Microsoft Word - ProdElec.doc

Transcriere

1 Producerea energiei electrice pe baza surselor regenerabile Tematica: Energii regenerabile Capitol: Importana tematicii Seciunea: Tip resurs: Expunere Laborator virtual / Exerciiu CVR În acest curs, se introduc.. cunotine anterioare necesare: nivel: durata estimat: autor: Benoît Robyns realizare: Sophie Labrique traducere: Florin Mihai, Sergiu Ivanov Resurs realizat cu sprijin financiar din partea Comunitii Europene. Documentul de fa nu angajeaz decât responsabilitatea autorului(rilor) lui. Comisia î&i declin orice responsabilitate ce ar putea decurge din utilizarea lui.

2 1. Modalitile de producere a energiei electrice Cel mai rspândit procedeu de producere a energiei electrice necesit o surs de cldur care s asigure înclzirea apei în scopul obinerii de vapori sub presiune. Aceti vapori, destinzându-se într-o turbin, antreneaz generatorul (de curent alternativ), care produce energie electric. Dup ce au efectuat lucrul mecanic necesar, vaporii sunt condensai cu ajutorul unei surse de frig, care este, în general, o surs de ap rece (ap curgtoare, mare), în care se construiesc circuite de rcire. În figura 1 este reprezentat ciclul de producere clasic a energiei electrice. Figura 1. Ciclul clasic de producere a energiei electrice. În cazul în care cldura rezultat la condensarea vaporilor, este recuperat i utilizat pentru înclzire, apare noiunea de cogenerare. Sursa de cldur, este în mod clasic, rezultatul arderii combustibililor fosili (petrol, gaz, crbune), sau rezultatul fisiunii nucleare, în reactoare proiectate s controleze amploarea acestei reacii. Combustibilii fosili sau uraniul utilizate în aceste cicluri, pot fi înlocuite de surse regenerabile. Sursa de cldur poate fi astfel: arderea biomasei (lemn, biogaz, deeuri organice); cldura din interiorul planetei (geotermic), ce poate fi obinut fie prin pomparea ctre suprafa direct a apei calde, fie exploatând temperatura ridicat a rocilor de adâncime, prin injectarea apei de la suprafa i recuperare ei, dup înclzire; soarele, prin concentrarea razelor cu ajutorul unor oglinzi parabolice, sau prin exploatarea apei calde de la suprafaa mrilor din zonele tropicale. În cazul unor surse regenerabile de energie, nu este necesar sursa de cldur pentru producerea energiei electrice. Este cazul energiei eoliene, hidraulice i solare fotovoltaice. În cazul energiilor eolian i hidraulic, turbina ce antreneaz generatorul electric, este antrenat la rândul ei de presiunea vântului sau a apei. În figura 2 este reprezentat aceast modalitate de conversie energetic.

3 Figura 2. Modalitatea eolian sau hidraulic de producere a energiei electrice. Presiunea vântului este rezultatul energiei sale cinetice. Presiunea apei este rezultatul energiei sale poteniale i cinetice. Energia electric furnizat de generator, poate fi injectat direct în reeaua electric, fr utilizarea unui convertor static de putere, este indicat în figura 2, dar în acest caz, pentru a menine constant frecvena tensiunii (i a curentului) la 50 sau 60 Hz, viteza generatorului trebuie meninut constant, acionându-se pentru aceasta asupra orientrii palelor turbinelor eoliene, sau, în cazul turbinelor hidraulice, prin reglarea debitului de ap. Avantajul convertoarelor statice de putere const, pe de o parte, în posibilitatea funcionrii alternatorului la vitez variabil i, pe de alt parte, în creterea randamentului conversiei energetice, prin reducerea complexitii controlului mecanic al palelor turbinelor eoliene sau al debitului de ap în cazul turbinelor hidraulice. Acest tip de funcionare cu vitez variabil se dezvolt în domeniul generrii hidraulice (mai ales pentru mic putere) i tinde s se generalizeze în cazul generrii eoliene, unde acest tip de funcionare apare în mod natural, datorit variaiilor semnificative ale vitezei vântului. În cazul generrii solare fotovoltaice, energia electric este produs direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei coninute de radiaia solar. Convertoarele statice de putere sunt în general utilizate pentru a asigura optimizarea conversiei energetice. În figura 3 este reprezentat aceast modalitate de conversie energetic. Figura 3. Modalitatea solar fotovoltaic de producere a energiei electrice. Energia electric mai poate fi produs pornind de la un motor diesel sau o turbin cu gaz (derivat dintr-un motor cu reacie similar celor de avion), ce antreneaz un generator electric. Sursa primar de energie este, în general, reprezentat de combustibili fosili, dar se are în vedere înlocuirea acestora cu biocarburant sau biogaz. 2. Factorul de randament Factorul cheie pentru competitivitatea sistemelor de producere a electricitii bazate pe energii regenerabile este preul kilowattului-or produs. Acest cost se calculeaz plecând de la preul de investiie al sistemului de generare, de durata sa, de mrimea dobânzii la eventualul împrumut contractat i de costurile de funcionare legate de întreinere, de energia primar (care este gratuit dac este vorba de soare, vânt ) i pltit în cazul combustibililor fosili, nucleari,... În sistemele care funcioneaz într-o manier aleatoare (eoliene, solare, hidro), productivitatea sistemului depinde fundamental de condiiile naturale (de exemplu, cât din perioada unei zile este însorit); în concluzie deci, costul de investiie depinde în mod direct de puterea critic. O instalaie eolian de 1MW poate furniza cel mult o putere de 1MW, dar ea nu poate produce aceast putere în

