Introducere

Dezbaterea cu privire la schimbările climatice și modul de a găsi soluții pentru producerea gratuită a energiei electrice, dar și preocupările privind epuizarea combustibililor fosili, a resurselor nucleare, în special reflectate în creșterea prețului petrolului, care reprezintă o povară mare mai ales pentru țările în curs de dezvoltare, reprezintă provocări viitoare pentru dezvoltarea energiei regenerabile.

Dezvoltarea durabilă satisface nevoile prezentului fără a compromite posibilitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi.[1]. Se împarte în 4 mari domenii: economic, social, ecologic și cultural, care trebuie astfel gestionate încât să fie evitate acțiunile ireversibile și defavorabile.

Accentuarea exploatării industriale a resurselor naturale a dus la un impact negativ asupra mediului, a climei Pământului și implicit asupra vieții omului. În aceste condiții, energia regenerabilă, reciclarea, eficiența energetică, au  roluri decisive în dezvoltarea durabilă și menținerea unui echilibru cu mediul înconjurător.

În funcție de tipul de tehnologie aleasă pentru producerea de energie din surse regenerabile, consumul de apă variază. Procesele prin care se produce energie sau combustibili, din biomasă, consumă apă, începând de la irigații, până la apa consumată în procesele de conversie. În sistemele solare concentratoare sau centralele geotermale se consumă o cantitate de apă comparabilă cu cea consumată de centralele termice clasice. Extinderea producției hidroelectrice trebuie să ia în considerare pierderile de apă prin evaporare. Cea mai redusă cantitate de apă o consumă sistemele eoliene și fotovoltaice. Așadar, apa este necesară pentru toate tehnologiile și procesele care produc energie. Potrivit politicii privind energia regenerabilă, aceasta este în creștere, ca  atare ar trebui să se pună accent și pe evaluarea impactului asupra consumului de apă.

2. Energia regenerabilă

Energia eoliană reprezintă conversia energiei cinetice a vântului interceptată de palele unei turbine pe unitatea de timp (P), depinde de densitatea aerului (ρ), suprafața acoperită de palele rotorului (πr²), și cubul vitezei vântului (W_s³ ), redusă cu un factor de eficiență sau de putere (f_p), conform modelului matematic din relația [2]:

Principalul avantaj de mediu al energiei eoliene este este regenerabilitatea.  Înseamnă că exploatarea acesteia nu duce la o epuizare a resurselor naturale la nivel mondial, precum se întâmplă în cazul cărbunelui, gazelor naturale sau petrolului. Energia eoliană poate contribui la un viitor energetic durabil la nivel global.

Energia eoliană este o sursă de energie curată. Utilizarea sa nu conduce la emisii semnificative de mediu neadecvat sau atmosferice. În afară de dioxid de carbon, energia eoliană produce mai puțin dioxid de sulf, oxizi de azot și alți poluanți atmosferici, care sunt emiși de către centralele electrice pe bază de cărbune.

Cu toate acestea, centralele electrice eoliene nu sunt sisteme în totalitate fără o influență negativă asupra mediului înconjurător (de exemplu,  impactul vizual și zgomotul).

Energia solară reprezintă conversia radiației solare în energie electrică. Aceasta se poate face în mod direct prin panouri fotovoltaice (PV), sau în mod indirect, folosind energie solară concentrată (CSP). Energia venită de la Soare poate fi folosită și pentru încălzire, fiind puse în fuccțiune panouri solare termice.

Tendința actuală este realizarea de proiecte de producere a energiei solare la scară largă, montate pe sol, dar și a sistemelor la scară mică, montate pe acoperișuri. UE domină piața globală a energiei solare, dar și SUA are proiecte importante, iar China a devenit dominantă în Asia.

Termenul fotovoltaic, exprimă conversia luminii directe în energie electrică prin intermediul materialelor semiconductoare. Celula solară este componenta de bază a unui sistem PV. Fluxul de electroni asigură curentul (I), iar celulele câmp electric determină o tensiune (U). Cu cât se obține  mai mult curent și tensiune, implicit se obține și o putere (P) mai mare, ținând cont de relația [3]:

În aceste condiții, curentul și tensiunea ar trebui să fie controlate pentru a urmări realizarea puterii maxime a sistemelor fotovoltaice. Pentru aceasta se folosesc tehnici de urmărire a punctului de putere maximă (Maximum Power Point Tracking – MPPT).

