TEHNOLOGII DE OBTINERE A ENERGIEI-3

 Centrale hidroelectrice (CHE)

Hidrocentralele (figura 18) sunt instalaţii complexe în care energia hidraulică a căderilor de ape naturale sau artificiale este transformată în energie mecanică prin intermediul turbinelor hidraulice şi apoi în energie electrică, în generatoare de curent electric.

Energia hidraulică depinde de debitul cursurilor de apă   | care este variabil în timp, de înălţimea căderii de apă şi indirect, de condiţiile meteorologice. Astfel, centralele pot fi amplasate: pe râuri, fluvii cu debite foarte mari de apă, pe râuri de deal cu pante medii (figura 19), pe râuri de munte care curg de-a lungul unor pante repezi (figura 20). Pentru realizarea hidrocentralelor se fac anumite construcţii şi amenajări hidroenergetice.

•  Barajul închide valea unui curs de râu şi serveşte la crearea unei diferenţe de nivel pentru căderea de apă, a unei acumulări de apă sau în ambele scopuri.

•  Lacul de acumulare constituie o rezervă „tampon" de apă, care compensează variaţiile de debit ale râului. Se poate crea artificial o mărire a debitului, proporţională cu mărimea lacului, pentru o anumită perioadă de timp.

•  Canalul de aducţiune asigură circulaţia apei între lac și castelul de echilibru în cazul centralelor pe râuri cu pante mici de curgere. Poate fi construit sub formă de canale deschise, conducte sau tunele.

•  Castelul de echilibru este un rezervor situat la capătul canalului de aducţiune, serveşte la limitarea suprapresiunilor în conducta forţată şi asigură debitul necesar în momentul pornirii turbinelor sau la sporirea sarcinii acestora.

•  Conducta forţată uneşte castelul de echilibru cu sala turbinelor. Având panta mare, asigură o viteză şi o presiune mare la intrarea în turbină.

•  Canalul de fugă este conducta prin care se evacuează apa din turbinele hidraulice.

Cele trei tipuri de hidrocentrale existente prezintă o serie de particularităţi constructive şi de exploatare. La centralele pe râuri de munte, apa preluată din lacul format în spatele barajului coboară prin conducta forţată, cu pantă mare până la turbine, de unde prin canalul de fugă este returnată în albie. La centralele pe râuri cu debite şi pante mici (colinare), apa este preluată din lacul de acumulare prin conducta de aducţiune până într-un punct ce asigură o pantă şi o înălţime de cădere mai mare; aici se preia şi apa din castelul de echilibru. La centralele de pe fluvii, diferenţa de nivel se obţine pe seama înălţimii barajului, iar ansamblurile turbină-generator sunt amplasate în corpul barajului.

Ţara noastră dispune de o reţea dezvoltată de amenajări hidroenergetice dintre care amintim:

-Vidraru pe râul Argeş (figura 21); Ciunget pe Lotru (zonă de munte);

-  Porţile de Fier I şi Porţile de Fier II pe Dunăre (pe fluviu);

-  Stejaru - Bicaz (figura 22) pe râul Bistriţa (zonă colinară).

Hidrocentralele prezintă următoarele avantaje: nu necesită combustibili, costul energiei electrice produse este scăzut, personal redus de întreţinere şi exploatare, nu poluează mediul ambiant, porniri/opriri uşoare şi rapide ce pot prelua variaţii bruşte de sarcină, siguranţă în funcţionare, randament ridicat.

Dezavantajele hidrocentralelor constau în: dependenţa de regimul fluvial, dependenţa amplasării faţă de formele de relief şi sursele de apă, valoarea foarte mare a investiţiei, efectuarea construcţiilor durează mult şi necesită forţă de muncă numeroasă.

Enumeraţi elementele constructive necesare funcţionării unei hidrocentrale. Identificaţi amenajările hidroenergetice, comune celor trei tipuri de hidrocentrale. Precizaţi ce este; caracteristic centralelor de pe fluvii.

