Surse regenerabile de energie

Autorii lucrarii: 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
Bibliografie.

2. Sisteme eoliene de producere a energiei electrice
2.1. Resursa energetica eoliana
2.1.1. Vantul
2.1.2. Energia eoliana disponibila
2.1.3. Potentialul eolian al Romaniei
2.2. Turbine eoliene
2.2.1. Parametri caracteristici ai turbinei
2.2.2. Criterii de clasificare si tipuri de turbine eoliene
2.2.3. Teoria generala a turbinelor eoliene. Notiuni de aerodinamica.
2.2.4. Elemente constructive din alcatuirea turbinelor eoliene
2.3. Ferme de turbine eoliene
2.3.1. Ferme onshore
2.3.2. Ferme offshore
2.4. Impactul turbinelor eoliene asupra mediului
2.4.1. Impactul vizual 
2.4.2. Zgomotul turbinelor eoliene
2.4.3. Interferenta electromagnetica
2.4.4. Alti factori de mediu
2.5. Aspecte economice ale proiectelor in energie eoliana
2.5.1. Costurile investitiei
2.5.2. Costuri de mentenenta si reparatii
2.5.3. Estimarea pretului de cost al energiei produse
2.5.4. Finantarea si gestionarea investitiilor in proiecte de valorificare a potentialului eolian
2.6. Generatoare electrice pentru surse eoliene
2.6.1. Generalitati 
2.6.2. Generatoare asincrone
2.6.3. Generatoare sincrone
2.6.4. Generatoare de curent continuu (c.c.)
2.6.5. Probleme speciale privind generatoarele eoliene
2.7. Convertoare electronice pentru conditionarea surselor de energie eoliana
2.7.1. Compensatoare statice de energie reactiva 
2.7.2. Conectarea surselor alternative de energie si a sistemelor de stocare a energiei
2.7.3. Interconectare eoliana sau hidro de putere mica
2.7.4. Interconectare Minnesota - topologie de interconectare cu reteaua a sistemelor fotovoltaice, eoliene si a pilelor de combustie
2.7.5. Interconectarea sistemelor de stocare a energiei sistemul de c.a.
2.7.6. Turbine eoliene cu generatoare asincrone si sincrone
2.7.7. Comanda si functionarea individuala a convertoarelor statice
Bibliografie.

3. Valorificarea termica a energiei solare 
3.1. Elemente caracteristice ale radiatiei solare
3.1.1. Parametrii de referinta standard ai radiatiei solare 
3.1.2. Caracteristicile radiatiei termice
3.1.3. Legile radiatiei termice
3.1.4. Elemente definitorii de baza in analiza radiatiei solare
3.1.5. Mpnitorizarea potentialului energetic solar
3.2. Sisteme pasive de valorificare a energiei solare
3.2.1. Captatori plani de valorificare a energiei solare
3.2.2. Captatori cu concentrarea energiei solare
3.3. Sisteme hibrid de valorificare a energiei solare in vederea producerii de energie electrica
3.3.1. Motoare Stirling cuplate cu captatori solari
3.3.2. Aplicatii industriale ale captatorilor cu concentratori ai energiei solare
3.3.3. Integrarea sistemelor de valorificare a energiei solare in cadrul cladirilor
3.3.4. Sisteme hibride ce contin colectoare solare termice si surse de rezerva, pentru incalzire si preparare de a.c.m.
3.3.5. Pompe de caldura integrate sistemelor solar 
3.4. Elemente de calcul economic al eficientei sistemelor de valorificare termica a energiei solare
3.4.1. Utilizarea metodelor de simulare numerica avansata
3.4.2. Metode de calcul economic al ciclului de viata al captatorilor solari
3.4.3. Evaluarea ecologica pe ciclul de viata al panourilor solare
Bibliografie.

