ENERGIA VERDE

EFICIENȚA ENERGETICĂ

EFICIENȚA ENERGETICĂ

                                          Motto: "Nu trebuie să fii cât un munte de mare ca să poți judeca.                                                                           Ci de-ai fii cât o neghină sau cât un fir de colb, dacă ai în căpușorul                  
                                                              tău scânteia dumnezeiască ce cuprinde luminile, ți-e de ajums; 
                                                              știi ce ești, de unde vii și încotro trebuie să te îndrepți." 

                                                                                (Emil Gârleanu - Din lumea celor care nu cuvântă)

        S-ar putea crede că problema eficienței energetice este un stres la nivelul unei localități ținând seama de multitudinea elementelor energetice (formele de energie și purtători de energie) implicate. Industria locală, activitățile sociale cât și viața cotidiană a oamenilor sunt strâns legate de un consum din ce în ce mai mare de energie electrică și termică. Orientativ ponderea surselor primare din care se produce energia electrică este cărbunele (43%), hidrocarburi (14,1%), sursă nucleară (16,6), hidro (26%), surse regenerabile (0,3%). În perspectiva anului 2020 se preconizează că, dintre combustibilii utilizați, cărbunele va avea o pondere de 53%, gazele naturale 24%, petrolul 12%. Resursele nucleare 7% și restul de 4% să revină altor surse.

Fără a absolutiza aceste date statistice, se poate afirma că atât în prezent cât și în perspectiva nu prea îndepărtată, principala sursă de energie primară o reprezintă combustibilii fosili. Se poate spune că oemnii sunt înclinați să mențină predominant utilizarea acestei surse de energie și nu este entuziasmată de o dezvoltare nucleară imediată. Cu unele excepții se consideră improbabil ca sectorul nuclear să crească semnificativpână când tehnologia nu dovedește că întreg ciclul combustibilului.

           Dacă vorbim despre pierdrile de energie trebuie să ne referim la proasta gospodărire  cât şi la procesul tehnologic de prodicere, transport, utilizare. Pentru aceasta să ne gândim la un fapt simplu: ce transformări trebuie să sufere energia chimică a bulgărului de cărbune pentru a fi transformată în energia luminoasă a banalului bec din camera noastră.

           Nu analizăm aici pierderile din procesul de extragere al cărbunelui din mină ci ne refeerim strict la pierderile din cetralele termice. Aşadar cărbunele odată ajuns la cetrala termică este fărâmiţat în nişte mori uriaşi acţionate de motoare electrice asincrone a căror randament este în jurul valorii de 80...85%. praful de cărbune este suflat în cazanul cu abur unde energia chimică se transformă în energia termică a gazelor de ardeere incandescente. Spălând suprafaţa metalică a cazanului, gazele fierbinţi îi transmit căldura, iar aceasta la rândul ei o transmite apei care se transformă în abur. Aburul este apoi dirijat spre turbină. Acest abur, care iese din cazan, conţine doar 75 – 85% din căldura primită restul se pierde. Pierderile din cazan au mai multe cauze: temperatura şi excesul de aer de ardere, izolaţia proasta, arderea chimică incompletă a cărbunelui, energia termică transmisă cenuşii şi gazelor de ardere, etc.

În turbină energia termică a aburului se transformă în energie mecanică a rotorului turbinei. În turbină aerul intră la temperatură şi presiune înaltă şi cedează palelor turbinei energia termică astfel încât la iesşirea din turbină are temperatura joasă. Şi aici în turbină au loc pierderi: datorate neetanşeităţii, pierederi mecanice datorate frecărilor în lagăre, etc.

La părăsirea turbinei,  în condensator, aburul se transformă în apă. Aici aburul cedează întreaga căldură latentă de vaporizare apei de răcire, care corespunde la aproape 50% din întreaga energie conţinută în cărbunele ars în centrală.

