Potentialul geotermal al Romaniei. Punerea in valoare a Geotermalului de Bucuresti

Aceasta lucrare, discutata in cadrul Congresului WREC 2015 de la Bucuresti, trateaza potentialul energetic geotermal al Romaniei, atat din punct de vedere al geotermiei de adancime, cat si al geotermiei de suprafata. Ea face posibila cunoasterea zacamantului geotermal al Bucurestiului, aflat la o  adancime de  peste 800 m ÷ 1.000 m si la o temperatura de cca 40°C, posibil de valorificat cu ajutorul unor module “Geothermal district heating/cooling”, care utilizeaza pompe de caldura geotermale actionate electric prin grupuri de cogenerare, de mica si medie putere, instalate pe locatie.

Lucrarea propune realizarea a doua proiecte demonstrative in Bucuresti ale caror performante tehnice, energetice, economice si de mediu sunt determinante in decizia de instalare, in Bucuresti si in zonele sale limitrofe, a unor astfel de variante alternative la sistemele actuale ineficiente energetic de alimentare cu energie termica (de incalzire si de racire) a Capitalei si a zonei sale metropolitane.

Domenii de exploatare a energiei geotermale

Energia geotermala inseamna energia stocata sub forma de caldura sub stratul solid al suprafetei terestre. [1]

In functie de adancimea de la care se exploateaza aceasta sursa energetica, energia geotermala se imparte in doua categorii [2]:

• Shallow geothermal – pentru adancimi de pana la 400 m;
• Deep geothermal – pentru adancimi de peste 400 m.

Potentialul energetic actual al domeniului Deep geothermal in Romania

Zacamantul „deep geothermal“ al Romaniei este localizat in principal in vestul tarii.

Puterea termica declarata a sondelor existente este de 480 MWth (pentru o temperatura de referinta de 25°C). Dintre acestea, la ora actuala sunt functionale doar un numar de 96 sonde, care produc apa fierbinte in domeniul de tempe­ratura de 40°C ÷ 115°C, echivalent a 180 MWth. [3]

Pentru cresterea puterii termice se poate face o combinatie intre tehnologiile aferente celor doua categorii de energie geotermala. Astfel, daca avem in vedere utili­zarea pompelor de caldura si reinjectia apei in sol cu o temperatura de max. 10°C, puterea termica a sondelor actuale poate creste pana la valoarea de 625 MWth, ceea ce creeaza un potential energetic anual de 282 mii tep/an (1 tep = 11,63 MWh).

Potentialul geotermal situat sub adancimea de 800 m ÷ 1.000 m, cu temperatura de 40°C, din Bucuresti

Dupa cum se prezinta in figura 1, conform forajelor de cercetare rea­li­zate de FORADEX, a prelucrarilor recen­te si a determinarilor hidro-geologice [4], exista in afara zacamantului Otopeni cunoscut, un acvifer situat sub adancimea de 800 m ÷ 1.000 m, cu o temperatura la gura sondei de 40°C, actualmente nepus in valoare, intins pe intreaga supra­fata a Capitalei, cu extindere importanta spre sud, pe care-l numim “geotermalul de Bucuresti” si despre care stim urmatoarele [4]:

• Directia de curgere: Sud – Nord;
• Viteza de curgere: 3÷4 m/an;
• Debitul max. de exploatare per foraj: 35 l/sec;
• Incarcarea cu saruri: 1÷2 g/l;
• Temperatura la gura forajului: 40°C.

Conceptul de valorificare energetica a geotermalului de Bucuresti

Conceptul propus pentru valorificarea energetica a geotermalului de Bucuresti este prezentat in figura 3.

Conform figurii 3, apa cu poten­tial termic ridicat este extrasa din forajele de alimentare si stocata intr-un rezervor de amestec GA, de unde este dirijata catre puncte termice locale PT, de regula cele existente sau unele noi, prin intermediul unei retele geotermale tur/retur, instalate, de obicei, pe traseul si in locul conductelor existente.

Punctele termice actuale sau cele noi se echipeaza cu un sistem de pompe de caldura reversibile HP, de tipul „Apa – Apa“, alimentate electric de un grup insotitor de cogene­rare de inalta eficienta energetica CHP, cu care se asigura, tot anul, atat consumul electric al PT cat si necesarul apei calde de consum, in paralel cu productia pompelor de caldura care livreaza agent termic cald sau rece, dupa sezon.