4. Sisteme fotovoltaice
4.1. Introducere
4.2. Principiul de functionare al celulei fotovoltaice
4.2.1. Modelul atomic Bohr
4.2.2. Efectul fotoelectric
4.2.3. Principiul de functionare al celulei fotovoltaice
4.3. Tehnici de fabricatie pentru celule si module fotovoltaice
4.3.1. Tehnologiile de fabricatie Pfann si Czochralski
4.3.2. Etape de fabricatie
4.3.3. Module solare cu celule cristaline
4.3.4. Module solare de tip pelicula (film subtire)
4.4. Eficienta conversiei fotovoltaice
4.4.1. Timpul de amortizare si randamentul energie obtinuta in raport cu energia investita
4.5. Descrierea electrica a celulelor fotovolatice
4.5.1. Circuitul echivalent - modelul simplificat
4.5.2. Circuitul echivalent - modelul extins, cu o dioda
4.5.3. Circuitul echivalent - modelul extins, cu doua diode
4.5.4. Circuitul echivalent - modelul extins, cu doua diode si termen suplimentar
4.5.5. Alti parametrii electrici
4.5.6. Dependenta de temperatura a parametrilor celulelor fotovoltaice
4.5.7. Determinarea parametrilor celulelor fotovoltaice
4.6. Descrierea electrica a modulelor fotovolatice
4.6.1. Conexiunea serie a celulelor fotovoltaice
4.6.2. Date tehnice pentru module solare
4.7. Functionarea generatoarelor solare in sarcina
4.7.1. Sarcina rezistiva
4.7.2. Convertoare curent continuu - curent continuu
4.7.3. Convertoare de tip buck
4.7.4. Convertoare de tip boost
4.7.5. Alte convertoare de tip curent continuu - curent continuu
4.7.6. Maximizarea randamentului conversiei fotovoltaice. Trackingul solar
Bibliografie.

5. Valorificarea energetica a biomasei 
5.1. Biomasa. Definitie si importanta
5.2. Potentialul si valorificarea biomasei. Situatia la nivel international
5.3. Clasificarea biomasei
5.3.1. Surse si tipuri de biomasa
5.3.2. Evaluarea productiei. Potentialul de biomasa lemnoasa si agricola al Romaniei
5.4. Compozitie si proprietati
5.4.1. Compozitia fizico-chimica a biomasei 
5.4.2. Masa specifica
5.4.3. Umiditatea
5.4.4. Dimensiuni si caracteristici mecanice (transport, manevrabilitate, friabilitate, aglutinare)
5.4.5. Analiza elementara
5.4.6. Raportul Carbon / Azot (C/N), Carbon / Hidrogen (C/H)
5.4.7. Puterea calorifica
5.4.8. Analiza primara (continut volatile, carbon fix, inerte)
5.4.9. Continutul de metale grele
5.5. Procedee bio/fizico-chimice de conversie a biomasei. Biocombustibili.
5.5.1. Procese de fermentare 
5.5.2. Procese de metanizare
5.5.3. Procese de extractie / esterificare (producere de biodiesel)
5.6. Procedee termo-chimice de conversie a biomasei
5.6.1. Procedee de pretratare a biomasei in vederea imbunatatirii caracterisiticilor combustibile
5.6.2. Combustia
5.6.3. Piroliza
5.6.4. Gazeificarea
5.7. Aplicatii energetice
5.7.1. Solutii de conversie in energie electrica prin procese termo-chimice
5.7.2. Aplicatii la nivel pilot sau industrial de conversie in energie electrica
Bibliografie.

6. Valorificarea energiei geotermale 
6.1. Consideratii generale privind energia geotermala
6.2. Valorificarea energiei geotermale de potential termic mediu-ridicat cu cicluri motoare
6.2.1. Centrale geotermale - electrice cu abur
6.2.2. Centrale geotermale - electrice cu fluide organice
6.2.3. Centrale geotermale - electrice cu ciclu combinat, apa - agent organic
6.2.4. Centrale geotermale cu ciclu combinat integrat
6.2.5. Centrale geotermale de cogenerare
6.3. Valorificarea directa a energiei geotermale sub forma de caldura
6.3.1. Incalzirea spatiilor
6.3.2. Incalzirea serelor
6.3.3. Balneoterapie
6.3.4. Acvacultura
6.3.5. Agricultura
6.3.6. Industrie
6.3.7. Situatia utilizarii directe a energiei geotermale in Romania
6.4. Valorificarea energiei geotermale de potential termic mediu-coborat, cu ajutorul ciclurilor termodinamice inversate (pompe de caldura)
6.4.1. Aspecte generale
6.4.2. Pompe de caldura geotermale
6.4.3. Comportamentul termic al pamantului
6.4.4. Utilizari ale pompelor de caldura geotermale
6.5. Impactul asupra mediului al tehnologiilor de utilizare a energiei geotermale
Bibliografie.