Tehnologii neconvenţionale de obţinere a energiei

Valorificarea energiei solare

Energia solară poate fi valorificată în trei moduri:

•   obţinerea căldurii de joasă temperatură prin intermediul colectoarelor solare (panouri solare);

•  producerea căldurii de înaltă temperatură în centrale solare;

•  transformarea radiaţiei solare direct în energie electrică prin efect fotovoltaic (celule fotovoltaice).

Transferarea energiei solare către agentul termic de joasă temperatură se foloseşte în domeniul casnic, la sere, şi în unele tehnologii din industria alimentară şi textilă.

Panourile solare (figura 23) funcţionează pe principiul efectului de seră: geamul care acoperă colectorul nu permite căldurii să fie reflectată din nou în spaţiu, iar izolaţia nu permite dispersia căldurii. Suprafeţele colectorului sunt vopsite în culori închise, mate, care asigură absorbţia unei cantităţi mari de radiaţii solare.

La noi în ţară panourile solare sunt folosite în staţiunile de pe Litoral pentru obţinerea apei calde în hoteluri, la casele solare, la întreprinderea de ceramică de la Jimbolia.

A doua modalitate se realizează încălzind apa cu ajutorul unor oglinzi numite heliostate (figura 24). Aceste oglinzi captează şi focalizează razele solare spre cuptorul unui cazan. Apa, transformată în aburi atinge temperaturi şi presiuni ridicate; aburul dirijat către turbina termică produce energie mecanică, iar aceasta este transformată de către generator în energie electrică.

A treia variantă vizează efectul fotovoltaic/fotoelectric; elementul care transformă energia solară în energie electrică este celula fotoelectrica a cărei funcţionare se bazează pe proprietatea unor materiale cum este siliciul, de a produce energie electrică sub acțiunea razelor de lumină. Aceste centrale sunt utilizate în spaţiul cosmic pentru a asigura energia necesară sateliţilor ce se rotesc jurul Pământului şi energia necesară funcţionării motoarelor rachetelor spaţiale. Deasemeni se utilizează la locuinţele aflate la distanţă de reţelele de distribuţie a energiei electrice (pe munţi, insule etc.). Este necesar totuşi, un sistem de stocare a energiei electrice pentru funcţionarea pe timp de noapte.

Captarea energiei eoliene

Centralele eoliene utilizează energia maselor de aer în mișcare - formă secundară a energiei solare. Ele au puteri mici zeci sau sute de KW şi sunt construite în zone cu condiţii  de circulaţie permanentă a curenţilor de aer sau în zone izolate de sisternul energetic. Este necesară utilizarea unor turbine eoliene prevăzute cu palete mobile, a căror înclinare se face automat, în funcţie de viteza vântului. Pentru a se produce energie electrică turaţia se menţine constantă.

Energia eoliană nu costă nimic, este nelimitată în timp şi nepoluantă prin noxe fiind numită şi „energia verde". Este totuşi poluantă prin zgomotul pe care-l produce şi prin modificarea peisajului. Există premise ca, în pofida unor cheltuieli ale instalaţiilor relativ ridicate, în viitor să fie găsite soluţii mai economice şi cu randamente din ce în ce mai ridicate, astfel încât energia eoliană să aibă o pondere în balanţa energetică mondială.

Astfel de centrale se întâlnesc în Olanda, Danemarca, Italia, Franţa, Germania, SUA. In România sunt în funcţiune centrale eoliene la Tihuţa - Bistriţa, Ploieşti, Baia - Tulcea, Corbu - Constanţa (figura 25).

Tehnologia geotermală, o soluţie energetică

Centralele geotermice (figura 26) utilizează drept sursă de energie primară căldura internă a Pământului. Energia scoarţei terestre este nelimitată şi teoretic s-ar putea exploata în

orice punct al Terrei.

Ca surse de energie geotermică amintim:

•  surse de abur fierbinte;

•  rezervoare naturale de apă fierbinte.

