MODALITATEA OTIMĂ ŞI EXEMLU DE SELECŢIE A SOLUŢIEI DE COGENERARE DE MICĂ UTERE ENTRU CONSUMATORII DE TI CONDOMINIU RODICA FRUNZULICĂ UTCB, Facultatea de Istalaţii, rofruzulica@gmail.com MIRELA SANDA ŢOROOC UTCB, Facultatea de Istalaţii, office@systema.ro LAURENŢIU UŢĂ UTCB, uta_lauretiu@yahoo.com Rezumat Cogeerarea de mică putere ar putea să reprezite o soluţie viabilă petru sectorul rezideţial di Româia. Beeficiile acestei soluţii au fost deja demostrate petru sectorul idustrial. Totuşi, îcă u este trasparetă o politică pe terme lug, reală, petru reabilitarea alimetării cu eergie termică a marilor oraşe. rezetul articol face o comparaţie ître trei soluţii posibile de eerare de mică putere petru clădirile de tip codomiiu. etru selecţie este importată respectarea recomadărilor di legislaţia î domeiu dar şi alegerea soluţiei optime di puct de vedere tehic şi ecoomic. Mulţi specialişti respig îcă această soluţie di pricia preţurilor ridicate petru acest tip de module. Cu toate acestea, există criterii pe baza cărora se poate ajuge la soluţia optimă. Abstract Small-scale eeratio could be the viable alterative for residetial sector i Romaia. For idustrial sector the beefits of this solutio has already bee demostrated. Util this momet, a log term real eergetically policy for reahabilitatio of the heat systems supply for large tows it was ot take. The preset article cocers a compariso betwee 3 possible small-scale eeratio solutios for residetial buildigs. It is importat to respect the recommedatios of the legal frame i this domai but also to obtai optimum from techical ad ecoomical poit of view. May egieers reject the small-scale eeratio solutio because of the high prices of the modules. Although, there are some importat criteria to respect i order to obtai the optimum solutio. Aspecte geerale Implemetarea uor istalaţii de Cogeerare de Mică utere (CM)-(fie oi, fie cuplate cu istalaţii deja existete) poate costitui o provocare petru specialistul care îşi propue o astfel de misiue. Aceasta deoarece, teoretic, di puct de vedere termodiamic, posibilităţile uor cicluri de procese sut elimitate, de ude şi paleta foarte largă de cofiguraţii şi gabarite ale istalaţiilor care pot rezulta. Se cosideră o istalaţie de eerare de mică putere ca avâd o producţie de pâă î 10MW pe parte electrică. Î acelaşi timp, sub aspect ecoomic, costul istalaţiei şi proiectarea cofiguraţiei istalaţiei depid î mare măsură de ceriţele de temperatură petru diversele procese, de limitele de presiue impuse, de tipul combustibilului impus sau dispoibil, de ecesarul termic şi electric al cosumatorului. Decizia implemetării uor astfel de surse se ia î cele mai multe ditre cazuri studiid foarte detaliat aspectele ivestiţiei iiţiale şi a profitului obţiut, pri comparaţie fie cu soluţiile clasice ce ar putea fi adoptate ca alterativă, fie pri meţierea istalaţiilor existete dacă este cazul. etru a implemeta o astfel de soluţie este absolut ecesar a aaliza foarte riguros
ceriţele de eergie electrică şi termică, evoluţia acestora î timp pe durata uei zile, săptămâi, lui, a. Orietarea către o astfel de soluţie poate fi dată şi de preţul eergiei electrice şi termice la mometul actual, de evoluţia proosticată a acestora şi, de evetuale reduceri ale acestor costuri, dacă e vorba de producerea acestor forme de eergie î surse de CM. Nu î ultimul râd, este extrem de importat a ţie seama de legislaţia di domeiul eergetic, care poate facilita, dar şi îgreua adesea implemetarea uei astfel de soluţii, îtrucât de cele mai multe ori astfel de istalaţii trebuie itercoectate cu sistemele eergetice aţioale (SEN). Ca u aspect de asemeea foarte importat apare şi impactul asupra mediului a uor astfel de surse. Î ţări ca Fraţa, Belgia etc., surse mai puţi poluate petru mediul îcojurător, aşa cum sut cele de CM, sut susţiute pri aşa umitele certificate verzi care presupu susţierea di partea statului a acestor ivestiţii şi scutirea lor de taxe şi impozite, evetual oferirea uor credite