Sistemas de Cogeração Aplicação em Edifícios (2007-2008) L. Roriz
Necessidades energéticas As necessidades energéticas variam com o tipo de edifício, e dentro dos edifícios de serviços podem apresentar intensidades global e temporal variável. As soluções existentes para a obtenção do arrefecimento ambiente, aquecimento ambiente e de águas sanitárias são bastante variadas. O tipo (ou tipos) de energia necessária depende da solução escolhida. Num sistema de cogeração, a razão electricidade / calor é fixa e depende do sistema
Que sistema utilizar? arrefecimento ambiente sistemas frigoríficos de compressão de vapor, com compressor accionado por motor eléctrico ou de combustão interna, arrefecimento evaporativo aquecimento ambiente ou de águas sanitárias caldeiras eléctricas ou de combustível (produção de vapor ou de águas quentes), sistemas de bomba de calor de compressão de vapor, com compressor accionado por motor eléctrico, apoio solar térmico, uso de calor de rejeição A actual regulamentação obriga ao uso de energias renováveis.
Curvas de carga nos edifícos O tipo de edifício influencia a curva de carga total (somatório de todas as energias). A solução usada num edifício influencia a curva de carga do combustível e da electricidade. O dimensionamento do(s) sistema(s) instalado(s) e a existência ou não de acumulação (de frio ou de calor) influenciam as curvas de carga. A curva de carga (diagrama de carga horário) é função das necessidades energéticas Num sistema de cogeração, a razão electricidade / calor é fixa Não existe correspondência entre: quantidades de electricidade e calor produzidas e respectivas necessidades
Curvas de carga horária Valores horários (idêntico dia util) Valores médios horários (mensais) Curvas de carga médias não permitem determinar a razão electricidade / calor
Calor e electricidade Curvas de carga horária, usando valores diários ou valores médios mensais são distintas. A curva de carga varia com a estação do ano. Nos diferentes meses duma estação, a curva de carga mensal apresenta um andamento semelhante. Na maioria dos edifícios, as curvas de carga dos dias úteis, sábados e domingos são distintas. As curvas de carga variam consoante o funcionamento do edifício As razões electricidade / calor, produzida e necessária, não são idênticas
Propriedade Sistema de cogeração: qual o melhor? Motor a gás Turbina a gás Pilha PAFC Eficiencia eléctrica 34-42 26-32 36-45 Eficiencia a carga parcial + - ++ Arranque - paragem + - +/- Emissões + + ++ Produção de vapor 60-65 70-80 55-60 Produção de água quente Horas entre grande reparações 85-90 80-85 80-85 36000 40000 40000* *máximo valor demonstrado Necessidades de calor a temperatura mais elevada reduzem a eficiência total
Sistema de cogeração: que escolher? Potência mínima a instalar turbina a gás: < 100 kwe motores de combustão: 100 kwe pilhas de combustível: < 10 kwe Tipo de combustível Gás Natural (GN) Ar propanado, biogás Rentabilidade Custos de condução / manutenção Cogeração por turbina a vapor não é aplicável em edifícios Instalações com potência da ordem de MWe não são aplicáveis em edifícios
Não correspondência entre: a instalação produz calor em excesso: produção e uso calor tem que ser dissipado ou introduzido num sistema de acumulação a instalação produz electricidade em excesso: electricidade tem que ser injectada na rede a instalação opera em regime de carga parcial: sistema de cogeração não funciona nas condições óptimas, com variações de carga e redução da eficiência A instalação não produz calor suficiente: tem que ser usado calor produzido por sistema de apoio (caldeira) ou existente num sistema de acumulação A instalação não produz electricidade suficiente: necessário consumir electricidade da rede
Equipamento adicional excesso de produção de calor: introdução de torre de arrefecimento insuficiência de calor produzido: introdução duma caldeira de apoio uso de colectores solares com acumulação, se a temperatura necessária para a fonte de calor for reduzida excesso de produção de electricidade introdução do sistema de interface para garantir a injecção de electricidade na rede de acordo com a legislação em vigor O acréscimo de equipamento necessário traduz-se por: acréscimo do investimento inicial acréscimo do custo associado à condução dos equipamentos (combustível - caldeira, electricidade bombagem)
A cogeração é: Eficiente: possui eficiências nominais entre 55% e 90%, dependendo da aplicação e do sistema (se o calor for efectivamente aproveitado). Ambientalmente correcta: as emissões são muito reduzidas em motores e turbinas a GN e quase nulas nas pilhas de combustível (motor a diesel não é utilizado em edifícios). Reduz substancialmente o consumo de energia primária e a poluição associada, se comparada com produção separada de electricidade e de calor (centrais clássicas + caldeiras). E em que condições é a cogeração aplicável em edifícios? Necessário considerar a trigeração (uso de chillers de absorção)