In cazul tuturor surselor, purtătorul de căldură este apa sau vaporii de apă la presiuni şi temperaturi ridicate, extraşi şi captaţi prin foraje. Aburul este apoi purificat şi introdus în turbine termice care asigură energia mecanică necesară generatoarelor electrice.

Principalele centrale geotermice existente în lume se află în Italia, SUA, Japonia, Noua Zeelandă, iar în ţara noastră, la Oradea. Există deasemenea 25 de localităţi care beneficiază de tehnologii de exploatare şi utilizare a apelor geotermale în scop energetic şi balneoterapeutic cum sunt: Călimăneşti, Cighid, Olăneşti, Căciulata.

Tehnologii de obtinere a energiei-2

TEHNOLOGII DE OBŢINERE A ENERGIEI-2
Obţinerea energiei electrice şi a energiei termice în centrale termoelectrice

A) Centrale termoelectrice cu abur

în aceste centrale (figura 7), transformarea energiei primare în energie termică se realizează în cazanul de abur, energia termică se transformă în energie mecanică în turbină, iar energia mecanică în energie electrică în generatorul electric.

Cazanul cu abur este o instalaţie folosită pentru producerea vaporilor de apă la o anumită temperatură şi presiune. Căldura necesară pentru vaporizarea apei se obţine prin arderea unor combustibili în focarul din interiorul instalaţiei. Transformarea energiei chimice a combustibilului în energie termică se realizează în două faze: procesul de ardere a combustibililor şi procesul de transmitere a căldurii dezvoltate prin ardere către apa care se vaporizează.

Turbina cu abur (figura 8) este un dispozitiv care transformă energia acumulată în aburul produs de cazan la presiune ridicată, în energie mecanică. Aburul prin intermediul unor palete pune în mişcare de rotaţie turbina. Astfel, energia potenţială a aburului este transformată în energie cinetică.

Generatorul de curent electric alternativ (alternator) este o maşină electrică care transformă energia mecanică primită de la turbina cu care este cuplat în energie electrică.

După modul în care este utilizat aburul la nivelul turbinei, termocentralele cu abur pot fi:

•  termocentrale cu condensaţie (CTE) - produc numai energie electrică;

•  termocentrale cu termoficare (CET) - utilizează o parte din abur în procesul de termoficare.

în termocentrala cu condensaţie (figura 9) aburul ajuns la presiunea atmosferică în urma destinderii în turbină (incapabil să mai producă energie mecanică) este condensat; căldura lui este preluată de un circuit de apă secundar şi cedată aerului prin turnul de răcire. Circuitul aburului este un circuit închis, iar pierderile de apă/abur se compensează cu un adaos de apă dedurizată.

Avantajul principal al termocentralelor cu condensaţie îl constituie faptul că pot fi amplasate în imediata apropiere a sursei de combustibil eliminându-se astfel cheltuielile de transport a combustibilului.

Termocentralele cu termoficare (centrale electrotermice) au randamente mai bune, cuprinse între 65%-75%, prin valorificarea căldurii de condensare drept căldură utilă. Cu această energie termică sunt alimentaţi consumatorii termici din mediul urban (cartierele de locuinţe), uscătoriile industriale, serele agricole (figura 10) şi combinatele industriale.

B) Termocentrale cu turbină pe gaz

în acest caz turbina cu abur este înlocuită cu o turbină acţionată cu gaze de ardere obţinute în camera de ardere; are randament mare, iar lanţul transformărilor energetice este mai scurt. Sunt recomandate pentru zonele secetoase dat fiind lipsa consumului de apă sau pentru zona de vârf a cerinţei de energie electrică.

C) Termocentrale cu ciclu combinat

Acestea funcţionează pe baza a două turbine: una cu gaz şi una cu abur.

Gazele de ardere sunt folosite în prima fază pentru acţionarea turbinei cu gaz după care, datorită temperaturii ridicate pe care o posedă, se utilizează la producerea aburului necesar acţionării turbinei cu abur.

