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sistemas de cogeração

1› PRINCÍPIOSA cogeração é um processo de produção combinada de energia tér-mica e de energia eléctrica, num sistema integrado, a partir de uma única fonte de combustível (fuelóleo, gás natural, biomassa, gás pro-pano, resíduos industriais, etc.). O calor produzido pode ser utilizado directamente no processo industrial, bem como recuperado e con-vertido para utilização em aquecimento de espaços, aquecimento de água e em chillers de absorção para produção de frio (trigeração), em oposição de métodos tradicionais de produção de electricidade por via térmica, que desperdiçam todo o calor inerente ao processo.

Figura 1 . Exemplo de diagrama de processo de uma cogeração.

Um sistema de cogeração é mais eficiente do que um sistema tradi-cional alternativo para obtenção do mesmo serviço de electricidade e calor, composto por um sistema gerador eléctrico e por uma caldeira. Na figura seguinte podemos ver uma comparação entre o consumo

André Fernando Ribeiro de SáEngenheiro Electrotécnico, Gestor de Energia do Grupo Têxtil Riopele

Sala dos motores da cogeração Saramagos (Grupo Têxtil Riopele)

de combustível da produção separada de calor e electricidade, o con-sumo de combustível de uma central de cogeração, e o acréscimo no rendimento global do processo.

Figura 2 . Exemplo de comparação entre produção convencional vs cogeração

(fonte: Castro, R.M.G., adaptado).

Pelo exemplo anterior, pode observar-se que, para obtenção do mesmo produto final, os sistemas de cogeração requerem apenas cerca de 65% da energia primária necessária num sistema tradicio-nal. Como consequência deste ganho de eficiência, advêm benefícios ambientais significativos, decorrentes da diminuição das emissões poluentes por unidade de energia útil produzida.

Uma cogeração será mais sustentável que um sistema convencional. Ambientalmente melhor uma vez que para o mesmo consumo de energia eléctrica e térmica, emite menor emissão de gases e menor consumo de combustíveis. Economicamente melhor, uma vez que

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do energia eléctrica e térmica produzida:

Num sistema com a produção separada de produção de electricidade e calor, o rendimento global é calculado da seguinte forma:

Assim, deste modo podemos calcular a Poupança de Energia Pri-mária (PEP):

Uma das maneiras de optimizar a eficiência energética é através da cogeração. Conforme se pode ver na figura seguinte, a produção combinada de electricidade e calor é uma das maneiras mais eficien-tes de produção de energia. Tal como para os edifícios, os sistemas de produção de electricidade também tem uma etiquetagem do nível de eficiência energética, representada na figura seguinte.

Figura 4 . Etiquetagem de sistemas de produção de electricidade (fonte: COGEN

Europe, 2006).

Outro dos factores que privilegia a cogeração é minimizar as per-das eléctricas na rede de transporte e distribuição de electricidade. A produção, geralmente é consumida localmente, minimizando perdas. A figura 5 ilustra um exemplo de perdas. A figura 6 mostra um es-quema típico de aproveitamento do calor num sistema de cogeração, usando permutadores de calor intercalados nos circuitos de arrefeci-

custa menos combustível para o mesmo consumo. Socialmente me-lhor, uma vez que optimiza a descentralização de produção, fomen-tando o emprego e a partilha de informação.

Figura 3 . Triângulo da Sustentabilidade.

A remuneração de electricidade produzida por cogeração poderá ser calculada:

VRM é o valor da remuneração mensal, em Euros; PF é a parcela fixa; PV é a parcela variável; PA é a parcela ambiental; LEV representa as perdas evitadas nas redes eléctricas; ER representa os serviços de sistema obrigatórios com a energia

reactiva;

Para a produção separada de energia eléctrica e de calor utilizam-se parâmetros de rendimentos normalmente comparando a energia utilizada em relação à gasta no combustível, referida ao Poder Calo-rífico Inferior (PCI).

