Apontamentos sobre Cogeração

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1 DPARTAMNTO D NGNHARIA MÂNIA INSTITUTO SUPRIOR TÉNIO Apontamentos sobre ogeração Ano lectivo 2000/2001 João Luís Toste Azevedo stes apontamentos contêm alguns elementos compilados para a leccionação das aulas teóricas no ano lectivo de 2000/2001. As notas que se seguem foram retiradas dos cursos organizados pelo IF International Faculty for ngineers realizados em Portugal: 1º ncontro sobre ogeração 18 Novembro º ncontro sobre ogeração 21/22 Março º ncontro sobre ogeração 30/31 Janeiro 2001 não sendo indicadas as referências à origem de todos os elementos compilados. Lisboa, 6 Junho 2001

2 Introdução ntende-se por cogeração processos em que há produção simultânea de energia térmica e energia mecânica (normalmente convertida em energia eléctrica), destinados a consumo próprio ou de terceiros, a partir de uma fonte de combustível (biomassa, fuelóleo, gás natural, gás propano, resíduos industriais, etc ). O calor produzido pode ser utilizado directamente 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, em oposição aos métodos tradicionais de produção de electricidade por via térmica, que desperdiçam todo o calor inerente ao processo. De acordo com o decreto-lei n.º 186/95, a cogeração é definida como: O processo de produção combinada de energia eléctrica e térmica, destinando-se ambas a consumo próprio ou de terceiros, com respeito pelas condições previstas na lei. xistem aplicações de cogeração em edifícios e industriais. Nos edifícios as potências são baixas a médias (100kW 10MW) sendo exemplos hotéis, hospitais, centros comerciais, pavilhões desportivos, piscinas. xiste ainda o conceito de micro-cogeração a implementar a nível de residências familiares utilizando pilhas de combustível (~5kW). As aplicações industriais são de média escala (~5-10MW) (papel, têxteis, alimentação, madeiras) ou grande escala (10-50MW) (celulose, refinarias, química). Nas instalações de cogeração de maior escala utilizam-se combustíveis próprios (sub-produtos) das indústrias. A cogeração de grande escala é também utilizada em países nórdicos para a produção centralizada de calor distribuído pelas habitações. No seguinte esquema apenas (a ser considerado como simplificação) pode-se observar facilmente a diferença e a vantagem principal de um sistema de cogeração face aos sistemas convencionais. 105,3u entral lectricidade Trabalho Térmica 40u η =40% η =38% ogeração Diesel 100u 49u aldeira alor 40,2u fs recuperador de calor η =82% ε =67% Sistema convencional tem um factor de utilização de energia de 52% enquanto que a cogeração tem um FU de 80,2%. Deste modo é fácil observar o melhor aproveitamento energético da cogeração vs. os métodos comuns.

3 Parâmetros de caracterização de sistemas de cogeração Para a produção separada de energia eléctrica e de calor utilizam-se parâmetros de rendimentos normalmente comparando a energia utilizada em relação à gasta no combustível, referida ao poder calorífico inferiro (PI). (Para centrais de produção de energia o rendimento é expresso em termos de PS de acordo com normas DIN ou ASM). m toda a literatura referente a cogeração e na legislação os rendimentos referem-se ao PI, sendo esta a regra adoptada aqui. Rendimento eléctrico η = Rendimento térmico Q η = omo o sistema de cogeração envolve a produção de mais de uma forma de energia pode-se definir um rendimento global englobando a energia eléctrica e térmica produzida: + Q η G = A este factor dá-se normalmente a designação de factor de utilização de energia FU. omo a energia eléctrica e térmica tem um valor exergético e económico diferente é também usual exprimir o factor de utilização de energia ponderado por preços: P + PQQ FU PP = onde P, P Q e P são preços por unidade de energia (e.g. kwh) de P electricidade, calor e combustível. Podem-se apresentar valores indicativos destes preços nas seguintes tabelas dependendo do método de geração de calor e do tipo de combustível. ombustível usto (PT/kWh) Propano a granel * 7,58 6,78 Fuel 3,5% S 2,60 GN ** 2,78 3,70 Bomba de calor *** 3,71 * considerando consumo entre 5 e 100 ton/ano ** considerando valor minimo acordado de 30 e 40 PT/m 3 *** considerando valor 13 PT/kWh e OP de 3,5 Tabela 1 - kwh calor para diferentes formas de obtenção de calor. Obtido de Roriz, kwh eléctrico em 1999 para os diversos níveis de tensão: Tipo contracto Preço potência PT/kWh para diferentes horas Tensão sc/kw Ponta heias Vazio Média Alta Tensão (Período húmido) Média Alta Tensão (Período seco) Baixa Tensão (Utilização média) Baixa Tensão (Utilização longa) BTN (<20.7 kva) Preços em 2001 (para comparação) Tabela Factores de conversão em TP (Toneladas quivalentes de Petróleo) lectricidade Fuel-óleo Gás Natural 290*10-6 TP/kWh 0,969 TP/Ton 0,820 TP/10 3 m 3

