Energie Solara Curs [PDF]

Zitiervorschau

[Type the document title] Dacă în anii ’70 energia verde era considerată o utopie şi tratată ca un vis al cercetătorilor, situaţia s-a schimbat de-a lungul anilor şi viziunea unui “viitor solar” a devenit un subiect de dezbatere. Sursele de energie noi si regenerabile (biomasa, energia solară, energia vântului, hidroenergia, pila fotovoltaică etc) au devenit deja, pentru ţările industrializate, obiective naţionale în structura producţiei lor de energie. Aceasta s-a întâmplat mai ales ca urmare a două evenimente. Primul a fost publicarea in 1972 a raportului “The Limits to Growth” a Clubului de la Roma, iar al doilea l-a reprezentat prima criză a petrolului şi criza energetică din 1973-1974. Raportul prevedea încă de atunci o reducere dramatică a resurselor energetice clasice şi o creştere rapidă a poluării mediului. Concurenţa celor două evenimente a adus în discuţie chestiunea siguranţei în alimentarea cu energie. În acest context, energia regenerabilă a fost privită pentru prima oară ca o posibilă soluţie alternativă la petrol. Când preţul petrolului a scăzut brusc în anii 80, viziunea “solară” şi-a pierdut din nou atractivitatea. Şi totuşi, evoluţiile ulterioare au confirmat concluziile Clubului de la Roma, iar problemele de mediu au început să se discute la scară planetară, mai ales după Conferinţele de la Rio (1992) şi Kyoto (1997). Începând din 1992 când, în cadrul Conferinţei ONU de la Rio de Janeiro a fost adoptată şi asumată o strategie globală de protecţie a mediului, problema încălzirii globale, a degradării mediului şi a epuizării resurselor energetice convenţionale (combustibili fosili de petrol, gaze şi cărbune) a devenit din ce în ce mai presantă şi a angajat statele lumii într-o continuă şi accelerată căutare de forme regenerabile de energie: energie solară, energie eoliană, energie pe bază de biomasă, etc. Astfel, s-a pornit la nivel global o adevărată cursă pentru valorificarea beneficiilor energiei regenerabile motivată în principal de degradarea mediului (încălzirea globală) şi de anticipatele creşteri de preţuri pentru resursele de cărbune, petrol şi gaze aflate în continuă scădere. În viitorul apropiat industria energiei regenerabile va fi cea mai importantă şi performantă ramură economică.

Noţiuni introductive Generalităţi privind energia Energia, este definită în Dicţionarul Explicativ al Limbii Române, în literatura de specialitate din ţară şi din străinătate, ca şi pe numeroase site-uri web, în diverse limbi de circulaţie internaţională, ca fiind capacitatea unui sistem fizic de a produce lucru mecanic. Uneori se menţionează în definiţia energiei şi capacitatea unui sistem fizic de a produce căldură. Cu toate acestea, noţiunea de energie este mult mai complexă, fiind evident, asociată şi cu alte sisteme în afară de cele fizice şi anume sisteme biologice, chimice, etc. Unele menţiuni din literatura tehnică de specialitate, consideră că energia este implicată în toate procesele care presupun orice fel de schimbare sau transformare, fiind responsabilă de producerea acestor schimbări sau modificări. Se poate considera chiar că material în sine, reprezintă o formă “condensată” de energie, iar această energie este înmagazinată în atomii şi moleculele din care este alcătuită materia. Legătura dintre cele două forme de manifestare, energia şi materia, este reprezentată de celebra ecuaţie a lui Albert Einstein: E = m · c2 unde: - E este energia; - M este masa; 1

[Type the document title] - c este viteza luminii. Este demonstrat că prin diverse procedee, cantitatea uriaşă de energie, conţinută în atomi şi molecule poate fi eliberată şi utilizată în diverse scopuri, iar în urma desfăşurării acestor procese, materia utilizată ca “sursă de energie”, suferă transformări considerabile. Două dintre cele mai reprezentative exemple ale acestor genuri de transformări sunt producerea energiei electrice prin fisiune nucleară, respectiv explozia focoaselor nucleare, ambele procese reprezentând transformări ale materiei în cantităţi uriaşe de energie. În sistemele termodinamice, reprezentând tipul de sisteme care vor fi studiate în continuare, pot fi întâlnite mai multe forme de energie şi numeroase tipuri de transformare a energiei dintr-o formă în alta. Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiile disponibile, sunt reprezentate de combustibilii fosili, cele mai cunoscute tipuri de asemenea combustibili fiind petrolul şi produsele obţinute din acesta, gazele naturale şi cărbunii. Disponibilităţile energetice actuale se pot împărţi în două categorii şi anume rezerve energetice şi resurse energetice. Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate în condiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente. Resursele energetice sunt surse de energie cunoscute, care însă nu pot fi exploatate în condiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creşterii preţului energiei. În prezent, cca. 85…90% din energia consumată anual pe Pământ, este produsă prin arderea combustibililor fosili. În anul 2030, se estimează că din punct de vedere al sursei utilizate, structura producţiei energetice va fi aproximativ următoarea: - 75…85% din arderea combustibililor convenţionali; - 10…20% din fisiune nucleară; - 3…5% din energie hidraulică; - cca. 3% din energie solară şi eoliană. În anul 1975, producţia energetică mondială a fost de cca. 8,5 TWan/an, iar în prezent nivelul producţiei energetice este de cca. 10 TWan/an. Pentru anul 2030, ţinând seama de ritmul creşterii populaţiei, se estimează că producţia de energie va ajunge la 22 TWan/an şi ţinând seama de ritmul creşterii economice, se va ajunge la 36 TWan/an. Din aceste valori, energia electrică reprezintă doar cca. 18…20%, un procent mult mai mare fiind reprezentat de energia termică. Din punct de vedere dimensional, 1 TWan = 1·1012 Wan Condiţii energetice actuale care impun utilizarea energiilor regenerabile Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăţi umane, din ultimul secol, este creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de energie, dar şi dependenţa tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni. Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internaţional au fost create numeroase organizaţii pentru studierea fenomenelor legate de evoluţia consumurilor şi rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasă organizaţie de acest tip este The Association For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO) Asociaţia pentru Studiul Deficitului de Petrol şi Gaze Naturale. Această asociaţie se autodefineşte ca fiind o reţea de oameni de ştiinţă şi alte categorii de persoane, interesaţi de identificarea informaţiilor şi impactului produs de deficitul petrolului şi gazelor naturale. ASPO defineşte deficitul de petrol “peak oil” ca fiind diferenţa dintre cantitatea de petrol extrasă (producţia) şi cantitatea de petrol nou descoperită. Analog este definit 2