7. Valorificarea energiei hidraulice 
7.1. Valorificarea energiei raurilor
7.1.1. Energia raurilor
7.1.2. Potentialul si repartitia resursei
7.1.3. Definirea microhidroenergiei
7.2. Elemente de hidrologie inginereasca
7.2.1. Factorii naturali ai scurgerii apelor 
7.2.2. Debitele cursurilor de apa
7.2.3. Notiuni de hidrometrie
7.3. Tipuri de amenajari pentru microhidrocentrale
7.3.1. Generalitati, clasificari 
7.3.2. Scheme de MHC conventionale, gravitationale
7.3.3. Scheme de MHC neconventionale, cinetice
7.3.4. Planificarea unei scheme de amenajare
7.3.5. Utilizarea potentialului unui sector de rau in vederea amenajarii acestuia
7.4. Echipamente ale microhidrocentralelor
7.4.1. Componentele principale ale unei microhidrocentrale 
7.4.2. Cladirea microhidrocentralei
7.4.3. Turbina hidraulica
7.4.4. Multiplicatorul de turatie
7.4.5. Generatorul
7.4.6. Comanda turbinei
7.4.7. Echipamentele electrice auxiliare
7.4.8. Echipamentele hidromecanice auxiliare
7.5. Evaluarea impactului asupra mediului
7.5.1. Impactul in faza de constructie
7.5.2. Impactul in faza de exploatare
7.6. Valorificarea energiei valurilor
7.6.1. Valuri generate de vant. Tipuri si marimi caracteristice
7.6.2. Energia valurilor. Potential
7.6.3. Tehnologii si echipamente
7.6.4. Estimarea costurilor pentru centralele de conversie a energiei valurilor
7.6.5. Impactul conversiei energiei valurilor asupra mediului
7.7. Valorificarea energiei mareelor
7.7.1. Cauzele mareelor 
7.7.2. Harta potentialului energiei mareice
7.7.3. Tehnologii si echipamente
7.7.4. Costuri pentru valorificarea energiei mareelor
7.7.5. Impactul centralelor maree-motrice asupra mediului
7.8. Generatoare electrice pentru conversia energiei valurilor in energie electrica
7.8.1. Generalitati
7.8.2. Structura generatoarelor electrice de valuri
7.8.3. Elemente teoretice privind generatoarele de valuri
7.9. Convertoare electronice pentru conditionarea surselor de energie a valurilor
Bibliografie.

8. Impactul generarii distribuite asupra retelelor electrice
8.1. Prezentarea conceptului de generare distribuita
8.2. Integrarea surselor distribuite in retelele electrice
8.2.1. Tehnologii de generare distribuita a energiei electrice
8.2.2. Racordarea surselor distribuite la retelele electrice
8.3. Influenta generatoarelor distribuite asupra regimului permanent
8.3.1. Calculul regimului permanent pentru retelele electrice care includ surse distribuite
8.3.2. Modificarea circulatiei de puteri
8.3.3. Modificarea pierderilor de putere
8.4. Influenta surselor distribuite asupra nivelului de tensiune
8.4.1. Modificarea nivelului de tensiune
8.4.2. Reglajul tensiunii in retelele electrice de distributie in prezenta generarii distribuite
8.5. Influenta generatoarelor distribuite asupra curentilor de scurtcircuit
8.6. Optimizarea regimului de functionare
8.6.1. Alegerea amplasarii pentru minimizarea pierderilor de putere
8.7. Influenta surselor distribuite asupra calitatii serviciului de furnizare a energiei electrice
8.7.1. Influenta generatoarelor distribuite asupra parametrilor primari ai calitatii energiei electrice
8.7.2. Continuitatea alimentarii cu energie electrica in prezenta generarii distribuite
Bibliografie.

9. Hidrogenul - un nou vector energetic 
9.1. Istoric
9.2. Productia hidrogenului
9.3. Stocarea hidrogenului
9.4. Transportul si distributia
9.5. Pile cu combustibil
9.5.1. Principiul de functionare; clasificare
9.5.2. Pila AFC (pila cu combustibil alcalina)
9.5.3. Pila PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)
9.5.4. Pila PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
9.5.5. Pila MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
9.5.6. Pila SOFC (Solid Oxyd Fuel Cell)
9.6. Aplicatii ale pilelor cu combustibil
9.7. Elemente economice
9.8. Directii de cercetare-dezvoltare in domeniul hidrogenului
9.8.1. Statele Unite ale Americii 
9.8.2. Japonia
9.8.3. Uniunea Europeana
Bibliografie.