sistemas de cogeração

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1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 36 André Fernando Ribeiro de Sá Engenheiro Electrotécnico, Gestor de Energia do Grupo Têxtil Riopele sistemas de cogeração Sala dos motores da cogeração Saramagos (Grupo Têxtil Riopele) 1 PRINCÍPIOS A cogeração é um processo de produção combinada de energia térmica e de energia eléctrica, 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 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 (trigeração), em oposição de métodos tradicionais de produção de electricidade por via térmica, que desperdiçam todo o calor inerente ao processo. de combustível da produção separada de calor e electricidade, o consumo de combustível de uma central de cogeração, e o acréscimo no rendimento global do processo. Figura 2. Exemplo de comparação entre produção convencional vs cogeração (fonte: Castro, R.M.G., adaptado). Figura 1. Exemplo de diagrama de processo de uma cogeração. Pelo exemplo anterior, pode observar-se que, para obtenção do mesmo produto final, os sistemas de cogeração requerem apenas cerca de 65% da energia primária necessária num sistema tradicional. Como consequência deste ganho de eficiência, advêm benefícios ambientais significativos, decorrentes da diminuição das emissões poluentes por unidade de energia útil produzida. Um sistema de cogeração é mais eficiente do que um sistema tradicional alternativo para obtenção do mesmo serviço de electricidade e calor, composto por um sistema gerador eléctrico e por uma caldeira. Na figura seguinte podemos ver uma comparação entre o consumo Uma cogeração será mais sustentável que um sistema convencional. Ambientalmente melhor uma vez que para o mesmo consumo de energia eléctrica e térmica, emite menor emissão de gases e menor consumo de combustíveis. Economicamente melhor, uma vez que

2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 37 Outro dos factores que privilegia a cogeração é minimizar as perdas eléctricas na rede de transporte e distribuição de electricidade. A produção, geralmente é consumida localmente, minimizando perdas. A figura 5 ilustra um exemplo de perdas. A figura 6 mostra um esquema típico de aproveitamento do calor num sistema de cogeração, usando permutadores de calor intercalados nos circuitos de arrefecicusta menos combustível para o mesmo consumo. Socialmente melhor, uma vez que optimiza a descentralização de produção, fomentando o emprego e a partilha de informação. Ambiental do energia eléctrica e térmica produzida: CHP E Q = C Num sistema com a produção separada de produção de electricidade e calor, o rendimento global é calculado da seguinte forma: Económico Social Figura 3. Triângulo da Sustentabilidade. A remuneração de electricidade produzida por cogeração poderá ser calculada: VRM = ( PF PV PA) 1 LEV ER VRM é o valor da remuneração mensal, em Euros; PF é a parcela fixa; PV é a parcela variável; PA é a parcela ambiental; LEV representa as perdas evitadas nas redes eléctricas; ER representa os serviços de sistema obrigatórios com a energia reactiva; Para a produção separada de energia eléctrica e de calor utilizamse parâmetros de rendimentos normalmente comparando a energia utilizada em relação à gasta no combustível, referida ao Poder Calorífico Inferior (PCI). SHP E Q = E Q E _ SHP Q _ SHP Assim, deste modo podemos calcular a Poupança de Energia Primária (PEP): PEP = CHP PEP = 1 E SHP E _ SHP E Q E Q = C E Q C Q Q _ SHP E _ SHP = 1 E _ CHP E _ SHP Q _ SHP 1 Q _ CHP Q _ SHP Uma das maneiras de optimizar a eficiência energética é através da cogeração. Conforme se pode ver na figura seguinte, a produção combinada de electricidade e calor é uma das maneiras mais eficientes de produção de energia. Tal como para os edifícios, os sistemas de produção de electricidade também tem uma etiquetagem do nível de eficiência energética, representada na figura seguinte. Tipo de Energia PCI Massa Específica CO 2 TEP Fuelóleo kj/kg 944,00 kg/m 3 76,63 kg/gj 0,969 tep/ton Gás Natural kj/kg 0,84 kg/m 3 55,82 kg/gj 0,820 tep/ton Gasóleo kj/kg 837,00 kg/m 3 73,36 kg/gj 1,045 tep/ton Electricidade ,29 tep/mwh Tabela 1. Algumas características de alguns tipos de combustível (Adaptado da fonte: Instituto do Ambiente, 2008). Rendimento eléctrico E _ CHP = E C Rendimento térmico Q _ CHP = Onde: E é a energia eléctrica produzida, em kwh; Q é a energia térmica produzida, em kwh; C é a energia disponível no combustível, em kwh. Como o sistema de cogeração envolve a produção de mais de uma forma de energia, pode-se definir um rendimento global, engloban- Q C Figura 4. Etiquetagem de sistemas de produção de electricidade (fonte: COGEN Europe, 2006).