4 O custo dos combustíveis (Gás e Fuel) nos últimos dois anos tem vindo a subir enquanto o custo da electricidade diminuiu em parte como resultado da liberalização do mercado da energia. Assim todas as análises económicas efectuadas têm um grau de incerteza associado à evolução dos preços que nem sempre é fácil prever. omo exemplo o custo do gás natural em contractos com ajuste de preço no final de 2000 era de 40-43$/m 3, enquanto no início de 99 era de 21$/m 3. O preço para pequenos clientes como os domésticos é de 115$/m 3. A composição do gás natural é aproximadamente constante enquanto formos abastecidos unicamente pela Argélia. No entanto quando o gás for importado por navios a composição poderá variar e no caso de grandes clientes o preço depende do poder calorífico do gás. Um parâmetro utilizado na caracterização das instalações de cogeração é a razão alor Trabalho produzido sendo dado por: γ = Q G sta razão apresenta valores típicos dependendo do sistema considerado, podendo indicar-se uma gama aproximada de valores na tabela seguinte: Turbina de contra-pressão 1 4 Turbina de gás Motor Diesel Nas turbinas de vapor a razão calor trabalho pode ser menor no caso de se adoptar uma turbina de extracção/condensação ou ainda um conjunto de duas turbinas uma de contra-pressão e outra de extracção/condensação. Para o caso da turbina de gás pode-se diminuir a razão calor trabalho utilizando um ciclo com injecção de vapor. Os sistemas de cogeração têm interesse para minimizar o custo de obtenção de energia eléctrica e térmica em simultâneo. Assim torna-se importante definir parâmetros que permitam comparar mais directamente a utilização de cogeração com a produção separada. Pode-se assim definir o factor de poupança de combustível em Inglês FSR (Fuel nergy Saving Ratio): Q + η η FSR = Q + η η sta razão representa a diferença entre a energia do combustível que seria gasta na produção separada de electricidade e calor e a energia que é gasta no sistema de cogeração em relação à energia que seria consumida na produção separada. ste parâmetro dá-nos uma ideia da poupança de combustível que pode ser realizada por um sistema de cogeração. ste parâmetro atinge um máximo quando a razão calor trabalho se encontra próximo da unidade como se pode ver do gráfico seguinte e no exemplo a seguir.

5 FU = = 52 % FU = = 80.2% FU = = 59.1% FU = = 80.8% Para comparar os sistemas de cogeração com a produção separada de electricidade e calor utiliza-se ainda o rendimento eléctrico equivalente. + Q + Q η S = representa a produção separada e em cogeração η G = Q + η η Para que η G > η S deve então verificar-se: Q + η η < ou ainda R = > η Q / η