Tabela 1 . Algumas características de alguns tipos de combustível (Adaptado da

fonte: Instituto do Ambiente, 2008).

Rendimento eléctrico Rendimento térmico

Onde:E é a energia eléctrica produzida, em kWh;Q é a energia térmica produzida, em kWh;C é a energia disponível no combustível, em kWh.

Como o sistema de cogeração envolve a produção de mais de uma forma de energia, pode-se definir um rendimento global, engloban-

Ambiental

Económico Social

( )ER

LEV

PAPVPFVRM −

−++=

1

Tipo de Energia PCI Massa Específica CO2 TEP

Fuelóleo 40.360 kJ/kg 944,00 kg/m3 76,63 kg/GJ 0,969 tep/ton

Gás Natural 45.786 kJ/kg 0,84 kg/m3 55,82 kg/GJ 0,820 tep/ton

Gasóleo 43.300 kJ/kg 837,00 kg/m3 73,36 kg/GJ 1,045 tep/ton

Electricidade - - - 0,29 tep/MWh

C

ECHPE =_η

C

QCHPQ =_η

C

QECHP

+=η

SHPQSHPE

SHP QEQE

__ ηη

η+

+=

SHP_Q

CHP_Q

SHP_E

CHP_E

SHP_QSHP_E

SHP_QSHP_E

SHPCHP

QEC

PEP

QEQE

C

QEPEP

ηη

ηη

ηη

ηη

ηη

+−=

+−=

+

+−+=−=

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mento e dos gases de exaustão da máquina térmica.

Figura 5 . Comparação de eficiência de cogeração em comparação com centrais

convencionais (fonte: Fernandes, E.O.).

Figura 6 . Esquema do sistema de cogeração com motor de combustão interna

(fonte: ADENE).

2› TIPOS DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO

Tecnologias convencionais:› Turbinas a gás;› Motores alternativos ou de combustão interna (explosão e de igni-

ção por compressão);› Turbinas de vapor de contra - pressão;

Tecnologias emergentes:› Microturbinas;› Pilhas de Combustível.

Tabela 2 . Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de sistemas de cogera-

ção (Fonte: Castro, R.M.G., 2006).

Tecnologias convencionaisNas centrais termoeléctricas convencionais (a carvão ou a fuel), a conversão de energia faz-se de acordo com o ciclo de Rankine, em que o fluído de trabalho (água) muda de fase ao longo do ciclo ter-modinâmico. Existem outros equipamentos de conversão, designa-damente motores de explosão, motores diesel, turbinas a gás, que se caracterizam por possuir um gás como fluído de trabalho. Contudo, o fluído de trabalho vai sofrendo uma mudança na sua composição à medida que o ciclo vai sendo percorrido: o fluído de trabalho começa por ser o ar, ao qual, durante o processo de combustão, é adicionado combustível, transformando-se numa mistura de ar e combustível, designada por produto de combustão.

Esta é a razão porque estes equipamentos de conversão se designam de combustão interna, enquanto as termoe-léctricas convencionais se de-signam de combustão exter-na porque o calor é transferido dos produtos de combustão para o fluído de trabalho que é sempre o mesmo.

Tecnologia Vantagens Desvantagens

Turbinas a gás Fiabilidade elevada;Emissões poluentes baixas;Calor a temperaturas elevadas (500 – 600 ºC);Não necessita de refrigeração.

Operação com gás a alta pressão;Rendimento reduzido a carga parcial;Potência de saída diminui com o aumento da temperatura ambiente;Ineficiente em processos com poucas necessidades térmicas.

Motores alternativos

Rendimento eléctrico elevado;Bom desempenho com carga parcial;Arranque rápido;Energia térmica a dois níveis de temperatura – gases de escape e arrefecimento do motor;Manutenção no local com pessoal não especializado;Operação com gás a baixa pressão.