3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 38 mento e dos gases de exaustão da máquina térmica. Tecnologia Vantagens Desvantagens Turbinas a gás Fiabilidade elevada; Emissões poluentes baixas; Calor a temperaturas elevadas ( ºC); Não necessita de refrigeração. Operação com gás a alta pressão; Rendimento reduzido a carga parcial; Potência de saída diminui com o aumento da temperatura ambiente; Ineficiente em processos com poucas necessidades térmicas. Motores alternativos Rendimento eléctrico elevado; Bom desempenho com carga parcial; Arranque rápido; Energia térmica a dois níveis de temperatura gases de escape e arrefecimento do motor; Manutenção no local com pessoal não especializado; Operação com gás a baixa pressão. Custos de manutenção elevados; Calor de baixa temperatura; Emissões poluentes relativamente elevadas; Necessita de refrigeração; Ruído de baixa frequência. Figura 5. Comparação de eficiência de cogeração em comparação com centrais convencionais (fonte: Fernandes, E.O.). Turbinas a vapor Rendimento global elevado; Operação com diversos tipos de combustível; Grandes quantidades de calor disponíveis; Vida útil e fiabilidade elevadas; Vapor a alta pressão. Arranque lento; Rendimento eléctrico baixo. Microturbinas Dimensões compactas; Peso reduzido; Emissões poluentes baixas; Não necessita de refrigeração. Custos elevados; Calor de baixa temperatura; Tecnologia em maturação. Pilhas de Combustível Emissões poluentes baixas; Ruído baixo; Não tem peças rotativas; Modularidade. Custos elevados; Fiabilidade incerta; Tecnologia em maturação; Necessita de pré-processamento do combustível, excepto H puro. Tabela 2. Vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de sistemas de cogeração (Fonte: Castro, R.M.G., 2006). Figura 6. Esquema do sistema de cogeração com motor de combustão interna (fonte: ADENE). 2 TIPOS DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO Tecnologias convencionais: Turbinas a gás; Motores alternativos ou de combustão interna (explosão e de ignição por compressão); Turbinas de vapor de contra - pressão; Tecnologias emergentes: Microturbinas; Pilhas de Combustível. Tecnologias convencionais Nas centrais termoeléctricas convencionais (a carvão ou a fuel), a conversão de energia faz-se de acordo com o ciclo de Rankine, em que o fluído de trabalho (água) muda de fase ao longo do ciclo termodinâmico. Existem outros equipamentos de conversão, designadamente motores de explosão, motores diesel, turbinas a gás, que se caracterizam por possuir um gás como fluído de trabalho. Contudo, o fluído de trabalho vai sofrendo uma mudança na sua composição à medida que o ciclo vai sendo percorrido: o fluído de trabalho começa por ser o ar, ao qual, durante o processo de combustão, é adicionado combustível, transformando-se numa mistura de ar e combustível, designada por produto de combustão. Esta é a razão porque estes equipamentos de conversão se designam de combustão interna, enquanto as termoeléctricas convencionais se designam de combustão externa porque o calor é transferido dos produtos de combustão para o fluído de trabalho que é sempre o mesmo. Figura 7. Triângulo de fogo

