AVALIAÇÃO EMERGÉTICA DE UMA CENTRAL DE COGERAÇÃO A GÁS

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1 UNIVERSIDADE LUSÍADA DE VILA NOVA DE FAMALICÃO AVALIAÇÃO EMERGÉTICA DE UMA CENTRAL DE COGERAÇÃO A GÁS José Manuel Pereira Gomes Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia e Gestão Industrial Vila Nova de Famalicão

2 UNIVERSIDADE LUSÍADA DE VILA NOVA DE FAMALICÃO AVALIAÇÃO EMERGÉTICA DE UMA CENTRAL DE COGERAÇÃO A GÁS José Manuel Pereira Gomes Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia e Gestão Industrial Orientador: Prof. Doutor Carlos Oliveira Co-orientadora: Prof.ª Eng.ª Cecília Martins

3 AGRADECIMENTOS Gostaria de expressar os meus sinceros agradecimentos ao meu orientador, Professor Doutor Carlos Oliveira, e à minha co-orientadora Professora Eng.ª Cecília Martins, pelo apoio, incentivo, disponibilidade, rigor e profissionalismo demonstrado durante a elaboração da presente tese. Aos meus pais, irmãs e namorada, agradeço imenso pelo apoio incondicional e ajuda durante todo o meu percurso académico. III

4 RESUMO O desenvolvimento deste trabalho teve como objetivo a avaliação emergética de uma central de cogeração a gás de ciclo aberto. O vapor produzido pela central é utilizado no complexo industrial que integra a central de cogeração e a energia elétrica produzida é, em grande parte, injetada na rede elétrica nacional. O processo de cogeração é descrito como sendo um processo que atinge eficiências energéticas na ordem dos 85%. Neste estudo, pretendeu-se avaliar também a eficiência emergética do processo de cogeração em questão, sendo que a avaliação emergética quantifica, para além dos fluxos de energia, os fluxos de matéria, de serviços e de informação que intervêm na produção de vapor e energia elétrica. A emergia é uma grandeza introduzida por H. T. Odum que quantifica toda a energia disponível que foi previamente usada, direta ou indiretamente, na produção de um bem ou serviço. Baseia-se em princípios da termodinâmica e na teoria geral dos sistemas e converte numa mesma unidade, joules de emergia solar (sej), os fluxos de energia, massa e moeda que atravessam a fronteira de um dado sistema em análise. Neste trabalho foi empregue a metodologia da emergia, que implicou a obtenção do diagrama de fluxos de energia e da tabela de avaliação emergética e a avaliação dos índices emergéticos. Os fluxos de emergia (sej/ano) foram agregados em recursos renováveis (R), recursos não renováveis (N), recursos da economia (F) e produtos do sistema (Y). A tabela emergética obtida mostra que os recursos não renováveis são os principais contribuintes para o fluxo total de emergia requerida pelo sistema, sendo os recursos renováveis os que aportam menos emergia ao mesmo. O valor obtido para a razão de rendimento emergético, EYR, no valor de 3,16, indica que se trata de um processo em que a emergia necessária provém, numa parte considerável, de recursos da economia, o que não é favorável ao produtor de energia. A razão de intercâmbio de emergia, EER, com o valor de 0,37, indica que o produtor é prejudicado na venda de energia, porque cede mais emergia do que aquela que recebe. Os índices razão de carga ambiental, ELR, no valor de 10,50, renovabilidade, %R, de 8,69% e o de sustentabilidade emergética, EmSI, de 0,30, indicam que o processo tem uma grande dependência dos recursos não renováveis, não sendo por isso sustentável a longo prazo, do ponto de vista emergético. Palavras-chave: Cogeração, gás natural, energia, emergia, transformidade, sustentabilidade. IV

5 ABSTRACT The development of this work aimed the Emergy evaluation of an open cycle gas cogeneration plant. The steam produced by the plant is used in the industrial complex which integrates the cogeneration plant and most of the electricity produced is injected into the national electrical network. The cogeneration process is described as being a process that achieves energy efficiencies on the order of 85%. This study also sought to assess the emergy efficiency of the cogeneration process in question, and, in addition to the energy flows, the quantification of the flows of matter, services and information involved in the production of steam and electrical power. Emergy is a physical property introduced by Odum, which quantifies all the available energy that was previously used, directly or indirectly in the production of a good or a service. It is based on the principles of thermodynamics and in the general theory of systems and converts into the same unit, the solar emergy joules, sej, energy flows, mass and currency that cross the border of a given system under analysis. In this work the emergy methodology was applied, which involved obtaining the energy flow diagram and the table of the emergy evaluation and the evaluation of the emergy indices. The emergy flows (sej/year) were aggregated into renewable resources (R), non-renewable resources (N), economic resources (F) and system products (Y). The obtained emergy table shows that the non-renewable resources are the main contributors to the total flow of emergy required by the system, and renewable resources are the ones that contribute the least to the emergy of the system. The value obtained for the emergy yield ratio, EYR, in the amount of 3,16, indicates that the process has a considerable dependence on economic resources which is not favourable to the energy producer. In this case, the emergy exchange ratio, EER is of 0,37 and the energy producer is harmed because he yields more emergy than that he receives. The indices, ratio and environmental load, ELR, with value of 10,50, renewability, % R, of 8,69%, and emergy sustainability index, EmSI, of 0,30, indicate that the process has a large dependence on the non-renewable resources, and therefore is not sustainable in the long term, from the standpoint of emergy. Key Words: Cogeneration, natural gas, energy, emergy, transformity, sustainability. V

6 ÍNDICE Agradecimentos... III Resumo... IV Abstract... V Índice... VI Índice de figuras... VIII Índice de tabelas... X Lista de abreviaturas e símbolos... XI 1. Introdução Enquadramento Objetivos Metodologia Estrutura do trabalho Cogeração Introdução A história da cogeração Os princípios da cogeração Tipos de sistemas de cogeração A legislação da cogeração A emergia Introdução Análise de sistemas A emergia e a termodinâmica Análise emergética Metodologia emergética Índices emergéticos Emergia e cogeração Introdução Transformidades na cogeração Trabalhos de outros autores VI

7 5. Caso de estudo: Avaliação emergética de um sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto Descrição do sistema de cogeração Diagrama de fluxos de energia do sistema de produção de eletricidade e vapor de água Tabela de avaliação emergética Cálculo das transformidades e dos índices emergéticos Cálculo dos rendimentos energéticos do sistema Recursos agregados Cálculo das transformidades Cálculo dos índices emergéticos Comparação dos resultados obtidos com os de outros sistemas de cogeração Comparação das transformidades Comparação das transformidades conjuntas e transformidades médias ponderadas Comparação das transformidades de cogeração separadas, com e sem serviços (S) e mão-de-obra (MO) Comparação dos índices emergéticos Razão de rendimento emergético (EYR = Y/F) Razão de investimento emergético (EIR = F/(R+N)) Razão de carga ambiental (ELR = (F+N)/R) Razão de intercâmbio de emergia (EER = Ym/Y) Índice de sustentabilidade (EmSI = EYR/ELR) Renovabilidade emergética (R%=R/Yx100) Discussão e conclusão Referências bibliográficas Apêndice A Cálculo da quantidade de oxigénio utilizada pelo sistema de cogeração.. i Anexo A Legislação da cogeração... ii Anexo B Ficha técnica do óleo de lubrificação... xxi VII

8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Sistema convencional de produção de eletricidade... 7 Figura Sistema de cogeração... 8 Figura Variações de temperatura dos sistemas topping system e bottoming system 9 Figura Comparação do valor da eficiência total de um sistema de cogeração com o da produção separada de eletricidade e calor Figura Sistema de cogeração com turbina a vapor Figura 2.6 Sistema de cogeração com turbina a gás Figura Diagrama P,v e T, s do ciclo Brayton Figura Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto Figura Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo fechado Figura Sistemas de cogeração de ciclo combinado Figura Sistema de cogeração com motor de combustão interna Figura Fontes de energia e processos de conversão Figura Diagrama agregado da síntese emergética de uma economia nacional Figura Hierarquia dos processos de transformações de energia Figura Símbolos da linguagem de fluxos de energia Figura Diagrama de um sistema de cogeração de biomassa Figura Diagrama agregado de fluxos de emergia Figura Diagrama para a definição da transformidade conjunta Figura Diagrama para a definição da transformidade média ponderada Figura Layout do sistema de cogeração da empresa X Figura Esquema da turbina de cogeração a gás da empresa X Figura Esquema da caldeira do sistema de cogeração da empresa X Figura Esquema do sistema de lubrificação e da turbina a gás da empresa X VIII

9 Figura 5.5 Diagrama de fluxos de energia do sistema de cogeração a gás da empresa X Figura 5.6 Fluxos de emergia de entrada do sistema (valores absolutos) Figura 5.7 Fluxos de emergia de entrada do sistema (valores percentuais) Figura Ciclo de produção de vapor Figura Diagrama de avaliação emergética agregado do sistema de cogeração da empresa X Figura Fluxos de emergia de entrada e de saída do sistema de cogeração da empresa X: a) com serviços e mão-de-obra; b) sem serviços e mão-de-obra Figura Comparação do índice EYR entre vários sistemas de cogeração Figura Comparação do índice EIR entre vários sistemas de cogeração Figura 6.3 Comparação do índice ELR entre vários sistemas de cogeração Figura Comparação do índice EER entre vários sistemas de cogeração Figura Comparação do índice EmSI entre vários sistemas de cogeração Figura Comparação do índice R% entre vários sistemas de cogeração IX

10 ÍNDICE DE TABELAS Tabela Características operacionais e custos típicos de diferentes tipos de sistemas de cogeração Tabela Tabela modelo para avaliação emergética Tabela Tabela Tabela de custos de construção do sistema de cogeração a gás Tabela de avaliação emergética Tabela Cálculo da transformidade da eletricidade fornecida pela rede elétrica nacional no ano Tabela Tabela Energia produzida e consumida pelo sistema de cogeração Rendimentos calculados da central de cogeração a gás Tabela Valores dos recursos agregados com e sem serviços (S) e mão-de-obra (MO) Tabela Transformidades do sistema de cogeração da empresa X com e sem serviços e mão-de-obra Tabela Tabela de índices emergéticos do sistema de cogeração da empresa X.. 78 Tabela Comparação da transformidade conjunta de vários sistemas de cogeração Tabela Comparação das transformidades de cogeração separadas da eletricidade e vapor de água com e sem Serviços (S) e Mão-de-Obra (MO) Tabela Comparação dos índices emergéticos de vários sistemas de cogeração. 85 X

11 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS Lista de Abreviaturas: C E Energia disponível no combustível utilizado, em kwh Energia elétrica produzida, em kwh E e,cog Energia elétrica produzida em cogeração EER EIR ELR Razão de Intercâmbio de Emergia Razão de Investimento Emergético Razão de Carga Ambiental Em cog Emergia total requerida pelo sistema de cogeração EMR EmSI Razão Emergia/Dinheiro Índice de Sustentabilidade Emergética E v,cog Energia térmica (em vapor de água) produzida em cogeração EYR F IVA MO N Q R RESP RLIE Razão de Rendimento Emergético Recursos Provenientes da Economia Imposto sobre o Valor Acrescentado Mão-de-obra Recursos Não Renováveis da Natureza Energia térmica produzida, em kwh Recursos Renováveis da Natureza Rede Elétrica de Serviço Público Regulamento de Licenças para Instalações Elétricas XI

12 S TAE Serviços Taxa Anual Efetiva Tr e,cog Transformidade separada da eletricidade em cogeração Tref Tr j Tarifa de referência Transformidade conjunta Tr pond Transformidade média ponderada Tr v,cog Transformidade separada do vapor de água em cogeração UEV W Y ΔE Valore unitário emergético Trabalho realizado pelo sistema Fluxos de Saída Variação de energia Lista de Símbolos: R% Renovabilidade Emergética sej/$ J g Emergia/dinheiro Joule Grama Euro $ Dólar P V T Pressão Volume Temperatura XII

13 S h Entropia Entalpia específica η E Rendimento Elétrico η E,cog Rendimento Elétrico de cogeração η Q Rendimento Térmico η Q,cog Rendimento Térmico de cogeração η EQ Rendimento global (energia elétrica + térmica) produzindo separadamente η gl,cog Rendimento global de cogeração γ cog Razão calor trabalho de cogeração XIII

14 1. INTRODUÇÃO 1.1. Enquadramento O desenvolvimento progressivo dos sistemas de produção e a falta de consciência da qualidade e quantidade de energia utilizada, associado ao desconhecimento das interligações existentes entre os vários subsistemas produtivos, tem vindo a afetar gradualmente a Biosfera. O surgimento de sistemas como a cogeração, que rentabilizam o consumo das fontes de energia disponíveis, torna-se necessário para diminuir os danos colaterais no meio ambiente. A cogeração é um sistema de produção de energia que obtém rendimentos de aproximadamente 90%, pois aproveita o calor gerado por uma turbina para produção de vapor de água. Os impactos ambientais derivados dos processos produtivos levaram a que, cada vez mais, se procure fazer uma análise dos sistemas, de uma forma integrada, procurando compreender as relações entre aspectos energéticos, ambientais e sócio-económicos. O problema está na mensuração dos recursos requeridos por um sistema. A análise emergética tem a capacidade de converter todos os fluxos de entrada de um sistema, sejam eles de energia, massa ou dinheiro, para uma base comum. A unidade de medida utilizada na análise emergética tem por base a energia da radiação solar, pois esta é a principal fonte de energia terrestre, designando-se por joule de energia solar ou emjoule solar, abreviadamente sej. A metodologia emergética é baseada na termodinâmica de sistemas e reúne todos os fluxos de energia, materiais, e serviços que atravessam as fronteiras do sistema. A metodologia emergética assenta num conceito criado pelo ecologista H. T. Odum, denominado de EMERGIA. Odum foi um ecologista que se demonstrou bastante apreensivo com a evolução frenética da espécie humana, em detrimento da proteção do 1

15 meio ambiente, e procurou encontrar uma forma de melhor compreender e quantificar as relações entre a sociedade e o meio ambiente. O presente trabalho enquadra um estudo realizado a um sistema de cogeração com uma potência de 5 MW, produzindo eletricidade e vapor de água em simultâneo Objetivos A realização desta tese pressupõe a concretização de uma série de objetivos que são referidos seguidamente. Objetivo Geral: Realizar um estudo sobre um sistema de cogeração com turbina a gás, considerando a análise emergética do mesmo, que engloba a contabilização, numa mesma unidade, de todos os fluxos de energia, materiais e serviços que atravessam a fronteira do sistema. Objetivos Específicos: Fazer o enquadramento teórico com os princípios da cogeração e os seus diferentes tipos de sistemas; Realizar o enquadramento teórico com a teoria da emergia e da análise emergética; Determinar todos os fluxos de entrada e saída do sistema de cogeração; Desenhar o diagrama do sistema incluindo todos os fluxos de energia, materiais e serviços, assim como as interligações existentes dentro do sistema; Calcular os índices emergéticos; Efetuar uma comparação com outras análises emergéticas de sistemas de produção de eletricidade e vapor; Concluir quanto à eficiência e sustentabilidade do sistema estudado, do ponto de vista emergético. 2

16 1.3. Metodologia A metodologia utilizada para a elaboração deste trabalho iniciou-se com a separação das atividades em duas partes distintas. A primeira parte, que se baseia na revisão bibliográfica e consiste num enquadramento teórico, e a segunda parte, que é de carácter mais prático, remete para a elaboração da análise energética e emergética do sistema de cogeração da empresa X. Numa primeira fase da revisão bibliográfica foi feita uma abordagem teórica aos sistemas de cogeração mais utilizados, descrevendo-se as suas principais características e princípios de funcionamento, assim como a legislação a seguir pelas entidades que exploram as centrais de cogeração. Depois foi feita uma abordagem ao conceito de EMERGIA, definido por H. T. Odum, que nasce de uma constante e gradual preocupação com o ambiente por parte do ecologista. Foi elaborada uma descrição dos conceitos relacionados e dos procedimentos a executar para a realização de uma análise emergética. Para isso foi efetuada uma recolha de vários documentos relacionados com a teoria da emergia e suas aplicações, com destaque para a produção de energia, para se poder conhecer o estado atual dos conhecimentos nesta área, as investigações em curso e definir a metodologia a seguir para efetuar a análise pretendida. É importante referir que o estudo bibliográfico sobre a avaliação emergética de sistemas de produção de energia apenas faz referência a artigos estrangeiros, devido ao facto de este ser o primeiro estudo sobre o tema em Portugal. A segunda parte desta dissertação corresponde à parte prática, referente à análise energética e emergética do sistema de cogeração na empresa X, designada assim por ter sido solicitado o sigilo quanto ao nome da mesma. O primeiro passo consistiu na descrição do sistema de cogeração em questão, assim como no levantamento de todos os dados relativos ao sistema e ao processo de produção de energia e vapor. 3

17 Num segundo passo foi desenvolvido o diagrama do sistema, que inclui os seus componentes principais, as suas interligações, e a indicação de fluxos de entrada e saída deste, em unidades de energia, massa ou dinheiro (J, g ou ). Estes fluxos foram depois introduzidos numa tabela em conjunto com os respetivos valores unitários emergéticos (UEV), o que permitiu determinar a emergia incorporada em cada um. Num terceiro passo foram calculados os índices emergéticos do sistema instalado na empresa X, que possibilitaram a realização de uma avaliação do desempenho global do processo, permitindo assim uma análise de vários aspetos tais como o uso de recursos renováveis, não renováveis, índice de sustentabilidade, entre outros. Todos os valores alcançados para o sistema em estudo foram posteriormente comparados com outros sistemas de produção de energia equivalentes. Na parte final da tese, que corresponde às conclusões e discussão, foram analisados os resultados obtidos e retiradas ilações quanto às possíveis vantagens e desvantagens relativamente aos outros sistemas e também definidas possíveis alterações com vista a dinamizar o sistema da empresa X Estrutura do trabalho A presente dissertação é composta pela introdução, onde é realizada uma abordagem ao trabalho que se irá realizar durante o estudo. O segundo, terceiro e quarto capítulos da dissertação dizem respeito à revisão bibliográfica, onde são abordados os temas essenciais deste estudo, sendo eles a cogeração, em que se baseia o sistema de produção de energia estudado e o conceito de emergia, em que assenta a análise feita ao sistema. Nestes pontos serão descritos os sistemas de cogeração existentes e ainda o modo como é estruturada uma análise emergética a um sistema em geral. O quinto capítulo tem início com uma breve explicação do sistema de cogeração, seguindo-se o cálculo de rendimentos energéticos e a avaliação emergética do sistema, com a apresentação e discussão dos resultados obtidos, referentes ao ano No sexto capítulo da dissertação, são confrontados os resultados da 4

18 avaliação emergética do sistema em estudo com os de outros estudos realizados a sistemas de cogeração. No sétimo capítulo, são retiradas conclusões relativas à análise emergética realizada ao sistema de cogeração, e consequentemente comentados os valores obtidos. Na última parte deste documento consta a bibliografia e os anexos. 5