Custos de manutenção elevados;Calor de baixa temperatura;Emissões poluentes relativamente elevadas;Necessita de refrigeração;Ruído de baixa frequência.

Turbinas a vapor

Rendimento global elevado;Operação com diversos tipos de combustível;Grandes quantidades de calor disponíveis;Vida útil e fiabilidade elevadas;Vapor a alta pressão.

Arranque lento;Rendimento eléctrico baixo.

Microturbinas Dimensões compactas;Peso reduzido;Emissões poluentes baixas;Não necessita de refrigeração.

Custos elevados;Calor de baixa temperatura;Tecnologia em maturação.

Pilhas de Combustível

Emissões poluentes baixas;Ruído baixo;Não tem peças rotativas;Modularidade.

Custos elevados;Fiabilidade incerta;Tecnologia em maturação;Necessita de pré-processamento do combustível, excepto H puro.

Figura 7 . Triângulo de fogo

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Tecnologia Turbina a gás Motores de explosão a GN

Motores de compressão interna Turbinas a vapor Microturbinas Pilhas de combustível

Rendimento eléctrico 15% - 35 % 22% - 40% 25% - 45% 10% - 40% 18% - 27% 35% - 40%

Rendimento térmico 40% - 60% 40% - 60% 40% - 60% 40% - 60% 40% - 60% 20% - 50%

Rendimento global 60% - 85% 70% - 80% 70% - 85% 60% - 85% 55% - 75% 55% - 90%

Potência típica (MWe) 0,1 – 100 0,05 – 5 0,015 – 30 0,5 - 100 0,03 – 0,35 0,01 – 0,25

Relação Pt/Pe 1,25 – 2 0,4 – 1,7 0,4 – 1,7 2 – 10 1 – 2,5 1,1

Desempenho com carga parcial Mau Médio Bom Bom Médio Muito bom

Investimento (€/kWe) 600 – 800 700 – 1400 700 – 1400 700 - 900 1300 – 2500 > 2500

O&M (€/MWhe) 2 – 7 7 – 15 6 – 12 3 10 (estimativa) 2 – 12

Disponibilidade 90% - 98% 92% - 97% 92% - 97% 99% 90% - 98% > 95%

Revisões (h) 30.000 – 50.000 24.000 – 60.000 25.000 – 30.000 > 50.000 5.000 – 40.000 10.000 – 40.000

Arranque 10m – 1h 10 s 10 s 1h – 1 dia 1 m 3h – 2 dias

Pressão do combustível (bar) 8 – 35 0,07 – 3,1 < 0,35 NA 3 – 7 0,03 – 3

Combustíveis GN, biogás, propano GN, biogás, propano Diesel, óleo residual Todos GN, biogás, propano Hidrogénio, GN, propano, metanol

Ruído Médio Alto Alto Alto Médio Baixo

Uso do Calor Água quente, vapor AP e BP Água quente, vapor BP Água quente, vapor BP Vapor AP e BP Água quente, vapor BP Água quente, vapor BP

Densidade de potência (kW/m2) 20 – 500 35 – 50 35 – 50 > 100 5 – 70 5 – 20

NOx (kg/MWh total) 0,2 – 2 0,5 1 – 14 0,9 0,07 0,01

Tabela 3 . Características operacionais e custos típicos dos diferentes tipos de sistemas de cogeração (Fonte: Castro, 2006).

› Turbinas a GásO processo teórico dos motores de turbinas a gás, conhecido pelo ciclo de Brayton, também denominado ciclo de Joule, é o princípio de funcionamento das turbinas de gás. A figura seguinte ilustra a operação de uma turbina a gás em ciclo aberto:

Figura 8 . Processo real de combustão interna de uma turbina a gás a operar em

circuito aberto (fonte: www.mspc.eng.br).