Centralele pe combustibili fosili au pondere mare în ţările bogate în astfel de resurse: Rusia, Germania, Anglia, SUA, China.

în România, ponderea cea mai mare în producerea energiei electrice o au centralele: Turceni - figura 11 (cărbune, gaze naturale, păcură), Işalniţa - Craiova şi Mintia - Deva (cărbune, gaze naturale), Brăila, Bucureşti, Brazi (petrol, gaze naturale).

Reţineţi

Generatoarele de energie pot fi de: căldură, energie electrică, energie mecanică.

După natura consumului acoperit de centrală se deosebesc termocentrale industriale, urbane, mixte care pot cuprinde şi sere agricole.

Centralele nuclearo - electrice (CNE)

în aceste centrale, numite şi atomocentrale, aburul necesar acționării turbinelor se produce valorificând căldura rezultată în urma reacţiilor de fisiune nucleară - figura 12 a unor elemente chimice grele (uraniu - U ²³⁵, plutoniu - Pu ²³⁹).

Combustibilii nucleari fac parte dintre sursele epuizabile de energie, dar trebuie reţinut faptul că dintr-un kilogram de U₂₃₈ se poate obţine aceeaşi cantitate de energie ca din 14 tone de cărbuni. Pentru a putea utiliza energia termică rezultată în urma fracţiilor de fisiune nucleară se utilizează reactoare nucleare, în care aceste reacţii se desfăşoară în mod controlat. In figura 13 este prezentată schema de principiu a unui reactor nuclear de tip clasic.

Combustibilul nuclear constituit din bare de uraniu (figura 14) este introdus în moderator pentru a menţine sub control reacţia de fisiune. Moderatorul are rolul de a reduce viteza neutronilor rapizi rezultaţi în reacţiile de fisiune, astfel ca reacţia să fie controlată. Drept moderatori se utilizează grafitul, apa grea, beriliu. Masa de combustibil nuclear care asigură desfăşurarea continuă a reacţiei de fisiune, pentru care reacţia decurge cu viteză constantă este monitorizată permanent. Din acest motiv, reactorul nuclear este prevăzut cu bare de reglare, care se pot deplasa pe verticală. Acestea sunt formate din substanţe puternic absorbante de neutroni anume (bor, cadmiu) iar prin ridicarea sau coborârea lor se menţine constant numărul de neutroni care asigură desfășurarea normală a procesului.

Sistemul de răcire are rolul de a prelua căldura degajată din reacţii şi de a o transfera unui sistem de producere a aburului, apoi este utilizat la punerea în mişcare a turbinei, într-un montaj asemănător termocentralelor clasice. Drept agent de transfer termic care circulă prin sistemul de conducte în zona activă se poate utiliza apa, apa grea, heliu, dioxidul de carbon, metale topite.

Protecţia biologică a camerelor de reacţie, alcătuită din pereţi de beton căptuşiţi cu plumb are rolul de a împiedica difuzarea radiaţiilor nocive spre exterior.

Energia termică produsa in reactor, preluată de un agent termic primar, nu se utilizează la turbină ci este transferată unui agent de transfer termic secundar, care la rândul său, cedează căldura apei ce se transformă în aburul necesar turbinei.

In ţara noastră s-a dat în folosinţă primul grup electrogenerator a unei centrale nucleare la Cernavodă (figura 15) în anul 1996. Centrala este prevăzută cu reactoare de tip clasic, în care se utilizează drept combustibil uraniul natural, ca moderator apa grea, iar în primul circuit de răcire tot apa grea.

Acest tip de reactor este cunoscut sub denumirea „CANDU", în prezent fiind cel mai răspândit din lume. Acest tip de reactor poate fi adaptat să funcţioneze şi cu thoriu (Th).