19 2. COGERAÇÃO 2.1. Introdução Neste capítulo pretende-se fazer a introdução aos sistemas de cogeração. Para isso, começa-se por descrever a história e os princípios da cogeração e de seguida apresenta-se a explicação do funcionamento de alguns tipos de sistemas de cogeração, nomeadamente o sistema de cogeração de turbina a vapor, o sistema de cogeração de turbina a gás, o sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto, em ciclo fechado e em ciclo combinado e o sistema de cogeração com motor de combustão interno. A cogeração pode ser utilizada na indústria química, petroquímica, têxtil, metalúrgica, do papel e cartão, nas indústrias agrícolas, bem como para aquecimento e ar condicionado. É possível a utilização de cogeração em muitas outras circunstâncias, tais como no desenvolvimento de novas instalações industriais, nas grandes expansões de instalações existentes, nas mudanças significativas nos custos de energia (combustível e eletricidade) para aproveitamento de oportunidades de vendas de energia (Najjar, 2000:179) A história da cogeração Kolanowski et al. (2003:5) consideram que a utilização do sistema de cogeração é tão antigo como o da produção de eletricidade em si. O conceito de estação central de geração de energia nasceu quando o sistema de iluminação a gás das residências e instalações comerciais foi substituído pelo sistema de eletricidade. A cogeração apareceu pela primeira vez em 1880, na Europa e nos EUA. Durante o início do século 20, a maioria das indústrias utilizavam eletricidade produzida em caldeiras a carvão e turbinas a vapor, sendo os gases de escape reaproveitados para processos industriais. Estima-se que 58% do total de energia produzida pela indústria nos EUA no início do ano 1900 foi através do sistema de cogeração (Frangopoulos e Ramsay, 2001:7). Quando as centrais elétricas e as redes de serviços públicos foram construídas, o preço da eletricidade diminuiu e, nessa altura, muitas fábricas industriais começaram a comprar 6

20 eletricidade, parando a sua própria produção de energia. Como consequência a energia produzida por cogeração nos EUA diminuiu para 15% no ano de 1950 e em 1974 caiu para cerca de 5%. (Frangopoulos e Ramsay, 2001:8) Esta tendência começou a ser invertida nos finais dos anos 70, após a primeira subida dramática do custo dos combustíveis. Os sistemas mais eficientes e que podiam utilizar combustíveis alternativos tornaram-se mais importantes face ao aumento do preço e à incerteza de reabastecimento. Por estas razões, os governos na Europa, EUA e Japão passaram a ter um papel ativo na utilização crescente da cogeração (Frangopoulos e Ramsay; 2001:8). O sistema de produção de eletricidade convencional tem perdas no valor dos 60%, o que acumulado às perdas causadas pelo transporte, resulta num aproveitamento final pouco superior a 30%, como mostra a figura 2.1. No sistema de cogeração da figura 2.2 verifica-se um aproveitamento de aproximadamente 38% em eletricidade e 50% em calor gerado, perfazendo um rendimento total do sistema de 88%. O calor gerado pelo sistema é geralmente aproveitado para o aquecimento de edifícios. Figura Sistema convencional de produção de eletricidade (Fonte: Puncochar, 2008:1). 7

21 Figura Sistema de cogeração (Fonte: Puncochar, 2008:1) Os princípios da cogeração Soares et al. (2001) definem a cogeração como um processo de produção de energia alternativo que resulta num baixo consumo de energia primária comparativamente à geração de calor e eletricidade por processos convencionais. A maioria dos sistemas de cogeração podem ser caracterizados como topping systems ou bottoming systems (figura 2.3). Nos topping systems, um fluido com alta temperatura (gases, vapor) aciona um motor para produzir eletricidade, enquanto o calor de baixa temperatura é utilizado em processos térmicos ou como aquecimento (ou arrefecimento) de espaços. Nos bottoming systems, o calor de alta temperatura é utilizado para um processo (por exemplo, para um forno de uma fábrica de aço, para uma fabrica de vidro ou de cimento), sendo os gases quentes originados no mesmo usados diretamente para acionar um gerador da turbina a gás, se a sua pressão for adequada, ou indiretamente para produzir vapor numa caldeira de recuperação de calor, que impulsiona uma turbina a vapor (Frangopoulos e Ramsay, 2001:12). 8

22 Figura Variações de temperatura dos sistemas topping system e bottoming system (Adaptado da fonte: Frangopoulos e Ramsay, 2001:12). Por outro lado, Sá (2008:175) considera que a cogeração é um processo de produção de energia térmica e de energia elétrica, num sistema integrado, a partir de uma única fonte de combustível (fuelóleo, gás natural, biomassa, gás propano, resíduos industriais, etc.). O calor produzido pode ser utilizado diretamente no processo industrial, bem como recuperado e convertido para utilização em aquecimento de espaços, aquecimento de água e em chillers de absorção para produção de frio (trigeração), em oposição aos métodos tradicionais de produção de eletricidade por via térmica, que desperdiçam todo o calor inerente ao processo. Um sistema de cogeração é composto por um sistema com gerador elétrico e por uma caldeira (Sá, 2008:175). A cogeração tem um efeito de economia de energia elevado em relação aos sistemas convencionais de produção de eletricidade e calor separadamente. Devido ao recente desenvolvimento de pequenos motores com alto desempenho, incluindo motores a gás, células de combustível e motores Stirling, a cogeração tem sido aplicada a residências comuns (Wakui, 2010). 9

23 Para uma análise dos sistemas de produção de eletricidade e calor convencional e de um sistema de cogeração, é necessário definir determinados parâmetros que permitem comparar ambos os sistemas. Em sistemas convencionais os rendimentos elétrico e térmico são definidos por (Sá, 2008): E Rendimento Elétrico (ηe) : ηe = (2.1) C Rendimento Térmico Q (ηq) : ηq = (2.2) C Onde: E é a energia elétrica produzida, em kwh; Q é a energia térmica produzida, em kwh; C é a energia disponível no combustível utilizado, em kwh. O rendimento global da produção de energia elétrica e térmica separadamente representa-se por: η E + Q E Q + η η EQ = (2.3) E Q Num sistema de Cogeração, o rendimento global é dado por: η gl,cog = E + Q C (2.4) Um parâmetro utilizado na caracterização das instalações de cogeração é a razão Calor Trabalho produzido, sendo dado por: 10

24 Q γ cog = (2.5) E Foram realizados estudos à eficiência de ambos os tipos de produção, como apresenta a figura 2.4, onde é feita a comparação entre um processo de produção de eletricidade e calor separadamente e um processo de cogeração em que se pode verificar uma diferença significativa dos valores de eficiência total obtidos por ambos os sistemas. Este maior aproveitamento do sistema de cogeração traz benefícios para o ambiente, devido à redução dos gases emitidos para a atmosfera (Sá; 2008:175). Figura Comparação do valor da eficiência total de um sistema de cogeração com o da produção separada de eletricidade e calor (Adaptado da fonte: Frangopoulos e Ramsay, 2001:8). 11

25 2.4. Tipos de sistemas de cogeração Sá (2008:179) classifica os sistemas de cogeração de acordo com o tipo de máquina térmica que incorpora o sistema. As máquinas térmicas tradicionais são motores alternativos (de explosão que operam segundo o ciclo Otto ou de compressão interna, que operam segundo o ciclo Diesel) ou turbinas (a gás ou a vapor). As tecnologias de sistemas de cogeração são caracterizadas como tecnologias convencionais (turbinas a gás, motores alternativos ou de combustão interna e turbinas de vapor). As características operacionais de alguns dos mais importantes sistemas de cogeração estão apresentadas na tabela 2.1. Analisando a tabela e tendo em conta o sistema de cogeração em estudo, pode-se observar que um sistema de cogeração com turbina a gás tem um rendimento elétrico inferior ao dos outros sistemas. O seu rendimento térmico e global é idêntico aos demais sistemas em estudo. Verifica-se que o sistema de cogeração com turbina a gás e a vapor têm uma potência típica superior a 0,2 MW e inferior a 100 MW, o que é muito superior aos dois outros sistemas, embora tenham um arranque mais lento. Todos os restantes fatores são equivalentes, à exceção do ruído que é um fator positivo para o sistema de cogeração com turbina a gás. Após a análise da tabela, verifica-se que todos os equipamentos são equivalentes, podendo variar em função das necessidades, pois para a escolha do sistema ideal a implementar é necessário saber exatamente que potência é necessária, para que efeito é a instalação, qual a fonte de rendimento mais rentável e o local onde será instalada a estrutura. 12

26 Tabela Características operacionais e custos típicos de diferentes tipos de sistemas de cogeração (Sá, 2008:182) Tecnologia Turbinas a gás Motores de explosão a GN Motores de compressão interna Turbinas a vapor Rendimento Elétrico 15-35% 22-40% 25-45% 10-40% Rendimento Térmico 40-60% 40-60% 40-60% 40-60% Rendimento Global 60-85% 70-80% 70-85% 60-85% Potência típica (MWe) 0, ,05-5 0, ,5-100 Investimento ( /KWe) Disponibilidade 90-98% 92-97% 92-97% 99% Revisões (h) >50000 Arranque 10m 1h 10s 10s 1h 1dia Combustíveis GN, biogás, propano GN, biogás, propano Diesel, óleo residual Todos Ruído Médio Alto Alto Alto De seguida apresentam-se os tipos de sistemas de cogeração mais utilizados, nomeadamente o sistema de cogeração de turbina a vapor, o sistema de cogeração de turbina a gás, o sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto, em ciclo fechado e em ciclo combinado e o sistema de cogeração com motor de combustão interno. Sistema de cogeração de turbina a vapor Segundo Sá (2008:192), as turbinas são elementos constituintes bem conhecidos das centrais térmicas convencionais (a carvão ou fuel), sendo o seu ciclo de funcionamento o ciclo Rankine. Existem dois tipos de turbinas a vapor, que são de condensação ou contrapressão, sendo que na cogeração é mais adequado o uso da turbina a vapor de contrapressão. As turbinas a vapor de condensação têm como função converter a água em 13

27 vapor saturado de alta pressão a uma temperatura superior à temperatura de saturação. Este vapor é expandido numa turbina de vários andares, sendo finalmente rejeitado (a baixa pressão) para um condensador de vácuo, onde se processa a condensação do vapor. Nas turbinas a vapor de contrapressão, o fluxo de vapor exausto que abandona a turbina é enviado diretamente para o processo industrial em condições próximas das que são requeridas. A utilização do vapor a uma pressão relativamente elevada prejudica sensivelmente o rendimento elétrico, mas melhora o rendimento térmico, pois as características do vapor são mais adequadas aos fins a que se destina. Frangopoulos e Ramsay (2001:12) referem que o sistema é constituído por três componentes principais: uma fonte de calor, uma turbina a vapor e um dissipador de calor. A fonte de calor mais comum é uma caldeira, que pode queimar qualquer tipo de combustível ou até combinações de combustíveis, e produz vapor superaquecido. Também podem ser utilizados reatores nucleares para substituir a caldeira. Por outro lado, o sistema pode usar as energias renováveis como a biomassa ou a radiação solar. Os resíduos também podem ser queimados nesta, desde que a caldeira esteja equipada com unidades de redução de poluição. As condições de funcionamento dependem da aplicação. Para aplicações de cogeração, a pressão de vapor pode variar de alguns bar a cerca de 100 bar. A temperatura do vapor pode variar de alguns graus até um superaquecimento, de cerca de 450 C, e, se necessário, pode atingir cerca de 540 C. A potência de saída é geralmente na ordem de 0,5-100 MW, apesar de ser também possível uma maior potência. Os sistemas de turbina a vapor (figura 2.5) têm um alto desempenho, operando a 95% do seu rendimento, tendo estes um longo ciclo de vida (25-35 anos). 14

28 Figura Sistema de cogeração com turbina a vapor (Fonte: MSPC Informações técnicas). Sistema de cogeração de turbina a gás A cogeração com turbinas a gás (figura 2.6) é o sistema mais utilizado porque o ciclo simples de uma turbina a gás apresenta várias vantagens, nomeadamente: custo de capital relativamente baixo, alta flexibilidade, alta confiabilidade, entrega a curto prazo, comissionamento no início da operação comercial e inicia e carrega rapidamente. É constituído por um motor compacto, com menor necessidade de manutenção tendo assim um maior tempo de trabalho. A turbina a gás é reconhecida pelo seu bom desempenho ambiental na redução da poluição do ar e na redução do efeito estufa. Com todas as vantagens do ciclo simples da turbina a gás, os utilizadores têm que lidar com a eficiência limitada, especialmente em carga parcial e a variação dos custos dos combustíveis na geração (Najjar, 2000:179). 15

29 Figura 2.6 Sistema de cogeração com turbina a gás (Fonte: Os sistemas equipados com turbina a gás operam de acordo com o ciclo Brayton, que compreende 4 processos, conforme o diagrama (P,v), relacionando a variação da pressão (P) com a variação de volume (v) e o diagrama (T,s) que relaciona a variação de temperatura (T) com a variação de entropia como mostra a figura 2.7 (Sá, 2008:183). Figura Diagrama P,v e T, s do ciclo Brayton (Fonte: Sá, 2008:183). O calor gerado pela turbina a gás pode ser usado para produção de vapor, secagem, aquecimento do fluido do processo e pré-aquecimento do ar de combustão para o processo de aquecimento e para as caldeiras. A utilização dos gases de escape provenientes do incinerador da turbina a gás, para geração de vapor ou para o aquecimento de outros meios, no uso de refrigeração ou aquecimento de 16

30 edifícios ou até de partes de cidades, não é um conceito novo e está a ser explorado ao máximo. Nos sistemas de cogeração com turbinas a gás é comum a utilização de um sistema para recuperar calor à saída da turbina e aumentar a temperatura do ar que entra no incinerador. Essa ação é executada pelos regeneradores. Estes reduzem a quantidade de calor necessário para ser adicionado ao incinerador, aumentando assim o rendimento da turbina em geral. A eficiência da turbina de ciclo simples está dependente da razão de pressão desenvolvida no compressor e do pico de temperatura dos gases de combustão. Nem todas as turbinas beneficiam de regeneradores, especialmente as que operam em elevadas taxas de pressão e baixas temperaturas de queima. É importante notar que a regeneração envolve a recuperação de calor residual mas, não constitui cogeração. Na maioria dos casos, o custo adicional de um sistema de regeneração pode ser recuperado nos primeiros 12 a 18 meses. É esta grande retoma sobre o investimento que faz com que a regeneração seja uma proposta muito interessante. A eficiência da turbina a gás pode ser aumentada em 10% ou 20% se for utilizada uma taxa de pressão certa e temperatura combinadas (Boyce, 2002:27). As turbinas a gás, quer em ciclo simples (sistema que opera apenas com turbina a gás) ou em ciclo combinado (sistema que faz a combinação de uma turbina a gás com uma turbina a vapor) são a tecnologia mais utilizada em sistemas recentes de cogeração de média e alta potência. A sua produção de energia elétrica varia de algumas centenas de quilowatts a várias centenas de megawatts. Investigações recentes visam a construção de micro turbinas, que têm uma potência de saída de alguns quilowatts. As turbinas a gás têm sido usadas com sucesso para a cogeração, tendo como principais vantagens o custo inicial baixo, alta disponibilidade, manutenção rápida e de baixo custo, capacidade de substituição dos combustíveis, calor de alta qualidade que pode ser facilmente recuperado, e de alta eficiência em tamanhos maiores. As turbinas a gás têm sido desenvolvidas em unidades de grandes dimensões para aplicação industriais ou para aplicações de menores dimensões como motores de 17

31 aeronaves. De um modo geral, são capazes de iniciar rapidamente e têm uma resposta rápida às mudanças de carga (Frangopoulos e Ramsay, 2001:18). Os sistemas de cogeração com turbina a gás podem trabalhar em dois ciclos distintos, ciclo aberto e ciclo fechado. Segundo Frangopoulos e Ramsay (2001:19) o ciclo mais utilizado nos sistemas de turbinas a gás é o ciclo aberto, denominado de ciclo Brayton. Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto A maioria dos sistemas de turbinas a gás disponíveis atualmente em qualquer sector de aplicações operam no ciclo aberto Brayton (também chamado de ciclo de Joule quando irreversibilidades são ignoradas), cujo processo se baseia num compressor que recebe ar da atmosfera, aumenta a sua pressão e encaminha-o para o incinerador (figura 2.8). A temperatura do ar também é aumentada devido à compressão. Unidades mais antigas e menores operam a uma razão de pressão na faixa de 15:1, enquanto as unidades mais novas e maiores operam com razões de pressão que se aproximam dos 30:1. Figura Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto (Adaptado da fonte: Frangopoulos e Ramsay, 2001:19). 18

32 O ar comprimido é entregue, através de um difusor para o incinerador a pressão constante, onde o combustível é injetado e queimado. O difusor reduz a velocidade do ar para valores aceitáveis no incinerador. Há uma queda de pressão através do incinerador na faixa de 1-2%. A combustão ocorre com elevado excesso de ar. Os gases de escape saem do incinerador a alta temperatura e com concentrações de oxigénio de até 15-16%. A temperatura mais alta do ciclo aparece neste ponto, e quanto maior for, maior é a eficiência do ciclo. O limite superior é definido pela temperatura que os materiais da turbina a gás podem suportar, bem como pela eficiência das pás de arrefecimento; com a tecnologia atual é cerca de 1300 C. Os gases de escape entram na turbina a gás a alta pressão e temperatura, produzindo trabalho mecânico para acionar o carregamento do compressor. Os gases de escape saem da turbina a uma temperatura considerável ( C), o que faz com que a recuperação de calor a alta temperatura seja ideal. Isto é efetuado por uma caldeira de recuperação de calor de pressão única ou de pressão dupla, para a recuperação mais eficiente de calor. O vapor produzido pode ter alta qualidade, o que o torna apropriado não somente para processos térmicos, mas também para a condução de uma turbina a vapor produzindo energia adicional. Os sistemas de cogeração com turbinas a gás de ciclo aberto têm uma produção de energia elétrica geralmente na faixa de 100 kw-100 MW, não excluindo valores fora desta faixa. Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo fechado Num sistema de ciclo fechado (figura 2.9), o fluido de trabalho (normalmente o hélio ou ar) circula em circuito fechado, sendo aquecido num permutador de calor antes de entrar na turbina, e é arrefecido depois da saída da turbina expulsando o calor útil. Assim, o fluido de trabalho permanece limpo e não causa corrosão ou erosão. 19

33 Figura Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo fechado (Adaptado da fonte: Frangopoulos e Ramsay, 2001:21). A fonte de calor pode ser a combustão externa de qualquer combustível, mesmo resíduos de cidades ou industriais. Além disso, a energia nuclear ou a energia solar também pode ser utilizada. Os sistemas deste tipo com uma potência de saída de 2-50 MW operam na Europa e no Japão, mas em número bastante reduzido. Depois de acumulada experiência, a confiabilidade dos sistemas de ciclo fechado deverá ser pelo menos igual ao sistema de ciclo aberto, enquanto que a disponibilidade está prevista ser maior graças ao fluido de trabalho limpo. No sistema em ciclo aberto, o ar atmosférico é conduzido ao compressor onde a temperatura e a pressão são elevadas. No incinerador, o ar entra em contacto com o combustível que está a arder a pressão constante. Os gases resultantes desta mistura, a alta temperatura, entram na turbina, onde são expandidos, produzindo trabalho. Os gases exaustos são rejeitados, sendo possível aproveitar, de forma útil, o calor associado. A temperatura dos gases de exaustão é relativamente elevada, entre 400 a 500ºC no caso de turbinas pequenas, podendo atingir os 600ºC em turbinas de grande dimensão. A instalação 20