Revenind la turbină, trebui să ţinem seama şi de pierderile în generator. Acesta este cuplat mecanic la arborele turbinei. În generator energa mecanică a turbinei este transformată în energie electrică. Aici pierderile sunt datorate: încălzirii lagărelor, a miezului rotorului, pierderi electromagnetice, etc. Nu putem răsufla uşuraţi pebtru că pierderi urmează şi mai departe în staţiile de transformare, reţelele de distribuţie şi apoi în becul nostru. Pierderile în staţiile electrice sunt datorate pierderilor în transformatoare: pierderi electromagnetice iar în liniile de transport pierderile sunt dat factorului de puetre redus, linii lungi, etc. Ajungănd la bec trebuie să ţinem seama de randamentul scăzut al transformării energiei electrice în energie luminoasă care are loc în becul cu incandescenţă. Astfel la un bec de 40w, de exemplu, doar 1,5% din energia primită se transformă în energie luminoasă.

Poate am luat ca exemplu un caz nefericit: becul electric cu incandescenţă, bec care începe să cam dispară. Dar m-am folosit de el pentru o mai bună înţelegere a nevoii de economie.

Revenind la pierderile analizate se poate spune că dintr-o tonă de cărbune extrasă de mineri, se consumă în mod util doar 70 – 90kg, restul se foloseşte doar pentru „încălzirea pierderilor”!

                Ce-i de făcut? Multe!

Mai întâi trebuie amintite principalele obiective energetice necesare pentru consumurile locale de energie electrică:

-          accesibilitatea (furnizarea de servicii energetice fiabile și care fiecare să și le poată permite fiecare),

-          disponibilitatea (calitatea și fiabilitatea energiei furnizate), - -

-          acceptabilitatea (se referă la influențele producerii, transportului și utilizării energiei electrice și termice asupra mediului).

Am amintit aceste trei obiective pentru că ele sunt importante la orice nivel, dar mai ales la nivel local. Exemplific doar prin: dacă energia este produsă local dispar pierderile și costurile de transport, dacă managementul energetic este asigurat local pot fi analizate contururi de energie mai mici și mai simple pentru efectuare auditurilor energetice și evidențierea pierderilor cât și a calității energiei electrice, se poate analiza impactul asupra mediului în zona respectivă.

Legea eficieței energetice, nr. 121/2014 definește clar rolul autorităților locale pentru creșterea eficienței energetice cât și ce trebuie întreprins în acest sens. Dar trebuie mers mai departe, în sensul bun al managemetului energetic și al eficienței energetice, de prevederile obligatorii ale acestei legi.

Primul pas bun și destul de obligatoriu este întocmirea unui bilanț energetic pentru că luarea unor decizii concrete se poate face numai după analiza cantitativă și calitativă a utilizării energiilor din contururile locale. Bilanțul energetic evidențiază pierderile existente și recomandă măsurile necesare pentru eliminare opierderilor respective. Se știe că cea mai ieftină energie este energia economisită. Tot prin bilanț energetic se poate face o analiză a surselor de energie existente în zona respectivă și care pot și utilizate. 

Iată câteva exemple, simple, de urmat:

Sprijinirea Izolării termice a clădirilor de locuit, sociale sau IMM

-          Recomandarea utilizării de receptoare electrice și termice având consum mic (< A+)

-          Echilibrarea, pe cele trei faze a rețelelor electrice, a consumurilor de energie electrică ;i încurajarea dezvoltării rețeleor energetice

-          Înlocuirea transformatoarelor electrice mari (rămase din perioada anterioară)

-          Eliminarea încălzirii locale cu sobe cu randament scăzut

-          Utilizarea surselor de energie locale (după caz: apă, vânt, soare, geotermală, biomasă)

-          Integrarea intr-un sistem inteligent de monitorizarea a consumurilor energetice Favorizarea deplasărilor cu mijloace de transport în comun sau a bicicletelor prin construcția unor piste

-          Utilizarea mijloacelor de trasport cu consum redus de energie (gen tramvai, troleibuz, etc)

-          Dezvoltarea unui sistem energetic inteligent de tipul inteligent city system, ICS.

-          Etc.

              Noțiunea de ICS ar trebui să includă un sistem condus de computer care să monitorizeze,coordoneze și să comande permanent toate elementele sistemului energetic local (iluminat, semaforizare, distribuție apă, gaze, căldură, fântâni arteziene, etc) de la nivel macro până la nivel micro.