[Type the document title] deficitul de gaze naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunţă că prin măsuri de reducere a consumurilor, respectiv a producţiei, nivelul deficitul de petrol înregistrat în anul 2004 mai poate fi menţinut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar este iminentă o criză ireversibilă a petrolului şi a gazelor naturale. Deficitul de petrol este sugestiv prezentat în figura 1.1, conform datelor publicate de ASPO în anul 2004.

Fig. 1.1. Evoluţia producţiei de petrol şi a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004

Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10 noiembrie 2005 ASPO a anunţat că în Kuweit, după şase decenii de exploatare intensivă, cel mai important câmp petrolier din această ţară şi al doilea din lume, a început să dea semne evidente de reducere a rezervelor de petrol pe care le conţine. Acest fapt a fost recunoscut şi de Kuweit, în martie 2006. Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcământ al lumii, s-a impus reducerea producţiei de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, după ce a trebuit abandonata o tentativa de a stabili nivelul producţiei la 1,9 milioane de barili pe zi, nivel al producţiei care s-a dovedit a fi prea ridicat. Datorită existenţei actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată o reducere constantă a producţiei de petrol, începând cu anul 2010, aşa cum este indicat în figura 1.2. Creşterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prin faptul că este necesar să treacă o perioadă de timp până când în economie, se vor putea lua măsuri eficiente de reducere a consumurilor.

3

[Type the document title]

Fig. 1.2. Evoluţia estimată a producţiei mondiale de petrol. ASPO 2006

În condiţiile prezentate, apare ca explicabilă continua creştere a preţului petrolului din ultima perioadă, aşa cum se observă în figura 1.3.

Figura 1.3. Evoluţia preţului petrolului în perioada 1996 - 2005. ASPO 2006.

Spre deosebire de criza petrolului de la sfârşitul anilor ’70, încheiată cu scăderea preţului petrolului, se estimează că actuala tendinţă crescătoare a preţului este continuă şi ireversibilă, iar impactul pe care acest preţ îl va avea asupra economiei mondiale este dificil de estimat, dar va fi cu siguranţă unul extrem de important. Estimările actuale ale ASPO, privind perioadele rămase până la epuizarea rezervelor de combustibili fosili, sunt prezentate în tabelul următor. Petrol

Perioada estimată până la epuizare (ani). ASPO 2005 45 4

[Typ [Type the document title] Gaze naturale 66 Cărbune 206 Uraniu 35 - 100 Analizând aceste esstimări, se observă că timpul extrem de scurt, rămas până la epuizarea resurselor existennte, cel puţin în cazul petrolului şi a gazelor naaturale, impune găsirea unor soluţii rapide şi eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce până atunci cu ajutorul ace cestor combustibili. Aceste soluţii sunt cu atât mai m necesare cu cât consumurile de energiee ale economiei mondiale sunt în continuă creeştere şi nu se estimează o reducere a ace cestor consumuri în viitorul apropiat. Pentru rezzolvarea acestei probleme, singura soluţi ţie previzibilă este reprezentată de utilizarrea energiilor regenerabile. O altă problemă majjoră a producerii energiei din combustibili conv nvenţionali, este reprezentată de nivelul ridi idicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de d producere a energiei. Aceste emisii coontribuie la accentuarea efectului de seră şi la accelerarea modificărilor climatice con onexe acestui fenomen. În figura 1.4 este preezentat nivelul acestor emisii.

Fig. 1. 1.4. Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă

Analizând acest graf afic, se observă că de la începutul epocii indu dustriale, până în prezent, nivelul emisiilor de CO2, C a crescut cu peste 30%. Pentru a justifica impportanţa problemei emisiilor de CO2, sunt prezenntate în figura 1.5, valorile pagubelor produ duse din cauze naturale în perioada ianuarie - septembrie 2002, iar în figura 1.6, valorile paggubelor produse datorate modificărilor climatice ce, în perioada 1950 - 1999.

5

[Typ [Type the document title]

Fig. 1.5. Valorile pagub belor produse din cauze naturale în ianuarie - septemb brie 2002.