› Motor de Combustão InternaOs motores de combustão interna são máquinas térmicas alternativas, destinadas à produção de energia mecânica ou força motriz de accio-namento. Os motores de combustão interna podem ser classificados

como de explosão (ignição por faísca) ou de ignição por compressão. O motor de compressão é vulgarmente chamado motor diesel.

Figura 9 . Motor de combustão interna (fonte: www.perfectum.eng.br).

› Motor de 4 Tempos (Ciclo Otto)Também conhecido por motor de explosão ou motor de ignição por faísca, implementado com sucesso em 1876 pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto. A câmara de combustão contêm um cilindro, duas

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válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado à biela que se articula com a cambota. A cambota transforma o movimento de vaivém num movimento rotativo.

Figura 10 . Principais componentes de um motor de combustão interna de quatro

cilindros e ignição por faísca (fonte: CEEETA, 2002).

O ciclo de trabalho de um motor de 4 tempos compreende duas voltas na cambota ou 4 cursos completos do êmbolo.

Figura 11 . Ciclo a quatro tempos (Otto) (fonte: Ramage, J., 2003).

› Motor de 2 Tempos (Ciclo Diesel)Em 1894, o engenheiro Rudolf Diesel, eliminou a necessidade de um circuito eléctrico para iniciar a combustão. Nasceu, assim, o motor diesel em que o combustível – óleo diesel ou gasóleo – é queimado por acção do calor libertado quando o ar é comprimido com uma taxa muito elevada.

A taxa de compressão no ciclo Diesel é muito superior à do ciclo Otto. Isto porque no ciclo Diesel apenas o ar é comprimido, enquanto que no ciclo Otto é a mistura ar – combustível que é comprimida, o que é especialmente problemático na fase de explosão; daí a neces-sidade de taxas de compressão sensivelmente mais baixas.

Figura 12 . Esquema de funcionamento de um motor a dois tempos (fonte: www.

perfectum.eng.br).

› Turbinas a VaporAs turbinas a vapor são elementos constituintes bem conhecidos do equipamento das centrais térmicas convencionais (a carvão ou a fuel), incluindo as de ciclo combinado (a gás natural). O seu funcionamento é descrito pelo ciclo de Rankine, ilustrado na figura seguinte.

Figura 13 . Diagrama T,s do ciclo Rankine e esquema de uma central com turbina

a vapor (fonte: www.mspc.eng.br).

Figura 14 . Esquema do sistema de cogeração com turbina a vapor de ciclo com-

binado (fonte: US Dep. Energy, 2003).

3› TRIGERAÇÃOTrigeração implica a produção simultânea de energia mecânica (elec-tricidade), calor e frio a partir de um único combustível. É um esque-ma de produção de energia em que se recupera calor “desperdiçado” para obter frio. Compreende sistemas CHP combinados com chillers de absorção.

PRIMEIRO TEMPO SEGUNDO TEMPOAdmissão Compressão Expansão Exaustão

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Figura 15 . Esquema de princípio de um sistema de trigeração (fonte: www.tri-

gemed.com).

No sector terciário dos países do Sul, as necessidades de aquecimen-to são limitadas a alguns meses de Inverno. Há, contudo, necessi-dades de arrefecimento (ar condicionado) significativas durante os meses de Verão. Energia térmica proveniente de uma instalação de cogeração pode, neste caso, ser utilizada para produzir frio, através de um ciclo de absorção. Este processo “alargado” de cogeração é conhecido por trigeração ou produção combinada de electricidade, calor e frio (CHCP, combined heat, cooling and power production).

Figura 16 . Esquema de trigeração (fonte: STET, 2008).

› Frio por absorçãoO chiller de absorção, o aparelho que produz frio, utilizando a energia térmica do processo de cogeração, é a segunda parte mais importan-te de uma instalação de trigeração.