Distributia agentilor termici intre punctele termice si consumatorii finali se realizeaza prin retelele secundare actuale de incalzire si apa calda de consum sau prin retele secundare noi, la consumatori noi.

Dupa cedarea intregului potential termic (de cca 33°C), apa geotermala este adusa in rezervorul de amestec GA si, daca temperatura sa este suficient de scazuta, se reinjecteaza in sol in cantitati egale cu debitul geotermal de temperatura ridicata exploatat.

Daca astfel de „Module GeoDH/C“ sunt instalate in Bucuresti, la cca 40 capete de coloana din termoficarea urbana existenta, se creeaza o capacitate instalata de 800 MWth, capabila sa produca anual cca 260 mii tep/an, ceea ce dubleaza, practic, potentialul geotermal „deep“ al Romaniei, pe care-l estimam la 542 mii tep.

Pentru consumul cla­dirilor alimentate astazi in Bucuresti din sistemul centralizat SACET – RADET, capacitatea geotermala astfel instalata, prin punerea in va­loare a geo­termalului de Bucuresti, reprezinta aproximativ 40% din necesarul actual.

Disponibilitatea Modulelor GeoDH/C de a produce „frig“ in sezonul cald al anului este deosebit de impor­tanta pentru cladiri noi sau cladiri moder­nizate, de tip municipal, rezidential sau tertiar, care trebuie sa fie climatizate eficient energetic la temperaturi de peste 35°C vara in zona I din figura 4, odata cu cresterea temperaturii globale.

Potentialul energetic shallow al Romaniei

Din punct de vedere climatic, Romania este impartita in cinci zone climatice, pe baza temperaturilor exterioare minime anual (utilizate pentru determinarea necesarului termic la incalzire) si in doua zone climatice de tip „shallow geothermal“, utilizate in calculul energiilor anuale de incalzire si de racire in cazul utilizarii pompelor de caldura geotermale) asa cum rezulta din cele prezentate in figura 4. [7]

Conform datelor statistice prelucrate [7] avem urmatoarele valori:

• Zona I – care necesita incalzire iarna si racire vara de tip geotermal, cu pompe de caldura:

– QH_{usable factor medie/valoare Bucuresti} 1.881/2.129 [kWh/kW];

– QAC_{usable factor medie/valoare Bucuresti} 2.019/1.774 [kWh/kW]

– Zona II – care necesita doar incalzire de tip geotermal, cu pompe de caldura, iarna:

– QH_{usable factor medie} 2.332 [kWh/kW].

Potentialul energetic de tip shallow geothermal al Romaniei este estimat la valoarea de 183 mii tep/an, daca ne bazam exclusiv pe resursele din zona geotermala I, unde aplicatiile posibile de puteri termice mari sunt in orasele mari de campie, favorizate de aproprierea unor cursuri importante de apa (Dunarea, Mures, Jiu, Olt etc.), care alimenteaza straturi acvifere cu debit ridicat, valorificabile energetic.

Utilizarea mixta deep & shallow geothermal

O alta varianta posibila pentru asigurarea incalzirii/racirii eficiente energetic a cladirilor racordate la actualul sistem de termoficare sau la sistemele GeoDH/C este combinarea energiei geotermale de adan­cime cu energia geotermala de suprafata prin realizarea sistemelor ATES, adica „Aquifer Thermal Energy Storage“, bazat pe polarizarea unor foraje de alimentare (+7 ÷ +8°C peste tempera­tura pamantului neperturbat) si a unor foraje de injectie (-7°C ÷ -8°C sub temperatura pamantului neperturbat), astfel incat ecartul util de temperatura de lucru sa fie de 14°C ÷ 16°C, iar temperaturile de intrare in pompele de caldura, iarna si vara, favorabile realizarii unor performante energetice foarte ridicate (SPF, adica „Seasonal Performance Factor“ >4,5).

Dupa cum se poate observa din figura 5, apa cu potential geotermic ridicat vehiculata prin intermediul retelei geotermale, este folosita pentru polarizarea agentului termic si a forajelor din sistemul ATES (Aqvifer Thermal Energy Storage).