foarte retabile. De câţiva ai, acest sistem a îceput timid să fucţioeze şi pe Figura 1. rofiluri diferite ale cosumurilor electrice şi termice petru doi cosumatori piaţa eergiei di Româia. rofilul ecesarului termic şi al celui electric, simultaeitatea sau decalajul lor î timp, iflueţează mult alegerea sistemului de eerare (atât ca tip de tehologie dar şi ca mărime). De exemplu, cosumurile termice şi electrice petru doi cosumatori (reprezetate î Figura 1.) vor coduce la două puteri diferite ale sistemelor de eerare, la prevederea uei sigure uităţi sau a mai multor uităţi, evetual î sistem modular, petru satisfacerea ceriţelor termice şi electrice. Aceste ceriţe pot fi decalate sau simultae, aproape suprapuse, după cum se poate costata di alura profilelor cosumurilor. La dimesioarea istalaţiilor de eerare raportul î care se află puterea electrică istalată ( ) faţă de puterea im cerută de cosumatori ( ) poate să coducă la următoarele posibilităţi: dimesioare î fucţie de ecesarul termic sau dimesioare î fucţie de ecesarul electric. Dimesioarea î fucţie de ecesarul termic O astfel de dimesioare presupue parcurgerea următoarelor operaţii: petru u ecesar im de căldură solicitat cetralei de eerare ( Q ) se stabileşte care este cota di această valoare care urmează a fi livrată de cetrală î regim de eerare ( Q ), adică de fapt coeficietul de eerare. baza petru tehologia de eerare utilizată, pe baza valorii sarciii termice de bază rezultă : y =, deci Qbaza α t = Q baza Q Q baza, = Qbaza y e scurt, valoarea coeficietului de eerare ( α ) şi a idicelui de eerare ( y ) determiă puterea omială istalată ( ) t care, pri comparaţie cu puterea im cerută de cosumatori ( raportul: ), se poate afla î
a) < ceea ce îseamă că autoproducătorul î cauză va trebui să facă apel la o sursă suplimetară de eergie electrică (de cele mai multe ori la sistemul eergetic aţioal, dar poate fi şi u alt producător idividual cu o situaţie iversă). Se va afla deci î situaţia de a cumpăra de la u alt producător difereţa de eergie electrică ecesară. b) = ceea ce îseamă că autoproducătorul îşi acoperă itegral (la sarciă imă) ecesarul de eergie electrică pe baza puterii omiale istalate. Nu se află ici î situaţia de a cumpăra şi ici de a vide eergie electrică. Evidet, î decursul aului, la cereri mai mici decât valoarea omială vor exista situaţii î care va trebui să vâdă surplusul de eergie electrică produsă mometa, fie să cumpere di SEN dacă îcărcarea istalaţiilor de eerare se va face după cererea de căldură. Există şi posibilitatea ca istalaţiile de eerare să fie îcărcate luâd î cosiderare sarcia electrică, dacă: producţia mometaă de căldură astfel realizată depăşeşte cererea mometaă de căldură: Q baza > Q, surplusul de căldură Q = Q Q putâd fi evacuat î atmosferă evac (valabil petru istalaţiile cu turbie de gaze şi cele cu motoare termice). Această maevră u este retabilă la istalaţiile fucţioâd cu turbie cu abur cu cotrapresiue. Î această situaţie radametul se va reduce. Este u regim de fucţioare acceptat dacă preţul de vâzare a eergiei produse acoperă cheltuielile cu combustibilul primar cosumat. producţia mometaă de căldură realizată ţiâd seama de îcărcarea electrică este mai mică decât ecesarul de căldură. Dacă difereţa u depăşeşte capacitatea istalată î sursa de vârf, atuci acest deficit de căldură va fi produs di sursa de vârf. Dacă difereţa depăşeşte sarcia omială a sursei de vârf, acest regim ce ţie seama de îcărcarea electrică u poate fi acceptat. c) > presupue că producătorul idividual este absolut idepedet de alte surse sau de SEN, difereţa ( - baza ) fiid dispoibilă petru vâzare. Cu alte cuvite, autoproducătorul va fucţioa după îcărcarea imă pe parte electrică, corelat şi cu cererea de eergie termică, făcâd apel evetual la sursele de vârf, ţiâd cot şi de retabilitatea vâzării surplusului de eergie electrică. Observaţie: La o dimesioare î fucţie de termic rezultă ca o ceriţă obligatorie, ca valoarea capacităţii termice istalate (î echipametele