Os chillers de absorção incluem um dispositivo de condensação e um outro de evaporação para produzir refrigeração. Tal como nas máquinas de refrigeração (chillers) que funcionam segundo o ciclo de compressão de vapor, têm um evaporador que expande o refrige-rante para produzir frio. Em vez de um compressor mecânico, estes chillers utilizam uma fonte de calor, quer por combustão directa por recurso a um queimador ou por combustão indirecta, sendo alimen-

tados por vapor, água quente ou energia térmica de desperdício. As máquinas de absorção que estão disponíveis comercialmente são ali-mentadas por vapor, por água quente ou por gases de combustão.

4› MICROTURBINASO princípio de operação das microturbinas é muito semelhante ao das turbinas a gás, recorrendo ao ciclo de Brayton para caracterizar o seu funcionamento. A dimensão é a principal marca distintiva das duas tecnologias: as microturbinas situam-se na gama 30 – 300 kW, en-quanto as turbinas a gás ocupam uma gama desde 500 a 250.000 kW.

O compressor comprime ar, o qual é pré-aquecido usando um per-mutador de calor que recupera o calor dos gases de exaustão da turbina. O ar aquecido é, então, misturado com o combustível na câ-mara de combustão e os gases quentes resultante da combustão são expandidos na turbina. O calor remanescente dos gases de exaustão pode ser aproveitado para outros fins úteis.

Figura 17 . Esquema de um sistema de cogeração equipado com microturbina.

As microturbinas podem operar com uma grande variedade de combustíveis: principalmente gás natural, mas também combustíveis líquidos como gasolina, querosene e óleo diesel. A velocidade de ro-tação do veio é muito elevada (da ordem das 50.000 a 60.000 rpm), pelo que é necessária uma montagem do tipo rectificador – inversor para injectar energia na rede.

Combustível100%

Trigeração

Perdas de Calor

13%

30% Energia Eléctrica

Energia Térmica55%

Refrigeração

Perdas em Linha

2%

Figura 18 . Componentes típicos de uma microturbina.

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5› PILHAS DE COMBUSTÍVELO processo de decomposição da água, mediante absorção de elec-tricidade, é uma reacção electroquímica conhecida por Electrólise. Esta reacção pode-se estabelecer no sentido inverso, Hidrólise, ge-rando electricidade.

A reacção electrólise em sentido inverso é o que se dá nas denomi-nadas Pilhas de Combustível, que são uma tradução literal directa da

sua denominação in-glesa “Fuel Cells”. As pi-lhas de combustível são um conjunto empilha-do (“stack”) de células elementares nas quais se produz a reacção.

As pilhas de combustí-vel admitem o hidrogé-nio como combustível com o oxigénio do ar. No entanto, a disponi-bilidade do H2 é muito

escassa. Uma das formas mais eficientes de se obter H2 poderá ser por um processo denominado Reformação. Este processo químico permite obter o hidrogénio através de outro combustível e de vapor de água.

Figura 20 . Esquema com os subsistemas principais para o funcionamento de

uma pilha de combustível (fonte: Merino, J.M., adaptado).

5› CONCLUSÃOUm sistema de cogeração, bem explorado e optimizado, é um sis-tema mais sustentável: Ambientalmente mais limpo, com menores emissões de gases e consumos de combustíveis; Economicamente mais eficiente, com menor custo de combustível; e Socialmente mais equilibrado, pela promoção da descentralização da produção, fomentando o emprego, a partilha de informação e a segurança de aprovisionamento, através da diversificação de fontes de produção de energia térmica e eléctrica.

Reformador

+ Convertidor

Pilhas de células de

combustível elementares

Inversor DC/AC e

equipamento de ligação à

rede eléctrica

O2

H2, CO,

CO2

Potência em DC

Combustível

(CH4)

Recuperação de calor Cogeração ou Ciclo Combinado

Calor

Calor

Calor e

água quente

ElectrólitoH2O

O2H2

H+

CátodoÂnodo

e –

Figura 19 . Esquema elementar de uma célula

electroquímica de combustível.

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