Proiecte demonstrative „geothermal district heating/cooling“ in Municipiul Bucuresti

Conversia centralelor termice de cvartal Floreasca si Aviator Protopopescu, intr-un sistem GeoDH eficient energetic

Am analizat cazul Centralei Termice de Cvartal Floreasca, intrucat ea reprezinta astazi in Bucuresti cel mai mare si mai urgent caz de interventie, deoarece este o centrala termica foarte veche, cu un consum termic foarte mare (cca 33 mii MWh/an), aflata in imposibilitate de oprire, cu costuri de exploatare foarte ridicate (intrucat aici caldura nu este produsa prin cogenerare, ci prin ardere de gaz natural in cazane atat de vechi, incat se afla in afara conditiilor ISCIR de siguranta in exploatare). Centrala Termica Aviator Protopopescu face parte, alaturi de Centrala Termica Floreasca, dintr-o lista cu 46 pozitii de centrale termice de cvartal, care trebuie urgent modernizate deoarece nu folosesc cogenerare, ele arzand gaz natural in mod neeconomic.

Proiectul demonstrativ ales de noi isi propune sa transforme Centrala Termica Floreasca intr-un sistem GeoDH, care alimenteaza cu agent geotermal si un modul ATES destinat modernizarii Centralei Termice Av. Protopopescu, asa cum se arata in figura 6.

Daca analizam graficul din figura 7 observam ca, in perioada sezonului rece, adica intre lunile octombrie si aprilie, este necesara livrarea atat a energiei termice pentru incalzire, cat si asigurarea apei calde de consum. In aceasta perioada, aproape intrea­ga productie de energie electrica rezultata din procesul de cogenerare de inalta eficienta energetic este folosita in scop propriu, pentru acoperirea consumului pompelor de caldura (in principal), dar si pentru functionarea pompelor de circulatie, si nu numai.

Pe perioada sezonului cald, adica din aprilie pana in octombrie, deoarece in cadrul rezidential trebuie livrat doar agent termic cald pentru prepararea apei calde de consum, surplusul de energie electrica rezultata prin procesul de cogenerare (Export) se introduce in sistemul energetic national.

Prezentam mai jos bilantul termic al acestui sistem si observam urmatoarele:

• Intrarile in sistem sunt repre­zentate de gaz (pentru sistemul de cogenerare) si sursa regenerabila (geotermala);
• Iesirile din sistem sunt repre­zentate de energia termica livrata pentru incalzire si apa calda de consum, energia electrica exportata in reteaua nationala publica de distributie a energiei electrice, precum si de un nivel de 11% reprezentand energia de pompare, precum si pierderile termice ale procesului tehnologic.

Dupa cum se poate observa din figura 8, energia din sursa regene­rabila reprezinta mai mult de 50% din energia termica livrata, astfel ca, in conformitate cu Directiva Europeana 27/2012 si cu Legea 121/2014, putem spune ca este vorba de un sis­tem eficient de incalzire centralizat. [5]

Din punct de vedere financiar, se observa ca se ajunge la un pret de livrare a energiei termice de cca. 40÷45 Euro/MWh.  In aceste conditii, din punct de vedere al interesului populatiei, vorbim despre un pret foarte atractiv, suportabil pe termen lung, iar daca analizam interesul Autoritatii Publice Locale vorbim despre un sistem public care NU necesita subventii pentru protectia populatiei.

Actualmente, in Bucuresti, sistemul public de termoficare este subventionat in proportie de aproape 100% de catre Primaria Capitalei.

In situatia actuala, pentru livrarea cantitatii anuale de energie, de 32.451 MWhth/an (cu hasura rosie), este necesar un consum de gaz de cca 50.000 MWh/an (cu hasura neagra) (fig. 9). In acest caz, rezulta un randament energetic al instalatiei de 65%.

In urma modernizarii centralei termice se observa ca este necesara o cantitate mult mai redusa de gaz (hasura neagra) pentru producerea unei cantitati de energie termica si electrica de 41.177 MWh/an (hasura rosie). Randamentul energetic al instalatiei, in acest caz, datorita utilizarii energiei regenerabile in pondere ridicata, ajunge la peste 140%, ceea ce denota o comportare ecologica corespunzatoare in raport cu mediul ambiant a solutiei tehnolo­gice propuse.