34 de um recuperador de calor permite aproveitar este calor para produzir vapor ou água quente. O processo de combustão em ciclo fechado é ligeiramente diferente do de ciclo aberto, uma vez que, o processo de combustão é substituído por um processo de adição de calor de uma fonte externa (Q H ), a pressão constante, e o processo de escape é substituído por uma entrega de calor ao exterior (Q L ), também a pressão constante (Sá, 2008:182). Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo combinado O termo ciclo combinado (figura 2.10) é usado para sistemas que consistem em dois ciclos termodinâmicos, que são conectados por um fluido de trabalho e operam com diferentes níveis de temperatura. O ciclo de alta temperatura (topping cycle) rejeita calor, que é recuperado e utilizado pelo ciclo de baixa temperatura (bottoming cycle) para produzir energia elétrica adicional (ou mecânica), aumentando assim a eficiência elétrica (Frangopoulos e Ramsay, 2001:34). Figura Sistemas de cogeração de ciclo combinado (Adaptado da fonte: Frangopoulos e Ramsay, 2001:34). O sistema mais utilizado de ciclo combinado é o de turbina a gás - turbina a vapor. 21

35 O ciclo combinado, na maioria dos casos, consiste na combinação dos ciclos Brayton e Rankine, e é um dos ciclos mais eficientes para sistemas de geração de energia. O ciclo Brayton é o ciclo de turbina a gás, e o ciclo Rankine é o ciclo de turbina a vapor. Na maioria das aplicações de ciclo combinado, a turbina a gás é o ciclo topping, e a turbina a vapor é o ciclo bottoming. A eficiência térmica dos ciclos combinados pode atingir os 60%. Na combinação típica, a turbina a gás produz cerca de 60% da potência, e a turbina a vapor, cerca de 40% (Boyce, 2002:30). O outro sistema utilizado é o combinar do ciclo Diesel com ciclo Rankine. O arranjo é semelhante ao ciclo Joule, com a diferença que a unidade de turbina a gás é substituída por um motor Diesel. Os motores de média e de alta potência podem fazer a adição do ciclo Rankine economicamente viável (Frangopoulos e Ramsay, 2001:34). Sistema de cogeração com motor de combustão interno Sá (2008:184) considera que os motores de combustão interna (figura 2.11) são máquinas térmicas alternativas, destinadas à produção de energia mecânica ou força motriz de acionamento. Os motores de explosão interna podem ser classificados como motores de explosão (ignição por faísca) ou de ignição por compressão. O motor de compressão é vulgarmente chamado motor diesel. 22

36 Figura Sistema de cogeração com motor de combustão interna (Adaptado da fonte: Frangopoulos e Ramsay, 2001:28). Os motores do ciclo diesel são aqueles que aspiram ar, que após ser comprimido no interior dos cilindros, recebe o combustível com pressão superior à que o ar se encontra. A combustão ocorre por autoignição quando o combustível entra em contacto com o ar aquecido pela elevada pressão (Sá, 2008:184). Os motores são divididos em dois tipos, sendo estes motores de 4 tempos e motores de 2 tempos, cujos ciclos, Otto e Diesel respetivamente, são muito parecidos. A diferença está 23

37 no processo de adição de calor que no ciclo Otto é isocórico (volume constante) e no ciclo Diesel é isobárico (pressão constante) (Sá, 2008:184). Os motores de combustão interna têm uma alta eficiência, mesmo em tamanhos pequenos. Existe uma grande variedade de tamanhos com diferentes potências (75 kw - 50 MW). Estes podem usar vários tipos de combustíveis gasosos e líquidos, e ter bom rendimento (80-90%). Até agora, estas características fizeram deste sistema a primeira escolha, para aplicações de cogeração no sector institucional, comercial e residencial, bem como no sector industrial, quando é necessário uma baixa ou média tensão (Frangopoulos e Ramsay, 2001:25) A legislação da cogeração A cogeração, como qualquer outra tipologia energética, está sujeita a uma série de medidas reguladoras, estando estas previstas no decreto-lei 23/2010 de 25 de Março (anexo A), onde é evidenciada a necessidade de um aumento da preocupação ambiental a promoção da cogeração de elevada eficiência com base na procura de calor útil é considerada prioritária, devido ao seu potencial de poupança de energia primária e, consequentemente, de redução das emissões de CO 2, bem como à diminuição significativa das perdas na rede associada à descentralização da produção elétrica e também da potencial contribuição para a segurança de abastecimento. Segundo o decreto-lei citado, um sistema de cogeração tem de ser classificado de acordo com a sua eficiência, sendo que este pode ser um sistema de cogeração eficiente ou de elevada eficiência. À produção em cogeração licenciada é associada uma modalidade de regime remuneratório, podendo ser geral ou especial. O licenciamento da cogeração é livre, e por isso, pode ser exercido por pessoas singulares ou coletivas e é regulamentado pelo Regulamento de Licenças para Instalações Elétricas (RLIE). O cogerador tem de seguir determinados direitos e deveres publicados nos artigo 17º e 18º respetivamente. A restante informação relativa a este decreto-lei encontra-se no anexo A. 24

38 A portaria nº140/2012 de 14 de maio (anexo A) estabelece os termos da tarifa de referência do regime remuneratório aplicável às instalações de cogeração, nos termos e para os efeitos do disposto no Decreto-Lei n.º 23/2010, de 25 de março, alterado pela Lei n.º 19/2010, de 23 de agosto. A tarifa de referência (Tref) contida no Decreto-Lei n.º 23/2010, de 25 de março, corresponde aos valores indicados nas alíneas seguintes, em função da potência elétrica instalada da cogeração (P) e do combustível utilizado, integrando os benefícios ambientais, as perdas evitadas nas redes e a utilização reduzida da rede de transporte, e aplicando o regime de atualização e de modulação tarifária. Para instalações que utilizem como combustível gás natural, gases de petróleo liquefeitos (GPL) ou combustíveis líquidos, com exceção do fuelóleo, o valor da Tref é o seguinte: I. P 10 MW: 89,89/MWh; II. 10 MW < P 20 MW: 80,44/MWh; III. 20 MW < P 50 MW: 70,33/MWh; IV. 50 MW < P 100 MW: 63,95/MWh; 25

39 3. A EMERGIA 3.1. Introdução Os impactos ambientais estão relacionados diretamente com o fornecimento e utilização da energia. Atualmente este é o tema de muitos estudos, pois uma gestão ambiental constante deve ser uma ferramenta fundamental de qualquer cenário que vise a produção de energia sustentável. Deparando-se com problemas como a poluição, o aquecimento global, a chuva ácida, a extinção de espécies, a seca, entre outros que afetam a Biosfera, os governos, o sector privado e, cada vez mais os consumidores, se preocupam com esta questão. Sustainability advocates and architects must resolve a vexing question: how can humankind equitably provide energy-derived benefits to a growing world population without degrading the environment or exhausting resources for which there are no apparent substitutes? (Tester et al., 2005:32). Os arquitetos e advogados da sustentabilidade devem resolver uma questão perturbadora: como é que a humanidade poderá fornecer benefícios derivados da energia de forma equitativa, a uma população mundial crescente, sem degradar o meio ambiente ou esgotar recursos para os quais não há substitutos aparentes? (traduzido de: Tester et al., 2005:32). A questão acima transcrita demonstra a enorme preocupação dos ecologistas em encontrar uma solução que evite a degradação do meio ambiente. Embora não se possa parar de produzir energia, pois esta é essencial para o dia-a-dia do ser humano, tem de existir um cuidado por parte do ser humano para a proteção do meio ambiente. A procura de medidas protecionistas será, a cada dia que passa, cada vez mais importante. As fontes de energias e os processos de conversão que fazem parte dos sistemas de energia do planeta terra estão representados na figura 3.1, onde se pode verificar que o sol e o calor oriundo do centro da terra constituem as fontes principais para os sistemas de produção de energia presentes à face da terra, tendo como utilizador final as residências, as indústrias e os transportes. 26

40 Figura Fontes de energia e processos de conversão (Adaptado da fonte: Tester et al., 2005:17). As atividades humanas têm consequências que nem sempre são refletidas nos preços dos bens e serviços relacionados. Às vezes, esses "custos escondidos" ou externalidades são tão reduzidos que chegam a ser inconsequentes e não justificam a sua inclusão nos custos de uma atividade. Em contraste, e após se efetuarem vários estudos, acredita-se que o fornecimento e uso de energia, seja acompanhado de custos significativos que não são incluídos nos preços atuais de energia. Muitas dessas externalidades estão associadas a impactos ambientais adversos ao uso da energia, incluindo as despesas com cuidados de saúde, perda de produtividade, poluição do ar e da água, danos estéticos, etc. (Tester et al., 2005:33). Odum (1996:1) afirma que o ambiente da Terra fornece o suporte de vida necessário para a sociedade e para a sua economia: solos férteis, águas limpas, ar puro, bom clima, sistemas ecológicos saudáveis, e outros. Com base nas reservas dos recursos naturais, o crescimento frenético do capitalismo livre tem sido uma das maravilhas do mundo, mas, depois de dois séculos de expansão, o desenvolvimento económico com base nos recursos decrescentes da terra atingiu uma nova etapa. As empresas de lucro privado estão a debilitar os sistemas 27

41 ambientais que são a base do bem-estar público. Os conflitos entre aqueles que pretendem proteger o meio ambiente e aqueles que pretendem um maior desenvolvimento económico estão a tornar-se cada vez mais importantes nas discussões de políticas públicas e eleições políticas. Com o passar do tempo e com a crescente destruição do meio ambiente para a obtenção de energia, alguns ecologistas (em particular H. T. Odum (1996)) procuraram uma solução para quantificar a contribuição do meio ambiente para a produção de energia, através de alguma nova grandeza física, à qual seria atribuído um valor por quantidade de energia produzida. Surgiu então um novo conceito denominado de EMERGIA Análise de sistemas Um sistema é definido como uma quantidade de matéria ou uma região do espaço escolhida para estudo. A massa ou região exterior é denominada por vizinhança. A zona que faz a separação do sistema da sua vizinhança (superfície real ou imaginária) chama-se fronteira. Os sistemas podem ser considerados como abertos ou fechados. Um sistema fechado (denominado de massa de controlo) é aquele em que a quantidade de massa é fixa, ou seja, não existe troca de massa com o exterior, mas sim de energia sob a forma de trabalho ou calor. Um sistema aberto (denominado de volume de controlo), é definido por uma região no espaço, em que tanto a energia como a massa podem atravessar a fronteira do sistema. A termodinâmica estuda a variação de energia de um sistema, sendo considerada a ciência da energia. O nome termodinâmica deriva do grego, das palavras therme que significa calor e dynamis que significa potência, que é mais descritivo dos primeiros esforços para converter calor em trabalho. Atualmente o nome é interpretado muito mais amplamente, como designando o estudo da energia e das transformações de energia, envolvendo calor, trabalho mecânico e outros tipos de energia e como essas transformações se relacionam com as propriedades da matéria (Çengel et Boles, 2006). 28

42 Uma das leis fundamentais da natureza (1ªlei da termodinâmica) é o princípio da conservação da energia, que diz que a energia tem a capacidade de mudar de forma mas a quantidade de energia permanece constante, ou seja, a energia não pode ser criada nem destruída. A segunda lei da termodinâmica fornece os meios necessários para determinar a qualidade da energia, bem como o grau de degradação de energia durante um processo. A segunda lei da termodinâmica é também utilizada na determinação dos limites de desempenho teóricos de sistemas de engenharia vulgarmente utilizados, tais como motores de combustão e frigoríficos (Çengel e Boles, 2006). A variação da quantidade de energia de um sistema (energia transferida por calor e trabalho e, no caso de um sistema aberto, também transferência de massa) é igual à diferença entre a energia que entra e a energia que sai através da sua fronteira, sendo o balanço de energia expresso de acordo com a seguinte equação: E entra E sai = ΔE sistema (3.1) Para os sistemas fechados, onde apenas existe transferência de energia, a primeira lei da termodinâmica estabelece que a variação de energia do sistema, é igual à diferença entre o calor transferido para o sistema (Q) e o trabalho realizado pelo mesmo (W): ΔE sistema = Q W (3.2) Esta equação considera a seguinte convenção de sinais: Q > 0 para o calor transferido para o sistema; Q < 0 para o calor cedido pelo sistema ao exterior; W > 0 para o trabalho realizado pelo sistema; W < 0 para o trabalho realizado sobre o sistema. 29

43 Numa análise de sistemas sujeitos a qualquer processo efetua-se também o balanço de entropia. Este indica que a diferença entre a soma da entropia total de entrada num sistema com a entropia gerada no interior do mesmo, e a entropia total de saída é igual à variação da entropia do sistema: S entra S sai +S gerada = ΔS sistema (3.3) 3.3. A emergia e a termodinâmica Quando se efetua uma análise energética de um sistema, é conveniente expressar todos os tipos de energia que atravessam a sua fronteira numa forma de energia comum. Uma análise mais abrangente de um sistema, isto é, em que se possa contabilizar fluxos de diferentes tipos, não só de energia, mas também de matéria ou dinheiro, requer também que todos esses fluxos sejam expressos num fluxo do mesmo tipo. Para isso, introduziu-se um novo conceito denominado de emergia, definida como "a energia de um tipo (geralmente solar) usada direta ou indiretamente para produzir um produto ou serviço" (Odum,1996). A unidade de emergia é o joule de energia solar ou emjoule solar, abreviadamente sej. Segundo Brown e Ulgiati (1997), a diferença qualitativa entre a emergia e outras grandezas termodinâmicas como a energia, exergia e entalpia é que ao contrário da emergia, estas quantidades termodinâmicas não reconhecem a qualidade dos vários recursos energéticos. Por exemplo, Um joule de energia solar não é equivalente a um joule de combustível fóssil (Jara, 2007:169) Um joule de energia solar não é equivalente a um joule de combustível fóssil, na medida em que uma quantidade muito grande de joules de energia solar está incorporada num joule 30

44 de combustível fóssil e, por isso, um joule de cada tipo de energia não faz o mesmo tipo de trabalho. A fonte mais abundante de energia na Terra é a radiação solar, embora se considere que os outros tipos de energia existentes na terra tenham uma qualidade superior à da energia solar, na medida em que é necessária uma grande quantidade de joules de energia solar para se obter um joule de qualquer outra energia (Odum, 2000). Enquanto que a exergia é definida por incluir apenas fluxos de energia com qualidades similares, como de trabalho mecânico, numa análise emergética também são considerados fluxos internos importantes (como serviços humanos) que requerem grandes fluxos de energia para se manter. Um exemplo de um sistema (no caso uma economia nacional), onde se podem visualizar vários fluxos de entrada no sistema (energia renováveis, materiais e serviços), os fluxos de saída (exportações) e as interações existentes dentro do sistema, cuja fronteira é representada por um retângulo de cantos arredondados, está representado na figura 3.2. Figura Diagrama agregado da síntese emergética de uma economia nacional (Fonte: Jara, 2007). 31

45 3.4. Análise emergética O sistema ecológico em equilíbrio com o sistema económico é a base para o desenvolvimento sustentável da humanidade. No entanto, com o progresso social e o desenvolvimento económico, o sistema ecológico tem sido danificado sem precedentes, o que constitui uma séria ameaça para o desenvolvimento e sobrevivência humana. A teoria da análise emergética proposta por H. T. Odum (2000) faz um equilíbrio de energia, informação e fluxos de economia, que ajuda a realizar uma análise correta sobre o valor da relação da natureza com a humanidade, dos recursos ambientais e da sócio-economia. A teoria e o método de análise emergética estabelecido por H.T. Odum (2000) estabelece que qualquer forma de energia deriva da energia solar, sendo a emergia solar usada como referência para medir o valor energético de várias fontes de energia na sua aplicação real. Com base na emergia, pode-se quantificar e comparar o valor real de diferentes tipos de energia, numa mesma base (Odum, 2000). Para se efetuar uma análise de energia é fundamental que todas as entradas do meio ambiente, economia e serviços sejam colocadas numa base comum de emergia. A análise é executada através de uma tabela de avaliação de emergia, um diagrama de sistemas de energia resumido e índices para interpretação (Odum, 2000). Intensidade emergética A emergia necessária para um sistema gerar uma unidade de produto ou serviço, chamada de intensidade emergética, é medida através do respetivo Valor Unitário Emergético (UEV). Consoante o tipo de saída de um sistema, o respetivo UEV pode ser designado por (Brown e Ulgiati, 2004): Transformidade (sej/j) : emergia requerida por unidade de energia gerada; por exemplo, se 10 mil emjoules solar são necessárias para gerar um joule de madeira, a transformidade da madeira é de 10 mil emjoules solar por joule ( sej/j). A transformidade de a luz solar absorvida pela Terra é de 1,0 sej/j por definição. 32

46 Emergia específica (sej/g): emergia requerida por unidade de massa gerada. Emergia por unidade monetária (sej/unidade monetária - sej/, sej/$): emergia necessária à geração de uma unidade de produto económico (moeda). Emergia por unidade de trabalho: emergia necessária para manter uma unidade de trabalho diretamente utilizada no processo (sej/ano; sej/horas ou sej/unidade monetária). Para se determinar qual a emergia de uma determinada quantidade de um produto ou serviço, multiplica-se essa quantidade pelo seu Valor Unitário Emergético: Emergia (sej) = Quantidade disponível (J,, g) x Valor Unitário Emergético (sej/(j,, g) Hierarquia universal de energia Uma transformação energética requer a conversão de uma forma de energia noutra forma de energia. Por exemplo, o gás natural é queimado num sistema de cogeração para gerar energia elétrica. A segunda lei da termodinâmica estabelece que o potencial de realização de trabalho da energia é degradado e que resulta à saída numa menor quantidade de energia. H. Odum e E. Odum (2000) usaram o conceito de hierarquia de energia (figura 3.3) como um meio de explicar o trabalho da natureza e da sociedade que resultam em transformações de energia. Quando visto como um todo, os sistemas da natureza e da sociedade estão interligados em redes de fluxo de energia. O conceito é que todas as transformações de energia da biosfera podem ser dispostos numa série ordenada de modo a formar uma hierarquia de energia com muitos joules de luz solar necessários para se obter um joule de matéria orgânica, muitos joules de matéria orgânica para se obter um joule de combustível, e vários joules de combustível necessários para se obter um joule de energia eléctrica, e assim sucessivamente (Brown e Ulgiati, 2004). Segundo a hierarquia dos processos de transformação de energia, representada na figura 3.3, é necessário num sistema (a), identificar os recursos por unidades (b), e definir assim as interligações existentes no sistema (c). 33

47 Numa análise de fluxos de emergia, estes podem ser comparados, pois multiplica-se os valores dos fluxos de entrada no sistema (energia, massa e moeda) pelos valores unitários emergéticos (UEV), convertendo todos os valores do sistema numa base comum de emergia solar. Ao se analisar os gráficos (d), (e) e (f) da figura 3.3, e utilizando a energia solar como referência (transformidade = 1 sej/j), conforme se vão sucedendo as transformações para se obter um certo produto, a energia vai-se degradando, originando um produto com menor energia, mas com uma qualidade superior, pois é necessário uma quantidade superior de energia para se obter o produto. Logo quanto mais energia e transformações forem necessários para se obter um produto, maior será a sua transformidade. Um fluxo de emergia é denominado por empotência, tendo como unidade o emjoule por unidade de tempo (sej/ano, sej/hora). Os fluxos de tipos inteiramente diferentes tais como energia solar e eletricidade, podem ser expressos em unidades de empotência (Odum, 1996). 34

48 (a) Vista conjunta (b) Separados por escala (c) Rede de energia (d) Série de Transformações Empotência Solar =6 E9 sej/t (e) Potência (J/tempo) (f) Transformidade Solar (sej/j) Figura Hierarquia dos processos de transformações de energia (Fonte: Brown e Ulgati, 2004). 35