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5 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 40 Tecnologia Turbina a gás Motores de explosão a GN Motores de compressão interna Turbinas a vapor Microturbinas Pilhas de combustível Rendimento eléctrico 15% - 35 % 22% - 40% 25% - 45% 10% - 40% 18% - 27% 35% - 40% Rendimento térmico 40% - 60% 40% - 60% 40% - 60% 40% - 60% 40% - 60% 20% - 50% Rendimento global 60% - 85% 70% - 80% 70% - 85% 60% - 85% 55% - 75% 55% - 90% Potência típica (MWe) 0, ,05 5 0, , ,03 0,35 0,01 0,25 Relação Pt/Pe 1,25 2 0,4 1,7 0,4 1, ,5 1,1 Desempenho com carga parcial Mau Médio Bom Bom Médio Muito bom Investimento ( /kwe) > 2500 O&M ( /MWhe) (estimativa) 2 12 Disponibilidade 90% - 98% 92% - 97% 92% - 97% 99% 90% - 98% > 95% Revisões (h) > Arranque 10m 1h 10 s 10 s 1h 1 dia 1 m 3h 2 dias Pressão do combustível (bar) ,07 3,1 < 0,35 NA 3 7 0,03 3 Combustíveis GN, biogás, propano GN, biogás, propano Diesel, óleo residual Todos GN, biogás, propano Hidrogénio, GN, propano, metanol Ruído Médio Alto Alto Alto Médio Baixo Uso do Calor Água quente, vapor AP e BP Água quente, vapor BP Água quente, vapor BP Vapor AP e BP Água quente, vapor BP Água quente, vapor BP Densidade de potência (kw/m 2 ) > NOx (kg/mwh total) 0,2 2 0, ,9 0,07 0,01 Tabela 3. Características operacionais e custos típicos dos diferentes tipos de sistemas de cogeração (Fonte: Castro, 2006). Turbinas a Gás O processo teórico dos motores de turbinas a gás, conhecido pelo ciclo de Brayton, também denominado ciclo de Joule, é o princípio de funcionamento das turbinas de gás. A figura seguinte ilustra a operação de uma turbina a gás em ciclo aberto: como de explosão (ignição por faísca) ou de ignição por compressão. O motor de compressão é vulgarmente chamado motor diesel. Figura 8. Processo real de combustão interna de uma turbina a gás a operar em circuito aberto (fonte: Figura 9. Motor de combustão interna (fonte: Motor de Combustão Interna Os motores de combustão interna são máquinas térmicas alternativas, destinadas à produção de energia mecânica ou força motriz de accionamento. Os motores de combustão interna podem ser classificados Motor de 4 Tempos (Ciclo Otto) Também conhecido por motor de explosão ou motor de ignição por faísca, implementado com sucesso em 1876 pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto. A câmara de combustão contêm um cilindro, duas

6 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 41 válvulas (uma de admissão e outra de escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado à biela que se articula com a cambota. A cambota transforma o movimento de vaivém num movimento rotativo. PRIMEIRO TEMPO SEGUNDO TEMPO Admissão Compressão Expansão Exaustão Figura 12. Esquema de funcionamento de um motor a dois tempos (fonte: www. perfectum.eng.br). Turbinas a Vapor As turbinas a vapor são elementos constituintes bem conhecidos do equipamento das centrais térmicas convencionais (a carvão ou a fuel), incluindo as de ciclo combinado (a gás natural). O seu funcionamento é descrito pelo ciclo de Rankine, ilustrado na figura seguinte. Figura 10. Principais componentes de um motor de combustão interna de quatro cilindros e ignição por faísca (fonte: CEEETA, 2002). O ciclo de trabalho de um motor de 4 tempos compreende duas voltas na cambota ou 4 cursos completos do êmbolo. Figura 13. Diagrama T,s do ciclo Rankine e esquema de uma central com turbina a vapor (fonte: Figura 11. Ciclo a quatro tempos (Otto) (fonte: Ramage, J., 2003). Motor de 2 Tempos (Ciclo Diesel) Em 1894, o engenheiro Rudolf Diesel, eliminou a necessidade de um circuito eléctrico para iniciar a combustão. Nasceu, assim, o motor diesel em que o combustível óleo diesel ou gasóleo é queimado por acção do calor libertado quando o ar é comprimido com uma taxa muito elevada. A taxa de compressão no ciclo Diesel é muito superior à do ciclo Otto. Isto porque no ciclo Diesel apenas o ar é comprimido, enquanto que no ciclo Otto é a mistura ar combustível que é comprimida, o que é especialmente problemático na fase de explosão; daí a necessidade de taxas de compressão sensivelmente mais baixas. Figura 14. Esquema do sistema de cogeração com turbina a vapor de ciclo combinado (fonte: US Dep. Energy, 2003). 3 TRIGERAÇÃO Trigeração implica a produção simultânea de energia mecânica (electricidade), calor e frio a partir de um único combustível. É um esquema de produção de energia em que se recupera calor desperdiçado para obter frio. Compreende sistemas CHP combinados com chillers de absorção.