Se observă că paguubele produse de furtuni şi inundaţii, care au legătură cu modificările climatice, sunt mult mai mari decât pagubele produse de cutremure, sau de alte evenimente.

Fig. 1.6. Valorile V pagubelor produse datorită modificărilor climaatice.

Este evident că mod odificările climatice din ultimii ani, caracterizaţii printr-un nivel crescut al emisiilor de CO O2, au produs mult mai multe pagube decâ cât în perioadele caracterizate de un nivel mullt mai redus al poluării. Chiar daca nu demoonstrează că emisiile de CO2 sunt responsaabile de nivelul ridicat al pagubelor datoratee modificărilor climatice, cele două grafice suugerează că este foarte posibil să existe o correlaţie între nivelul ridicat al emisiilor de CO22 şşi modificările climatice, cu impact negativ aasupra mediului. Una din cele mai eeficiente soluţii pentru reducerea nivelului em misiilor de CO2, îl reprezintă utilizarea energgiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivel extrem e de redus al acestor emisii. Tipuri de energiii regenerabile şi folosirea acestora în Rom mânia Cele mai utilizate form me de energie regenerabilă sunt prezentate în co ontinuare: • Energia solarăă 6

[Typ [Type the document title] • Energia geoter ermală • Energia apei • Energia vântuului • Energia biomaasei Câteva dintre avantajeele utilizării energiilor regenerabile sunt următoaarele: - Sunt ecologice; - Nu generează emisii de CO2 O2; - Sunt disponibile în cantităţii teoretic nelimitate; - Pot fi utilizate local; - Reprezintă soluţii pentru toaate nevoile. Deci se poate spune că sursele regenerabile de energie avute in veedere pentru a fi stimulate sunt: energia eoliaana, hidroenergia, energia geotermala, biom masa si energia solară.

Fig. 1.7. Pootenţialul României în domeniul producerii de energie ie verde

Din fericire, Românnia poate dezvolta sisteme de producţie pe tooate tipurile de surse regenerabile, în funcţţie de specificul fiecărei zone geografice dinn tara. În urma studiilor realizate la nivelul ul ţării noastre, potenţialul în domeniul produccerii de energie verde este de 65% biom masa, 17% energie eoliană, 12 % energ gie solară, 4% microhidrocentrale şi 2% volt ltaic şi geotermal. Conform hărţii elaborrate de către Administraţia Naţionala de Meteoroologie, potenţialul energetic al Romââniei este repartizat zonal, astfel:  Delta Dunării - enerrgie solară;  Dobrogea - energie solară şi eoliană;  Moldova - micro-hiddro, energie eoliană, biomasa;  Carpaţi - potenţial riidicat de biomasă şi micro-hidro;  Transilvania - potennţial ridicat pentru micro-hidro;  Câmpia de Vest - po posibilităţi de valorificare a energiei geotermale;  Subcarpaţi - potenţiaal pentru biomasă şi micro-hidro;  Câmpia Română - bbiomasa, energie geotermică şi energia solară. Energia regenerabil bilă se referă deci la forme de energie produse se prin transferul energetic al energiei rezultaate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apeloor curgătoare, a proceselor biologice şi a călddurii geotermale 7

[Type the document title] pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne- reînnoibile includ energia nucleară precum şi energia generată prin arderea combustibililor fosili, aşa cum ar fi ţiţeiul, cărbunele şi gazele naturale. Aceste resurse sunt, în chip evident, limitate la existenţa zăcămintelor respective şi sunt considerate în general (a se vedea teoria academicianului român Ludovic Mrazec de formare anorganică a ţiţeiului şi a gazelor naturale) ne-regenerabile. Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:  energia eoliană  energia solară  energia apei • energia hidraulică • energia mareelor  energia geotermică  energie derivată din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, apei calde, etc. Energie eoliană Energia eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei turbine eoliene. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeţei Pământului de către energia radiată de Soare care ajunge la suprafaţa planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer produce zone de aer de densităţi diferite, fapt care creează diferite mişcări ale aerului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine eoliene sunt capabile de a produce până la 5 MW de energie electrică, deşi acestea necesită o viteză constantă a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 kilometri pe oră. În puţine zone ale Pământului există vânturi având viteze constante de această valoare, deşi vânturi mai puternice se pot găsi la altitudine mai mare şi în zonele oceanice. Singurul dezavantaj al energiei eoliene este ca necesita service datorita uzurii. Pentru amplasarea agregatelor eoliene sunt interesante doar zonele in care viteza medie a vântului este cel puţin egala cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului (la care, de altfel, se fac măsurătorile în cadrul staţiilor meteorologice). Cu excepţia zonelor montane, unde condiţiile meteorologice vitrege fac dificila instalarea şi întreţinerea agregatelor eoliene, viteze egale sau superioare pragului de 4m/s se regăsesc în: Podişul Central Moldovenesc şi în Dobrogea Litoralul prezintă şi el potenţial energetic întrucât, în această zonă, viteza medie anuala a vântului depăşeşte pragul de 4m/s. Pe baza evaluării şi interpretării datelor înregistrate, în România se pot monta instalaţii eoliene cu o capacitate de pana la 14000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrica de aproape 23000 GWh/an. În zona litoralului, pe termen scurt şi mediu, potenţialul energetic eolian amenajabil este de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrică de 4500 GWh/an. Energie solară Conceptul de "energie solară" se referă la energia care este direct produsă prin transferul energiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deşi energia solară este reînnoibilă şi uşor de produs, problema principală este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotaţiei Pământului în jurul axei sale, şi deci a alternanţei zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricităţii decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existenţa zilelor noroase, când potenţialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicaţiile acestei forme de energie reînnoibilă. 8

