Introdução. Electricidad Térmica. e η =40% η =38% 40u. Cogeração Diesel. 100u

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1 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 lectricidad Trabalho Térmica e 40% 38% 40u ogeração Diesel 100u 49u aldeira alor 40,2u fs recuperador de calor 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.

2 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 Rendimento térmico Q 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 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 Um outro 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. A produção de vapor é efectuada a partir de uma caldeira de recuperação que utiliza os gases à saida da turbina de gás, podendo esse vapor ser fornecido a um circuito de aquecimento fornecendo o calor à co-geração ou pode ser misturado com os produtos de combustão, permitindo assim aumentar a potência na turbina a gás. 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):

3 FSR Q Q 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. Para cada tipo de instalação de cogeração a razão calor/trabalho permite obter valores variáveis de factor de utilização de energia e do factor de economia de combustível (FSR). Na figura seguinte (Pita, 1995) apresenta-se a variação destes parâmetros para três situações típicas. Para comparar os sistemas de cogeração com a produção separada de electricidade e calor utiliza-se também o rendimento eléctrico equivalente. Q Q S representa a produção separada e em cogeração G Q Para que G > S deve então verificar-se: Q < ou ainda R > Q / O Rendimento léctrico quivalente (R) deve assim ser superior a um valor de referência do rendimento de produção de electricidade. ste valor em Portugal foifixado em 1999 com o valor de 55% PI com base no ciclo combinado da Tapada do Outeiro. 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%. O rendimento da caldeira é considerado com o valor de 90% podendo ser reduzido até 70% no caso de se considerar que o calor é proveniente de energias renováveis.

4 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). Tabela Valores típicos dos parâmetros de co-geração para diversos ciclos. (Retirada de J.H. Horlock considerando Q 0.9 e 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 el 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

5 Figuras de Horlock J.H. ogeneration: ombined Heat and Power, Pergamon Press, omparação de sistemas de produção separada e em cogeração squema de cogeração em motor Diesel