Energia hidro folosește forța trecerii apei pentru a pune în mișcare o roată de apă adaptată special sau o turbină, care apoi este valorificată de un generator. Energia hidro reprezintă o formă curată și ecologică de producere a energiei electrice, deoarece nu are nevoie de utilizarea combustibililor fosili, nu produce emisii de carbon și nu are deșeuri (materialele utilizate pentru infrastructura unui baraj de energie hidro sau sistem sunt non-regenerabile, dar ele sunt foarte durabile și de lungă durată) [4].

Exploatarea la scară redusă a energiei hidro are loc optim în zonele unde există râuri cu pante abrupte care curg tot timpul anului, așa cum este cazul zonelor de munte sau dealuri. Pentru a evalua adecvat o zonă de mediu cu potențial pico-hidroenergetic, trebuie  determinat fluxul de date reale despre mediu și datele despre înălțime și debit. Proiectele de pico-hidro pot furniza electricitate pentru locuințe izolate sau pentru compensarea consumului de energie electrică de la rețea. Proiectele pe cursurile râurilor au costuri reduse și impact redus sau pozitiv asupra mediului. Energia hidro-electrică este o sursă de energie electrică regenerabilă continuă și nepoluantă. Echipamentele pico-hidro sunt de dimensiuni reduse și compacte, fiind ușor de transportat în zone izolate sau greu accesibile. Energia pico-hidro reprezintă o sursă curată de energie regenerabilă.

Un model simplu de turbină hidro este caracterizat prin căderea disponibilă, pierderea de la cădere care apare în conducta de admisie din cauza frecării, debitul de proiectare a turbinei și a gamei sale de debite acceptabile. Puterea de ieșire a turbinei hidro este aproximată prin  formula [94]; [99]:

în care: – η_h – eficiența turbinei;  ρ_a – densitatea apei;  g – accelerația gravitațională;  H – căderea (capul-head) disponibilă;  f_h – pierderea datorată conductei;  Q_t – debitul (flow) prin turbină.

Turbina nu funcționează în cazul în care debitul de apă este sub volum minim, pe de altă parte, iar debitul apei prin turbină nu poate depăși valoarea maximă. Fluxul de apă disponibil pentru fiecare interval de timp provine din datele hidro înregistrate pentru  locația în cauză.

Biomasa reprezintă toate materialele organice provenite din regnul vegetal și care participă la circuitul carbonului în natură, cum ar fi vegetația, copacii și culturile care își încheie ciclul de viață. Utilizarea biomasei drept sursă primară de energie electrică înseamnă să întrerupem circuitul normal al carbonului în natură prin accelerarea desfășurării lui, extrăgând într-o formă utilizabilă, energia care altfel s-ar degaja în mediul înconjurător prin oxidare.

Prin diferite tipuri de conversie a biomasei solide sau umede, folosind procese chimice, termice sau biologice, se obține energie electrică, termică sau biocombustibili. Putem să ne referim la biomasă când vorbim despre reziduuri sau specii forestiere, produse sau reziduuri din agricultură, reziduuri industriale, de construcții, dar și deșeuri organice.

Energia din biomasă poate fi o sursă durabilă, inofensivă pentru mediu și economică.

Dezvoltarea și exploatarea biomasei forestiere generează un impact asupra mediului înconjurător, printr-o serie de efecte sociale și economice. Introducerea unei specii într-o locație, poate să afecteze fauna și flora înconjurătoare. De asemenea, nu trebuie să uităm unele dintre obiectivele principale ale energiei regenerabile, reducerea încălzirii globale și a emisiilor de CO₂ în atmosferă prin arderea combustibililor fosili. Efectul asupra nutrienților din sol, este un aspect important, care poate pune la îndoială sustenabilitatea acestui tip de exploatare [7].

Trebuie elaborat un cadru legislativ bine ajustat pentru îmbunătățirea gestionării fondului forestier, promovarea sistemelor bio-energetice și enunțarea unor criterii de sustenabilitate și durabilitate.