[Type the document title] Nu există nici un dezavantaj deoarece instalaţiile solare aduc beneficii din toate punctele de vedere. Panourile solare produc energie electrică 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore). Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică şi în acelaşi timp înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea. Instalaţiile solare sunt de 2 tipuri: termice şi fotovoltaice. Cele fotovoltaice produc energie electrică gratis. Cele termice ajută la economisirea gazului în proporţie de 75% pe an. O casă care are la dispoziţie ambele instalaţii solare (cu panouri fotovoltaice şi termice în vid) este considerată "FARA FACTURI" deoarece energia acumulată ziua în baterii este trimisă în reţea). Instalaţiile solare funcţionează chiar şi atunci când cerul este înnorat. De asemenea sunt rezistente la grindină (în cazul celor mai bune panouri). Hidroenergia O alta sursa de energie regenerabila in care România are potenţial imens este apa. Potrivit datelor autorităţilor de mediu, în momentul de faţă, potenţialul hidroenergetic al României este folosit in proporţie de 48%. În România, potenţialul hidroenergetic al râurilor principale este de circa 40000 GWh/an, care se poate obţine în amenajări hidroenergetice de mare putere (10 MW/unitate hidro) sau de mica putere ( 10 MW/unitate hidro). Biomasa Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deşeurilor şi reziduurilor din agricultură, inclusiv substanţele vegetale şi animale, silvicultură şi industriile conexe, precum şi partea biodegradabilă a deşeurilor industriale şi urbane. Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului. Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca forma de păstrare a energiei soarelui în forma chimică, biomasa este unul din cele mai populare şi universale resurse de pe Pământ. Ea asigura nu doar hrana, ci şi energie, materiale de construcţie, hârtie, ţesături, medicamente şi substanţe chimice. Biomasa este utilizată în scopuri energetice din momentul descoperirii de câtre om a focului. Astăzi combustibilul din biomasa poate fi utilizat în diferite scopuri – de la încălzirea încăperilor până producerea energiei electrice şi a combustibililor pentru automobile. Compoziţia chimica a biomasei poate fi diferenţiată în câteva tipuri. De obicei, plantele conţin 25% lignina si 75% glucide (celuloza si hemiceluloza) sau zaharide. Fracţiunea glucidică este compusă dintr-o mulţime de molecule de zaharide, unite între ele prin lanţuri polimerice lungi. Una din cele mai importante glucide este celuloza. Componenta ligninică este compusă din molecule nezaharizate. Natura utilizează moleculele polimerice lungi de celuloza la formarea ţesuturilor, care asigură integritatea plantelor. Lignina apare în plante sub o forma asemănătoare lipiciului, care leagă moleculele celulozice între ele. Bioxidul de carbon din atmosferă şi apa din sol participa în procesul obţinerii glucidelor (zaharidelor), care formează “blocurile de construcţie” a biomasei. Astfel, energia solară utilizată la fotosinteză îşi păstrează forma chimică în structura biomasei. Daca se arde efectiv biomasa (extragem energia chimică), atunci oxigenul din atmosferă şi carbonul din plante reacţionează formând dioxid de carbon şi apă. Acest proces este ciclic, deoarece bioxidul de carbon poate participa din nou la procesul de formare a biomasei. Utilizarea biomasei creşte foarte rapid, în unele state dezvoltate fiind utilizată destul de intens, cum este cazul Suediei, care îşi asigura astfel 15% din necesitatea de energie din surse energetice primare. Suedia planifică pe viitor creşterea volumului biomasei utilizate 9

[Type the document title] concomitent cu închiderea staţiilor atomo şi termo-electrice, care utilizează combustibil fosil. În SUA, ponderea biomasei din totalul energiei utilizate este de 4%. Biomasa poate asigura cu uşurinţa peste 20% din necesităţile energetice a ţării. Altfel spus, resursele funciare existente şi infrastructura sectorului agrar permite înlocuirea completa a tuturor staţiilor atomice, fără a influenţa preţurile la produsele alimentare. De asemenea, utilizarea biomasei la producerea etanolului poate micşora importul petrolului cu 50%. În România, biomasa ar putea acoperi aproape o cincime din consumul total de resurse primare sau 89% din căldura necesară încălzirii locuinţelor şi preparării hranei în mediul rural, numai prin consumul de reziduuri şi deşeuri vegetale. Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din urmă, reprezintă procesul chimic de ardere. Rezervele de biomasă sunt în special deşeurile de lemn, deşeurile agricole, gunoiul menajer şi culturile energetice. Materialul organic de biomasa utilizat pentru producţia biocarburanţilor poate fi lemnul, culturile agricole, reziduurile forestiere, reziduurile agricole şi deşeurile organice. În prezent, în întreaga lume, trei biocarburanţi se justifică pentru consum în sectorul de transport: bioetanol, biodiesel şi biogaz. Principalul biocarburant din lume este bioetanolul, urmat de biodiesel. Energia geotermală Energia geotermică este o formă de energie obţinută din căldura aflată în interiorul Pământului. Apa fierbinte şi aburii, captaţi în zonele cu activitate vulcanică şi tectonică, sunt utilizaţi pentru încălzirea locuinţelor şi pentru producerea electricităţii. Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această data pe glob pentru transformarea puterea apei geotermală în electricitate: 'uscat'; 'flash' și 'binar', depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia. Centralele 'Uscate' au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal. Centralele 'Flash' sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la temperaturi de 360° F(182° C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la suprafaţă. Centralele cu ciclu binar diferă faţă de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina,respectiv generatorul electric. Apa folosita atinge temperaturi de până la 200°C). Energia geotermală este folosită pentru încălzirea spaţiului şi a apei.