4 permanen, din pricina fluctuaiilor vitezei vântului, spre deosebire de centralele care utilizeaz combustibili fosili sau nucleari. Pentru instalaiile eoliene, solare, microhidraulice, ceea ce conteaz este puterea generat (nu cea instalat). Tabelul 1 prezint randamentul instalaiilor de producere a electricitii pe baz de la energii regenerabile, instalaii care nu se bazeaz pe ciclul clasic ap-vapori. Randamentul este raportul dintre energia furnizat de sistemul de producie în toat durata lui de via i energia consumat pentru a construi sistemul de producie. Instalaia Factorul de randament Hidraulic de mare putere Hidraulic de mic putere (microhidraulic) Eolian Solar fotovoltaic 3-6 Tabelul1. Factorul de randament al sistemelor de producere a energiei electrice pe baza energiilor regenerabile. Factorul de randament este mai bun pentru instalaiile hidraulice de mare putere (durat de via de peste 30 ani, ajungând chiar la 50 ani) în raport cu instalaiile hidraulice de mic putere (durat de via între 20 i 50 ani). Puterea instalaiilor eoliene a evoluat de la câteva sute de kw înainte de 2000 ajungând la ordinul de MW dup 2000 i putându-se stabiliza la o putere de 5 MW în Durata de via a unei instalaii eoliene este de 20 pân la 25 ani. Sistemele fotovoltaice au un factor de randament foarte sczut, din cauz c realizarea celulelor cu siliciu necesit mult energie. O celul genereaz dup tocmai 4 sau 5 ani energia consumat la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de ani, factorul de randament poate ajunge, în cele mai bune cazuri, la valoarea de Obiective europene În figura 1 este reprezentat repartiia, între diferitele surse de energie regenerabil (geotermic, biomas, eolian, hidraulic), a energiei electrice produse în fiecare din rile CEE în anul Figura 1. Repartiia [în %] a produciei de energie electric, pe baza surselor regenerabile de energie, în 1999, în rile Uniunii Europene.

5 La începutul anilor 2000, Comisia European a decis s încurajeze creterea ponderii energiei electrice produse în Uniunea European, pe baza surselor regenerabile. Europa celor 15 va trebui s creasc aceast pondere de la 14,2% în 1999 la 22,1% în Figura 2 ilustreaz comparativ, pentru fiecare ar, ponderea energiei electrice produse pe baza energiilor regenerabile în 1999 i obiectivele fixate pentru Figura 2. Ponderea energiei electrice [în %] de origine regenerabil produs în 1999 i obiectivele europene pentru Integrarea în 2004 în Uniunea European a 10 noi membri, a modificat sensibil ponderea energiei electrice de origine regenerabil, vizat pentru 2010, de la 25%, la 21%. Creterea puterii eoliene, în 2003 fa de 2002, este de 23,5% în Europa, de 27,1% în America de Nord i de 25,1% pe plan mondial. Avântul acestei modaliti de producere, este deci, remarcabil. Puterea instalat în cadrul Uniunii Europene în 2003 este de 5443 MW. În fruntea listei rilor Uniunii Europene se afl Germania (14609 MW), Spania (6411 MW) i Danemarca (3110 MW). Pentru comparaie, iat aici puterile eoliene instalate în câteva alte ri, în 2003: Portugalia (301 MW), Frana (253 MW), Belgia (67 MW), România (1 MW). Generatoarele eoliene situate în largul mrilor (offshore) se vor dezvolta foarte mult în anii urmtori. La sfâritul anului 2003, Uniunea European avea aproape 300 de generatoare eoliene instalate în largul mrilor, însumând o putere total de 540,2 MW. Energia solar fotovoltaic nu apare în figura 1, deoarece era foarte puin semnificativ în Creterea îns a acestei filiere se dovedete a avea importan: între 2002 i 2003, ea a atins 43,4%. Puterea instalat în cadrul Uniunii Europene, a fost în 2003, de 562,3 MW. În fruntea listei rilor Uniunii Europene se afl Germania (397,6 MW), Olanda (48,63 MW), Spania (27,26 MW) i Italia (26,02 MW). Pentru comparaie, iat aici puterile instalate în câteva alte ri, în 2003: Frana (21,71 MW), Portugalia (2,07 MW) i Belgia (1,06 MW). Se remarc faptul c nu rile aflate în sudul Europei dezvolt cel mai mult filiera fotovoltaic. Surse de documentare [1] T.Chambolle et F.Meaux, Rapport sur les Nouvelles Technologies de l Energie, Paris, Ministère délégué à la recherche et aux nouvelles technologies, [2] Rapport de la Commission pour l Analyse des Modes de Production de l Electricité et le Redéploiement des Energies (AMPERE), Belgique, octobre 2002, [3] L électronique de puissance vecteur d optimisation pour les énergies renouvelables, ECRIN, mai 2002, ISBN : [4] Revue Systèmes Solaires,

6 [5] B.Multon, Production d énergie électrique par sources renouvelables, Techniques de l Ingénieur, Traité de Génie Electrique, mai 2003, D et D [6] M.Crappe, Commande et régulation des réseaux électriques, Hermès Science, Paris 2003.