3. Generarea distribuită și rețelele inteligente

Sistemele de producere a energiei electrice din surse regenerabile sunt considerate sisteme de generare distribuită (SGD). Există numeroase posibilități pentru interconectarea SGD la rețeaua electrică. În general, operarea SGD depinde de nivelul de interacțiune cu rețeaua existentă, în special pe probleme de control de tensiune, mai ales de supratensiune, fiind în imposibilitatea de a le putea utiliza la capacitatea lor maximă. Când SGD livrează putere activă prin liniile de distribuție, crește tensiunea la borne din cauza impedanței de linie mai mult rezistivă. Controlul tensiunii printr-un control de putere reactivă este recomandată.

SGD sunt conectate la rețelele de joasă tensiune, în care sarcina variază frecvent și rapid. Sistemele energetice de mică putere pot fi situate în zone rurale, unde rețeaua electrică este foarte slabă, departe și cea mai mare parte depinde de rețelele de joasă tensiune. O atenție suplimentară trebuie sa fie acordată controlului tensiunii în regim staționar. Funcționarea tranzitorie trebuie să fie luată în considerare în special privind respingerea rapidă de încărcare, datorită frecventelor declanșări ale rețelei de joasă tensiune.^[8]

Pentru a putea gestiona în mod corect cererea de energie electrică din rețea, mai ales în momentele când este o cerere de vârf, cu posibilitatea de a transfera dinamic energia electrică produsă din surse regenerabile, sunt folosite așa numitele rețele inteligente (smart grids).

Gestionarea sistemului energetic pentru a putea genera electricitate atunci când este necesar, cu respectarea condițiilor tehnice de siguranță și menținând calitatea în funcționare, poartă numele de dispecerizare. Hidrocentralele, turbinele cu gaz, centralele pe biomasă și geotermale sunt grupurilor generatoare care sunt dispecerizabile. În general, energia eoliană și solară este variabilă, de aceea, sistemele solare și eoliene sunt parțial dispecerizabile.

Pentru o dezvoltare durabilă a exploatării energiei regenerabile, trebuie să ținem cont de două aspecte: politicile de energie regenerabilă, prin care sunt promovate, acceptate, cercetate și dezvoltate tehnologiile de exploatare a energiei regenerabile, dar și aspectul de eficiență energetică, furnizând servicii energetice eficiente și devenind astfel un competitor de clasă în defavoarea energiei electrice obținute folosind combustibilii fosili. Se pune accentul și pentru a reduce stresul rețelei în perioadele de cerere de vârf, pierderile de transmisie și costurile economice. Rețele inteligente, împreună cu o eficiență energetică a energiei regenerabile, sunt piloane de bază a dezvoltării viitoare a energiei regenerabile.

4. Perspectivele de dezvoltarea a energiei regenerabile în România

În domeniul energiei din surse regenerabile, România a transpus toate directivele relevante ale Uniunii Europene. Directiva 2001/77/CE a Parlamentului și Consiliului European privind promovarea energiei electrice produse din surse de energie regenerabile pe piața internă, reprezintă prima acțiune concretă a Uniunii Europene de atingere a obligațiilor de reducere a emisiilor cu gaze cu efect de seră la care s-a angajat prin ratificarea Protocolului de la Kyoto.

Deși cadrul juridic este în vigoare în România, cel mai important obstacol rămas este rețeaua electrică, care nu este încă pregătită pentru a prelua eficient energia produsă de instalațiile de producție de energie electrică din surse regenerabile.

România are un potențial important al surselor de energie regenerabilă [9]: energia eoliană – 23000 GWh; energia hidro (<10 MW) – 6000 GWh; energia solară – 1200 GWh; energia din biomasă pentru energie electrică și termică – 7600*10³ tep.

Capacitatea electrică totală instalată în instalații de producere a energiei electrice din surse regenerabile (Tabelul 1), până la data de 30.09.2012, a fost de 1959,55 MW, iar până la sfârșitul anului 2012, a fost de 2327,76 MW.

Se poate observa și o creștere importantă a sistemelor fotovoltaice de exploatare a energiei solare.

Tabelul 1. Capacitatea totală instalată a tehnologiilor de producere de energie electrică din surse regenerabile  în România[10]