Dacă în urmă cu câțiva ani, conceptul de "casa inteligentă" ar fost considerat futurist sau fantezie, astăzi, clădirea inteligentă este o parte a realității și chiar devine o cerință. La fel ar trebui abordat termenul de ICS Indiferent de tipul de construcție, apariția unor noi tehnologii informaționale și de comunicare a schimba situația și a condus la o îmbunătățire în ceea ce privește eficiența energetică, siguranță, accesibilitate, confort sau sănătate.

Avantajele utilizării unui sistem ICS

Sistemul ICS preia toate funcțiile necesare pentru conducerea eficientă a instalațiilor aferente unei zone/regiune în scopul de a eficientiza consumurile energetice, de a asigura confortul și siguranța cetățenilor cât și de a controla într-un mod foarte precis mediul ambiental.

                Astfel se pot lua decizii rapide, în timp real, referitoare la orice variabilă a zonei/regiunii, chiar și sub presiunea unor evenimente neprevăzute.

Conceptul de zonă inteligentă se referă la ansablu zonă – infrastructură, prevăzut cu un sistem propriu de management al fluxurilor energetice și informaționale care oferă consumatorilor zonali un mediu flexibil, confortabil și de maximă securitate în condițiile utilizării raționale a energiei prin intermediul sistemelor integrate tehnologic.

În cazul zonelor puțin mai mari, care dețin spitale, școli, complexe comerciale, teatre, hoteluri, aeroporturi, utilizarea sistemelor informatice inteligente pentru gestionarea circulațiilor energetice a devenit o necesitate deoarece aceste zone dețin un număr mare de instalații, cum ar fi: instalații de încălzire, aer condiționat, ventilații și dezumidificare, instalațiile de curenți slabi (control acces, securitate, incendii), instalații de iluminat (iluminat interior, exterior, de securitate), ascensoare, semafoare, fântâni arteziene, alimentări cu apă, etc. Putând fii incluse în anumite rețele inteligente.

Sunt doar câteva exemple de măsuri care introduse permit obținerea unui confort energetic local. Bineînțeles ele nu sunt limitate, dimpotrivă fiecare zonă are particularități locale care trebuie utilizate. Cel mai greu este începutul. În continuare, spiritul de economie, de confort energetic (adică să ne fie bine și să plătim mai puțin), trebuie să fie permanent în preocupările Toate acestea contribuie la o mai bună coeziune teritorială locală, adică, la o mai mare armonie, la echilibru teritorial mai bun bazat pe așteptările rezidenților și calitatea vieții lor pe termen lung. Trebuie dezvoltat conceptul de energy city pentru a definii orașele (satele) cu consum inteligent de energie și cu o calitate a vieții bună. Această dorință trebuie realizată deoarece autoritățile locale/regionale, sunt:

• Consumatori de energie.

• Planificatori spațiu urban și investitori.

• Producători și distribuitor de energie.

                               Pot fi evidențiate adevărate realizări în domeniul eficienței energetice la nivel local/zonal prin îmbunătățirea calificările forței de muncă la toate nivelurile și prevederea de posturi în organizațiile administrative, sociale, etc.  locale cu personal calificat și bine pregătit în domeniul gestiunii energetice. Într-adevăr, pentru a aborda evoluțiile în curs complexe în domeniile energetice sunt necesare competențe profesionale puternice pentru a anticipa schimbările, a evita erorile pe teermen scurt și apregătii măsurile adecvate prin soluții inovatoare.

Problema pierderilor de energie este complexă şi trebuie ataşată de problema poluării pentru că producerea energiei în sistemele clasice este întodeauna însoţită de pierderi mari care nu pot fi recuperate, aşa cum nu poţi să strângi apa vărsată pe nisipul lacom de umezeală. Căldura nu poate să treacă de la corpuri cu o temperatură mai scăzută spre corpuri cu temperatură mai ridicată iar răcirea unui corp sub temperatura mediului ambient se poate face doar cu ajutorul maşinilor frigorifice (conform principiului al doilea al termodinamicii).

Avem nevoie de energie şi de calităţile ei şi cât de variate sunt înfăţişările sub care o întâlnim:

Ea este concetrată în razele soarelui sub formă mată sau strălucitoare, neagră sau cenuşie.

Ea este cărbunele lichid al pământului – ţiţei.

Ea este cărbunele străveziu aerian, care arde cu flacără incoloră – gazul natural.