10

[Type the document title] Producerea energiei electrice în vederea furnizării în reţelele energetice naţionale

Producerea locală a energiei electrice

11

[Type the document title] Încălzire şi răcire

Transport auto şi naval

12

[Type the document title] În toate ţările cu realizări notabile în ceea ce priveşte energiile regenerabile, un impact esenţial asupra dezvoltării acestui domeniu, a fost reprezentat de adoptatea unui număr mare de reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenţii. La ora actuală, piaţa este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energii regenerabile. În figurile 1.8, 1.9. şi 1.10, sunt prezentate câteva grafice care ilustrează atât dinamica tuturor componentelor acestui domeniu, cât şi impactul reglementărilor legislative, în Germania, ţara din Europa cu cea mai largă preocupare în domeniul energiilor regenerabile.

Fig. 1.8. Evoluţia producţiei energiei electrice eoliene, în Germania

Fig. 1.9. Evoluţia diametrului maxim al rotoarelor generatoarelor electrice eoliene, în Germania

13

[Type the document title]

Fig.1. 10. Evoluţia producţiei de energie electrică solară, în Germania

Pe toate aceste imagini se observă că cel puţin în Germania, domeniul energiilor regenerabile este într-o adevărată expansiune, influenţată pozitiv de reglementări legislative stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în subvenţionarea preţului tuturor tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sau achiziţionarea de către compania energetică naţională din Germania, a curentului electric produs cu ajutorul panourilor fotovoltaice, la un preţ mult mai mare decât cel de vânzare a energiei electrice, pe o durată de până la 25 ani. Energia solară Energia solară poate fi valorificată la diferite nivele din întreaga lume. În funcţie de o locaţie geografică mai aproape de ecuator, cu atât există mai mare potenţialul de energie solară disponibilă. În arhitectură şi planificarea urbană Lumina soarelui a influenţat proiectarea clădirilor de la începutul istoriei arhitecturale. Arhitectura solară avansată şi metodele de planificare urbană au fost adoptate prima oară de către greci şi chinezi, care au orientat faţadele verticale cu ferestre largi ale clădirilor spre sud pentru a primi lumină şi căldură. Caracteristicile comune ale arhitecturii solare pasive sunt orientarea relativă către Soare, în proporţii compacte (o suprafaţă mică a raportului volum), umbrire selectivă (console) şi masă termică. Dacă aceste funcţii sunt adaptate climatului local şi mediul în care se pot produce spaţii bine laminate, care se menţin într-un interval de temperatură confortabile. Casa Megaron a lui Socrate este un exemplu clasic de design pasiv solar. Abordările cele mai recente la calculul energiei solare folosesc modelarea calculatorului legând împreună lumina solară, căldura şi sistemele de ventilaţie într-un pachet integrat de proiecte solare. Echipamente solare active, cum ar fi pompe, ventilatoare şi ferestre de comutare pot completa proiectarea pasivă şi îmbunătăţi performanţele sistemului. În agricultură şi horticultură Agricultura şi horticultura caută să optimizeze captarea energiei solare în scopul de a optimiza productivitatea de plante. Tehnici precum ciclurile temporizate de 14