49 3.5. Metodologia emergética A metodologia emergética é uma metodologia de avaliação de sistemas que contabiliza os vários recursos que fazem parte de um sistema, tais como, os provenientes da natureza e os provenientes da economia e transforma as sua unidades numa unidade comum (emjoule ou sej), para poder avaliar as respetivas contribuições. A metodologia emergética consiste em três etapas (Odum 1996): (I) (II) (III) obtenção do diagrama de fluxos de energia do sistema; obtenção da tabela de avaliação emergética; cálculo dos índices emergéticos. Passo I: Diagrama de fluxos de energia do sistema Para a construção do diagrama de fluxos de energia é necessário considerar os seguintes passos: desenhar a fronteira do sistema, definir todos os fluxos de entrada e os fluxos de saída que constituem o sistema; fazer uma lista dos processos importantes que constituem o sistema; em seguida, utilizar estes processos para definir as ligações entre os vários símbolos do sistema; descrever as relações existentes, e fazer as ligações dos processos de produção, de consumo, dos fluxos de recirculação, fluxos e interações; desenhar o diagrama incluindo as informações obtidas anteriormente; à volta da fronteira, da esquerda para a direita e tendo em atenção a ordem hierárquica das transformidades, coloca-se as entradas de fluxo, que são as fontes do sistema (sol, chuva, vento, rios, marés, combustíveis, alimentos de alta qualidade, produtos químicos de impacto, trabalho, serviços técnicos, informações, etc.); os símbolos são identificados com os respetivos nomes. 36

50 Deve-se verificar se os fluxos de dinheiro formam um circuito fechado dentro do quadro e se as entradas de dinheiro no interior da fronteira conduzem a saídas de dinheiro. As linhas tracejadas fazem a distinção dos fluxos de dinheiro de outros fluxos. No final verifica-se todos os caminhos para confirmar se os fluxos de energia são adequados. Todos os símbolos devem ter um fluxo de energia degradada, saindo para o dissipador de calor na parte inferior do quadro (Odum; 2000:16). A simbologia adotada na elaboração do sistema é apresentada na figura

51 Circuito de Energia Fonte Reservatório Dissipador de calor Interação Consumidor Fluxo que indica as direções que os componentes de qualquer tipo (materiais, informações, organismos, pessoas, entre outros) têm dentro do sistema. Recurso de energia externa que define a natureza da energia de entrada no sistema e o momento da sua entrada. Tem a função de armazenar a energia dentro do sistema. A taxa de variação da quantidade de energia no tanque é o equilíbrio entre as taxas de entrada e saída. Cada fluxo para dentro ou para fora do armazenamento deve ser do mesmo tipo. É colocado na parte inferior do diagrama do sistema. Este representa a energia dissipada no sistema, pois, ao produzir-se trabalho para obtenção de energia, essa transformação leva à degradação da energia. Todos os processos do sistema têm perdas de energia. Os processos de produção normalmente usam dois ou mais fluxos de entrada de diferentes tipos, a interação faz a junção dessas entradas gerando um produto de um outro tipo, de acordo com os fluxos de entrada. Unidade que transforma a energia em uma energia de qualidade superior, armazena essa energia e realimenta a etapa anterior para receber um fluxo de melhor qualidade. Mecanismo de ação ou corte de um fluxo de energia. Interruptor Produtor Receptor de energia auto-limitante Caixa Está ligado geralmente a uma unidade com um processo de produção, normalmente com um símbolo de armazenamento. Este transforma a energia de baixa intensidade através da ação de um fluxo de alta qualidade. No interior deste receptor existe um círculo interno de energia que é controlada pela quantidade existente de material de alta qualidade. Este tem uma função auto-limitante, mesmo que os fluxos de entrada sejam altos. Tem amplas funções, isto é, tanto pode ser utilizada como unidade de produção ou como unidade de consumo É usado caso a saída seja controlada por uma entrada (inserindo a partir da esquerda), mas pode ser modificada por um fator de ganho constante (inserindo a partir do topo). Amplificador de ganho constante Transação Sempre que existe uma troca de fluxos, utiliza-se o símbolo da transação. Na maioria das vezes a troca, é um fluxo de mercadorias, bens ou serviços (linha continua) em troca por dinheiro (desenhado com linha a tracejado). Figura Símbolos da linguagem de fluxos de energia (Fonte: Odum, 1996). 38

52 Na figura 3.5 pode-se visualizar um exemplo de um diagrama de fluxos de energia de um sistema, onde existe um conjunto de interligações entre o ambiente e a economia. Na construção de um diagrama e após se ter definido todos os fluxos de entrada e saída, fazem-se as suas distribuições e ligações dentro do sistema. Figura Diagrama de um sistema de cogeração de biomassa (Fonte: Sha e Hurme, 2012). Passo II: Tabela de avaliação emergética Os componentes que fazem parte de um sistema, tal como os fluxos de entrada e saída são apresentados numa tabela com um formato análogo ao da tabela 3.1. Nas linhas são inseridos todas as fontes de emergia, os reservatórios ou processos do sistema que sejam importantes, correspondendo a cada item um fluxo de entrada ou saída no diagrama. O procedimento para obtenção da tabela tem como princípio, a conversão dos valores dos fluxos de entrada em fluxos de emergia solar (sej/ano), sendo este cálculo executado através da multiplicação dos valores dos fluxos de entrada pelo respetivo UEV. 39

53 Tabela Tabela modelo para avaliação emergética Coluna I Coluna II Coluna III Coluna IV Coluna V Coluna VI Nota Item Fluxo, Unidades (J, g ou $ /ano) UEV (sej/unidade) Fluxo de Emergia Solar (1) (sej/ano) 1 Nome 1 Valor 1 Emergia/unidade 1 Emergia Em$ 2 Nome 2 Valor 2 Emergia/unidade N Nome n Valor n Emergia/unidade n Emdollar 2010$ ($/ano) (2) (1) Emergia Solar (coluna V) = Fluxo (Coluna III) x UEV (Coluna IV) (2) ($/ano) = sej/ano/sej/$ (coluna V / razão emergia-dinheiro do país) As colunas descrevem o procedimento de análise de cada um dos componentes como se descreve a seguir: Coluna I: Nota, define o número da linha de cada componente do sistema. Coluna II: Item, inclui os diversos componentes existentes no sistema. Coluna III: Fluxo, Unidades, posição da tabela onde é colocado o valor de cada fluxo do sistema, sendo que o valor normalmente corresponde a um ano. Estes fluxos têm como unidades as suas unidades usuais para materiais (gramas/ano), energia (joules/ano) e dinheiro ( ou $/ano). Coluna IV: Emergia solar por unidade, deve constar o valor do respetivo UEV, cujas unidades podem ser sej/g, sej/j ou sej/$. Coluna V: Emergia solar, faculta os valores do fluxo de emergia. Estes valores são obtidos a partir da multiplicação dos valores da coluna III (Valor do fluxo) pelos valores da coluna IV (UEV do respetivo fluxo). Coluna VI: Fornece os valores dos fluxos de emdólares anuais (em$/ano) ou emeuros anuais (em /ano). Este valor é obtido a partir da divisão do valor do fluxo de emergia (coluna V) pela razão emergia/dinheiro definida pela economia do país em estudo. 40

54 Passo III: Índices emergéticos Para uma melhor avaliação e compreensão do sistema, é necessário agregar os fluxos do sistema por categorias, que são normalmente três: os fluxos de entrada ambientais (R e N), os fluxos de entrada provenientes da economia (F) e os fluxos de saída de produtos (Y). Estes compõem um diagrama agregado (figura 3.6). Os fluxos de entrada ambientais são subdivididos da seguinte forma: Recursos renováveis da natureza (R): fluxos provenientes da luz solar, vento, chuva, energia hidroelétrica etc.; um recurso é considerado renovável quando a sua taxa de extração é inferior à sua taxa de reposição; Recursos não renováveis da natureza (N): fluxos tais como carvão, óleo, gás natural, etc.; um recurso é considerado não renovável quando a sua taxa de extração é superior à sua taxa de reposição. Os fluxos de emergia provenientes da economia (F) que são utilizados para construir, operar e manter o sistema são divididos em duas partes, sendo estas a aquisição de bens materiais, que são materiais de construção, máquinas, entre outros, e os fluxos de serviços humanos. Os valores dos fluxos de emergia de entrada (sej/ano) são todos somados para se determinar o fluxo total de emergia, requerido para se obter o fluxo do produto ou serviço gerado pelo sistema: Y = R + N + F (3.4) 41

55 Figura Diagrama agregado de fluxos de emergia (Fonte: Brown et al., 2009) Índices emergéticos A agregação dos fluxos emergéticos do sistema permite calcular diversos índices emergéticos. Esses índices possibilitam uma análise da situação global de um processo, podendo determinar, a dependência de recursos da economia, a intensidade de uso dos recursos renováveis e não renováveis, etc.. Apresentam-se a seguir alguns dos índices emergéticos, mais comuns na literatura. Transformidade Transformidade = Y/E. É a quantidade de emergia requerida para fazer um produto ou serviço (Y) por unidade de energia disponível (E). Quanto maior a transformidade, maior a necessidade de recursos ambientais e de economia para o produzir (Brown e Ulgiati, 1997). A transformidade traduz a eficiência de um processo. 42

56 Razão Emergia/Dinheiro (EMR Emergy Money Racio) Para um país, esta razão é calculada dividindo a emergia total requerida pelas suas actividades económicas pelo seu produto interno bruto (PIB). É uma medida do poder de compra da riqueza real do dinheiro, calculado para uma economia num determinado ano. Quanto menor o seu valor, menor é a emergia necessária por unidade de PIB gerado na economia. Geralmente, os países em desenvolvimento têm um rácio de dinheiro emergético mais elevado porque a sua economia envolve a utilização mais direta de recursos ambientais sem troca de dinheiro e por isso, um dólar nestes países pode comprar mais riqueza do que em países desenvolvidos (Jiang et al, 2008). Esta razão (sej/ ou sej/$) permite converter os fluxos de dinheiro, por exemplo os serviços pagos em dólares (euros ou outro), em fluxos de emergia. Dólar emergético (Emdólar) Calcula-se dividindo a emergia (sej) pela razão de emergia/dinheiro (sej/$). Refere-se ao fluxo de dólar gerado direta ou indiretamente no produto económico bruto por emergia introduzida (Odum, 1996). Razão de rendimento emergético (EYR, Emergy Yield Ratio) Brown e Ulgiati (2004) consideram que a razão de rendimento emergético (eq. 3.5), é a razão entre a emergia incorporada no produto ou serviço (Y) e a emergia dos fluxos provenientes da economia (F). Permite quantificar o grau de contribuição de um processo para a economia. Esta razão para os combustíveis fósseis (fontes muito competitivas) já foi de 12/1, hoje está em 6/1 e continua a cair, e enquanto for maior que a razão de Y/F dos combustíveis alternativos (exemplo 2/1), não compensa utilizar as novas fontes como energia primária. EYR= Y/F = (F+R+N)/F (3.5) 43

57 Razão de investimento emergético (EIR, Emergy Investment Ratio) Este índice (eq. 3.6) é definido pela razão entre os fluxos de emergia de entrada proveniente da economia (F), e o fluxo de emergia dos recursos ambientais (N+R). Permite avaliar se o processo beneficia da emergia investida, em comparação com outros sistemas alternativos. Quanto maior for este índice maior será o seu desenvolvimento. Não é um índice independente e está ligado ao EYR (Brown e Ulgati,1997). EIR = F/ (R+N) (3.6) Razão de carga ambiental (ELR, Environmental Load Ratio) Brown e Ulgati (1997) definem este índice como a razão entre a soma do fluxo de emergia dos recursos oriundos da economia, F, com o fluxo de emergia dos recursos não renováveis N, e o fluxo de emergia renovável R (eq. 3.7). É um índice que avalia a pressão do processo no ecossistema local e pode ser considerado uma medida do stress do ecossistema devido à atividade produtiva. Então, quanto maior for o valor da ELR, maior dependência tem a economia de recursos da economia e recursos não renováveis (Brown e Ulgati, 2007). ELR = (F+N) /R (3.7) Razão de intercâmbio de emergia (EER, Emergy Exchange Ratio) É a razão entre emergia recebida no comércio ou transação de bens (pelo dinheiro recebido) e a emergia cedida nesses bens. É uma medida da vantagem relativa de uma parte sobre a outra no intercâmbio de emergia. Se a relação for inferior a 1, implica que mais energia é cedida do que recebida, sendo a transação vantajosa para o comprador. Entre duas economias é a razão entre os seus EMRs. 44

58 Índice de sustentabilidade emergética (EmSI, Emergy Sustainability Index) Este índice é o quociente entre a razão do rendimento emergético, EYR, e a razão da carga ambiental, ELR, (eq. 3.8), medindo a contribuição de um recurso para a economia, por unidade de carga ambiental. Valores alto de EmSI indicam que a emergia usada no processo produtivo provém, com alto grau de confiança, de fluxos de emergia renováveis. Valores baixos de EmSI indicam o oposto. Segundo Brown et al. (2009) um país é sustentável a curto prazo se a sua economia consegue alcançar uma taxa alta de rendimento emergético com a menor carga possível no ambiente (valores altos do índice). Os países mais desenvolvidos têm valores mais baixos de EmSI, normalmente abaixo de 1,0, enquanto que os países subdesenvolvidos com economias muito pequenas têm o maior valor de EmSI. EmSI= EYR / ELR (3.8) Renovabilidade emergética (REN %, Percent Renewable Emergy) É a percentagem de fluxo de emergia renovável no fluxo total de emergia requerida por um sistema (eq. 3.9). Quanto maior este índice, mais o processo depende de recursos renováveis. Segundo Brown e Ulgiati (2004), apenas os sistemas com uma alta renovabilidade emergética serão sustentáveis a longo prazo. Por outras palavras, o processo consome em menor quantidade os recursos não renováveis, e isso pode ser mais útil para o desenvolvimento sustentável do sistema (Zhang, 2010). REN%=R /(R+N+F)*100 (3.9) 45

59 4. EMERGIA E COGERAÇÃO 4.1. Introdução Os métodos tradicionais de avaliação dos sistemas de produção de eletricidade incluem a energia, materiais e análises económicas dos seus principais componentes, mas hoje, para atender às exigências do desenvolvimento sustentável, tornou-se necessário também incluir uma análise integrada dos impactos ambientais e os benefícios económicos. A análise emergética tem sido aplicada em sistemas de cogeração de escalas diferentes e em sistemas de produção de eletricidade convencionais. A análise emergética difere da análise energética padrão, pois realiza um estudo mais abrangente, considerando não só a energia industrial e os fluxos de materiais, mas também serviços, informação, e outros fluxos de materiais necessários para o processo, assim como mudanças ambientais que podem ocorrer como resultado, sendo estes recursos todos contabilizados numa base comum (emjoules solares). Brown e Ulgati (2002) referem que os fluxos de entrada ambientais e a degradação ambiental causada pela produção de energia devem ser cuidadosamente avaliados antes de ser calculado o valor real da energia. Isto porque existe um limite para a disponibilidade de recursos não renováveis no apoio aos sistemas de cogeração e um limite para a capacidade de absorção de resíduos por parte da biosfera. Se for estudado o processo de produção de energia de uma central de cogeração verifica-se que o oxigénio é um recurso bastante importante, no auxílio à combustão e arrefecimento do incinerador. A sua utilização, como recurso renovável livre, é vital para a cogeração, isto porque, se faltar oxigénio não existe combustão, e sem arrefecimento a eficiência do sistema cai rapidamente. Ao analisar-se o processo pode-se constatar que outros recursos renováveis são utilizados pelos sistemas de cogeração. Na produção de vapor ou arrefecimento do sistema, utiliza-se a água do rio, que muitas das vezes é obtida de forma gratuita. Se, por exemplo, a água do rio for utilizada no arrefecimento de uma central térmica, esta já não está disponível para o 46

60 arrefecimento de uma segunda central próxima, uma vez que a sua capacidade de arrefecimento já foi utilizada pela primeira central. Então, utilizando a teoria da emergia e aplicando os métodos de síntese podem-se criar planos de otimização para uma central de cogeração, e efetuar uma comparação com outros sistemas iguais ou idênticos, isto é, em que a sua principal fonte de energia seja a mesma ou diferente (gás natural, carvão, resíduos industriais, agrícolas ou urbanos, etc.), podendo-se determinar qual o sistema mais indicado para o objetivo pretendido (Peng et al., 2008) Transformidades na cogeração Como já foi mencionado, a transformidade contabiliza a emergia requerida direta ou indiretamente no fabrico de um produto por unidade de energia disponível do mesmo. No caso da produção simultânea de vários produtos pelo sistema, designados de coprodutos, como é o caso da eletricidade e do calor (vapor de água) na cogeração, a emergia requerida por cada um é a mesma, sendo igual à emergia total de entrada no sistema (Odum, 1996). Assim, as transformidades da eletricidade e do vapor de água obtidos por cogeração, Tr e,cog e Tr v,cog, são dadas pela razão entre a emergia total requerida pelo sistema, Em cog, e a energia disponível em cada produto, E e,cog e E v,cog respetivamente: Tr e,cog = Em cog E e,cog (4.1) Tr v,cog = Em cog E v,cog (4.2) A estas transformidades chamar-se-ão no resto deste documento de transformidades de cogeração separadas da eletricidade e do vapor de água. Deste modo, a transformidade assim obtida para cada produto poderá ser, em princípio, superior à que será obtida numa produção independente, o que leva a pensar que a produção independente poderá ser mais vantajosa que uma produção conjunta, o que se sabe não ser verdade. Por isso, Bastianoni e 47

61 Marchettini (2000) introduziram duas novas transformidades, designadas de transformidade conjunta, para um processo de coprodução, e transformidade média ponderada, para a produção independente dos produtos, de modo a poder comparar a emergia requerida no processo de coprodução com a emergia total requerida nos processos de produção independente de eletricidade e vapor de água, numa situação e noutra por unidade de energia global produzida. Em ambas as situações deve ser também considerado o mesmo combustível e os mesmos níveis de produção. Esta comparação é equivalente à que se faz em termos energéticos (capítulo 3.2). A transformidade conjunta, Tr j é definida, para um sistema de cogeração, produzindo eletricidade e vapor (figura 4.1), como sendo a razão entre a emergia total requerida pelo sistema, E cog, e a soma dos conteúdos energéticos da eletricidade e do vapor, E e e E v respetivamente: Tr j = Em cog E e,cog + E v,cog (4.3) E e Em cog Figura Diagrama para a definição da transformidade conjunta. E v A transformidade média ponderada, Tr pond, é a razão entre a soma da emergia requerida para a produção independente de eletricidade, Em e, com a emergia requerida para a produção independente de vapor de água, Em v, e soma das energias da eletricidade e vapor produzidas, E e e E v, respetivamente (figura 4.2): Tr pond = E e E Tr E e + E e + v Tr v E e + E v = Em e + Em v v E e + E v (4.4) 48