Ea apare sub formă de şisturi bitumioase.

Ea este darul pădurilor verzi – lemnul.

Ea este bogăţia mlaştinilor – turba.

Ea este cărbunele alb al apelor – energia hidraulică.

Ea este cărbunele albastru – forţa valurilor.

Ea este cărbunele roşu – căldura pământului.

Ea este carbunele incolor – energia nucleară.

Pentru ca aceste imense bogăţii ale pământului să capete valoare trebuie puse la treabă cu costuri şi pierderi cât mai mici. Nu  putem răsplăti dărnicia pământului cu răutate, nepăsare sau inconştienţă. 

MODELUL MATEMATIC AL INVERTOARELOR SI CURBA DE CAPABILITATE P - Q

1.      NOȚIUNI GENERALE

Procedura privind punerea sub tensiune pentru perioada de probe și cerificarea conformității tehnice a centralelor electrice eoliene (CEE) si fotovoltaice (CEF), aprobata cu Ordinul ANRE nr. 74/23.10.2013, stabilește criteriile, modul de desfășurare și etapele procesului de punere sub tensiune pentru perioada de probe a unei centrale electrice eoliene sau fotovoltaice și ale procesului de certificare/verificare a conformității centralei

electrice eoliene sau fotovoltaice cu cerințele normelor tehnice de conectare la rețele de interes public.Conform acestei procedurii, beneficiarii trebuie sa depuna la OR, OD sau OTS, anumite Date tehnice printre ele:

-          modelul matematic al invertoarelor, al întregii centrale și al mijloacelor de compensare

a puterii reactive în punctul de conectare la valoarea de 0,90 inductiv ÷ 0,90 capacitiv și asigurarea schimbului de putere reactivă nulă cu sistemul la putere activă nulă produsă de CEF (conform cerinței de la art.17 din NT 30)

-           studiul de rețea pentru calculul necesarului de putere reactivă în punctul de racordare

(0,90 inductiv ÷ 0,90 capacitiv) pe toată plaja de putere activă, cu asigurarea schimbului de

reactiv nul cu sistemul în situația în care puterea activă produsă este nulă [conform cerințelor de la art. 13 alin. (1) și (3) din NT 30].

-          diagrama de capabilitate P – Q a CEF sau CEE în punctul de conectare.

            În continuare prezentăm un studiu pentru dezvoltarea unui model matematic staţionar trifazat, în curent alternativ a reţelei electrice de la PCC, rețeaua de 20 kV și 0.36 kV aparţinând unei CEF având puterea de 4,5MW.

Studiul cuprinde:

o   Modelul matematic, realizat cu ajutorul unui soft specializat, cu toate invertoarele în funcţiune

o   Datele de intrare ale echipamentelor

o   Curba de capabilitate P-Q a CEF

 2.      DATE TEHNICE

CEF este formată din 6 invertoare TG 760 1000V TE-360 OD. Invertoarele debitează

prin 3 transformatoare ridicătoare 0.36/0.36/20 kV având puterea de 800/800/1600 kVA, printr-o linie electrică subterană având lungimea de 6200 m conectat prin Punctul de conexiune (PCC) la SEN.

            Modelul matematic reprezintă rețeaua electrică realizată din:

o   Punctul de conexiune (PCC);

o   Cabluri de medie tensiune;

-       Cablu electric subteran 20 kV, de tip ARE4H5EX 3x1x185 mmp între (PCC) şi

Postul de trasformare (PT) 5-6, lungime de 6000 m;

-    Cablu electric subteran 20 kV, de tip ARE4H5EX 3x1x185 mmp, între Postul de transformare (PT) 5-6 şi Postul de trasformare (PT) 3-4, lungime de 100 m;

-    Cablu electric subteran 20 kV, de tip ARE4H5EX 3x1x185 mmp, între Postul de transformare (PT) 3-4 şi Postul de trasformare (PT) 1-2, lungime de 100 m.