[Type the document title] plantare orientate pe rânduri, eşalonate la înălţimi între rânduri şi mixarea varietăţii plantelor pot îmbunătăţi randamentul culturilor. În timp ce lumina soarelui este considerată o resursă din abundenţă, excepţiile subliniază importanţa energiei solare pentru agricultură. Aplicaţiile energiei solare în agricultură, în afară de creşterea culturilor, includ pomparea apei. Serele convertesc lumina solară în căldură, permiţând producţia pe tot parcursul anului şi creşterea (în medii închise) diferitelor culturi şi a plantelor care în mod natural nu sunt adaptate climatului local. Energia solară termică Energia solară termică poate fi folosită pentru încălzirea apei, încălzirea spaţiului, răcirea spaţiului şi procesul de generare de căldură. Energia solară termică este o tehnologie de exploatare a energiei solare pentru energia termică (căldură). Colectoare solare termice sunt definite de către Administraţia Informaţiei Energiei din SUA ca: scăzut, mediu sau colectoare de temperatură înaltă. Colectoarele de temperatură scăzută sunt plăci plate în general folosite pentru încălzirea piscinelor. Colectoarele de temperatură medie sunt de obicei tot plăci plate, dar sunt folosite pentru încălzirea apei sau a aerului pentru uz rezidenţial şi comercial. Colectoarele de temperatură înaltă concentrează lumina soarelui folosind oglinzi sau lentile şi sunt în general utilizate pentru producerea energiei electrice. În procese de concentrare Tehnologiile solare de concentrare, cum ar fi antena parabolică şi prin reflectoare Scheffler pot furniza căldură pentru aplicaţii comerciale şi industriale. Iazurile de evaporare sunt bazine de adâncime mică care concentrează dizolvarea solidă prin evaporare. Utilizarea de iazuri de evaporare este pentru a obţine sare din apă de mare, fiind şi una dintre cele mai vechi aplicaţii ale energiei solare. Utilizarea modernă include soluţii de concentrare a apei de mare în extragerea prin dizolvare şi eliminarea părţilor solide dizolvate din fluxurile de deşeuri. Acest proces se foloseşte în principiu pentru uscare, uscarea hainelor etc. Folosirea energiei solare pentru transformare în energie electrică Energia solară este, de departe, sursa de energie a Pământului cea mai disponibilă, uşor capabilă să furnizeze de multe ori cererea actuală totală de energie. Cele mai mari termocentrale solare, precum 354 MW SEGS, sunt termocentrale solare concentrate, dar recent au fost construite centralele fotovoltaice multi-megawatt. Finalizată în 2008, cei 46 MW putere a staţiei fotovoltaice Moura din Portugalia şi cei 40 MW Waldpolenz din Parcul Solar din Germania sunt caracteristici ale trendului către centrale electrice fotovoltaice mai mari. Acoperind 4% din deşertul lumii cu panouri fotovoltaice ea ar putea aproviziona toată cererea electrică din lume. Numai deşertul Gobi ar putea furniza aproape toată cererea de energie a lumii. Lumina Soarelui poate fi convertită direct în energie electrică prin utilizarea de panouri fotovoltaice, sau indirect prin concentrarea energiei solare şi alte tehnologii precum motorul Sterling care foloseşte un motor ciclic de bună calitate pentru a furniza curent electric către aplicaţiile mici şi medii, de la un calculator alimentat de la o singură celulă solară la casele cu panouri alimentate de la o gamă de fotovoltaice. Dintre panourile solare fotovoltaice şi cele termice, randamentul cel mai mare în transformarea energiei electrice îl au cele termice, deoarece transformă 75% din puterea captată de la soare. Spania a deschis cea mai mare staţie de prodcere de energie solară, devansând astfel SUA, din punct de vedere al generării de energie solară pe plan internațional. Producţia totală de energie solară a naţiunii este acum echivalentă cu producţia unei centrale nucleare. Spania este lider mondial în energii regenerabile şi a fost mult timp un producător de hidro-energie electrică (numai China şi SUA au construit mai multe baraje). Spania are, de asemenea, un sector foarte dezvoltat al energiei eoliene care, precum energia 15

[Type the document title] solară, a primit subvenţii generoase de la Guvern. Energia solară are aplicaţii şi utilizări multiple, din care amintim: ♦ Alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali şi casnici; ♦ Cuptoare solare; ♦ Uscătorii solare; ♦ Jucării solare; ♦ Distilerii solare; ♦ Instalaţii solare pentru desalinizarea apei; ♦ Sateliţi alimentaţi cu energie solară; ♦ Roboţi spaţiali alimentaţi cu energie solară; ♦ Nave spaţiale interplanetare alimentate cu energie solară; ♦ Instalaţii de climatizare pe timp de vară; ♦ Instalaţii de încălzire pe timp de iarnă; ♦ Încălzirea apei menajere; ♦ Pile solare; ♦ Sobe de gătit solare; ♦ Frigidere solare; ♦ Case alimentate cu energie şi căldură de la soare; ♦ Piscine alimentate cu apă încălzită de razele solare; ♦ Lămpi solare, care se încarcă cu energie ziua şi noaptea emit lumină. ♦ Automobile solare. Automobilul solar Modul de funcționare al unui automobil cu propulsie fotoelectrică este următorul: energia solară captată de panourile solare ale automobilului este furnizată unei baterii de acumulatoare. Energia electrică furnizată de acumulatoare este transmisă unui motor electric de curent continuu ce propulsează maşina. În cazul în care deplasarea se face într-o zonă însorită, energia furnizată de panouri poate servi direct propulsiei, acumulatorii fiind solicitaţi numai atunci când este umbră sau vehiculul urcă pe o pantă abruptă. La un automobil, energia electrică este necesară pe lângă alimentarea motorului, la blocul de lumini şi la o multitudine de elemente comandate şi acţionate electric. În figurile 2.1., 2.2. şi 2.3. sunt prezentate prototipuri de automobile propulsate cu energie solară.

16

[Type the document title] Figura 2.1.

Figura 2.2.

Figura 2.3.

Energia solară este practic inepuizabilă. Este cea mai curată formă de energie de pe pământ şi este formată din radiaţii calorice, luminoase, radio sau de altă natură, emise de soare. Cantităţile uriaşe ale acestei energii stau la baza majorităţii proceselor naturale de pe Pământ. Cu toate acestea, este destul de dificilă captarea şi stocarea ei într-o anumită formă (în principal căldură sau electricitate) care să pemită utilizarea ei ulterioară. 17