62 onde Tr e e Tr v são as transformidades da eletricidade e do vapor respetivamente, obtidos de forma independente. Estas não devem ser confundidas com as transformidades de cogeração separadas da eletricidade e do vapor de água. Em e E e Em v E v Figura Diagrama para a definição da transformidade média ponderada. Sha e Hurme (2012) utilizaram estas transformidades para comparar um processo de cogeração com os processos de produção independente e também para comparar entre si diferentes tipos de processos de cogeração (a biomassa e a carvão) Trabalhos de outros autores Avaliações anteriores de vários sistemas de cogeração, utilizando a análise emergética, determinam soluções distintas mas importantes para que se obtenha o máximo aproveitamento dos sistemas de cogeração. Peng et al. (2008) fez uma análise de um sistema de cogeração com uma potência de 6 MW, situado em Yantai, China. O sistema tem como fonte de alimentação o carvão e serve para produção de eletricidade e vapor em simultâneo. Os fluxos de entrada do sistema contabilizados foram: água do rio, oxigénio, madeira, carvão, calcário, químicos, manutenção, mão-de-obra e cinzas. O estudo abordou três modos diferentes de funcionamento: um modo 1 que foi avaliado com os dados obtidos no estudo realizado à central de cogeração, um modo 2 em que foi simulada a incorporação do sistema na rede nacional de eletricidade e um modo 3 tinha o intuito de incorporar o sistema de cogeração 49

63 na rede nacional de eletricidade e vapor, aproveitando ao máximo todas as potencialidades do sistema. Peng et al. (2008) determinou a transformidade dos fluxos de saída separadamente, dividindo o valor total da emergia requerida pelo sistema sistema pela energia de cada um dos fluxos de saída. Foram também calculados e comparados os índices emergéticos para os três modos. Para comparar com o sistema de cogeração da empresa X, será utilizado o modo 2, pois é o modo mais equivalente ao modo em estudo. Sha e Hurme (2012) realizou um estudo para avaliar quatro sistemas de cogeração distintos. Dois dos sistemas com uma potência de 71,7 MW que utilizam a biomassa como fonte principal de energia, mas com pressões e temperaturas de trabalho diferentes (caso A: 62 bar e 510 ºC; caso B: 93 bar e 515 ºC). Os outros dois sistemas de produção de energia têm como recurso energético o carvão, um com uma potência de trabalho de 71,7 MW, operando com uma pressão de 93bar e 515ºC, e o outro com uma potência de 150 MW, trabalhando a 93 bar e 515 ºC. Para a construção da tabela emergética dos vários sistemas em estudo, Sha e Hurme (2012) identificou os fluxos necessários para a produção de energia e vapor no sistema de cogeração a biomassa como sendo: biomassa, água, oxigénio, investimento, eletricidade, mão-de-obra, transporte da biomassa e cinzas. Para o sistema de cogeração a carvão, considerou: carvão, água, oxigénio, calcário, o investimento, eletricidade, mão-de-obra, transporte e cinzas. O autor calculou inicialmente a emergia conjunta para cada sistema analisado, realizando uma comparação entre os vários sistemas, utilizando os índices emergéticos. Nesse estudo foram calculadas a transformidade conjunta e a transformidade média ponderada para se verificar se os sistemas de cogeração são mais eficientes do que os sistemas de produção independente de eletricidade e vapor de água, o que foi verificado. Este determinou que em geral, o calor e a produção de energia a partir de biomassa é mais eficiente emergeticamente do que a produção a partir do carvão num processo semelhante. O índice de sustentabilidade emergética de uma central de cogeração de biomassa é bastante superior a uma central de cogeração a carvão. Buonocore et al. (2011) realizaram um estudo de uma central de cogeração que tem como fonte de alimentação a biomassa, que era obtida a partir do salgueiro, resíduos de indústrias 50

64 de madeira, resíduos agrícolas e resíduos florestais. A central tem uma potência de 24MW e produz 45MW de calor, sendo que a energia produzida é vendida ao mercado do polo norte (Suécia, Noruega, Dinamarca e Finlândia) e o calor é utilizado para o aquecimento urbano local. A biomassa utilizada para a produção de eletricidade e calor é transportada por camião para a central. O autor conclui que a central em estudo parece alcançar o objetivo de um melhor desempenho e sustentabilidade quando comparada com sistemas à base de combustíveis fosseis para produção de eletricidade. Buonocore et al. (2011) referiu que as fontes de energia alternativas (como biomassa de madeira) podem aumentar a renovabilidade dos processos de produção de energia, embora dependessem da evolução da economia do país onde estão inseridos. Brown e Ulgiati (2002) analisaram seis sistemas de produção de energia elétrica em Itália. Os autores consideraram na sua análise todos os custos gastos com materiais e mão-de-obra na instalação dos sistemas, assim como as fontes de energia, manutenção, recursos ambientais e as saídas do processo. Os sistemas analisados foram uma central eólica de 2.5 MW, uma central geotérmica de 20 MW, uma hidroelétrica de 85 WM, uma centra termoelétrica a óleo de 1280 MW, uma central elétrica a metano de 171 MW, e uma central elétrica a carvão de 1280 MW. A partir das comparações realizadas, os autores afirmam que os sistemas de produção de energia elétrica renováveis necessitam de muitos mais recursos naturais do que os sistemas térmicos, e que os sistemas térmicos produzem uma carga ambiental muito superior aos renováveis. Em conclusão, os autores determinam que as centrais renováveis (eólica, hidroelétrica e geotérmica) tem maior índice de sustentabilidade que as restantes. 51

65 5. CASO DE ESTUDO: AVALIAÇÃO EMERGÉTICA DE UM SISTEMA DE COGERAÇÃO COM TURBINA A GÁS EM CICLO ABERTO 5.1. Descrição do sistema de cogeração Este trabalho foi realizado numa empresa sediada em Portugal (empresa X), que produz eletricidade e vapor de água utilizando um sistema de cogeração com turbina a gás de ciclo aberto. O sistema em estudo (figura 5.1) permite a produção de vapor de água, que é vendido a uma outra empresa, e, em simultâneo, a produção de energia elétrica para consumo do próprio sistema de cogeração, e para venda à rede elétrica nacional. Os principais componentes do sistema são o grupo gerador (turbina a gás, caixa redutora e alternador), a caldeira e a central de elevação de pressão de gás para alimentação da turbina. 52

66 Figura Layout do sistema de cogeração da empresa X. O sistema de cogeração implementado na empresa X tem três modos de operação, que se designam neste trabalho por A, B e C. O modo A, consiste na produção de energia e vapor em simultâneo, isto é, a turbina e a caldeira em funcionamento. No caso de existir um problema com a caldeira, em que seja necessário a entrada em ação da equipa de manutenção, ou então, não seja necessária a produção de vapor porque a produção da fábrica receptora está parada, o sistema entra no modo B de operação, em que funciona só a turbina, produzindo apenas eletricidade para venda à rede pública e consumo próprio. O terceiro modo de operação, C, consiste na produção de vapor unicamente, e apenas é utilizado quando é necessário fazer manutenção preventiva ou corretiva do grupo gerador de eletricidade. O primeiro modo de operação, A, é o mais rentável e corresponde a 95,9% do tempo de funcionamento do sistema de cogeração. 53

67 Modo A Turbina e Caldeira em funcionamento A figura 5.2 representa esquematicamente a turbina (T) e todos os componentes acoplados à mesma, ou seja, o incinerador (I), local onde se dá a combustão, a entrada do ar atmosférico (O) para o incinerador, o reservatório do óleo para lubrificação (R), e a entrada do gás natural (G) para o sistema. T O I R G Figura Esquema da turbina de cogeração a gás da empresa X. A função da turbina é a transformação da energia química do combustível em energia mecânica. A energia necessária para o arranque é fornecida pela rede e, após o início do processo, a turbina produz energia, sendo parte para consumo do próprio sistema de cogeração e outra parte fornecida à rede. A eletricidade entra no sistema com uma tensão de 60 kv, passa por um primeiro transformador que a baixa para 15 kv e por um segundo que a baixa novamente para 400 V. A energia é distribuída para os diversos auxiliares, inclusive para a turbina às tensões de utilização. Quando o sistema está a produzir energia, deixando de receber energia da rede e passando a enviar para a mesma, o primeiro transformador deixa de funcionar como redutor e passa a funcionar como elevador de tensão, intensificando a tensão do sistema de 15 kv para 60 kv. O alternador, agregado à 54

68 turbina através de uma engrenagem redutora tem uma produção de eletricidade de aproximadamente 5MW. A turbina teve um consumo de Nm 3 de gás no ano de A turbina gira à velocidade de RPM (rotações por minuto) com uma relação de transmissão de 9,714:1, o que significa RPM no alternador. A turbina tem uma entrada de ar à temperatura ambiente, que fornece o caudal necessário para a combustão e refrigeração do sistema. O ar é comprimido pelo compressor da turbina para o sector de combustão com uma pressão constante de 12 bar. A temperatura dos gases da combustão é de cerca de 1057ºC à saída do incinerador. A combustão inicia-se por um dispositivo elétrico de ignição interagindo com o gás. O incinerador é constituído por 6 câmaras de combustão que estão ligadas entre si, sendo que uma parte do ar entra pelas unidades de combustão, servindo de auxílio à combustão, e o restante, vindo do exterior, penetra pelos vários orifícios em toda a periferia da câmara de combustão e arrefece as unidades de combustão para estas não sobreaquecerem. O sector que transforma a energia térmica em energia mecânica é constituído por pás fixas e por rodas de pás móveis cujo movimento é aproveitado para fazer rodar o alternador. Após o processo de combustão, os gases formados no interior da turbina são reencaminhados para a caldeira. O sistema de produção de vapor está representado na figura 5.3. Este é composto pelo incinerador (I), caldeira (C), economizador (E), sistema de fornecimento de água (A) e sistema de fornecimento de ar atmosférico (O), sendo este último utilizado só no modo C de funcionamento. Os gases provenientes da turbina (GT), juntam-se aos gases da queima (GE) no interior da caldeira e saem pela chaminé. A sigla (VA) representa o vapor de água produzido. Os valores das pressões, temperaturas e caudais do sistema estão indicados nos quadrados a preto. 55

69 VA GE 2 E GT O A C I Figura Esquema da caldeira do sistema de cogeração da empresa X. Na caldeira é produzido o vapor de água. A caldeira reaproveita os gases oriundos da turbina, sendo encaminhados para o respetivo incinerador e usados como comburentes, os quais contêm aproximadamente 14% de oxigénio e estão a uma temperatura de aproximadamente 500ºC. Com os gases da turbina a central de cogeração consegue produzir aproximadamente kg/h de vapor de água, embora insuficiente para os objetivos do sistema. Para aumentar a energia térmica disponível para a produção de vapor na caldeira, é introduzido gás de pós combustão, e assim, dessa forma consegue-se atingir um máximo de produção de kg/h. A temperatura máxima admissível durante a combustão no interior do incinerador da caldeira é de 850ºC, sendo esta temperatura variável em função da necessidade de produção de vapor. Normalmente a temperatura de trabalho é de aproximadamente 550ºC. Os gases provenientes da queima servem para aquecer os tubos de água no interior da caldeira, transformando-a em vapor. 56

70 O processo de transformação da água em vapor inicia com a entrada da água no economizador à temperatura de 108ºC, com uma pressão 21,5 bar e um caudal médio anual de kg/h, sendo aí aquecida até aos 215ºC. Posteriormente a água pré aquecida no economizador, entra pela parte superior da caldeira e desce até à parte inferior, através dos tubos existentes no interior da caldeira. O aquecimento dos tubos de vaporização dá origem às correntes de convecção que permitem o funcionamento ininterrupto do sistema de geração de vapor saturado. O vapor sai da caldeira para a fábrica a uma pressão de 19 bar e com um caudal de kg/h. No ano de 2010 o sistema de cogeração produziu kg de vapor de água. Modo B Turbina em funcionamento Por vezes surgem situações em que é necessário parar o funcionamento da caldeira devido a uma avaria ou porque não existe necessidade de produção de vapor. Nestas situações é fechada a passagem de gases da turbina para a caldeira e aberta a conduta de libertação de gases para a atmosfera, sendo que o funcionamento da turbina se processa da mesma forma. O sistema de cogeração com apenas a turbina em funcionamento, ou seja, produzindo só eletricidade tem um rendimento de aproximadamente 29,7%. Modo C Caldeira em funcionamento Quando a turbina, por qualquer imprevisto, é forçada a parar, mas é necessário produzir vapor, é interrompida a comunicação da turbina com a câmara de combustão da caldeira, de forma a impedir o encaminhamento de gases para a turbina, entrando em funcionamento um ventilador que fornece ar ao incinerador da caldeira, cujo caudal é regulado em função do gás introduzido. Este processo é bastante dispendioso, pois enquanto os gases comburentes vindos da turbina estão a uma temperatura de cerca de 500ºC, o ar atmosférico está à temperatura ambiente, levando assim bastante tempo para que combustão no interior da caldeira eleve a sua temperatura até ao valor desejado para a produção de vapor. 57

71 Sistema de Lubrificação da turbina Através da figura 5.4 pode-se identificar os pontos de lubrificação da turbina (T), assim como as pressões (P) de entrada do óleo no sistema e a temperatura deste. T R P Figura Esquema do sistema de lubrificação e da turbina a gás da empresa X. A lubrificação da turbina, com vista a reduzir o atrito, é feita com óleo sintético turbineoil 2197 à pressão de 3,9 bar. O sistema de apoio do rotor do alternador é composto por duas chumaceiras, sendo que a primeira tem um reservatório próprio fazendo auto-lubrificação por efeito cunha de óleo, e na outra chumaceira é feita lubrificação forçada, assim como na caixa redutora e nos rolamentos que servem de suporte ao veio da turbina. Uma bomba aspira o óleo do reservatório (R) e uma válvula reguladora da temperatura faz a gestão da quantidade de óleo que passa para o refrigerador montado em paralelo, tendo este por objetivo manter o fornecimento de óleo dentro dos parâmetros normais de temperatura. De 58

72 seguida, o óleo é filtrado e enviado para os diversos pontos de lubrificação. O ciclo termina com o retorno do óleo ao reservatório. Sistema de remoção de resíduos da caldeira A água introduzida na caldeira contém muitas vezes sais (oxigénio, cloretos, lodo em excesso), que podem colocar em causa o tempo de vida da caldeira e o seu normal funcionamento. Para combater esse efeito, a caldeira tem uma válvula de sangramento pneumática, que serve para expulsar a lama criada dentro da caldeira, que é formada pela junção dos sulfitos adicionados na água com os fosfatos. A remoção e tratamento da lama criada na produção de vapor do sistema está ao encargo da empresa que compra o vapor de água à empresa X. Na parte superior da caldeira foi instalada uma purga contínua que tem a função de remover os sais que sobem à superfície, por terem menor densidade que a água. Devido à remoção de resíduos da caldeira o sistema tem um desperdício de aproximadamente 10% da água total que entra no sistema de cogeração Diagrama de fluxos de energia do sistema de produção de eletricidade e vapor de água O modo de produção simultânea de eletricidade e vapor de água do sistema de cogeração (modo A) foi o único analisado neste trabalho, uma vez que, como já foi dito, corresponde a 95,9% do tempo de funcionamento do sistema de cogeração da empresa X. O diagrama relativo a este processo está apresentado na figura 5.5. É constituído por fluxos de entrada, fluxos de saída, pela fronteira e pelas interações existentes no seu interior. Os fluxos de entrada do sistema (fluxos de energia, de matéria, de serviços e de informação) correspondem a todos os recursos que atravessam a fronteira e que são necessários para a produção de eletricidade e vapor. Os fluxos de saída do sistema (vapor de água, eletricidade e gases de escape) são resultado das interações dos diferentes recursos 59

73 no interior do sistema. Todos os recursos são contabilizados em unidades de energia, massa ou moeda. Para um melhor entendimento dos fluxos existentes no diagrama, foram representados com linhas a traço contínuo, os fluxos de energia e materiais e com linhas a tracejado, os fluxos de dinheiro. As linhas a tracejado fino que saem pela parte inferior do diagrama dizem respeito às perdas de energia existentes em cada componente do sistema. Figura 5.5 Diagrama de fluxos de energia do sistema de cogeração a gás da empresa X. A turbina (A) e a caldeira (B) são os componentes que mais recursos necessitam. No caso da turbina (A), os recursos essenciais ao seu funcionamento são o oxigénio, o gás natural, a eletricidade, o óleo lubrificante e recursos da economia. A caldeira (B), para a produção do vapor de água, necessita de água, gás natural, produtos químicos e recursos da economia. O tanque de tratamento de água (D) e o economizador (C) são componentes essenciais para o funcionamento da caldeira, pois, estes são os seus fornecedores de água. No tanque de tratamento de água (D) utilizam-se químicos que servem para reduzir a quantidade de sais que entram para a caldeira. No economizador (C), utiliza-se a água tratada e os gases quentes vindos da caldeira para fornecer água pré-aquecida à caldeira. Os recursos da economia são geridos pelos ativos (E) que fazem a distribuição dos serviços, manutenção e 60

74 investimento pelos vários componentes do sistema. Os fluxos de dinheiro de entrada e saída do sistema são controlados pela gestão (F) Tabela de avaliação emergética A análise do sistema de cogeração da empresa X iniciou-se com o levantamento dos dados relativos à fase de construção da central. A tabela 5.1 apresenta os valores relativos aos recursos utilizados nessa fase. A obra do sistema de cogeração foi realizada por uma empresa contratada para o efeito e, devido a esse fator, não foi possível quantificar os componentes utilizados na instalação do sistema em unidades de massa (kg) e energia (J), tendo-se obtido somente os custos da instalação, unidades de dinheiro (euro). Os valores obtidos permitiram calcular o investimento inicial da obra. Tabela Tabela de custos de construção do sistema de cogeração a gás No. Item Unidade (J,g ou ) Quantidade 1 Máquinas 3,95E+06 2 Instalação do sistema 3,26E+06 3 Materiais de construção 2,63E+05 4 Material informático 7,16E+04 5 Investimento Total 7,54E+06 Na tabela de avaliação emergética (tabela 5.2) foi então inserido o valor do investimento realizado pela empresa para a implementação do sistema, assim como, todos os dados relativos à fase operacional do sistema no ano de Todos os fluxos foram convertidos para unidades de energia (J), massa (g) ou dinheiro (, sem IVA) por ano (coluna 4) e multiplicados depois pelo seu valor unitário emergético, UEV (coluna 5), para se obter a emergia de cada um para um ano de produção. Os valores dos UEVs foram obtidos na literatura de trabalhos de outros autores. A tabela divide-se em duas partes, sendo a primeira relativa aos fluxos de entrada e a segunda aos fluxos de saída. 61

75 Na construção da tabela e para o cálculo posterior dos vários índices que caracterizam o sistema, os diferentes fluxos foram agregados por categorias: recursos renováveis (R) que incluem a água e o oxigénio; recursos não renováveis (N), compreendendo o gás natural e o óleo lubrificante; os recursos da economia (F), constituídos pela energia elétrica contratada à rede e pelos serviços, dizendo estes últimos respeito aos custos de mão-deobra dos operadores do sistema, dos materiais e mão-de-obra utilizados na manutenção, dos químicos utilizados para tratamentos da água, do óleo e dos químicos; e os fluxos de saída (Y) que correspondem à produção efetiva do sistema, ou seja, energia elétrica vendida à rede elétrica e calor (vapor de água) vendido a outra empresa. 62