o   Transformatoare 800/800/1600 kVA, 0.36/0.36/20 KV: T1, T2, T3;

o   Invertoare TG 760 1000V TE-360 OD: I1, I2, I3, I4, I5, I6 

Parametrii electrici ai invertoarelor TG 760 1000V-360 OD

Nr crt	Denumire invertor	Cod echipament	Producator	Tensiunea [V]	Puterea [kW]
1	INVERTOR 1	TG 760 1000V TE-360 OD	X	360	760
2	INVERTOR 2	TG 760 1000V TE-360 OD	X	360	760
3	INVERTOR 3	TG 760 1000V TE-360 OD	X	360	760
4	INVERTOR 4	TG 760 1000V TE-360 OD	X	360	760
5	INVERTOR 5	TG 760 1000V TE-360 OD	X	360	760
6	INVERTOR 6	TG 760 1000V TE-360 OD	X	360	760

 Caracteristicile tehnice, din punct de vedere al controlabilității puterii reactive injectate/absorbite din rețeaua electrică de racord, asociat celor 6 invertoare din alcătuirea CEF sunt prezentate în Tabelul următor.

Controlul P – Q  asociat modulelor invertoare din alcătuirea CEF.

PUTERE ACTIVĂ		PUTERE REACTIVĂ
P/PN	P	Inductiva	Capacitiva
[%]	[MW]	[MVAR]
100	0,760	- 0,311	0,311
90	0,684	- 0,343	0,343
0	0	- 0,381	0,381

Parametrii electrici ai transformatoarelor

Nr crt	Denumire	Prod	PN [kVA]	Tens U2N [kV]	Tens U1N [kV]	PSC [kW]	Usc [%]	P0 [kW]	R [%]	X [%]
1	T 1-2	X	1600/800/800	20	0,36/0,36	14,3	6,6	1,7	0,89375	6,53921
2	T 3-4	X	1600/800/800	20	0,36/0,36	14,3	6,6	1,7	0,89375	6,53921
3	T 5-6	X	1600/800/800	20	0,36/0,36	14	6	1,7	0.875	5.93586

 Parametrii electrici ai cablurilor de MT

o   Tip:  ARE4H5EX 185 mm²

o   Producator: X

o   Lungime totala: 6200 [m]

o   Parametrii electrici

-      R₀ = 0,211   [Ω/km]

-      X₀ = 0,106   [Ω/km]

-      C₀ = 0,328   [µF/km]

 

            3. ANALIZE TEHNICE

Pornind de la limitele de control P ­­– Q  impuse (factor de putere cos j = ± 0.90) și de la curbele de capabilitate P – Q  asociate invertoarelor din incinta CEF, prin utilizarea softului specializat și ținând seama de mărimile de intrate (caracteristiceile tehnice enumerate), rezultă  curbele teoretice de control P – Q  asociate CEF

Trasarea curbelor teoretice de control P – Q  asociate CEF scoate în evidență respectarea atât a limitei cos j = ± 0.90 cât și a limitei cos j = ± 0.95.

Verificările tehnice au fost completate prin analiza posibilităților de control P – Q  considerând și impactul rețelei electrice interne a CEF  și a transformatoarelor 20/0.36/0.36 kV) în cele trei ipoteze distincte:

-      regim normal de funcționare;

-      regim de funcționare cu tensiune maximă în PCC;

-      regim de funcționare cu tensiune minimă în PCC

3.1. REGIM NORMAL DE FUNCȚIONARE

Se verifică încadrarea fluxurilor de putere în PCC, asociat CEF, în limitele admisibile, pe regimuri staționare în care tensiunea în sistem este în apropierea valorii nominale.

Pentru cele două regimuri de funcționare analizate (inductiv, respectiv capacitiv), trasarea curbelor (P - Q) CEF în PCC a fost realizată prin reprezentarea a punctelor de funcționare a noii CEF din punct de vedere al nivelului de încărcare: (0; 0,90 și 1)P_instalat.

Rezultatele de calcul au scos în evidență că în incinta CEF în regim normal de funcționare, atât în regim inductiv, cât și în regim capacitiv, a fost evidențiată posibilitatea respectării limitei cos j = ± 0.90.