[Type the document title] Energia solară poate încălzi locuinţele în mod pasiv, datorită construcţiei acestora (casele pasive) sau poate fi stocată în acumulatoare termice sub formă de energie termică. Căldura generată solar se poate folosi în principal la prepararea apei calde menajere, încălzirea agentului termic responsabil de temperatura ambiantă a casei şi încălzirea piscinelor. Există chiar şi instalaţii de aer condiţionat bazate pe căldura solară, unde aceasta reprezintă energia principală necesară răcirii aerului. Utilizarea energiei solare reprezintă la nivel global cea mai eficientă metodă de a aduce căldura în locuinţe. În general, cantitatea de căldură solară ce cade asupra acoperişului unei case este mai mare decât energia totală consumată în casă. Cu mijloace simple, eficiente constructiv, se poate utiliza energia solară pentru a reduce sau chiar pentru a înlocui total celelalte surse de energie necesare traiului dintr-o locuinţă modernă. Particularităţi ale energiei solare Soarele reprezintă sursa de energie a Pamântului, contribuind la menținerea temperaturii planetei mult peste valoarea de ʺaproape bineʺ, întâlnită în spaţiul interplanetar şi este singura sursă de energie capabilă să întreţină viaţa pe Pământ. Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o durată a existenţei radiaţiei solare de încă aproximativ 4…5 miliarde a ani. Pentru studiul radiaţiei solare, este important să fie definite câteva mărimi importante. Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară primită de la Soare, măsurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcţia razelor solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350 W/m2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliţilor de cercetare ştiinţifică. Atmosfera terestră şi suprafaţa Pământului interacţionează cu radiaţia solară, producând o serie de transformări ale acesteia, aşa cum se observă în figura 2.4.

Fig. 2.4. Schema interacţiunilor dintre energia solară şi atmosfera, respectiv suprafaţa terestră

Fluxul de energie radiantă solară, care ajunge la suprafaţa Pământului este mai mic 18

[Type the document title] decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, intensitatea radiaţiei solare este redusă treptat. Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiaţiei solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbţia şi difuzia. În atmosferă este absorbită (reţinută, filtrată) aproape total radiaţia X şi o parte din radiaţia ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon şi alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbţia radiaţiei solare de către atmosferă. Radiaţia absorbită este în general transformată în căldură, iar radiaţia difuză astfel obţinută este retrimisă în toate direcţiile în atmosferă. Prin aceste procese, atmosfera se încălzeşte şi produce la rândul ei, o radiaţie cu lungime de undă mare, denumită radiaţie atmosferică. În plus, faţa de cele două mecanisme de modificare a intensităţii radiaţiei solare, o parte din radiaţia solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer şi anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte din radiaţia solară este disipată, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezintă radiaţia bolţii cereşti. Radiaţia globală ajunsă de la Soare, pe o suprafaţă orizontală la nivelul solului întro o zi senină, reprezintă suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză. Radiaţia solară directă depinde de orientarea suprafeţei receptoare. Radiaţia solară difuză poate fi considerată aceeaşi, indiferent de orientarea suprafeţei receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferenţe. Figura 2.5 prezintă proporţia dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă, în radiaţia globală. Este interesant de remarcat că radiaţia difuză prezintă o pondere mai mare decât radiaţia directă.

Fig. 2.5. Raportul dintre radiaţia difuză şi radiaţia directă

Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeţei Pământului, perpendicular pe direcţia razelor solare, pentru condiţiile în care cerul este perfect senin şi lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale şi Europei de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2. Această valoare reprezintă suma dintre radiaţia directă şi difuză. 19

[Type the document title] Radiaţia solară este influenţată de modificarea permanentă a câtorva parametrii importanţi, cum sunt: • Înălţimea soarelui pe cer (unghiul format de direcţia razelor soarelui cu planul orizontal); Unghiul de înclinare a axei Pământului; • Modificarea distanţei Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie eliptică, uşor excentrică.); • Latitudinea geografică. În figura 2.6. este reprezentată variaţia densităţii radiaţiei solare în funcţie de înălţimea Soarelui, adică unghiul format de direcţia razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situaţii atmosferice.

Fig. 2.6. Variaţia radiaţiei solare în funcţie de direcţia razelor solare, pentru diferite situaţii atmosferice

Potenţialul de utilizare a energiei solare în Romania, este relativ important, aşa cum se observă în figurile 2.7 şi 2.8, care reprezintă hărţi ale radiaţiei solare globale. Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450…1600kWh/m2/an, în zona Litoralului Mării Negre şi Dobrogea ca şi în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea regiunilor ţării, fluxul energetic solar anual, depăşeşte 1250…1350kWh/m2/an.

Fig. 2.7. Harta intensităţii radiaţiei solare în Europa şi România

20

[Type the document title]

Fig. 2.8. Harta schematică a radiaţiei solare în România

Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta şi chiar de la o zi la alta, în aceeaşi localitate şi cu atât mai mult de la o localitate la alta. În figura 2.9., este prezentat nivelul mediu al insolaţiei, reprezentând cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă şi cade pe suprafaţa pământului, în localitatea Bucureşti.

Fig. 2.9. Nivelul mediu al insolaţiei în Bucureşti

Evident, radiaţia solară este distribuită neuniform pe suprafaţa Pământului, poziţia geografică şi condiţiile climatice locale, având o influenţă deosebită pentru impactul radiaţiei solare asupra suprafeţei terestre. Câteva dintre datele statistice referitoare la radiaţia solară, disponibile pentru România, sunt prezentate în tabelele 1,2 şi 3.

