În acest curs, se introduc..

Cel mai răspândit procedeu de producere a energiei electrice necesită o sursă de căldură care să asigure încălzirea apei în scopul obţinerii de vapori sub presiune. Aceşti vapori, destinzându-se într-o turbină, antrenează generatorul (de curent alternativ), care produce energie electrică. După ce au efectuat lucrul mecanic necesar, vaporii sunt condensaţi cu ajutorul unei surse de frig, care este, în general, o sursă de apă rece (apă curgătoare, mare), în care se construiesc circuite de răcire. În figura 1 este reprezentat ciclul de producere clasică a energiei electrice.

 

Ciclul clasic de producere a energiei electrice.

În cazul în care căldura rezultată la condensarea vaporilor, este recuperată şi utilizată pentru încălzire, apare noţiunea de cogenerare.

Sursa de căldură, este în mod clasic, rezultatul arderii combustibililor fosili (petrol, gaz, cărbune), sau rezultatul fisiunii nucleare, în reactoare proiectate să controleze amploarea acestei reacţii.

Combustibilii fosili sau uraniul utilizate în aceste cicluri, pot fi înlocuite de surse regenerabile. Sursa de căldură poate fi astfel:

În cazul unor surse regenerabile de energie, nu este necesară sursa de căldură pentru producerea energiei electrice. Este cazul energiei eoliene, hidraulice şi solare fotovoltaice.

În cazul energiilor eoliană şi hidraulică, turbina ce antrenează generatorul electric, este antrenată la rândul ei de presiunea vântului sau a apei. În figura 2 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Modalitatea eoliană sau hidraulică de producere a energiei electrice.

Presiunea vântului este rezultatul energiei sale cinetice. Presiunea apei este rezultatul energiei sale potenţiale şi cinetice.

Energia electrică furnizată de generator, poate fi injectată direct în reţeaua electrică, fără utilizarea unui convertor static de putere, este indicat în figura 2, dar în acest caz, pentru a menţine constantă frecvenţa tensiunii (şi a curentului) la 50 sau 60 Hz, viteza generatorului trebuie menţinută constantă, acţionându-se pentru aceasta asupra orientării palelor turbinelor eoliene, sau, în cazul turbinelor hidraulice, prin reglarea debitului de apă.

Avantajul convertoarelor statice de putere constă, pe de o parte, în posibilitatea funcţionării alternatorului la viteză variabilă şi, pe de altă parte, în creşterea randamentului conversiei energetice, prin reducerea complexităţii controlului mecanic al palelor turbinelor eoliene sau al debitului de apă în cazul turbinelor hidraulice. Acest tip de funcţionare cu viteză variabilă se dezvoltă în domeniul generării hidraulice (mai ales pentru mică putere) şi tinde să se generalizeze în cazul generării eoliene, unde acest tip de funcţionare apare în mod natural, datorită variaţiilor semnificative ale vitezei vântului.

În cazul generării olare fotovoltaice, energia electrică este produsă direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei conţinute de radiaţia solară. Convertoarele statice de putere sunt în general utilizate pentru a asigura optimizarea conversiei energetice. În figura 3 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Modalitatea solară fotovoltaică de producere a energiei electrice.

Energia electrică mai poate fi produsă pornind de la un motor diesel sau o turbină cu gaz (derivată dintr-un motor cu reacţie similar celor de avion), ce antrenează un generator electric. Sursa primară de energie este, în general, reprezentată de combustibili fosili, dar se are în vedere înlocuirea acestora cu biocarburant sau biogaz.

Factorul cheie pentru competitivitatea sistemelor de producere a electricităţii bazate pe energii regenerabile este preţul kilowattului-oră produs. Acest cost se calculează plecând de la preţul de investiţie al sistemului de generare, de durata sa, de mărimea dobânzii la eventualul împrumut contractat şi de costurile de funcţionare legate de întreţinere, de energia primară (care este gratuită dacă este vorba de soare, vânt …) şi plătită în cazul combustibililor fosili, nucleari,...

În sistemele care funcţionează într-o manieră aleatoare (eoliene, solare, hidro), productivitatea sistemului depinde fundamental de condiţiile naturale (de exemplu, cât din perioada unei zile este însorită); în concluzie deci, costul de investiţie depinde în mod direct de puterea critică. O instalaţie eoliană de 1MW poate furniza cel mult o putere de 1MW, dar ea nu poate produce această putere în permanenţă, din pricina fluctuaţiilor vitezei vântului, spre deosebire de centralele care utilizează combustibili fosili sau nucleari. Pentru instalaţiile eoliene, solare, microhidraulice, ceea ce contează este puterea generată (nu cea instalată).

Tabelul 1 prezintă randamentul instalaţiilor de producere a electricităţii pe bază de la energii regenerabile, instalaţii care nu se bazează pe ciclul clasic apă-vapori. Randamentul este raportul dintre energia furnizată de sistemul de producţie în toată durata lui de viaţă şi energia consumată pentru a construi sistemul de producţie.