76 No. Tabela Item Fluxos de Entrada Tabela de avaliação emergética Unidade (J,g ou ) Fluxo (unidade/ ano) UEV (sej/unidade) Refª Fluxo de Emergia (sej/ano) % Fluxo de Emergia Recursos renováveis 1 Água g 1,42E+11 3,54E+06 a 5,02E+17 0,31% R 2 Oxigénio g 1,63E+11 8,30E+07 d 1,35E+19 8,38% R Recursos não renováveis 3. Gás natural J 5,64E+14 1,70E+05 c 9,60E+19 59,63% N 3a Gás natural na turbina J 4,67E+14 1,70E+05 c 7,95E+19 49,32% N 3b Gás natural na caldeira J 9,70E+13 1,70E+05 c 1,65E+19 10,25% N 4 Óleo de lubrificação g 1,89E+06 6,22E+09 c 1,18E+16 0,01% N Recursos da economia 5 Energia eléctrica contratada J 3,79E+10 1,68E+05 e 6,37E+15 0,004% F 6 Mão-de-obra (MO) 1,27E+05 9,35E+12 b 1,19E+18 0,74% F 7 Serviços (S) 5,33E+05 9,35E+12 b 4,98E+19 30,9% F 7a Manutenção (materiais e mão de obra) 2,65E+05 9,35E+12 b 2,47E+18 1,54% F 7b Químicos 1,05E+04 9,35E+12 b 9,82E+16 0,06% F 7c Gás natural 4,61E+06 9,35E+12 b 4,31E+19 26,78% F 7d Óleo de lubrificação 2,57E+04 9,35E+12 b 2,40E+17 0,15% F 7e Energia eléctrica contratada 2,44E+03 9,35E+12 b 2,28E+16 0,01% F 7f Investimento 4,12E+05 9,35E+12 b 3,85E+18 2,40% F Fluxos de Saída 8a Calor (vapor de água) (com MO e S) J 3,48E+14 4,62E+05 f 1,61E ,0% Y 9a Eletricidade (com MO e S) J 1,39E+14 1,16E+06 f 1,61E ,0% Y 8b Calor (vapor de água) (sem MO e S) J 3,48E+14 3,16E+05 f 1,10E ,0% Y 9b Eletricidade (sem MO e S) J 1,39E+14 7,91E+05 f 1,10E ,0% Y a Buenfil (2001); b Oliveira et al. (2012), c Buonocore et al. (2011); d Ulgiati e Tabacco (2002); e média, calculado; f calculado neste trabalho; 1 Quantidade de água = L/ano x 0,001 m 3 /L x 1x10 6 g/m 3 = g/ano 2 - Quantidade de oxigénio (apêndice A) = ( m 3 /h x 8160 h) x 1,355 kg/m 3 = kg 3a Energia do gás natural na turbina= Nm 3 x J/Nm 3 = 4,674E+14 J 3b Energia do gás natural na caldeira = Nm 3 x J/Nm 3 = 9,703E+13J 4 - Quantidade de óleo (Densidade em anexo B) = L x 0,9968 kg/l x 1000 g/kg = g 5 Energia elétrica contratada kwh x J/kWh = 3,79E+10 J 7f - Investimento anual = ( / 20 anos) + 9,326% = ,59 /ano 8a e 8b Calor produzido calculado, página 72. 9a e 9b Eletricidade = kwh x J/kWh = 1,39E+14 J Tipo de Fluxo 63

77 A água que entra no sistema (fluxo 1) para a produção do vapor de água é fornecida pela rede pública e, embora já esteja previamente tratada, existe a necessidade de a tratar novamente para eliminar ao máximo os resíduos que ponham em causa o tempo de vida do sistema. No ano de 2010 o sistema consumiu L e tendo em conta que a massa volúmica da água é aproximadamente a 1x10 6 g/m 3 (Çengel e Ghajar, 2010) ao converter o fluxo para unidades de massa obtém-se g/ano. O ar atmosférico que entra pelas condutas de ar presentes na turbina, é utilizado no processo para auxílio à combustão e no arrefecimento do sistema, sendo o seu caudal medido à entrada da turbina. Segundo Çengel (2010), o ar atmosférico é composto por vários gases, sendo eles o nitrogénio (78%), o oxigénio (21%) e outros (1%). Apenas o oxigénio é utilizado para a combustão no interior do sistema. A quantidade de oxigénio necessário para o ano de 2010 (fluxo 2) foi de kg. O gás natural (fluxo 3 e 4) utilizado para a combustão, é fornecido pela rede pública. Durante o ano de 2010 o sistema consumiu Nm 3 na turbina e Nm 3 na caldeira. A unidade Nm 3 significa Metro Cúbico Normal e é a expressão métrica do volume de um gás medido nas condições standard de temperatura e pressão, isto é, a 0ºC e a 1 atmosfera (101.3kPa). Os parâmetros do gás consumido são medidos por dois contadores, sendo um digital e o outro mecânico, em que o mecânico efetua a medição do caudal de gás que entra no sistema, enquanto o eletrónico avalia a sua temperatura e pressão e efetua a correção dos erros de medição. Para as condições de trabalho do sistema de cogeração da empresa X, foi fornecida por esta a taxa de conversão de J/Nm 3. Pode-se então determinar que o consumo de gás total, em joules, foi de 5,64E+14 J. A transformidade utilizada para o gás natural (1,70E+05 sej/j) é relativa à emergia requerida pela natureza na formação do gás (trabalho da natureza) por unidade de energia contida no mesmo. Para a lubrificação da turbina é utilizado o óleo sintético turbineoil 2197 (fluxo 4). Este óleo é específico para o efeito sendo substituído algumas vezes ao ano de acordo com o 64

78 tempo de funcionamento da turbina. No total, o sistema gastou 1900 L, e sendo a sua massa volúmica igual a 0,9968 kg/l (anexo B), determina-se que a quantidade consumida de óleo foi de g. A energia elétrica contratada à rede pública (fluxo 5), é requerida para duas situações distintas. Uma das situações habituais da utilização deste fluxo diz respeito ao arranque da turbina e a outra quando é necessário contratar energia para executar manutenções ou reparações à turbina, pois, tendo em conta que é necessário continuar a produzir vapor de água para o processo, o sistema terá de adquirir energia da rede para manter todas as máquinas e equipamentos informáticos em funcionamento. Esta segunda situação não corresponde à produção de energia em cogeração e deveria ter sido excluída da análise efetuada. Não tendo sido possível distinguir os valores de energia contratada numa e noutra situação, foi considerado o valor total. No entanto, isso não tem influência na análise efetuada, uma vez que, como se vê na tabela, o seu peso para o valor total da emergia requerida é quase nulo. Para se obter a transformidade da eletricidade contratada e tendo em conta que a energia elétrica que vem da rede ao longo do ano pode ser proveniente de sistemas distintos de produção de energia, realizou-se um levantamento dessa proveniência em termos percentuais e, utilizando as transformidades de cada tipo de produção, obtidas na literatura, calculou-se uma transformidade, sendo uma média ponderada, para a eletricidade fornecida pela rede elétrica nacional no ano de 2010 (tabela 5.3), obtendo-se o valor de 1,68E+05 sej/j. 65

79 Tabela Cálculo da transformidade da eletricidade fornecida pela rede elétrica nacional no ano 2010 Mix aprox. 1 Transformidade Unidades Refª 2010 Fuelóleo 0,50% 3,01E+05 sej/j a) Gás natural 27,90% 2,75E+05 sej/j b) Carvão 9,00% 2,61E+05 sej/j a) Hídrica 21,00% 9,45E+04 sej/j a) Eólica 28,00% 9,48E+04 sej/j a) Biomassa 9,00% 6,60E+04 sej/j c) Geotérmica 0,30% 2,29E+05 sej/j a) Fotovoltaica e outras 0,30% 7,93E+04 sej/j d) Nuclear 4,00% 3,23E+05 sej/j b) Média T re 1,68E+05 sej/j e) 1 Fonte : EDP a) Brown e Ulgiati (2002); b) Hayha et al. (2011); c) Odum (1996); d) Brown et al. (2012); e) calculada O fluxo de dinheiro relativo à mão-de-obra (fluxo 6) diz respeito aos salários dos trabalhadores. Estes controlam todo o sistema, antevendo e verificando possíveis avarias no mesmo. O sistema é acompanhado 24 horas por dia por um colaborador em cada um dos três turnos diários, sendo as operações necessárias a efetuar no sistema geridas por um supervisor de operação de acordo com os relatórios realizados. O supervisor só se desloca à central de cogeração quando é necessário. O valor anual gasto em mão-de-obra para o ano de 2010 foi de 1,27E+05. O fluxo 7 está designado como Serviços e diz respeito aos custos com a manutenção (materiais e mão de obra), com o consumo de químicos (para análise e tratamento de águas), óleo lubrificante, gás natural e eletricidade e com os custos de construção do sistema (investimento). Considera-se que os fluxos de emergia correspondentes a estes valores monetários, obtidos multiplicando esses valores pela razão emergia-dinheiro da economia portuguesa, é uma aproximação, embora possa ser mais ou menos grosseira, à emergia relativa às atividades de extração das matérias-primas envolvidas nesses produtos ou processos, seu processamento, transporte e entrega dos produtos finais. Considera-se assim que a emergia relativa ao trabalho da natureza na formação dessas 66

80 matérias-primas não está incluída na emergia calculada pelo dinheiro, sendo então este representativo só do trabalho humano (Brown et al., 2012). Assim, para que a análise estivesse mais completa, deveriam também constar na tabela emergética os fluxos dos químicos, dos materiais usados na manutenção e também dos materiais usados na construção (cimento, ferro, combustíveis, etc.) em unidades de massa (kg/ano) ou energia (J/ano). Utilizando as transformidades adequadas obter-se-iam assim também os fluxos de emergia relativos às matérias primas em si, ou seja, a emergia relativa ao trabalho da natureza. Não foi possível obter esses valores. No entanto, os fluxos mais representativos das matérias-primas e dos serviços são os relativos ao gás, constando ambos na tabela. A obtenção dos valores do investimento em unidades monetárias é mais fácil, senão, muitas vezes, a única forma de o calcular e, por isso, é aquela usada também por outros autores (Sha e Hurme, 2012). No caso em estudo, foi fornecido o valor do custo total de construção do sistema, mas não foi possível obter dados do tipo de crédito formalizado com algum banco. Foi feita então uma hipótese de investimento utilizando as soluções de oferta da Caixa Geral de Depósitos 1. A solução encontrada foi a oferta caixa empresas e energia renováveis que estabelece um financiamento a 100%, com taxas de juro TAE no valor de 9,326%. Considerando um período de pagamento a 20 anos, correspondente ao tempo de vida típico de uma central de produção de energia deste tipo (Sha e Hurme, 2012; Bargigli, 2010), o valor calculado a pagar por ano relativo ao investimento é de ,59. 1 CAIXA GERAL DE DEPÓSITOS [referência de 10 de Abril de 2012]. Disponível na internet em <https://www.cgd.pt/empresas/investimento/pages/caixa-empresas-energias-renovaveis.aspx> 67

81 Na segunda parte da tabela emergética foram inseridos os valores relativos à produção do sistema de cogeração, isto é, dados que estão diretamente ligados ao rendimento produtivo do sistema. Os fluxos de saída do sistema contabilizados são a eletricidade e o vapor de água. Os gases de escape (explicitados no diagrama da figura 5.5) não foram considerados por não se conhecerem as suas quantidades e por os seus parâmetros emergéticos não serem objeto de cálculo nem de comparação com outros trabalhos. O gráfico da figura 5.6 evidencia a contribuição relativa de todos os recursos do sistema, a partir dos respetivos valores do fluxo de emergia, necessários para a obtenção dos produtos finais (eletricidade e vapor de água). Na figura 5.7 é apresentado um gráfico em que os diferentes fluxos aparecem agrupados (items 1 a 7 da tabela) e é mostrada a sua contribuição, em percentagem, para o fluxo total de emergia requerida pelo sistema. Através da tabela 5.1 e da figura 5.6 é possível verificar que os recursos mais influentes no sistema de cogeração em estudo são o gás natural consumido, em si mesmo (49,32% na turbina e 10,25% na caldeira), seguido dos serviços relacionados com o consumo de gás natural (26,78%), e depois o oxigénio e o investimento, com contribuições bastante mais baixas (8,38% e 2,4% respetivamente). A tabela 5.1 e a figura 5.7 mostram que a contribuição total do gás, em si mesmo, para o fluxo total de emergia é de 59,63% e o fluxo total de serviços contribui com 30,9%. Estes valores mostram também que os serviços relacionados com o consumo do gás representam 86,5 % do fluxo total dos serviços. Os restantes recursos contribuem pouco para o fluxo total de emergia requerida (água com 0,31%, mão de obra com 0,74%, óleo lubrificante com 0,01% e energia contratada com 0,004%), embora sejam, obviamente, essenciais ao funcionamento do sistema. 68

82 Fluxo de emergia (sej/ano) Água Oxigénio 5,02E+17 1,35E+19 Gás natural na turbina 7,95E+19 Gás natural na caldeira Óleo de LubriEicação Energia elétrica contratada Mão- de- obra Manutenção - serviços Químicos - serviços 1,65E+19 1,18E+16 6,37E+15 1,19E+18 2,47E+18 9,82E+16 Gás natural - serviços 4,31E+19 Óleo de lubrieicação - serviços Energia elétrica contratada - serviços Investimento - serviços 2,40E+17 2,28E+16 3,85E+18 0,00E+00 5,00E+19 1,00E+20 Figura 5.6 Fluxos de emergia de entrada do sistema (valores absolutos). Mão-de-obra, 0,74% Serviços, 30,90% Água, 0,31% Oxigénio, 8,38% Energia elétrica contratada, 0,004% Óleo de lubrificação, 0,01% Gás natural, 59,63% Figura 5.7 Fluxos de emergia de entrada do sistema (valores percentuais). 69

83 5.4. Cálculo das transformidades e dos índices emergéticos Cálculo dos rendimentos energéticos do sistema Para se calcular os rendimentos do sistema é necessário conhecer os valores da energia elétrica produzida e do calor produzido pelo mesmo. O valor da energia elétrica produzida pelo sistema de cogeração foi fornecido diretamente pela empresa que gere o sistema, em quilowatt-hora (kwh) e convertida para joule (J) como indicado na tabela 5.1. A energia produzida sob a forma de calor teve de ser calculada com base nas propriedades dos fluxos de água e vapor do sistema. Cálculo do calor produzido A figura 5.8 apresenta um esquema representativo da produção de calor, em que a água proveniente da rede pública (fluxo 1) que entra no sistema é aquecida pelos gases de combustão provenientes da turbina e da queima de gás na caldeira (calor transferido para a água por unidade de tempo, Q ), criando o vapor saturado (fluxo 2) que é posteriormente vendido a outra empresa. O fluxo 3 é relativo às perdas do sistema, isto é, à água líquida saturada que contém resíduos. Q (calor) Caldeira 1 2 (água da rede pública) (vapor saturado) 3 (água de purga) Figura Ciclo de produção de vapor. Os parâmetros termodinâmicos dos fluxos referidos, necessários ao cálculo do calor produzido, consistem basicamente na pressão, P, temperatura, T, caudal mássico, m, e entalpia específica, h, tendo os valores dos três primeiros sido obtidos pela análise do 70

84 sistema de cogeração e os das respetivas entalpias obtidos na literatura (Çengel e Boles, 2006). Os valores obtidos são: Fluxo 1 Água da rede pública que entra no sistema T 1 = 15ºC P 1 = 1 bar - pressão atmosférica h 1 = h f,15ºc = 63,0 kj/kg - entalpia de água líquida saturada a 15ºC m 1 = kg/h Fluxo 2 Vapor saturado vendido à empresa T 2 = 215ºC P 2 = 19 bar h 2 = h v,215ºc 2800,3 kj/kg - entalpia de vapor saturado a 215ºC (P sat 19 bar) m 2 = kg/h Fluxo 3 Água líquida saturada - purga, remoção de químicos T 3 = 215ºC P 3 = 21,5 bar h 3 = h f,215ºc = 920,69 kj/kg - entalpia de água líquida saturada a 215ºC m 3 = 1784 kg/h O balanço de energia relativo ao esquema apresentado na figura 5.1 (1ª lei da termodinâmica), considerando um processo em regime permanente, resulta na equação seguinte (Çengel e Boles, 2006): Q = m 2 h 2 + m 3 h 3 m 1 h 1 (5.1) De assinalar que o trabalho de compressão da água realizado pelo sistema de cogeração foi desprezado, uma vez que é muito reduzido face ao calor transferido pra a água, como se pode comprovar pelo valor da energia elétrica consumida pelo sistema. O balanço de massa do esquema apresentado é: m 1 = m 2 + m 3 (5.2) 71

85 Substituindo os valores dos parâmetros termodinâmicos na equação 5.1, obtém-se: Q = 15590x2800, x920, x63,0 = kj/h O calor que foi transmitido à água da purga por unidade de tempo foi de: Q p = m 2 (h 2 h 1 ) = 1784x(920,69-63,0) = kj/h Assim, o fluxo de calor efetivo é: Q cog = Q Q p = = kj/h O calor (em J) produzido no ano de 2010 na central de cogeração da empresa X, considerando 8160 h de funcionamento, foi: Q cog = kj/h x 8160 h = 3.48E14 J A tabela 5.4 apresenta os valores da energia produzida (elétrica e de calor) e do gás total consumido pelo sistema de cogeração no ano de 2010, e a tabela 5.5 apresenta os rendimentos calculados para o sistema. Tabela Energia produzida e consumida pelo sistema de cogeração Eletricidade (J) Produtos Calor (vapor de água) (J) Combustível Gás natural (J) 1,39E+14 3,48E+14 5,64E+14 Tabela Rendimento elétrico Rendimentos calculados da central de cogeração a gás Rendimento térmico Rendimento Global Razão calor trabalho η E,cog = E C x100 η Q,cog = Q C x100 η gl,cog = E + Q C x100 γ cog = Q E 24,62% 61,70% 86,32% 2,5 72

86 Analisando os valores obtidos para o rendimento elétrico (24,62%), o rendimento térmico (61,65%), o rendimento global (86,27%), a razão calor-trabalho (2,50) e comparando com os valores típicos para este tipo de sistema de produção de energia citados na literatura (Sá, 2008; Frangopoulos et al., 2001), podemos verificar que há uma concordância geral entre uns e outros. De salientar que, se o rendimento elétrico for calculado unicamente para a turbina, de acordo com a quantidade de gás consumida pela mesma (tabela 2.1), obtém-se um rendimento de 29,7%. Por questões de confidencialidade, a empresa que gere o sistema de cogeração não confirmou a concordância entre os rendimentos calculados e os rendimentos reais ou esperados no funcionamento do sistema Recursos agregados Para a determinação dos índices emergéticos do sistema é necessário considerar os diferentes fluxos do sistema agregados por categorias como foi indicado antes: recursos renováveis (R), recursos não renováveis (N), recursos da economia (F) e produtos de saída (Y). Uma vez identificados os constituintes de cada categoria para o sistema em questão (tabela 5.2), foi possível construir o diagrama agregado do sistema (figura 5.9), que contabiliza apenas os recursos segundo a sua tipologia. 73

87 Figura Diagrama de avaliação emergética agregado do sistema de cogeração da empresa X. Os fluxos de emergia dos recursos agregados são apresentados na tabela 5.6, considerando duas situações, uma incluindo os serviços (S) e mão-de-obra (MO) e outra excluindo-os. Tabela Tipo de Fluxo R N F Y Valores dos recursos agregados com e sem serviços (S) e mão-de-obra (MO) Unidade Fluxo de emergia Fluxo de emergia com S e MO sem S e MO sej/ano 1,40E+19 8,69% 1,40E+19 12,72% sej/ano 9,60E+19 59,63% 9,60E+19 87,27% sej/ano 5,10E+19 31,68% 6,37E+15 0,01% sej/ano 1,61E % 1,10E % A comparação entre os fluxos de emergia dos recursos agregados está também feita no gráfico de barras da figura Contabilizando os serviços (S) e mão-de-obra (MO), 74