In comparaţie cu termocentralele, din punct de vedere tehnico-ecornomic centralele nucleare prezintă următoarele avantaje:

•  datorită energiei foarte mari conţinute în combustibilul nuclear, cantităţile de combustibil care se consumă sunt mici, deci nu se mai pune problema amplasării centralei în funcţie de poziţia zăcământului;

•  costul energiei electrice produse este mai mic decât al celei produse din combustibili clasici cu până la 20-30%;

•  centralele nuclearo-electrice oferă şi posibilitatea producerii unor izotopi foarte necesari în tehnică, medicină, cercetare ştiinţifică;

•  nu poluează atmosfera cu gaze de combustie.

Dezavantaje:

•  investiţia iniţială este foarte mare, de circa 10 ori mai mare decât la o termocentrală de putere echivalentă;

•  consumul de apă de răcire este foarte ridicat, ceeea ce impune amplasarea centralei lângă un curs de apă cu debit mare şi implică o poluare termică mărită a acestuia. Dezavantajul poate fi convertit într-un avantaj dacă se amplasează centrala nuclearo-electrică în imediata apropriere a unei unităţi industriale mare consumatoare de energie termică şi electrică. Centrala nuclearo-electrică de la Cernavodă furnizează agentul termic necesar întregii localităţi Cernavodă.

•  subprodusele rezultate în reactor (bare de uraniu epuizat, bare de material absorbant etc.) sunt puternic radioactive şi depozitarea lor ridică probleme extrem de complexe, încă insuficient rezolvate pe plan mondial. In figurile 16 şi 17 sunt prezentate bazinul de combustibil uzat şi depozitul de combustibil ars de la Cernavodă.

•  riscul de accident nuclear. Prin proiectare, posibilitatea apariţiei unor asemenea accidente este redusă la minim, dar, s-au înregistrat totuşi câteva accidente majore cum a fost cel de la Cernobâl.

Tehnologii de obtinere a energiei-1

TEHNOLOGII DE OBŢINERE A ENERGIEI-1

Orice formă de energie poate fi transformată în altă formă de energie prin efectuare de lucru mecanic sau prin transfer termic. La unele dintre transformările energetice nu se apelează datorită limitelor impuse de costuri sau de tehnologiile existente.

Dispozitivele de transformare a energiei dintr-o formă în alta se numesc generatoare de energie (transformatoare de energie). Acestea pot fi:

-               simple, atunci când o formă de energie se transformă direct în alta (exemplu: energia chimică a combustibilului în căldură);

-               combinate, atunci când au loc mai multe transformări (exemplu: la motoarele termice, energia chimică a combustibilului se transformă în căldură, iar căldura în energie mecanică).

După forma energiei utile pe care o produc, generatoarele se împart în trei categorii:

•  Generatoare de căldură

-               chimice: cuptoare, cazane, camere de ardere;

-               electrice: cuptoare şi cazane electrice;

-               nucleare şi termonucleare: reactoare şi baterii nucleare;

-               solare: cuptoare şi cazane solare.

•  Generatoare de energie electrică

-               chimice: generatoare de curent continuu: pile, acumulatoare;

-               nucleare: baterii şi reactoare nucleare;

-               solare: fotoelemente;

-               termice: generatoare termoelectrice;

-               mecanice: generatoare electrice de curent continuu - dinamuri; generatoare de curent alternativ - alternatoare (figura 1).

•  Generatoare de energie mecanică (motoare)

-               termice, chimice: motoare cu piston, turbine cu abur;

-               electrice: electromotoare; ecanice: turbine eoliene, turbine hidraulice (figura 2).

Toate generatoarele au ca elemente funcţionale: sursa de energie, purtătorul de energie (exemplu: gazul în instalaţia unei turbine de gaz), acceleratorul (instalaţia în care se creează diferentă de potenţial şi se realizează acţiunea forţelor motoare care provoacă mişcarea sau accelerarea purtătorului de energie), receptorul de energie (exemplu: pistonul motorului, reţeaua electrică, conducta de abur).

Succesiunea de transformări care vizează forme sau purtători de energie poartă numele de lanţ de transformări energetice.

Orice lanţ porneşte de la o formă de energie primară şi sfârşeşte ca energie utilă. în industria energetică, cel mai frecvent lanţ porneşte de la combustibil fosil şi ajunge energie utilă trecând prin energie electrică.