Instalaţia
Factorul de randament

Hidraulică de mare putere

100 - 200

Hidraulică de mică putere (microhidraulică)

80 - 100

Eoliană

10 - 30

Solară fotovoltaică

3 - 6

Factorul de randament al sistemelor de producere a energiei electrice pe baza energiilor regenerabile.

Factorul de randament este mai bun pentru instalaţiile hidraulice de mare putere (durată de viaţă de peste 30 ani, ajungând chiar la 50 ani) în raport cu instalaţiile hidraulice de mică putere (durată de viaţă între 20 şi 50 ani).

Puterea instalaţiilor eoliene a evoluat de la câteva sute de kW înainte de 2000 ajungând la ordinul de MW după 2000 şi putându-se stabiliza la o putere de 5 MW în 2010. Durata de viaţă a unei instalaţii eoliene este de 20 până la 25 ani.

Sistemele fotovoltaice au un factor de randament foarte scăzut, din cauză că realizarea celulelor cu siliciu necesită multă energie. O celulă generează după tocmai 4 sau 5 ani energia consumată la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de 20 - 30 ani, factorul de randament poate ajunge, în cele mai bune cazuri, la valoarea de 6.

În figura 1 este reprezentată repartiţia, între diferitele surse de energie regenerabilă (geotermică, biomasă, eoliană, hidraulică), a energiei electrice produse în fiecare din ţările CEE în anul 1999.

Repartiţia [în %] a producţiei de energie electrică, pe baza surselor regenerabile de energie, în 1999, în ţările Uniunii Europene.

La începutul anilor 2000, Comisia Europeană a decis să încurajeze creşterea ponderii energiei electrice produse în Uniunea Europeană, pe baza surselor regenerabile. Europa celor 15 va trebui să crească această pondere de la 14,2% în 1999 la 22,1% în 2010. Figura 2 ilustrează comparativ, pentru fiecare ţară, ponderea energiei electrice produse pe baza energiilor regenerabile în 1999 şi obiectivele fixate pentru 2010.

Ponderea energiei electrice [în %] de origine regenerabilă produsă în 1999 şi obiectivele europene pentru 2010.

Integrarea în 2004 în Uniunea Europeană a 10 noi membri, a modificat sensibil ponderea energiei electrice de origine regenerabilă, vizată pentru 2010, de la 25%, la 21%.

Creşterea puterii eoliene, în 2003 faţă de 2002, este de 23,5% în Europa, de 27,1% în America de Nord şi de 25,1% pe plan mondial. Avântul acestei modalităţi de producere, este deci, remarcabil. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene în 2003 este de 5443 MW. În fruntea listei ţărilor Uniunii Europene se află Germania (14609 MW), Spania (6411 MW) şi Danemarca (3110 MW). Pentru comparaţie, iată aici puterile eoliene instalate în câteva alte ţări, în 2003: Portugalia (301 MW), Franţa (253 MW), Belgia (67 MW), România (1 MW). Generatoarele eoliene situate în largul mărilor (off-shore) se vor dezvolta foarte mult în anii următori. La sfârşitul anului 2003, Uniunea Europeană avea aproape 300 de generatoare eoliene instalate în largul mărilor, însumând o putere totală de 540,2 MW.

Energia solară fotovoltaică nu apare în figura 1, deoarece era foarte puţin semnificativă în 1999. Creşterea însă a acestei filiere se dovedeşte a avea importanţă: între 2002 şi 2003, ea a atins 43,4%. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene, a fost în 2003, de 562,3 MW. În fruntea listei ţărilor Uniunii Europene se află Germania (397,6 MW), Olanda (48,63 MW), Spania (27,26 MW) şi Italia (26,02 MW). Pentru comparaţie, iată aici puterile instalate în câteva alte ţări, în 2003: Franţa (21,71 MW), Portugalia (2,07 MW) şi Belgia (1,06 MW). Se remarcă faptul că nu ţările aflate în sudul Europei dezvoltă cel mai mult filiera fotovoltaică.

[1] T.Chambolle et F.Meaux, Rapport sur les Nouvelles Technologies de l’Energie, Paris, Ministčre délégué ŕ la recherche et aux nouvelles technologies, 2004.

[2] Rapport de la Commission pour l’Analyse des Modes de Production de l’Electricité et le Redéploiement des Energies (AMPERE), Belgique, octobre 2002, www.mineco.fgouv.be/ampere

[3] L’électronique de puissance vecteur d’optimisation pour les énergies renouvelables, ECRIN, mai 2002, ISBN : 2-912154-08-1.

[4] Revue Systčmes Solaires, www.energies-renouvelables.org

[5] B.Multon, Production d’énergie électrique par sources renouvelables, Techniques de l’Ingénieur, Traité de Génie Electrique, mai 2003, D 4 005 et D 4 006.

[6] M.Crappe, Commande et régulation des réseaux électriques, Hermčs Science, Paris 2003.