88 verifica-se que os recursos não renováveis são os mais utilizados no sistema de cogeração da empresa X, representando aproximadamente 59,63% de toda a emergia necessária para a produção de eletricidade e vapor de água. Os recursos não renováveis são compostos pelo gás natural e pelo óleo lubrificante, tendo o óleo uma contribuição muito diminuta no fluxo deste agregado (0,01%), e, sendo assim, o gás natural é a principal matéria-prima do sistema. Os recursos da economia (F) representam 31,68% do total de fluxos de entrada, enquanto que os recursos renováveis (R) correspondem a 8,69% do total das necessidades do sistema. No caso dos recursos da economia, o principal componente diz respeito aos serviços, sendo estes traduzidos essencialmente no custo do gás (84,51% do fluxo agregado), seguido do custo do investimento (7,55%). O principal componente dos recursos renováveis é o oxigénio utilizado para auxílio da combustão (96,43% desse fluxo), tendo a água uma contribuição muito pequena (0,57%). Se na análise não se contabilizar os serviços (S) e a mão-de-obra (MO), verifica-se um grande domínio dos recursos não renováveis (essencialmente gás natural), representado 87,26% da emergia total requerida pelo sistema. Segue-se o fluxo de recursos renováveis, com um peso de 12,72% e os recursos da economia, agora só com 0,01% do total. 75

89 a) com serviços e mão-de-obra Fluxo de emergia (sej/ano) 1,8E+20 1,6E+20 1,4E+20 1,2E+20 1E+20 8E+19 6E+19 4E+19 2E ,4E+19 Recursos Renováveis (R) 9,6E+19 Recursos Não Renováveis (N) 5,1E+19 Recursos da Economia (F) 1,61E+20 Produtos (Y=R+N+F) b) sem serviços e mão-de-obra Fluxo de emergia (sej/ano) 1,2E+20 1E+20 8E+19 6E+19 4E+19 2E ,4E+19 Recursos Renováveis (R) 9,6E+19 Recursos Não Renováveis (N) 6,37E+15 Recursos da Economia (F) 1,1E+20 Produtos (Y=R+N+F) Figura Fluxos de emergia de entrada e de saída do sistema de cogeração da empresa X: a) com serviços e mão-de-obra; b) sem serviços e mão-de-obra Cálculo das transformidades As transformidades de cogeração separadas da eletricidade e do vapor de água, Tr e,cog e Tr v,cog respetivamente, de cogeração conjunta, Tr j, e a transformidade média ponderada, Tr pond, relativas à produção do sistema de cogeração da empresa X, foram calculadas utilizando as equações apresentadas anteriormente, apresentando-se os resultados na tabela 5.7. Os cálculos das transformidades de cogeração separadas e da conjunta, foram 76

90 efetuados utilizando os valores determinados na tabela 5.2, considerando duas situações, uma com mão-de-obra (MO) e serviços (S) e outra sem estes items. Para o cálculo da transformidade média ponderada, Tr pond, foram utilizados os valores da energia produzida pelo sistema em estudo e as transformidades da eletricidade e do calor para produções independentes obtidas na literatura, uma vez que não foi possível calcular essas transformidades com o sistema em questão nem com outros existentes na região ou no território nacional. O valor usado para a transformidade da eletricidade produzida de forma independente, num sistema a gás natural, foi de 2,75E+05 sej/j, calculado por Hayha et al. (2011), apresentado antes na tabela 5.2. De referir que este valor inclui a emergia relativa a serviços e mão-de-obra. Em relação ao vapor, não foram encontrados valores para as transformidades do vapor produzido de forma independente a partir de processos que têm como matéria-prima o gás natural (recurso não renovável). O único trabalho encontrado que apresenta valores para a transformidade do vapor produzido de forma independente é o de Sha e Hurme (2012), calculados para sistemas de cogeração a produzir unicamente vapor, um utilizando biomassa como matéria-prima e outro utilizando carvão. A transformidade utilizada neste trabalho é a do vapor produzido no sistema a carvão (71,7 MW, 93 bar, 515ºC), por ser, tal como o gás natural, um recurso não renovável, sendo o seu valor igual a 9,49E+04 sej/j. Este valor inclui serviços e mão-de-obra. Tabela Transformidades do sistema de cogeração da empresa X com e sem serviços e mão-de-obra Transformidade Separada do Transformidade Separada da Transformidade Conjunta Tr j Transformidade Média Pond. Vapor Tr v,cog eletricidade Tr e,cog Tr pond Tr v,cog = Em cog E v,cog Tr e,cog = Em cog E e,cog Tr j = Em cog E e,cog + E v,cog Tr pond = Em e + Em v E e + E v Unidades sej/j sej/j sej/j sej/j Com S e MO 4,62E+05 1,16E+06 3,31E+05 1,46E+05 Sem S e MO 3,16E+05 7,91E+05 2,26E+05 77

91 Como se pode verificar na tabela 5.7, a transformidade conjunta calculada, com e sem serviços e mão-de-obra, é superior à transformidade ponderada, levando a crer que a produção independente de ambos os recursos é mais rentável do que a produção em cogeração, indo isto contra os princípios energéticos. O facto de não ter sido possível calcular ou obter a transformidade da eletricidade e do vapor de água produzidos de forma independente, em sistemas a gás natural e nos mesmos níveis de produção da cogeração, pode ter criado o subdimensionamento da transformidade ponderada, introduzindo um erro nos resultados. O facto da transformidade conjunta ser superior à média ponderada, considerando ou não os serviços e a mão-de-obra, mostra que estes items, cujas emergias calculadas terão algum erro, não terão grande influência na relação encontrada. As transformidades independentes é que deverão ser mais altas do que as consideradas, em particular a do vapor de água Cálculo dos índices emergéticos Tendo-se agregado os recursos do sistema por diferentes categorias e obtido a emergia total requerida pelo sistema, calcularam-se também os índices emergéticos. Os resultados estão apresentados na tabela 5.8. Tabela Tabela de índices emergéticos do sistema de cogeração da empresa X. Item EYR EIR ELR EER EmSI REN % Conceito Razão de Rendimento Emergético Razão de Investimento Emergético Razão de Carga Ambiental Razão de Intercâmbio de Emergia Funções Y/F F/(R+N) (F+N)/R Ym/Y Sistema de Cogeração a gás da empresa X Índice de Sustentabilidade Emergética EmSI= EYR / ELR Renovabilidade Emergética (R/Y) x 100 3,16 0,46 10,50 0,37 0,30 8,69% 78

92 Para o estudo realizado, o valor da razão de rendimento emergético (EYR) foi de 3,16, valor pouco superior à unidade, mostrando que o sistema é, em boa parte, dependente dos recursos da economia. Isto indica que se deveria prever uma diminuição dos recursos económicos utilizados pelo sistema para o tornar mais rentável. O baixo valor obtido para a razão de investimento emergético, de 0,46, indica que o processo obtém a maior parte dos seus recursos do ambiente e em menor grau dos recursos da economia. Quando assim é, um processo tem, em princípio, maior capacidade para competir nos mercados, mas este índice deverá ser comparado ao de processos alternativos. O sistema em estudo tem um valor para a razão de carga ambiental (ELR) de 10,50, que é bastante superior a 1, por isso considerado alto, indicando um grande stress sobre o ambiente. Isto deve-se a uma maior dependência de recursos não renováveis (gás natural) e, em menor grau, da economia, em detrimento dos recursos renováveis. A razão de intercâmbio de emergia, EER, tem um valor bastante inferior à unidade, de 0,37, o que indica que a empresa ao vender a eletricidade e o vapor de água recebe em troca, pelo dinheiro, uma quantidade de emergia inferior à que cede na venda, sendo por isso a troca em si desfavorável para a empresa em termos emergéticos, ou seja, em termos do valor real dos seus produtos. O índice de sustentabilidade de valor 0,3 é baixo, inferior à unidade, como é típico de processos que dependem principalmente de recursos não renováveis. Esse valor indica que a contribuição do processo para a economia, por unidade de carga ambiental é baixa. Este índice mostra também uma fraca dependência da central de cogeração em recursos renováveis, indicando uma fraca sustentabilidade do sistema. O valor obtido para a renovabilidade emergética é baixo, de 8,69%, indicando que existe uma maior dependência do sistema de recursos não renováveis e recursos da economia, em detrimento de recursos renováveis, sugerindo que o sistema não será sustentável a longo prazo. Ainda assim, poderá ser surpreendente que uma fracção não 79

93 negligenciável de recursos de um sistema de produção de energia à base de energias não renováveis, provenha de recursos renováveis. Como se viu antes, isto deve-se à contribuição do oxigénio para o processo. 80

94 6. COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS COM OS DE OUTROS SISTEMAS DE COGERAÇÃO A comparação dos resultados da avaliação emergética do sistema de cogeração deste estudo com os de outros autores foi dividida em dois pontos distintos, um em que são comparadas as transformidades e no outro os índices emergéticos Comparação das transformidades A transformidade conjunta e média ponderada obtida neste trabalho foram comparadas com as da análise realizada por Sha e Hurme (2012) a quatro sistemas de cogeração (dois a biomassa e dois a carvão), uma vez que este foi o único trabalho encontrado na literatura em que foram calculadas essas transformidades, com serviços e mão-de-obra. As transformidades de cogeração separadas calculadas neste trabalho foram comparadas com as que forma obtidas nos estudos realizados por Buonocore et al. (2011) e Peng et al.(2008) e com e sem serviços e mão-de-obra. A partir dos resultados de Sha e Hurme (2012) calcularam-se as transformidades de cogeração separadas em dois casos estudados por esse autores, com serviços e mão-de-obra Comparação das transformidades conjuntas e transformidades médias ponderadas As transformidades conjunta e média ponderada do sistema de cogeração da empresa X foram comparadas na tabela 6.1 com as dos quatro sistemas de cogeração estudados por Sha e Hurme (2012), que têm como fonte de alimentação o carvão e a biomassa. No caso dos sistema de cogeração analisados por Sha e Hurme (2012), verifica-se que para um mesmo combustível, as transformidades conjuntas têm valores cerca de 25% inferiores aos das transformidades médias ponderadas respetivas, indicando uma maior eficiência dos processos de cogeração do que de produção independente (cerca de 25% menos de recursos emergéticos necessários nos processos de cogeração), o que seria de esperar, mas não é verificado no caso da empresa X, como já foi apresentado e discutido antes na secção 5.4. No estudo de Sha e Hurme a transformidade conjunta para os 81

95 sistemas de cogeração a biomassa é cerca de 70% inferior à transformidade conjunta dos sistemas a carvão. A transformidade conjunta do caso em estudo é, aproximadamente, 10 vezes superior aos sistemas que utilizam a biomassa como fonte de energia e 3 vezes superior aos sistemas de cogeração a carvão, o que traduz que a eficiência emergética do sistema em estudo é bem menor do que a dos outros sistemas, necessitando de 10 e 3 vezes mais emergia por unidade de energia produzida. Tabela Comparação da transformidade conjunta de vários sistemas de cogeração Sistema de cogeração Potência Referência Tr j (sej/j) Tr pond (sej/j) Sistema de cogeração a gás natural Em Tr j = cog E e,cog + E v,cog Tr pond = Em e + Em v E e + E v 5MW Este trabalho 3,31E+05 1,46E+05 Sistema de cogeração a biomassa Sistema de cogeração a biomassa Sistema de cogeração a carvão Sistema de cogeração a carvão 71,7MW (62bar, 510ºC) 71,7MW (63bar, 515ºC) 71,7MW (93bar, 515ºC) 150MW (93bar, 515ºC) Sha e Hurme 3,54E+04 4,57E+04 Sha e Hurme 3,44E+04 4,50E+04 Sha e Hurme 1,13E+05 1,47E+05 Sha e Hurme 1,13E+05 1,43E+05 Estas comparações mostram que o tipo de matéria-prima utilizada por um sistema é determinante para as transformidades obtidas. De salientar no entanto que a potência do sistema de cogeração da empresa X é mais de uma ordem de grandeza inferior à dos sistemas de cogeração do estudo de Sha e Hurme (5 MW contra 71 MW e 150MW), o que poderá ter importância nas transformidades calculadas. Por outro lado, comparando as análises feitas, o valor emergético dos serviços e mão-de-obra no caso da empresa X poderá estar sobrestimado comparado com o valor respetivo dos outros sistemas de cogeração. No entanto, se não forem considerados os serviços e mão-de-obra no caso da empresa X, a transformidade conjunta resulta num valor de 2.34E+05 sej/j, não modificando significativamente a relação verificada entre as transformidades conjuntas. 82

96 De salientar ainda que a relação de produção de energia calor/eletricidade é aproximadamente de 2,5 em todos os casos, não sendo por isso este um fator diferenciador. Os níveis de produção anual de eletricidade e calor também são semelhantes Comparação das transformidades de cogeração separadas, com e sem serviços (S) e mão-de-obra (MO) Como se disse anteriormente (capítulo 5.3), nas referências relativas à produção de energia por cogeração e nas bases de dados, as transformidades habitualmente apresentadas são as que se chamaram de transformidades de cogeração separadas da eletricidade e do vapor de água, ou seja, a razão entre a emergia total requerida pelo sistema e a energia eléctrica ou calor produzidos respetivamente (Odum, 1996). Em vários trabalhos só há referência à transformidade separada da eletricidade e não do vapor de água (Bargigli et al., 2010; Caruso et al., 2001). Na tabela 6.2 apresenta-se a comparação dos valores obtidos neste trabalho com o de outros autores, estando dividida em duas partes, sendo que na primeira parte estão contabilizados os serviços e a mão-de-obra e na segunda parte não estão. Confrontando os valores inseridos na tabela, pode-se verificar que os sistema de cogeração a gás natural, o deste trabalho em particular, apresentam transformidades separadas com valores cerca de 10 vezes superiores aos das transformidades dos sistemas de cogeração a biomassa, indicando eficiências dez vezes inferiores. Os valores das transformidades, com serviços e mão-de-obra calculadas pelo autor para o sistema de cogeração a carvão a partir dos resultados de Sha e Hurme encontram-se compreendidos entre os do sistema de cogeração a biomassa e os de cogeração a gás natural. Constata-se entre os sistemas a biomassa e entre os sistemas a gás natural há uma coerência nos valores das transformidades, independentemente da potência dos sistemas. O mesmo não acontece entre os sistemas a carvão, em que os valores obtidos por Peng para as transformidades separadas da eletricidade e do vapor de água são 2 e 665 vezes respetivamente superiores aos calculados com os resultados do trabalho de 83

97 Sha e Hurme. Isto deve-se ao facto de nos trabalhos de Buonocore et al., de Sha e Hurme, de Bargigli et al. e neste trabalho, a energia produzida sobre a forma de calor ser 2,5 vezes superior à energia produzida sob a forma de eletricidade, enquanto que a central de cogeração analisada por Peng et al. produz praticamente só eletricidade, sendo 130 vezes superior à produção de vapor. Por isso a transformidade separada do vapor nesse trabalho é cerca de 3 a 4 ordens de grandeza superior à obtida nos outros trabalhos. De realçar que os valores das transformidades separada da eletricidade obtidas neste trabalho, com e sem serviços e mão-de-obra, estão coerentes com os valores apresentados por Caruso et al. e Bargigli et al. respetivamente, embora um pouco inferiores. Tabela Comparação das transformidades de cogeração separadas da eletricidade e vapor de água com e sem Serviços (S) e Mão-de-Obra (MO) Sistema de cogeração Potência Referência Tr e,cog (sej/j) Tr v,cog (sej/j) Tr e,cog (sej/j) Tr v,cog (sej/j) Gás natural 5MW Este trabalho Tr e,cog = Em cog E e,cog Com S e MO Tr v,cog = Em cog E v,cog Tr e,cog = Em cog E e,cog Sem S e MO Tr v,cog = Em cog E v,cog 1,16E+06 4,62E+05 7,91E+05 3,16E+05 Biomassa 24MW Buonocore 1,21E+05 6,07E+04 7,76E+04 3,88E+04 Biomassa 71.7 Sha e MW Hurme 1.20E+05 a 4.82E+04 a Carvão ( bar) Sha e MW Hurme 3.94E+05 a 1.58E+05 a Carvão (93 6MW bar) Peng 8,01E+05 1,05E+08 Gás natural Geral Itália Caruso 1.61E+06 Gás natural 635 kw Bargigli 1.07E+06 a- calculado pelo autor a partir dos resultados de Sha e Hurme 6.2. Comparação dos índices emergéticos Os valores dos índices emergéticos determinados para o sistema de cogeração da empresa X, foram inseridos na tabela 6.3 e confrontados vários sistemas de produção de energia em cogeração já referenciados anteriormente. 84

98 Tabela Comparação dos índices emergéticos de vários sistemas de cogeração. Item Potência Referência EYR EIR ELR EER EmSI R% Conceito Razão de Rendimento Emergético Razão de Investimento Emergético Razão de Carga Ambiental Razão de Intercâmbio de Emergia Índice de Sustentabilidade Emergética Renovabilidade Emergética Funções Y/F F/(R+N) (F+N)/R Ym/Y EmSI = EYR/ELR) Sistema de cogeração a gás natural Sistema de cogeração a biomassa Sistema de cogeração a biomassa Sistema de cogeração a carvão Sistema de cogeração a carvão Sistema de cogeração a biomassa Sistema de cogeração a carvão Sistema de cogeração a gás natural Sistema de cogeração a gás natural 5MW 71,7MW (62bar, 510ºC) 71,7MW (93bar, 515ºC) 71,7MW (93bar, 515ºC) 150MW (93bar, 515ºC) Este trabalho (R/Y)x100 3,16 0,46 10,50 0,37 0,30 8,69% Sha e Hurme 2,63 0,62 0,62 4,27 62% Sha e Hurme 2,56 0,64 0,64 3,98 61% Sha e Hurme 2,67 0,60 10,32 0,26 9% Sha e Hurme 2,67 0,60 10,29 0,26 9% 24MW Buonocore ,20 0,46 31% 6MW Peng 2,22 26,3 1,25 0,09 3,67% Geral Caruso 1, kw Bargigli et al % 85

99 De seguida é feita uma análise e discussão da comparação relativa a cada índice Razão de rendimento emergético (EYR = Y/F) Comparando o valor deste índice entre os vários sistemas em análise (figura 6.1), verifica-se que o sistema de cogeração analisado neste trabalho, da empresa X, tem o melhor índice de rendimento emergético, sendo aproximadamente 1,2 vezes superior aos sistemas estudados por Sha e Hurme (2012), 1,4 vezes superior ao sistema estudado por Peng et al. (2008) e 3,16 vezes superior ao sistema de cogeração analisado por Buonocore et al. (2011) e Bargigli et al. (2010). No entanto, estes dois últimos autores interpretam este índice de modo diferente, considerando que a biomassa e o gás natural respetivamente são recursos importados (integrados por isso em recursos da economia, F), o que conduz a valores diferentes para este índice e não comparáveis com os dos restante trabalhos. O autor pensa que esta não será a perspectiva mais adequada. De qualquer modo, do ponto de vista deste índice, o sistema estudado neste trabalho é competitivo em relação aos outros. A diferença entre o valor obtido no sistema de cogeração da empresa X e no dos restantes sistemas de cogeração, deve-se ao facto do sistema em estudo requerer menos recursos da economia do que os restantes sistemas, particularmente no que respeita à eletricidade e ao custo do investimento. De notar que no caso dos sistemas de cogeração a carvão, ambos têm as mesmas temperaturas e pressões de trabalho, variando a potência, mas o seu rendimento emergético é o mesmo, que mostra que a potência não tem influência, mas analisando os sistemas de cogeração a biomassa que têm diferentes temperaturas e pressões, mas a mesma potência, verifica-se que o sistema com menor pressão e temperatura, obtém um rendimento emergético ligeiramente melhor. 86