Lanţ transformări energetice	Forma de energie	Utilajul folosit
Cobustibil à ardere	Energie chimică	Arzător
Gaze fierbinţi de ardere à transfer de căldură	Energie termică	Cazan de abur
Abur sub presiune à destindere	Energie mecanică	Turbină
Electricitate à transport şi conversie	Energie electrică	Generator electric
Energie utilă	Energie mecanica Energie termică Energie luminoasă	Motoare Rezistenţe electrice Lămpi

Obţinerea energiei mecanice

Prima sursă de energie folosită de om pentru a produce energie mecanică a fost propria forţă musculară.

Pentru a-şi economisi energia şi pentru a-şi uşura munca, omul a început să utilizeze pentru tracţiune forţa/energia animalelor şi să confecţioneze unelte cum sunt: piua pentru decojirea cerealelor, teascul pentru strivitul strugurilor, presa pentru strivitul seminţelor oleaginoase, plugul, războiul de ţesut, roata olarului. Mult mai târziu omul a inventat maşinile: maşina cu vapori construită de Savery (1698) utilizată exclusiv în minerit; maşina cu vapori a lui J. Watt utilizată în transport (1777); motorul solar (1861 - Mouchot), motorul în 4 timpi construit de Otto (1878), generatorul eolian ce transformă energia vântului în energie electrică (1930).

Până la inventarea maşinilor, omul a utilizat doar energia chimică a combustibililor şi energia apelor.

Motoarele sunt maşini care transformă în. energie mecanică alte forme de energie. Astfel întâlnim:

-               motoare hidraulice, folosesc energia cinetică posedată de apa în mişcare: moara de apă, turbina hidraulică;

-               motoare termice, care transformă energia termică produsă prin arderea combustibilului în energie mecanică: motor cu abur, turbină cu abur, turbină cu gaz, motor cu explozie, motor diesel, motor cu reacţie;

-               motoare eoliene, care transformă energia vântului în energie mecanică: moara de vânt (figura 3). turbina eoliană (figura 4);

-               motoare electrice, transformă energia electrică în energie mecanică.

Aprofundaţi!

Identificaţi momente importante în evoluţia tehnologiilor de obţinere a energiei.

Obţinerea energiei electrice

Cel mai important salt tehnologic din istoria umanităţii este considerat descoperirea în secolul al XIX-lea a mişcării electronilor sub forma curentului electric, dar şi a legilor fizice care guvernează comportarea acestuia.

Energia electrică se găseşte în natură - trăsnete, fulgere - dar neexistând posibilitatea de captare a acesteia nu a putut fi utilizată în scop tehnologic. In prezent energia electrică reprezintă cea mai utilizată formă de energie. Din totalul de energie primară prelucrată, cea mai mare parte se transformă în energie electrică. Transformarea energiei primare în energie electrică are loc în centrale electrice.

Centrala electrică este un complex de instalaţii în care se produce transformarea, prin intermediul energiei mecanice, a energiei primare a resurselor naturale în energie electrică.

în funcţie de tipul energiei primare utilizate, centralele electrice se pot clasifica astfel:

• centrale cu combustibili fosili (cărbuni, hidrocarburi) sau nucleari (U, Th, Pu);

•   hidrocentrale;

•   centrale neconvenţionale: eoliene, solare, geotermice.

In termocentrale, energia chimică a combustibililor se transformă în energie termică, aceasta în energie mecanică care, la rândul ei, se tranforma în energie electrică.

In hidrocentrale, energia potenţială a apei se transformă in energie mecanică şi apoi în energie electrică (figura 5).

In centralele de tip eolian şi mareomotrice, lanţul de transformări este identic cu cel al hidrocentralelor.

In centralele solare, energia solară se poate transforma direct în energie electrică sau mai întâi în energie termică.

Din punct de vedere constructiv toate tipurile de centrale au ca element comun ansamblul turbină - generator electric 4 figura 6).