6 O Rendimento léctrico quivalente (R) deve assim ser superior a um valor de referência do rendimento de produção de electricidade η. A escolha feita na legislação Portuguesa era de 45% DL 186/95 passando a 55% no DL 538/99. O aumento do valor referido na legislação de 45 para 55% tem como base a existência de uma central de ciclo combinado em Portugal (Tapada do Outeiro) e assim o sistema de cogeração deve ter um rendimento superior ao do melhor método de produção centralizada térmico. A definição do R depende assim do país. m França devido à elevada penetração de centrais nucleares o valor é de 65%. m spanha os valores do R são definidos em função do combustível e tecnologia utilizado na cogeração, oscilando os valores entre 49 e 59%. Na legislação Portuguesa o R depende ainda da utilização de recursos renováveis. Assim a definição de acordo com o DL 538/99 é: R = /[ - T/(0,9-0,2 x (R/))] >= 0,55 O rendimento da caldeira de referência para a produção de calor é fixado em 90% para o caso de combustíveis fósseis, sendo esse rendimento diminuído no caso de se utilizarem recursos renováveis até um valor mínimo de 70%. R representa o equivalente energético dos recursos renováveis ou resíduos industriais, agrícolas ou urbanos consumidos anualmente na instalação de co-geração. m alguns processos de preparação de alimentos, existem resíduos que permitem o auto abastecimento de energia, conforme se pode avaliar da tabela seguinte. Tabela retirada de apresentação de S. Minett (Director ogen urope) 1 Ton matéria prima nergia necessária Produto final Sobras processo ana de Açucar kwh ton V kg Açucar 290 kg Bagasso -100kWh Arroz kwh Moagem e kg Arroz 220 kg cascas Óleo Palma secagem (?) kwh ton Vapor branco kwh kg Óleo 190 kg fibras/cascas+230 kg frutos vazios-120 kwh kg 20m 3 Biogás Madeira kwh 0.5m 3 ortada 0.5m 3 resíduos- 80 kwh Madeira 110 kwh ton Vap 0.5m 3 prensados 0.5m 3 resíduos-120 kwh m Portugal os resíduos de madeira de serragens são em grande parte integrados na indústria de madeira prensada. Os resíduos com possibilidade de exploração energética são os florestais e agrícolas (e.g. Bagaço de azeitona, podas de vinhas e sobreiros,...) No caso da indústria da pasta de papel, os resíduos resultantes das cascas das árvores são utilizados numa caldeira de biomassa. Adicionalmente verifica-se a recuperação de energia a partir da queima de lixivia negra utilizada na lavagem química da madeira para separar a celulose. Outro parâmetro equivalente ao de rendimento é o conceito de consumo específico utilizado com frequência para os motores de combustão interna (combustíveis líquidos). ste parâmetro e definido normalmente em g/kwe e pode também ser definido um consumo específico equivalente para a cogeração como: Q / η =

7 De um modo geral os sistemas de cogeração podem dividir-se em três tipos, estando esta classificação relacionada com a ordem de produção de energia calorífica e trabalho. Os três conjuntos são: 1. iclos superiores ou de cabeça (Topping ycles). 2. iclos inferiores ou de cauda (Bottoming ycles). 3. iclos combinados. Nos primeiros é primeiro realizado trabalho, sendo o calor rejeitado reaproveitado como calor de processo. Nos segundos ocorre a situação inversa. Nos ciclos combinados é produzido trabalho cujo calor rejeitado é aproveitado numa caldeira onde se produz vapor que por sua vez é utilizado para produzir mais trabalho. m alternativa à classificação referida, podem-se classificar os ciclos de cogeração em: iclos simples om motor ou turbina a gás com geração de vapor em caldeira de recuperação (com ou sem queima adicional de combustível). No caso de motor alternativo existe também a recuperação de energia térmica a baixa temperatura do circuito de arrefecimento e de óleo. As turbinas para cogeração usam gás natural enquanto nos motores alternativos usam gás com ciclo de ignição por faísca e fuel no ciclo com ignição por compressão (Diesel). iclo combinado Turbina de gás com caldeira de recuperação onde se gera vapor para ciclo a vapor. O ciclo a vapor pode ser de contra-pressão e/ou extracção-condensação. m geral a gás. iclo a vapor m geral o ciclo de vapor usa combustíveis mais baratos como carvão sendo no caso de cogeração usados sub-produtos de processos. No caso da indústria do papel em que se consome cascas de árvores e líxivia negra, resultante da lavagem química. Nas refinarias, usamse combustíveis de menor qualidade que são consumidos na própria refinaria. iclo de secagem Neste caso consideram-se turbinas ou motores alternativos em que o aproveitamento de calor é efectuado directamente a partir dos produtos de combustão. omo exemplos indicam-se a secagem de sal e culturas hidropónicas (? Vegetais sem terra). Instalações de cogeração em Portugal: Podem considerar-se três tipos de instalações de cogeração em Portugal que surgiram em diversas épocas de acordo com os interesses em cada uma delas. As cogerações mais antigas surgiram nas indústrias maiores e baseadas em ciclo de vapor com contra-pressão. ste sistema permite uma maior flexibilidade em relação ao combustível sendo no caso de refinarias, combustível do próprio processo e no caso de fábricas de celulose o licor negro e resíduos de madeira. Indústria Potência Instalada (MW) nergia produzida (GWh) 98 elulose Refinarias Petroquímicas Outras Total om a introdução do decreto de lei 186/95 introduziu-se co-gerações com motores Diesel que representam um consumo de 20% de fuel-óleo sendo o número de unidades por industria na tabela seguinte: Indústria Nº Motores Potência total nergia produzida Têxtil Alimentação Papel Madeira Química Vidro entro omercial erâmica ouro Outras Total

