietati 290
5.4.1. Compozitia fizico-chimica a biomasei 290
5.4.2. Masa specifica 292
5.4.3. Umiditatea 292
5.4.4. Dimensiuni si caracteristici mecanice (transport, manevrabilitate, friabilitate, aglutinare) 293
5.4.5. Analiza elementara 294
5.4.6. Raportul Carbon / Azot (C/N), Carbon / Hidrogen (C/H) 295
5.4.7. Puterea calorifica 295
5.4.8. Analiza primara (continut volatile, carbon fix, inerte) 299
5.4.9. Continutul de metale grele 300
5.5. Procedee bio/fizico-chimice de conversie a biomasei. Biocombustibili. 301
5.5.1. Procese de fermentare 302
5.5.2. Procese de metanizare 306
5.5.3. Procese de extractie/esterificare (producere de biodiesel) 310
5.6. Procedee termo-chimice de conversie a biomasei 313
5.6.1. Procedee de pretratare a biomasei in vederea imbunatatirii caracterisiticilor combustibile 313
5.6.2. Combustia 316
5.6.3. Piroliza 322
5.6.4. Gazeificarea 327
5.7. Aplicatii energetice 330
5.7.1. Solutii de conversie in energie electrica prin procese termo-chimice 331
5.7.2. Aplicatii la nivel pilot sau industrial de conversie in energie electrica 333
Bibliografie 338
6. VALORIFICAREA ENERGIEI GEOTERMALE 341
6.1. Consideratii generale privind energia geotermala 341
6.2. Valorificarea energiei geotermale de potential termic mediu-ridicat cu cicluri motoare 349
6.2.1. Centrale geotermale - electrice cu abur 349
6.2.2. Centrale geotermale - electrice cu fluide organice 365
6.2.3. Centrale geotermale - electrice cu ciclu combinat, apa - agent organic 374
6.2.4. Centrale geotermale cu ciclu combinat integrat 379
6.2.5. Centrale geotermale de cogenerare 383
6.3. Valorificarea directa a energiei geotermale sub forma de caldura 389
6.3.1. Incalzirea spatiilor 391
6.3.2. Incalzirea serelor 393
6.3.3. Balneoterapie 394
6.3.4. Acvacultura 395
6.3.5. Agricultura 395
6.3.6. Industrie 396
6.3.7. Situatia utilizarii directe a energiei geotermale in Romania 396
6.4. Valorificarea energiei geotermale de potential termic mediu-coborat, cu ajutorul ciclurilor termodinamice inversate (pompe de caldura) 397
6.4.1. Aspecte generale 397
6.4.2. Pompe de caldura geotermale 404
6.4.3. Comportamentul termic al Pamantului 413
6.4.4. Utilizari ale pompelor de caldura geotermale 415
6.5. Impactul asupra mediului al tehnologiilor de utilizare a energiei geotermale 420
Bibliografie 423
7. VALORIFICAREA ENERGIEI HIDRAULICE 427
7.1. Valorificarea energiei raurilor 427
7.1.1. Energia raurilor 427
7.1.2. Potentialul si repartitia resursei 429
7.1.3. Definirea microhidroenergiei 432
7.2. Elemente de hidrologie inginereasca 433
7.2.1. Factorii naturali ai scurgerii apelor 433
7.2.2. Debitele cursurilor de apa 440
7.2.3. Notiuni de hidrometrie 458
7.3. Tipuri de amenajari pentru microhidrocentrale 459
7.3.1. Generalitati, clasificari 459
7.3.2. Scheme de MHC conventionale, gravitationale 462
7.3.3. Scheme de MHC neconventionale, cinetice 465
7.3.4. Planificarea unei scheme de amenajare 470
7.3.5. Utilizarea potentialului unui sector de rau in vederea amenajarii acestuia 471
7.4. Echipamente ale microhidrocentralelor 473
7.4.1. Componentele principale ale unei microhidrocentrale 473
7.4.2. Cladirea microhidrocentralei 474
7.4.3. Turbina hidraulica 476
7.4.4. Multiplicatorul de turatie 487
7.4.5. Generatorul 488
7.4.6. Comanda turbinei 491