Transformarea cladirilor publice, reabilitate termic, din centrul civic, in cladiri cu un consum de energie aproape zero (nZEB)

In conformitate cu Legea 372/2005 (republicata in 2013) si Legea 121/2014: „Cladirile noi sau cele renovate major din proprietatea/administrarea autoritatilor administratiei publice, care urmeaza sa fie receptionate dupa 31 decembrie 2018, vor fi cladiri cu un consum de energie din surse conventionale aproape egal cu zero“ (nZEB). [6]

De aceea, al doilea proiect demonstrativ propus il reprezinta transformarea cladirilor publice reabilitate termic, din centrul civic, in cladiri cu un consum de energie aproape zero (nZEB). Trebuie tinut cont de faptul ca, spre deosebire de cladirile de locuit, cladirile publice au nevoie atat de incalzire cat si de racire pe perioada unui intreg an calendaristic, in principal din cauza sistemelor de ventilatie a spatiilor aglomerate (ventilatie inseamna intro­ducerea controlata de aer proas­pat atmosferic tratat, cu evacuarea cores­­­punzatoare a aerului viciat).

In cazul de fata, dupa cum se poate observa, vorbim despre ener­gie termica pentru incalzire, pentru prepararea apei calde de consum, energie pentru racire, dar si energie electrica livrata sistemului de distributie nationala, daca se urma­reste si acoperirea consumului de energie pentru iluminatul cladirilor publice.

Pe baza bilantului termic, obser­vam ca randamentul energetic al sistemului (randamentul de utilizare al gazului) este net superior cazului prezentat anterior, valoarea acestuia ajungand la 200%, ceea ce repre­zinta o NOTA ECOLOGICA de exceptie (domeniul nZEB).

Analizand performanta energe­tica a cladirilor publice, raportat la energia finala si energia primara, observam ca, dupa retehnologizare, cladirile trec din clasa de eficienta energetica „C“ in clasa de eficienta energetica „A+++“, confirmand clasificarea cladirilor ca fiind nZEB (nearly Zero Energy Buildings).

Automatizarea

Pentru a putea functiona corect si la parametrii proiectati, un astfel de sistem trebuie sa dispuna de o instalatie de automatizare performanta.

De aceea, forajele de adancime sunt monitorizate sub aspectul variatiilor de temperatura, atat la dife­ritele inaltimi ale forajelor de alimentare, cat si la diferitele inaltimi ale forajelor de injectie, precum si la diferite nivele ale unui foraj suplimentar de control al interferentelor care pot aparea in timp, pe parcursul exploatarii. Pentru monitorizare se foloseste metoda DTS (Distributed Temperature Sensing) bazata pe fibra optica.

Rezultatele masuratorilor sunt preluate intr-un sistem DDC (Direct Digital Control) care monitorizeaza si conduce intreg sistemul tehnologic de producere a energiei termice si electrice.

Bibliografie

[1] Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009;

[2] Geotrainet training manual for designers of shallow geothermal systems, ISBN No. 978-2-9601071-0-4;

[3] Rosca M., Bendea C., Cucueteanu D., Geothermal energy use, country update for Romania, 2013;

[4] Zeghici R, Contributii privind implementarea surselor neconventionale in sisteme de alimentare cu energie a cladirilor si evaluarea performantelor energetice, PhD Thesis, 2013;

[5] Directiva Europeana 27/2012, Legea 121/2014 a Romaniei;

[6] Legea 372/2005 (republicata in 2013) si Legea 121/2014;

[7] Polizu R., Popa F., Contributii la Metodologia de calcul a productiei de energie regenerabila realizata de catre pompele de caldura geotermale in Romania – ISBN 2069-1165, 2010.

Autori:
ing. Radu POLIZU – vicepresedinte Societatea Romana Geoexchange, expert EU Geotrainet Designer
ing. Radu Hanganu-Cucu – director executiv Societatea Romana Geoexchange, US Certified Geoexchange Designer

 …citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 118 – septembrie 2015, pag. 58