8 om o gás natural apareceram mais motores e turbinas de gás com potência total de 146MW em Março de 2000 distribuídos por 27 centrais com 49 motores ou turbinas. A estes somam-se motores com outros tipos de gás (Biogás ou propano) com 5.5MW instalados. Somando todas as instalações de cogeração em Portugal verifica-se que a potência instalada é cerca de 990 MWe. A potência instalada em centrais térmicas é de 4840 MW e hídrica 4000MW. A potência instalada em cogeração representa assim cerca de 17% de térmica e 10% do total. A figura seguinte mostra a fracção de energia produzida em sistemas de cogeração por países da União uropeia. Obviamente os valores mais elevados verificam-se nos países mais frios onde existe uma contribuição importante de centrais que fornecem vapor para o aquecimento de edifícios ogeneration as a share of national powe r production U UK Sw eden Spain Portugal The Netherlands It a ly Ireland Greece Germany France Finland Denmark B e lg iu m Austria

9 Tabela Valores típicos dos parâmetros de co-geração para diversos ciclos. (Retirada de J.H. Horlock considerando η Q =0.9 e η =0.4) Q FU FSR γ G iclo xtracção/ondensação iclo ontra-pressão iclo Turbina a gás com caldeira de recuperação iclo combinado contrapressão Tabela lementos motores utilizados em co-geração Gama Potência (MW) Rendimento Turbina de vapor extracção-condensação Turbina de vapor contra-pressão Turbina de gás (0.15) Motor de combustão interna Pilha de combustivel (11) Valores retirados de.lark, Ann. Rev. nergy, A última linha e os valores entre parentesis foram adicionados com base em instalações demonstradas. Tabela ficiência (rendimento) eléctrica e total para diferentes sistemas de cogeração Sistema η el η total Turbina a gás 0,29 0,85 motor de combustão a gás natural 0,42 0,85 motor de combustão a diesel 0,38 0,85 células de combustível de ácido fosfórico 0,40 0,85 Tabela omparação entre tecnologias de cogeração utilizando gás natural (Roriz et al, 2000) Propriedade Motor a gás Turbina a gás Pilha PAF ficiencia eléctrica ficiencia a carga parcial Arranque /paragem + - +/- missões Produção de vapor Produção de água quente Horas entre grande reparações * *máximo valor demonstrado Tabela Preço do kwh el em função do combustível utilizado e do preço do gás natural (Roriz et al, 2000) preço do kwh eléctrico (PT) preço do fuel PT/kg preço do GN PT/m 3 Turbina a gás (e = 29%) Motor de explosão (e = 42%) Motor diesel (e = 38%) 23,52 7,51 5, ,621 5,952 33,41 10,667 34,06 7,509 48,4 10,67 32,56 5,848 Notar os valores para o kwh eléctrico produzido com o custo nas horas cheias (10,67 PT) e nas horas de vazio (7,51 PT) para alimentação em MT e médias utilizações