7.4.7. Echipamentele electrice auxiliare 493
7.4.8. Echipamentele hidromecanice auxiliare 495
7.5. Evaluarea impactului asupra mediului 497
7.5.1. Impactul in faza de constructie 497
7.5.2. Impactul in faza de exploatare 499
7.6. Valorificarea energiei valurilor 502
7.6.1. Valuri generate de vant. Tipuri si marimi caracteristice 502
7.6.2. Energia valurilor. Potential 504
7.6.3. Tehnologii si echipamente 506
7.6.4. Estimarea costurilor pentru centralele de conversie a energiei valurilor 509
7.6.5. Impactul conversiei energiei valurilor asupra mediului 511
7.7. Valorificarea energiei mareelor 512
7.7.1. Cauzele mareelor 512
7.7.2. Harta potentialului energiei mareice 513
7.7.3. Tehnologii si echipamente 515
7.7.4. Costuri pentru valorificarea energiei mareelor 517
7.7.5. Impactul centralelor maree-motrice asupra mediului 518
7.8. Generatoare electrice pentru conversia energiei valurilor in energie electrica 518
7.8.1. Generalitati 518
7.8.2. Structura generatoarelor electrice de valuri 519
7.8.3. Elemente teoretice privind generatoarele de valuri 521
7.9. Convertoare electronice pentru conditionarea surselor de energie a valurilor 522
Bibliografie 525
8. IMPACTUL GENERARII DISTRIBUITE ASUPRA RETELELOR ELECTRICE 527
8.1. Prezentarea conceptului de generare distribuita 527
8.2. Integrarea surselor distribuite in retelele electrice 531
8.2.1. Tehnologii de generare distribuita a energiei electrice 532
8.2.2. Racordarea surselor distribuite la retelele electrice 539
8.3. Influenta generatoarelor distribuite asupra regimului permanent 545
8.3.1. Calculul regimului permanent pentru retelele electrice care includ surse distribuite 546
8.3.2. Modificarea circulatiei de puteri 553
8.3.3. Modificarea pierderilor de putere 554
8.4. Influenta surselor distribuite asupra nivelului de tensiune 556
8.4.1. Modificarea nivelului de tensiune 557
8.4.2. Reglajul tensiunii in retelele electrice de distributie in prezenta generarii distribuite 560
8.5. Influenta generatoarelor distribuite asupra curentilor de scurtcircuit 564
8.6. Optimizarea regimului de functionare 566
8.6.1. Alegerea amplasarii pentru minimizarea pierderilor de putere 567
8.7. Influenta surselor distribuite asupra calitatii serviciului de furnizare a energiei electrice 568
8.7.1. Influenta generatoarelor distribuite asupra parametrilor primari ai calitatii energiei electrice 568
8.7.2. Continuitatea alimentarii cu energie electrica in prezenta generarii distribuite 576
Bibliografie 579
9. HIDROGENUL - UN NOU VECTOR ENERGETIC 581
9.1. Istoric 582
9.2. Productia hidrogenului 591
9.3. Stocarea hidrogenului 595
9.4. Transportul si distributia 597
9.5. Pile cu combustibil 599
9.5.1. Principiul de functionare; clasificare 599
9.5.2. Pila AFC (pila cu combustibil alcalina) 600
9.5.3. Pila PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 601
9.5.4. Pila PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) 604
9.5.5. Pila MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) 605
9.5.6. Pila SOFC (Solid Oxyd Fuel Cell) 607
9.6. Aplicatii ale pilelor cu combustibil 609
9.7. Elemente economice 614
9.8. Directii de cercetare-dezvoltare in domeniul hidrogenului 616
9.8.1. Statele Unite ale Americii 616
9.8.2. Japonia 617
9.8.3. Uniunea Europeana 619
Bibliografie 620