de eerare şi surse de vârf) să fie cel puţi egală cu cererea imă de căldură. Dimesioarea î fucţie de ecesarul electric lecâd de la o aumită valoare a puterii electrice omiale î istalaţiile de eerare, î fucţie de aceasta va rezulta producţia posibilă pe parte termică, după relaţia: Q baza =. y Î fucţie de valoarea obţiută, aceasta se compară cu cererea imă de eergie termică (Q ) stabilidu-se şi capacitatea surselor de vârf ( Q ). Va rezulta deci şi valoarea coeficietului de eerare : α. SV t = Q baza Q Observaţie: Chiar la o dimesioare strictă după puterea imă electrică, este evidet că î fucţioarea istalaţiei vor exista perioade î care puterea produsă va diferi de cererea mometaă fiid ecesare schimburi periodice î sesul vâzării sau cumpărării spre şi de la SEN. Deci, î fucţie de cererea mometaă simultaă pe parte termică şi electrică, î fucţie de tipul tehologiei adoptate, fucţioarea istalaţiei poate avea loc prioritar după cererea
termică sau/şi după aceea electrică, cu codiţia de a se satisface itegral, î orice momet cererea de căldură. O diagramă ce exemplifică diferitele situaţii de fucţioare ale uei istalaţii de eerare de mică putere, raportâd poziţia puctului său de fucţioare faţă de poziţia puctului ce reprezită ecesarul cosumatorului, este redată î Figura 2. Se pot delimita cele 4 situaţii posibile : Zoa 1 corespude cazului î care modulul fucţioează la sarcia imă dar u acoperă î totalitate ecesarul cosumatorului ici di puct de vedere electric şi ici termic. Î acest caz este evidetă ecesitatea puerii î fucţiue a sursei de vârf şi cuplarea la sistemul eergetic aţioal (SEN). Zoa 2 este o zoă ce corespude uei producţii excedetare de eergie electrică, de ude ecesitatea ca Q 4 1 roducere excedetara de E 2 roducere excedetara de E si Q SEN Caza de vârf 3 1 1 Necesarul cosumatorului Zoa de fuctioare ormala a modulului roducere excedetara de Q Figura 2. Moduri posibile de fucţioare ale modulului de eerare modulul să se poată adapta uei producţii mai mici de eergie electrică. Dacă această scădere a sarciii îseamă sub aproximativ 50% di sarcia omială a modulului poate fi recomadată oprirea acestuia. Excepţie face situaţia î care producţia excedetară de eergie electrică este destiată revâzării acesteia, ceea ce coduce la profit. Zoa 3 este o zoă caracterizată de o producere excedetară a căldurii faţă de ecesarul cosumatorului. Aceasta presupue că este cazul a itroduce acumularea eergiei termice î rezervoare de stocare sau disiparea îtr-o maieră sau alta a căldurii excedetare ceea ce coduce la scăderea radametului. Zoa 4 este o zoă ce corespude uei supraproducţii atât de eergie electrică cât şi termică. Atuci câd se pue problema revâzării sporurilor de producţie de eergie electrică se vor urmări 2 direcţii: a)a se obţie cât mai multă eergie electrică î codiţiile satisfacerii itegrale a ecesarului de căldură (cu sau fără utilizarea cazaului de vârf); b)se vor lua î cosiderare puterile limită produse petru protecţia la decuplare pe parte electrică a modulului. Î ceea ce priveşte partea termică, profilul aual al acestui ecesar este redat î Figura 3. Figura 3. Sarcia termică cerută şi puterea modulului; ricipii de dimesioare De cele mai multe ori, costrâgerea cea mai mare î alegerea şi dimesioarea uităţilor de eerare este determiată de cosumul termic. Ca urmare, î geeral, dimesioarea şi fucţioarea eerării este determiată de criteriul termic. etru a se costitui î surse retabile de eergie uităţile de eerare trebuie să fucţioeze cât mai aproape de capacitatea lor omială pe o perioadă cât mai îdelugată î decursul aului. Astfel, o