10 Legislação ogeração - DL 538/99 de 13 de Dezembro. ria o mercado interno de energia eléctrica aberto a partir de 18/02/99. ste DL surge no seguimento da directiva comunitária 96/92/ de 19/12/96. e deliberação da (ntidade Reguladora do Sector léctrico (RS) nº 92-A/99 de 15/02/99. ria-se uma maior amplitude de casos em que se pode fornecer energia eléctrica produzida para: i) Autoconsumo e ii) Fornecimento a filiais e empresas associadas ao co-gerador. Define os pontos de interligação das instalações de co-geração. Limita o número de projectos em carteira. Altera o tarifário de venda de energia eléctrica no artº 10º. Os tarifários são estabelecidos por portarias 30 e 31/2000, de 27 de Janeiro. As tarifas dependem da potência ser maior ou menor que 10 MW ou independentemente da potência que utilizem mais de 50% de recursos renováveis ou resíduos industriais, agrícolas ou urbanos. Alteração do tarifário de fornecimento ao Sistema léctrico Português (SP) com internalização dos benefícios ambientais. As emissões de dióxido de carbono evitadas pela instalação são fixas nas Portarias 30 e 31/2000 de 27/01. Os custos evitados ao SP em novos centros produtores e em transporte, operação e manutenção, incluindo aquisição de matéria prima. O período de vigência dos tarifários ou montante da remuneração pela energia eléctrica fornecida à rede do SP depende da potência instalada. O conceito de custo evitado aplica-se durante 10 anos. Abaixo de 10 MW o período é de 120 meses a partir da data de início de exploração ou no máximo 15 meses após a DG considerar o processo de licenciamento completo. Acima de 10 MW o período é de 120 meses a partir da data de início de exploração e no máximo até 31 de Dezembro de Após este período a energia será paga pelo sistema de remuneração em vigor de acordo com DL 183/95, de 27 de Julho. Durante o período de até 12 anos existe assim uma garantia do valor do tarifário de venda de energia eléctrica. No artº 5º a 8º consagra-se o direito de fornecer energia ao SP ou às entidades referidas no artº 8 enquanto anteriormente só podia ser ao SP. O fornecimento ao SP anualmente não pode exceder 60% da energia produzida. Adicionalmente deve-se verificar que a energia fornecida ao SP não deve ultrapassar o valor dado por: (índice er) = [4,5 x ( + T)/( + 0,5 x T) - 4,5] x O fornecimento de energia eléctrica por linhas próprias é feito prioritariamente ao principal consumidor de energia térmica produzida. O consumo da energia eléctrica produzida directamente é feito pelo accionista principal do co-gerador ou pela entidade que consuma, pelo menos, 40% da energia térmica útil. O auto-consumo pode ser efectuado por entidades com pelo menos 10% do capital. O fornecimento de energia eléctrica pelo co-gerador é feito em linha directa ou pelo SP a entidades abastecidas por MT, AT ou MAT que consumam pelo menos 50% da energia térmica útil. Tarifário de venda é o do escalão imediatamente superior à potência real. álculo da potência é 80% da média cedida em Ponta ou Fora de Vazio. Obrigação de entrega à rede de energia reactiva de 40% da energia activa. Potência de ligação Potência Activa máxima que pode injectar. Obrigação de informar o SP do regime diário de excedentes (>10MW). Inspecções de 2 em 2 anos (artº 23).

11 Legislação de produção de energia eléctrica Venda à rede. As tarifas de venda de energia eléctrica são legisladas no DL 168/99. ste decreto de lei apresenta a metodologia para cálculo das tarifas, considerando a utilização de recursos renováveis. Na portaria 30 e 31/2000 estabelece-se tarifário de venda de energia eléctrica. álculo da remuneração mensal pela energia exportada : Vm =(PF+PV+PA)*f PF Parcela Fixa - Investimento e sua desvalorização no tempo. Garantia de fornecimento de potência disponível (fora de vazio) com base no fornecido SP. PV Parcela Variável ustos combustíveis e variações cambiais. ustos evitados nas redes a montante e outros custos indexados. PA Parcela Ambiental Traduz valorização de custos evitados emissões O 2. f Factor de perdas de energia nas redes a juzante do produtor aplicado a instalações com potência inferior a 10 MW. Para potências superiores este tipo de custos é imputado à parcela fixa com base na potência disponível. Valores de orientação são: 6.5; 9 e 16$/kWh respectivamente para as horas de vazio, cheias e de ponta. Legislação Ambiental Decreto-Lei nº 352/90, de 9 de Novembro stabelece legislação ambiental para equipamentos produtores de energia, fixos por portarias: Portaria nº 286/93, de 12 de Março Teor de enxofre no fuel máximo de 2%. Fixa emissões de H, O, NO x, SO 2. xiste no entanto no mercado fuel (nº 3 e 4) com 3 a 3.5% de enxofre. Portaria nº 1058/94, de 2 de Dezembro Altera os valores de emissões permitidas de NO x mas no entanto não fixa o O 2 de referência (deve ser 8%) Limites impostos na legislação mg/nm3@8%o 2 Partículas 300 Hidrocarbonetos H 50 Monóxido arbono O 1000 Oxidos Azoto NO x * Oxido de nxofre SO ** *1500 potência < 10 MW e 450 potência >50 MW. Interpolação linear. Os motores Diesel emitem 3000 a Requerem alterações para conseguirem ficar dentro dos valores limite indicados tais como recirculação de gases ou atraso à inflamação. **Pode ser atingido considerando um fuel com 3.5% de enxofre.