100 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 3,16 2,63 2,56 2,67 2,67 1,00 2,22 1,32 1,01 Sistema de Cogeração a gás da empresa X (5MW) Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 62bar) Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão (150MW 93bar) Sistema de cogeração a biomassa (24MW) Sistema de cogeração a carvão (6MW) Sistema de cogeração a gás natural (geral) Sistema de cogeração a gás natural (635kw) Figura Comparação do índice EYR entre vários sistemas de cogeração Razão de investimento emergético (EIR = F/(R+N)) Para a central de cogeração da empresa X o valor calculado foi de 0,46 (figura 6.2), demonstrando que a maior parte dos recursos utilizados pelo sistema são recursos renováveis e não renováveis em detrimento de outros recursos da economia. Comparando o valor do índice do sistema da empresa X com o dos outros sistemas (figura 6.2) confere-se que o valor obtido de 0.46 é em média cerca de 25% inferior ao restantes sistemas de cogeração, que têm um índice de investimento emergético superior a 0,6. Isto indica que o sistema em estudo tem um maior benefício dos recursos renováveis e não renováveis relativamente aos recursos da economia do que os outros sistemas. Do ponto de vista deste índice o sistema é também mais competitivo. 87

101 0,7 0,6 0,62 0,64 0,60 0,60 Sistema de Cogeração a gás da empresa X (5MW) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,46 Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 62bar) Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão (71,7MW 93bar) 0 Sistema de cogeração a carvão (150MW 93bar) Figura Comparação do índice EIR entre vários sistemas de cogeração Razão de carga ambiental (ELR = (F+N)/R) A comparação deste índice entre os vários sistema está visualizada na figura 6.3. A central de cogeração da empresa X tem um rácio de ELR bastante superior ao das centrais de cogeração a biomassa (10,5 contra 0,64 e 0.62), o que se deve ao facto destas últimas terem uma utilização significativa de recursos renováveis, oxigénio e a biomassa, diminuindo a carga ambiental do sistema. O valor do índice para a empresa X é comparável aos sistema a carvão analisados por Sha e Hurme, e inferior ao sistema a carvão analisado por Peng. Estes sistemas têm uma reduzida utilização da água e do oxigénio como fontes renováveis em relação aos recursos não renováveis, o que se traduz num maior stress para o ecossistema. O valor apresentado por Buonocore et al. é superior à unidade (2,2), pelo facto de considerar a biomassa um recurso importado ainda assim bastante inferior ao da empresa X. Bargigli, ao considerar o gás natural também como recurso importado, faz com que este índice tenha um valor muito elevado. 88

102 80 73,20 Sistema de Cogeração a gás da empresa X (5MW) ,30 Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 62bar) Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão (150MW 93bar) ,50 10,32 10,29 0,62 0,64 2,20 Sistema de cogeração a biomassa (24MW) Sistema de cogeração a carvão (6MW) Sistema de cogeração a gás natural (635kw) Figura 6.3 Comparação do índice ELR entre vários sistemas de cogeração Razão de intercâmbio de emergia (EER = Ym/Y) A razão de intercâmbio de emergia foi confrontada apenas com o estudo realizado por Peng et al. (2008) porque os restantes autores não determinaram este índice (figura 6.4). O sistema de cogeração da empresa X, obteve uma razão de intercâmbio de emergia de 0,37, que, como foi referido anteriormente, sugere que a troca, em termos emergéticos, da energia pelo dinheiro recebido pela mesma é desfavorável à empresa produtora. O sistema de cogeração a carvão estudado por Peng tem um EER de 1,25, sendo por isso neste caso a troca, em termos emergéticos, favorável ao produtor. Esta diferença tem mais a ver com as condições do mercado do que com o processo produtivo em si mesmo. 89

103 1,4 1,2 1,25 1 0,8 Sistema de Cogeração a gás da empresa X (5MW) 0,6 0,4 0,37 Sistema de cogeração a carvão (6MW) 0,2 0 Figura Comparação do índice EER entre vários sistemas de cogeração Índice de sustentabilidade (EmSI = EYR/ELR) A comparação efetuada para este índice entre os vários sistemas, mostra em primeiro lugar que este tem um valor inferior à unidade para sistemas em que o combustível é não renovável, mostrando uma fraca dependência de recursos renováveis e superior à unidade quando o combustível é renovável (figura 6.5). O EmSI do sistema a biomassa estudado por Buonocore et al. tem um valor inferior à unidade pelo facto, já assinalado, de considerar a biomassa um recurso importado. Pelo mesmo facto o EmSI do sistema a gás natural de Bargigli et al. é muito baixo. O EmSI do sistema de cogeração da empresa X é, igual a 0.30, é ligeiramente superior ao dos sistemas a carvão analisados por Sha e Hurme e 3.3 vezes superior ao do sistema analisado por Peng, sendo por isso, em comparação com estes casos, melhor, com uma maior contribuição para a economia por unidade de carga ambiental. 90

104 4,5 4,27 Sistema de Cogeração a gás da 3,98 empresa X (5MW) 4 Sistema de cogeração a 3,5 biomassa (71,7MW 62bar) Sistema de cogeração a 3 biomassa (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão 2,5 (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão 2 (150MW 93bar) 1,5 Sistema de cogeração a biomassa (24MW) 1 Sistema de cogeração a carvão 0,46 (6MW) 0,5 0,30 0,26 0,26 0,09 Sistema de cogeração a gás 0,014 natural (635kw) 0 Figura Comparação do índice EmSI entre vários sistemas de cogeração Renovabilidade emergética (R%=R/Yx100) Através da renovabilidade emergética pode-se estabelecer a comparação entre os recursos renováveis utilizados e os fluxos totais de entrada num sistema de cogeração, sendo que quanto maior for o índice de renovabilidade emergética maior será a sustentabilidade do sistema a longo prazo. A figura 6.6 mostra que a renovabilidade do sistema de cogeração da empresa X é idêntica à dos sistemas de cogeração a carvão (cerca de 9%), indicando que estes sistemas não são sustentáveis a longo prazo. Ao contrário, os sistemas que utilizam a biomassa, precisamente por ser um recurso renovável, têm valores de renovabilidade elevados (superiores a 60%), sendo sustentáveis a longo prazo. Pela razão já exposta, os valores obtidos para os sistemas de Buonocore et al. e de Bargigli et al. não são comparáveis com os dos seus homólogos. 91

105 0,7 62,00% Sistema de Cogeração a gás da 61,00% empresa X (5MW) 0,6 Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 62bar) 0,5 Sistema de cogeração a biomassa (71,7MW 93bar) Sistema de cogeração a carvão 0,4 (71,7MW 93bar) 31,00% Sistema de cogeração a carvão 0,3 (150MW 93bar) Sistema de cogeração a 0,2 biomassa (24MW) Sistema de cogeração a carvão 8,69% 9,00% 9,00% 0,1 (6MW) 3,67% Sistema de cogeração a gás 0,01% natural (635kw) 0 Figura Comparação do índice R% entre vários sistemas de cogeração. 92

106 7. DISCUSSÃO E CONCLUSÃO Após a análise emergética realizada ao sistema de cogeração da empresa X, conclui-se que esta análise foi bastante importante para avaliar fatores de sustentabilidade, investimentos, rendimento e impactos ambientais, e promove possíveis alterações podendo ser estas equiparadas com o sistema real para determinar a viabilidade dessas novas propostas de sistemas. Toda a metodologia emergética utilizada para avaliar o sistema de cogeração da empresa X, é fundamental para se entender todos os pormenores ligados ao funcionamento do sistema e calcular o fluxo total da emergia requerida pelo mesmo para a produção da eletricidade e vapor de água, e, consequentemente, para o cálculo das transformidades, que são representativas da eficiência do sistema. A metodologia facilita a distinção dos recursos renováveis, dos recursos não renováveis e dos recursos da economia do sistema. No caso do sistema de cogeração da empresa X, verificou-se que a sua transformidade conjunta era elevada, sendo superior aos valores de outros sistemas de cogeração, o que indica uma menor eficiência emergética, o que poderá dever-se ao consumo bastante elevado de gás natural, quando comparado com outros sistemas com fontes de alimentação diferentes. Logo o tipo de matéria-prima utilizada no sistema é determinante para a obtenção de melhores transformidades. A transformidade média ponderada calculada foi elevada, maior do que a conjunta, o que se deve principalmente ao facto de não ter sido possível obter transformidades corretas relativas às produções independentes de calor e eletricidade. Assim, do ponto de vista emergético, não foi possível verificar que a eficiência era melhor em produção em cogeração do que em produção independente de calor e eletricidade. As transformidades separadas da eletricidade e do calor calculadas estão dentro dos valores encontrados na literatura. 93

107 Após análise dos índices pode-se concluir que a central de cogeração da empresa X, tem uma razão de rendimento emergético, EYR, relativamente baixo, pois o sistema tem uma contribuição significativa dos recursos da economia, mais propriamente os serviços englobados no custo do gás (extração, processamento e transporte). Uma forma de rentabilizar mais o processo seria fazer uma redução dos custos com os recursos da economia. O valor da razão de investimento emergético, EIR, é de 0,46, que é um valor baixo e indica que, em princípio, o sistema deverá ser competitivo com outros sistemas de produção de energia. Comparando-o com os demais sistemas analisados, verifica-se que o sistema de cogeração da empresa X, tem um índice de rendimento emergético e um índice de investimento emergético superior aos restantes sistemas, demonstrando ser o mais competitivo, mesmo quando confrontado com os sistemas de cogeração a biomassa (recurso renovável). O ELR obtido para o sistema em estudo apresenta uma razão de carga ambiental de aproximadamente 10,50. Este valor indica que o sistema tem um défice de utilização dos recursos renováveis, isto é, tem tendência a usufruir de recursos não renováveis ou de recursos da economia, demonstrando que a central de cogeração cria um grande stress sobre o ambiente. A razão de intercâmbio de emergia para o sistema, EER, é baixa, no valor de 0,37, indicando que a emergia recebida na venda da energia elétrica e do calor é inferior à emergia que é cedida por estes produtos. Isto significa que, na transação em si, não é atribuído o valor real, emergético, aos produtos vendidos, sendo por isso desfavorável ao produtor de energia. O índice de sustentabilidade emergética, Emsi, com o valor elevado de 10,5, e o valor baixo de renovabilidade, %R, de 8,69%, indicam que o processo tem uma grande dependência dos recursos não renováveis, não sendo por isso sustentável a longo prazo, 94

108 do ponto de vista emergético. Neste aspeto, os sistemas de cogeração a biomassa têm performances bem melhores. Em suma, verifica-se que a análise emergética permitiu determinar que o sistema de cogeração da empresa X, em geral, tem índices emergéticos que, por um lado, mostram que o sistema é competitivo quando comparado com outros sistemas de cogeração, mas, por outro lado, indicam que o sistema não é sustentável a longo prazo. Isso deve-se a utilizar, na maior parte, recursos não renováveis (gás natural) em detrimento dos recursos renováveis. Se os recursos da economia forem reduzidos os índices emergéticos relacionados com o rendimento e investimento emergético deverão melhorar. Em termos da continuidade deste trabalho, a análise feita deveria ser melhorada, no sentido de ter uma relação ainda mais completa e discriminada dos recursos necessários à produção de eletricidade e calor pelo sistema estudado, deveriam ser obtidos os valores corretos das transformidades do calor e da eletricidade em produção independente (através da análise de sistemas de produção independente) para melhor comparar os modos de produção em cogeração e em produção independente, e seria útil comparar também os resultados obtidos com os de outros sistemas de produção independente de eletricidade e calor, em particular os que usam energias renováveis. 95

109 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARGIGLI, S., et al Cogeneration of heat and electricity: A comparison of gas turbine, internal combustion engine, and MCFC/GT hybrid system alternatives. Journal of Fuel Cell Science and Technology, Vol. 7, pp.1-5. BASTIANONI, S., MARCHETTINI, N The problem of co-production in environmental accounting by emergy analysis. Ecological Modelling, Vol.129, pp BOYCE, Meherwan Handbook for cogeneration and combined cycle power plants. New York: ASM Press. BROWN, M.T., ULGATI, S Emergy-based indices and ratios to evaluate sustainability: monitoring economies and technology toward environmentally sound innovation. Ecological Engineering, Vol. 9, pp BROWN, M.T., ULGIATI, S Emergy evaluations and environmental loading of electricity production systems. Journal of Cleaner Production, Vol. 10, pp BROWN, Mark.T., ULGIATI, S Energy quality, emergy, and transformity: H. T. Odum s contributions to quantifying and understanding systems. Ecological Modelling, Vol.178, pp BROWN, Mark T., et al Predicting national sustainability: The convergence of energetic, economic and environmental realities. Ecological Modelling, Vol. 220, pp BROWN, Mark T., RAUGEI, M., ULGIATI, S On boundaries and investments in Emergy Synthesis and LCA: A case study on thermal vs. photovoltaic electricity. Ecological Indicators, Vol.15, pp

110 BUENFIL, Andres Emergy Evaluation of Water. Gainsville, USA: University of Florida, USA. BUONOCORE, Elvira, et al Emergy Evaluation of an Integrated Bioenergy Production System The Case Study of Enköping (Sweden). In: Proceedings of the Sixth Biennial Emergy Conference Theory and Applications of the Emergy Methodology. Gainesville, USA: University of Florida. CAIXA GERAL DE DEPÓSITOS [referência de 10 de Abril de 2012]. In: <https://www.cgd.pt/empresas/investimento/pages/caixa-empresas-energias- Renovaveis.aspx>. CARUSO, C Emergy based analysis of Italian electricity production system. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 66, pp ÇENGEL, Yunus A., BOLES, Michael A Thermodynamics: an engineering approach. 5ª Edição. S. Paulo: McGraw Hill. ÇENGEL, Yunus A., GHAJAR, Afshin A Heat and mass transfer: fundamentals & applications. 4ª Edição. Londres: McGraw Hill. Decreto-Lei nº 23/2010 de 25 de Março. Diário da República, 1ª Série N.º de Março de 2010, pp EDP Energia de Portugal [referência de 18 de Fevereiro de 2012]. In: <http://www.edpsu.pt/pt/origemdaenergia/folhetos%20de%20rotulagem/rotulagem% 20de%20energia%20elétrica%20EDP%20SU% pdf>. FRANGOPOULOS, RAMSAY, Bruce The European Educational Tool on Cogeneration. 2ª edição. HAYHA, Tiina, et al Economic and environmental performance of electricity production in Finland: A multicriteria assessment framework. Ecological Modelling, Vol. 223, pp

111 JARA, R Avaliação ecológica termodinâmica e económica de nações: o Perú como estudo de caso. Brasil: Universidade Estadual de Campinas. JIANG, M.M., et al Emergy-based ecological account for the Chinese economy in Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol.13, pp KOLANOWSKI, Bernard F Small Scale cogeneration Handbook. 2ª edição. New York: The Fairmont Press. MSPC-Informações Técnicas, [referência de 12 de Abril de 2012]. In: <http://www.mspc.eng.br/termo/termod0540.shtml>. NAJJAR, Yousef S.H Gas turbine cogeneration systems: a review of some novel cycles Applied Thermal Engineering, Vol. 20, pp ODUM, Howard T., ODUM, Elisabeth C Modeling for all scales: an introduction to System Simulation. New York: Academic Press. ODUM, Howard T Environmental accounting: EMERGY and environmental decision making. New York: John Willey & Sons, Inc. ODUM, Howard T Emergy Accounting. Environmental Engineering Sciences. Gainesville, Florida, USA: University of Florida. OLIVEIRA C., et al Solar Emergy Evaluation of Portugueses Economy. In: Proceedings of the Seventh Biennial Emergy Conference Theory and Applications of the Emergy Methodology. Gainesville, USA: University of Florida. PENG, T., et al Should a small combined heat and power plant (CHP) open to its regional power and heat networks? Integrated economic, energy, and emergy evaluation of optimization plans for Jiufa CHP. Energy, Vol. 33, pp

112 Portaria nº140/2012. Diário da República, 1ª Série N.º de Maio de 2012, pp PUNCOCHAR, Joel, Evaluating cogeneration for your facility: a look at the potential energy-efficiency, economic and environmental benefits. Power topic, Vol SÁ, André Fernando R Guia de Aplicações de gestão de energia e eficiência energética. Porto: Publindústria. SHA, Sha, HURME, Markku Emergy evaluation of combined heat and power plant processes. Applied Thermal Engineering, Vol. 30, pp SOARES, J.B, SZKLO, A.S., TOLMASQUIM, M.T Incentive policies for natural gas-red cogeneration in Brazil's industrial sector - case studies: chemical plant and pulp mill. Energy Policy, Vol. 29, pp TESTER, Jefferson W, et al Sustainable energy: choosing among options; Cambridge: Massachusetts Institute Technology. ULGIATI, S., TABACCO, AM In: Proceedings of the Second Biennial Emergy Conference Theory and Applications of the Emergy Methodology. Gainesville, USA: University of Florida. WAKUI, Tetsuya, YOKOYAMA, Ryohei, Optimal sizing of residential gas engine cogeneration system for power interchange operation from energy-saving viewpoint. Energy, Vol. 30, pp ZHANG, Xiao Hong Emergy evaluation of the sustainability of two industrial systems based on wastes exchanges. Resources, Conservation and Recycling, Vol. 55, pp

113 APÊNDICE A CÁLCULO DA QUANTIDADE DE OXIGÉNIO UTILIZADA PELO SISTEMA DE COGERAÇÃO Cálculo da densidade do oxigénio: T (ºC) T (ºF) ρ (lbm/ft 3 ) 10ºC 50ºF 0,08598 lbm/ft 3 15ºC 59ºF ρ ar 37,78ºC 100ºF 0,07830 lbm/ft 3 Tabela 1 - Propriedades termodinâmicas do oxigénio (Fonte: Çengel, 2010:911) Fazendo uma interpolação: (0, ,08598) (100 50) = (ρ 0,08598) (59 50) resulta ρ ar = 0, lbm/ft 3 Convertendo para kg/m 3 : 1 kg/m 3 = 0, lbm/ft 3 ρ ar = 0, lbm/ft 3 x 1 kg/m 3 / 0, lbm/ft 3 = 1,355 kg/m 3 Dados: Temperatura = 15ºC Caudal de ar atmosférico = m 3 /h Caudal de oxigénio = m 3 /h*0,21= m 3 /h Tempo de funcionamento: 8160h Densidade do oxigénio a 15ºC : 1,355 kg/m 3 Quantidade de oxigénio = (14.700m 3 /h x 8160h) x 1,355 Kg/m 3 = kg i

114 ANEXO A LEGISLAÇÃO DA COGERAÇÃO ii

115 iii

116 iv

117 v

118 vi

119 vii

120 viii

121 ix

122 x

123 xi

124 xii

125 xiii

126 xiv

127 Portaria N.º 140/2012 xv

128 xvi

129 xvii

130 xviii

131 xix

132 xx

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