perioadă de fucţioare de 3700-4000 ore pe a poate fi cosiderată drept ua di regulile de bază atuci câd se alege o astfel de sursă. Necesarul de căldură are caracter variabil î timp, cu o compoetă de bază, aproape costată, peste care se suprapu compoete de vârf, cu durate mai scurte. Variaţiile ecesarului termic sut datorate variaţiilor temperaturii exterioare precum şi tipului de proces cosumator de căldură (de exemplu sarcia de preparare apă caldă de cosum, ecesarul termic petru îcălzire etc.). O durată de fucţioare de cca. 4000 de ore aual presupue că uitatea de eerare u va fi dimesioată la valoarea imă a ecesarului termic ci va avea o capacitate mai mică decât cosumul im de vârf. Astfel, codiţia duratei miime de fucţioare coduce la valori ale coeficietului de eerare aual de miim 0,4-0.5. articularităţile cosumatorilor de tip codomiiu Cosumatorii rezideţiali de tip codomiiu sut de fapt blocurile multietajate care se regăsesc frecvet î fodul locativ. Necesarurile de căldură ce pot fi acoperite de istalaţiile de eerare sut cel petru îcălzire şi respectiv cel petru prepararea apei calde de cosum. Ceea ce face să deviă u icoveiet petru aplicarea eerării de mică putere petru acest tip de cosumatori este discrepaţa relativ mare a cosumurilor de vară, respectiv de iară. rocesul de preparare are caracter permaet şi impue ceriţa strictă de livrare a apei calde de cosum la o temperatură de 55 0 C. Îcălzirea apartametelor este u proces sezoier care are o variaţie ce depide de evoluţia temperaturilor exterioare. Di gama tehologiilor de eerare care se pretează la aplicarea alimetării blocurilor de locuit, cele mai idicate sut motoarele termice (Figura 4.). Figura 4. Schema de pricipiu a uei istalaţii de CM utilizâd motor termic Această soluţie prezită următoarele avataje: + fucţioează la puterile omiale cu u cosum redus de combustibil, au durată îdelugată de viaţă şi radamete ridicate (radamet electric de cca. 35% şi cel global de aprox. 87-90%); + pot fi utilizate de la puteri electrice de 50kW pâă la 5 MWel cu radamete foarte bue; + există posibilitatea de a fucţioa la sarcii parţiale, reprezetâd chiar 50% di puterea sa omială, fără ca radametul motorului să fie puteric afectat; + pot fucţioa la presiui relativ scăzute ale gazului atural (de cca. 50mbar).
Motoarele mici şi medii au u radamet eergetic de 35-45% î timp ce motoarele termice mari atig eficieţe de 50%. Eficieţa totală (radametul total) poate să atigă valori de 80-90%. Motoarele termice sut mai puţi sesibile decât turbiele de gaze la schimbarea codiţiilor ambietale sau a sarciii. uterea motoarelor este iflueţată de altitudie, respectiv scade cu cca. 3% petru fiecare creştere cu 300 m a altitudiii. uterea motoarelor scade cu cca. 1% la o creştere de 5,5 0 C a temperaturii ambietale. Exemplu de alegere a uei surse de CM petru u asamblu rezideţial Î cazul uui asamblu rezideţial, cu 50 de blocuri de locuit cu regim de costrucţie +4 şi +8 etaje, care îsumează 1750 apartamete medii coveţioale, calculul ecesarului de căldură pe cele două procese cosumatoare de eergie termică a codus la obţierea următoarelor valori: petru îcălzire Q îc = 11 174,7 kw iar petru prepararea apei calde de cosum Q acc = 1727 kw, total Q tot = 12901,7 kw. Această valoare reprezită cosumul im de vârf ce corespude regimului omial respectiv temperaturii exterioare de calcul. etru alegerea uei uităţi de eerare de mică putere este ecesară stabilirea ecesarului aual de căldură care se poate deduce fie utilizâd metoda Grade-Zile fie metoda curbei clasate. ri metoda grafică, ce utilizează curba clasată a temperaturilor exterioare rezultă alura curbei clasate a ecesarului aual de căldură (Figura 5.). Figura 5. Curba clasată a ecesarului de căldură petru asamblul de tip codomiiu aalizat Î cazul alegerii sursei de eerare după ecesarul de preparare a apei calde de cosum, care ar presupue fucţioarea uei surse pe îtregul a, s-ar putea selecta u Motor Termic de 2200 kw de tipul 3250C SITA HR 1993kWe (Figura 6). Î această ipoteză de selecţie, sursa ar fucţioa î pricipiu 8760 h/a. Totodată, această sursă trebuie să respecte legislaţia î domeiul producătorilor privaţi î eerare adică HG 219/2007 care vizează eerarea de îaltă eficieţă cât şi prevederile ordiului ANRE care priveşte valorile de referiţă armoizate aplicate la ivel aţioal ale eficieţei petru producerea separată a eergiei electrice şi termice.