21

[Typ [Type the document title] Tab. 1. Densitatea puterii raddiante solare globale medii [W/m2], pe o suprafaţ faţă orizontală, în Buucureşti: A – cer acoperit, S – cer senin

Tab. 2. Durata mediie orară de strălucire a soarelui, la ora 12 (11:30 – 12:30)

Tab. 3. Sumeele medii orare ale duratei de strălucire a Soarelui

Com ompoziţia spectrală a radiaţiei solare Principalele compon onente ale radiaţiei solare care ajunge pe p Pamânt şi participaţia fiecărei compone nente în radiaţia globală, din punct de vedere ener ergetic, sunt: - radiaţie ultraviole letăă 3% - radiaţie vizibilăă 42% - radiaţie infraroşie şie 55% Fiecărei componente a radiaţiei, îi corespunde câte un domeniu bine definit al lungimilor de undă: - radiaţie ultravioletă 0,28 - 0,38 microni; - radiaţie vizibilă 0,38 - 0,78 microni; - radiaţia infraroşie 0,78 - 2,50 microni. Contribuţia energetică că a radiaţiei solare globale, în funcţie de lun ngimea de undă, cea radiaţie, este între 0,3 si 2,5 microni, pentru o suprafaţă perpendiculară pe acea reprezentată calitativ în figura ra 2.10.

22

[Type the document title]

Fig. 2.10. Distribuţia energiei radiaţiei solare, în funcţie de lungimea de undă (microni)

Se observă că cea mai mare cantitate de energie termică se regăseşte în domeniul radiaţiei infraroşii şi nu în domeniul radiaţiei vizibile, ceea ce sugerează ideea că această radiaţie poate fi captată eficient şi în condiţiile în care cerul nu este perfect senin. Pentru realizarea acestui obiectiv, au fost realizate panourile solare cu tuburi vidate, iar pentru captarea eficientă a radiaţiei solare, chiar şi la temperaturi sub 0°C, s-au realizat panouri solare cu tuburi termice. Panourile solare plane, mai simple din punct de vedere constructiv şi deci mai ieftine, sunt mai puţin performante, din punct de vedere al capacităţii de a capta radiaţia difuză, decât panourile solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice. Captarea radiţiei solare Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă. Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de înclinare faţă de orizontală, prezentat în figura 2.11 şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 2.12.

Fig. 2.11. Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă de orizontală

23

[Type the document title]

Fig. 2.12. Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia Sud)

Figura 2.13 prezintă într-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile. Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obţine cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentru România.

Fig. 2.13. Influenţa combinată a unghiului de înclinare şi a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile

Analizând figura 2.12, se observă că unghiul de înclinare optim, care permite captarea optimă a radiaţiei solare, este de cca. 15…55°, iar abaterea de la direcţia Sud, poate să se situeze între ±40° fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiaţia solară poate fi recuperată în proporţie de 90…95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează murdărirea suprafeţei captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutăţirea performanţelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcţia Sud, de ±60°, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90…95% din radiaţia solară. Chiar şi colectorii montaţi vertical, cu o abatere de până la ±20° faţă de direcţia Sud, pot recupera 80% din radiaţia solară, ceea ce sugerează posibilitatea montării acestora pe faţadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că în cazul unui unghi de înclinare de 30° şi a unei abateri de la direcţia Sud de 45°, care corespunde 24

[Type the document title] direcţiei SV, gradul de captare a radiaţiei solare este de 95%. Ca o consecinţă a celor menţionate, se poate spune că orientarea captatorilor solari faţă de orizontală şi faţă de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar putea să pară la prima vedere. Mult mai importantă, din punct de vedere a capacităţii de captare a energiei solare, este tehnologia utilizată pentru o construcţia colectorilor solari, deoarece în mod inevitabil, conversia energiei solare în energie termică se realizează cu unele pierderi, acestea fiind evidenţiate în figura 2.13. Pentru captarea razelor de soare şi conversia fototermică se folosesc mai multe sisteme: ♦ Sisteme cu receptor central - aceste sisteme concentrează razele de soare spre un colector central cu ajutorul unor oglinzi plasate radial; ♦ Sisteme cu albii - albiile sunt lungi, formate din oglinzi curbate ce concentrează razele soarelui pe ţevi umplute cu un lichid. Acest lichid poate atinge temperaturi foarte mari ( până la 400 grade C ); ♦ Sisteme cu parabolă - folosesc o parabolă ce concentrează radiaţiile solare spre un colector montat în punctul focal al acesteia. Colectoare solare Principalele tipuri de colectoare solare folosite în aplicaţiile obişnuite sunt: ♦ colectoarele plane; ♦ colectoare cu tuburi vidate. Colectoarele plane (figura 2.14) sunt formate dintr-o reţea de ţevi din material termoconductor (cupru), cu aripioare din tablă pentru creşterea suprafeţei de captare. Ansamblul este aşezat într-o cutie izolată termic foarte bine. Această cutie are peretele transparent expus la soare (din sticlă cu transparenţă ridicată), iar suprafaţa ţevii şi a aripioarelor metalice este acoperită cu un strat dintr-un material care facilitează absorbţia radiaţiilor solare şi limitează în acelaşi timp reflexia acestora. Eficienţa acestui tip de colectoare este mai redusă decât a colectoarelor cu tuburi vidate, la suprafeţe de captare similare. Au un preţ de cost relativ scăzut.

Figura 2.14. – Colector plan

Colectoarele cu tuburi vidate (figura 2.15) au fiecare tub format din două tuburi concentrice din sticlă borosilicat (foarte rezistentă şi cu un grad de transparenţă ridicat), sudate între ele. Spaţiul dintre cele două tuburi se videază, iar suprafaţa interioară a tubului interior se acoperă cu un strat selectiv cu excelente proprietăţi de absorbţie a radiaţiei solare (>92%) şi cu o reflexivitate foarte redusă (