7 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 42 Combustível 100% Figura 15. Esquema de princípio de um sistema de trigeração (fonte: Trigeração Perdas de Calor No sector terciário dos países do Sul, as necessidades de aquecimento são limitadas a alguns meses de Inverno. Há, contudo, necessidades de arrefecimento (ar condicionado) significativas durante os meses de Verão. Energia térmica proveniente de uma instalação de cogeração pode, neste caso, ser utilizada para produzir frio, através de um ciclo de absorção. Este processo alargado de cogeração é conhecido por trigeração ou produção combinada de electricidade, calor e frio (CHCP, combined heat, cooling and power production). 13% 30% Energia Eléctrica Energia Térmica 55% 2% Perdas em Linha Refrigeração Os chillers de absorção incluem um dispositivo de condensação e um outro de evaporação para produzir refrigeração. Tal como nas máquinas de refrigeração (chillers) que funcionam segundo o ciclo de compressão de vapor, têm um evaporador que expande o refrigerante para produzir frio. Em vez de um compressor mecânico, estes chillers utilizam uma fonte de calor, quer por combustão directa por recurso a um queimador ou por combustão indirecta, sendo alimentados por vapor, água quente ou energia térmica de desperdício. As máquinas de absorção que estão disponíveis comercialmente são alimentadas por vapor, por água quente ou por gases de combustão. 4 MICROTURBINAS O princípio de operação das microturbinas é muito semelhante ao das turbinas a gás, recorrendo ao ciclo de Brayton para caracterizar o seu funcionamento. A dimensão é a principal marca distintiva das duas tecnologias: as microturbinas situam-se na gama kw, enquanto as turbinas a gás ocupam uma gama desde 500 a kw. O compressor comprime ar, o qual é pré-aquecido usando um permutador de calor que recupera o calor dos gases de exaustão da turbina. O ar aquecido é, então, misturado com o combustível na câmara de combustão e os gases quentes resultante da combustão são expandidos na turbina. O calor remanescente dos gases de exaustão pode ser aproveitado para outros fins úteis. Figura 17. Esquema de um sistema de cogeração equipado com microturbina. Figura 16. Esquema de trigeração (fonte: STET, 2008). As microturbinas podem operar com uma grande variedade de combustíveis: principalmente gás natural, mas também combustíveis líquidos como gasolina, querosene e óleo diesel. A velocidade de rotação do veio é muito elevada (da ordem das a rpm), pelo que é necessária uma montagem do tipo rectificador inversor para injectar energia na rede. Frio por absorção O chiller de absorção, o aparelho que produz frio, utilizando a energia térmica do processo de cogeração, é a segunda parte mais importante de uma instalação de trigeração. Figura 18. Componentes típicos de uma microturbina.

8 PUB EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E ENERGIAS RENOVÁVEIS 43 5 PILHAS DE COMBUSTÍVEL O processo de decomposição da água, mediante absorção de electricidade, é uma reacção electroquímica conhecida por Electrólise. Esta reacção pode-se estabelecer no sentido inverso, Hidrólise, gerando electricidade. A reacção electrólise em sentido inverso é o que se dá nas denominadas Pilhas de Combustível, que são uma tradução literal directa da sua denominação inglesa Fuel Cells. As pi- e lhas de combustível são O 2 H2 um conjunto empilhado ( stack ) de células H elementares nas quais se produz a reacção. Ânodo Cátodo Electrólito H 2 O As pilhas de combustível admitem o hidrogénio como combustível Figura 19. Esquema elementar de uma célula electroquímica de combustível. com o oxigénio do ar. No entanto, a disponibilidade do H 2 é muito escassa. Uma das formas mais eficientes de se obter H 2 poderá ser por um processo denominado Reformação. Este processo químico permite obter o hidrogénio através de outro combustível e de vapor de água. O 2 Combustível (CH 4) Reformador Convertidor H 2, CO, CO 2 Pilhas de células de combustível elementares Potência em DC Inversor DC/AC e equipamento de ligação à rede eléctrica Calor Calor Recuperação de calor Cogeração ou Ciclo Combinado Calor e água quente Figura 20. Esquema com os subsistemas principais para o funcionamento de uma pilha de combustível (fonte: Merino, J.M., adaptado). 5 CONCLUSÃO Um sistema de cogeração, bem explorado e optimizado, é um sistema mais sustentável: Ambientalmente mais limpo, com menores emissões de gases e consumos de combustíveis; Economicamente mais eficiente, com menor custo de combustível; e Socialmente mais equilibrado, pela promoção da descentralização da produção, fomentando o emprego, a partilha de informação e a segurança de aprovisionamento, através da diversificação de fontes de produção de energia térmica e eléctrica.