Valoarea coeficieţilor orar şi aual de eerare vor avea o valoare de: a Qbaza 2200000 Qbaza 19272000 α h 16 şi respectiv α a 28 a Q 13628000 Q 68828571 O altă posibilă alegere este orietarea către 4 motoare termice cu putere de 2,2 MW fiecare, de tipul 3570C SITA HR 1993kWe (Figura 7). Î această situaţie, totalul producţiei celor 4 motoare se va ridica la 8,8 MW pe parte termică şi respectiv 6 kw pe parte electrică, coform prospectelor cosultate. Coeficietul orare de eerare va fi de: a Qbaza 8800000 Qbaza 55407000 α h 645 şi respectiv α a 805 a Q 13628000 Q 68828571 cu o durată medie de fucţioare medie de 5200 h/a. O a treia variată de alegere ar fi u motor de 7 MW pe parte termică şi respectiv 6 MW pe parte electrică de tipul G16 CM34 cu o durată de fucţioare de cca. 4360 h/a (Figura 6). Î acest caz coeficieţii de eerare ar fi de : a Qbaza 7700000 Qbaza 33572000 α h 565 şi respectivα a 487 a Q 13628000 Q 68828571 Figura 6. Variata acoperirii sarciii de bază pri eerare cu 1 motor termic Cocluzii Comparâd sub aspectul tehic cele trei variate de alegere se costată că: - cea de a doua şi a treia soluţie respectă recomadările geerale privid valorile coeficieţilor orar şi aual de eerare, - avatajul primei soluţii este durata de fucţioare pe îtregul a, adică 8760 h/a, dar eerarea îsemă producerea uei catităţi mici de eergie electrică î decursul uui a, - atât î cazul II cât şi î cea de a treia soluţie durata de fucţioare se poate extide la 8760 h/a deoarece î sistemul RADET, pe timp de vară, există posibilitatea ca o sigură cetrală să deservească şi zoele îveciate petru a satisface ecesarul de apă caldă de cosum, - alegerea celei de-a treia soluţii este mai atractivă şi di puct de vedere al costului ivestiţiei care scade cu cca. 25% faţă de soluţia II, cu 4 motoare termice,
- extiderea duratei de fucţioare î cazurile II şi III coduce la îmbuătăţirea coeficietului aual de eerare, - la aplicarea soluţiei cu u motor de 7 MW, este evidet că acesta u va fucţioa pe perioada de vară, perioadă î care trebuie apelată o sursă clasică sau u alt distribuitor de eergie termică, - adoptarea uei soluţii de eerare petru u producător privat de eergie electrică şi termică, care pe timp de iară u poate acoperi difereţa ditre sarcia termică de vară şi ecesarul pe timp de iară coduce la radamete scăzute şi o ecoomie de combustibil redusă. Totuşi, soluţia eerării devie viabilă dacă se aplică variata a doua, cu 4 motoare, di care uul să fucţioeze pe toată perioada aului şi trei di ele cca. 4013 h/a, ceea ce revie la u umăr de ore de 5200 h/a ca durată medie de fucţioare. Figura 7. Variata acoperirii sarciii de bază pri eerare cu 4 motoare termice Bibliografie 1. EDUCOGEN- Guide de prefesabilite pour les acteurs du secteur tertiaire MI,ME Istallaer ue Cogeeratio das votre Etablissemet- Regio Walloe- martie 2003 2. Kolaowski B, - Small Scale Cogeeratio Hadbook, secod Editio- The Fairmot ress Ic, Georgia, 2003 3. Orlado J.A-Cogeeratio Desig Guide- ASHRAE Ic, 1996 4. Kema, Rob Smith - ower Quality Applicatio Guide 2006 5. EDUCOGEN- A Guide to Cogeeratio martie 2001 6. Kight I; UIsmet, - Residetial Cogeeratio Systems, A Review of the Curret Tehologies, iuie 2005 7. Moderizarea sistemelor de alimetare cu eergie termică produsă cetralizat pri utilizarea eerării de mică/ medie putere - arte a proiectului romovarea eerării î sistemele de alimetare cu eergie termică produsă cetralizat î Româia, rogramul SAVE-ARCE, iuie 2004 8. Ue expérimetatio de petite éératio /ZIRNGIBL J-i Chaud Froid lomberie 575-12/95- pp 51-53 9. Cogeeratio i buildigs - Michael Brow - COGEN EUROE - i Europea Directory of eergy efficiet Buildigs - 1993 - James ad James ublishers (Lodo) 10. Europe s eeratio Markets of the future: prospects ad challeges - Third COGEN EUROE aual Coferece - October 1996, Brussels. 11. Cogeeratio et Collectivités Territoriales - Sémiaire ATEE - 13-15 février 1996, aris. 12. Evirometal ad ecoomic implicatios of small-scale CH / Eva R. i Eergy olicy, Jauary 1993, volume 21, umber 1 - pp 79-91 13. Combied Heat ad ower i Easter Europe : potetials ad barriers (1996) - Nielse M., Berse E - i Iter. J. of Global Eergy Issues, Vol. 8, N 4, pp 375-384