3.2. REGIM DE FUNCȚIONARE CU TENSIUNE MAXIMĂ IN PCC 

În cadrul acestui subcapitol este verificată încadrarea fluxurilor de putere în PCC în limitele admisibile din punct de vedere al factorului de putere, pe regimuri staționare în care tensiunea în sistem în PCC este maximă. Similar analizelor anterioare au fost efectuate calcule pentru cele 3 regimuri de încărcare ale CEF: (0; 0,90 și 1) P_instalat. Rezultatele de calcul prezentate au scos în evidență că în incinta CEF, în regim cu tensiune maximă în PCC, atât în regim inductiv, cât și în regim capacitiv, a fost evidențiată posibilitatea respectării limitei cos j = ± 0.90.

 

            3.3. REGIM DE FUNCȚIONARE CU TENSIUNE MINIMĂ IN PCC

În cadrul acestui subcapitol este verificată încadrarea fluxurilor de putere în PCC  în limitele admisibile din punct de vedere al factorului de putere, pe regimuri staționare în care tensiunea în sistem în PCC este minimă. Similar analizelor anterioare, au fost efectuate calcule pentru cele trei regimuri de încărcare ale CEF (0; 0,90 și 1) P_instalat.

Rezultatele de calcul prezentate au scos în evidență că în incinta CEF, în regim cu tensiune minimă în PCC, atât în regim inductiv, cât și în regim capacitiv, a fost evidențiată posibilitatea respectării limitei cos j = ± 0.90.

În Figura 1 este reprezentată curba de capabilitate P – Q asociată CEF pentru regimul normal de funcționare.

 

  4. CONCLUZII

CEF având o putere instalată totală de 4,5 MW este format din 6 invertoare TG 760 1000V TE-360 OD.

Calculele pentru trasarea curbei de capabilitate P – Q  au fost realizate pentru un regim normal de funcționare,

În acord cu ordinul ANRE 30/17.05.2013 privind aprobarea Normei tehnice ”Condiții tehnice de racordare la rețelele electrice de interes public pentru centralele electrice fotovoltaice”, publicată în Monitorul Oficial al României partea I, nr. 312/30.V.2013.

Invertoarele din CEF prezintă posibilitatea de control a puterii reactive conform curbei de capabilitate P – Q  furnizată de producător.

Rezultatele obținute, prin analiza curbei de capabilitate în punctul de delimitare din PCC, sunt prezentate în tabelul de mai jos în care sunt incluse și circulațiile de putere reactivă datorate caracterului capacitiv al cablurilor și a celor trei transformatoare.

Puterea activă produsă de invertoare	Puterea reactivă inductivă maximă în PCC [MVAR]	Puterea reactivă capacitivă maximă în PCC [KVAR]
[KW]	UN	UN
0	- 2,286	2,286
90%	-2,058	2,058
100%	-1,866	1,866

În urma analizelor detaliate efectuate se pot concluziona următoarele:

      Ø   Respectarea cerinței P_g = 0 MW Q_g = 0 MVAr:

-      Pentru situațiile în care P_g = 0 MW trebuie să se asigure o absorbție de putere 

reactivă de aproximativ 247,2 kVAr (pentru compensarea caracterului capacitiv asociat cablurilor electrice din CEF).

     Ø  Respectarea cerinței 0.90 inductiv (absorbție putere reactivă):

-      Se impune adoptarea următoarelor măsuri: 
     o   Suplimentarea posibilităților de control al puterii reactive generate în

interiorul CEF cu aproximativ 73 kVAr, prin instalarea unei bobine de reactanță de 300 kVAr (care va acoperi si aportul capacitiv al cablului de la punctul anterior) pe bara 20 kV a stației colectoare, sau

     o   Limitarea puterii active generate în interiorul CEF la cel mult 88% din

P_instalat pentru respectarea restricției cos j = 0.90 inductiv.

     Ø  Respectarea cerinței 0.90 capacitiv (generare putere reactivă):

-      Se impune adoptarea uneia dintre următoarele măsuri: 
      o   Suplimentarea posibilităților de control al puterii reactive generate în

interiorul CEF cu aproximativ 37 kVAr, prin instalarea unei baterii de condensatoare de 37 kVAr pe bara 20 kV a stației colectoare condiție realizabilă după conectarea CEF si măsurarea curenților capacitivi/inductivi, sau

      o   Limitarea puterii active generate în interiorul CEF la  cel mult

88% din P_instalat  pentru respectarea restricției cos j = 0.90 capacitiv.