Introdução cogeração

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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. Na directiva comunitária 2004/8/ apresentam-se várias definições que se encontram no anexo I referentes aos termos a utilizar em cogeração. A definição de cogeração é idêntica mas reforça-se o conceito de calor útil como calor ou frio que tem o objectivo de satisfazer uma procura economicamente justificável que seria produzido por outros processos caso não existisse a instalação de cogeração. As unidades de cogeração são ainda classificadas segundo a sua dimensão como micro (<50 kwe) e pequena escala (< 1MWe). Outro conceito que é introduzido é que a eficiência global é determinada pelo total de energia produzida e combustíveis gastos anualmente. Define-se como cogeração de elevada eficiência as instalações que permitam uma poupança de energia superior a 10%. Na directiva comunitária existem ainda alguns aspectos que convêm mencionar. Para os edifícios com área total superior a 1000 m 2 indica-se a necessidade de assegurar que seja estudada a viabilidade técnica, ambiental e económica de sistemas alternativos incluindo a cogeração. O decreto menciona também que 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.

2 Instalações de cogeração em Portugal A figura 1 ilustra a potência instalada em cogeração em Portugal ao longo dos anos permitindo verificar que existem três fases de implementação de sistemas de cogeração, sendo o primeiro em grandes indústrias como por exemplo nas fábricas de pasta de papel com base em ciclos de vapor. A implementação de sistemas de cogeração Diesel em edifícios e em indústrias ocorre na década de 90 com o aparecimento de legislação para o sector (DL 186/95) e o estatuto de produtor independente, sendo a tecnologia Diesel gradualmente substituída por instalações a gás natural (ciclos OTTO e turbinas a gás). A cogeração representa assim uma parcela importante na oferta da produção de energia eléctrica como se pode observer na figura 2. 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 em 2005 é de 4840 MW e hídrica 4000MW. A potência instalada em cogeração representa 17% de térmica e 10% do total. Figura 1 - Potência instalada em cogeração por anos e acumulada (ogen Portugal 2005) Figura 2 - Potência instalada em Portugal (DGG 2005) A figura 3 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.

3 UK Spain Netherlands Ireland Germany Finland Belgium U HP % of total production (GWh) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Figura 3 ontribuição da cogeração na produção de energia (OGN Portugal, 2005) Na figura 4 pode-se observar a distribuição das instalações de cogeração por sectores. As instalações de vapor em contra-pressão encontram-se apenas em grandes indústrias. Os motores Diesel tal como os equipamentos a gás natural são usados em indústrias e edifícios (hospitalares e terciário). As instalações de maior dimensão continuam a ser instaladas em grandes indústrias. Para além de gás natural existem motores com outros tipos de gás (Biogás ou propano) com 5.5MW instalados. Figura 4 Distribuição de instalações de cogeração por sectores (OGN Portugal, 2005) Tabela 1 Distribuição de instalações por sectores (OGN Portugal; 1998 e 2005) Motores Diesel (1998) iclo OTTO (2005) Turb. Gás (2005) Sector Nº Unid. Pot (MWe) Nº Unid. Pot (MWe) Nº Unid. Pot (MWe) Têxtil Alimentação Papel Madeira Química Vidro Terciário /(. om.) Hospitalar erâmica ouro mbalagem Outras Total

4 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 2 - 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 3 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

5 O custo dos combustíveis (Gás e Fuel) nos últimos 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): FSR Q + η η 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.

6 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 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 Q Para que η G > η S deve então verificar-se: < + ou ainda R > η η η Q / η 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. 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 lassificação de sistemas de cogeração 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).

8 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

9 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