Aplicabilidade da cogeração Directiva 2002/91/CE de 16 de Dezembro de 2002 relativa ao desempenho energético dos edifícios impõe: Nos edifícios novos com uma área útil total superior a 10000 m2 deve ser estudada a viabilidade técnica, ambiental e económica da cogeração, É necessário analizar: o tipo de utilização do edifício existência ou não de aquecimento ambiente e águas quentes sanitárias existência ou não de arrefecimento ambiente as fontes energéticas utilizadas só electricidade ou electricidade + combustíveis abastecimento de electricidade em baixa ou média tensão curvas de carga (horárias) de electricidade Rendimento Eléctrico Equivalente >0,55 Atenção aos valores de venda: BT - Portaria 764/2002 e DL 68/2002 MT Portaria 58/2002 e DL 538/1999
Decidir do interesse do sistema Custo do kwh produzido e da rede + potência de base (noite): Qual o número de horas diárias de funcionamento da instalação? Dimensionar de acordo com as necessidades de calor? Ou com as necessidades de electricidade? Qual a potência aconselhável para o sistema de cogeração? Como repartir produção de calor (caldeira, cogerador) e de frio (compressão de vapor, absorção)? Edifícios existentes: Introduzir cogeração ou manter o tipo de equipamentos? É rentável o funcionamento em que periodos do dia? (custo do kwhe produzido vs custo do kwh da rede)
Sistemas de frigoríficos de absorção Calor Electricidade Frio (climatização) Calor (climatização, AQS)
Sistemas de frigoríficos de absorção Característica H2O-NH3 LiBr-H2O LiBr-H2O Efeito Simples Simples Duplo Pot. frigorífica (kw) 20-2500 300-5000 300 5000 EER 0.6-0.7 0.5-0.6 0.9-1.1 Temp. gerador (ºC) 120-132 120-132 150 170 Custo equipam. ( /ton*) 1250-1750 870-920 930-980 * 1 ton ref. ~ 3.5 kw
Regras simples (chiller de absorção) Uma unidade de efeito duplo é aproximadamente 30% mais cara que uma de efeito simples com a mesma potência. Uma unidade utilizando água quente é aproximadamente 25% mais cara que uma utilzando vapor com a mesma potência. A capacidade frigorífica num chiller de compressão de vapor pode ser facilmente ajustada mas num chiller de absorção não pode sofrer grande alteração. O EER dum chiller de absorção é quase constante até ao máximo de 60% da capacidade nominal. Chillers de efeito simples a H2O-NH3 e LiBr-H2O tem um desempenho semelhante. A manutenção curativa é quase impossível em chillers de absorção e em geral o equipamento terá que ser enviado para a fábrica para reparação, enquanto que com chillers de compressão de vapor a maioria das reparações pode ser efectuada no local.
Ter presente (I) Nos edifícios é a trigeração que pode ter interesse (apenas o uso de calor não é suficiente para ser económico introduzir um sistema de cogeração) e a climatização deve cobrir toda ou quase toda a área do edfiício. O correcto dimensionamento dum sistema de trigeração deve ter em atenção a curva de carga eléctrica horária. Considerar valores médios mensais ou anuais, aumenta o erro da análise e conduz a uma solução com período de amortização inferior ao real. Deve ser efectuado um estudo de sensibilidade ao custo do combustível e da electricidade. Regulamentação nacional (DL 79/2006), em cumprimento de Directiva Comunitária, impõe estudo de viabilidade da cogeração nos muito grandes edifícios de serviços.
Exemplos: edifícios de serviços Pais Edificio Consumo actual (kwh/ano) Sistema Invest. (Euro) Poupança en. primaria (MWh/a) Retorno (anos) Hotel Elect: 1,593,000 GN: 881,000 1 motor a GN, 1 UPAR a LiBr 792000 1039 27.8 Espanha Hospital Elect: 14,640,000 GN: 6,586,000 1 motor a GN, 1 UPAR a LiBr 2083000 8709 5.2 Aeroporto Elect: 29,398,000 GN: 25,875,000 2 motores a GN, 1 UPAR a LiBr 3958000 14,344 4.9 Portugal Hotel Hospital Elect: 4,220,000 GLP: 4,100,000 Elect: 10,070,000 GN: 13,240,000 1 turbina a GN, 1 UPAR a LiBr 3 motores a GN, 1 UPAR a LiBr 233000 1459800 6179 5984 17.7 (8.3) 4.4 Italia Comercial Hospital Elect: 3,316,230 GN: 526,000 Electricity: 860,160 Fuel oil: 3,429,000 1 motor a GN, 1 UPAR a LiBr 1 motor a GN, 1 UPAR a LiBr 640700 524000 1668 3313 4.0 4.9 Comercial Electricity: 7,656,400 1 motor a GN, 2 UPARs a LiBr 1209600 8100 7.9 Grécia Hotel Electricity: 7,902,900 Diesel: 6,782,000 1 motor a GN, 2 UPARs a LiBr 1795400 8300 6.9 Fonte: Trigemed
Caso estudo: hotel de 5 estrelas A razão média entre os consumos diários de electricidade e total de energia é aproximadamente 0,45
Caso estudo: hotel de 5 estrelas Considera-se que devem ser substituídos: um dos chillers uma das caldeiras
Caso estudo: hotel de 5 estrelas A trigeneração é implementada mantendo em funcionamento 1 dos 2 chillers e 1 das 2 caldeiras existentes (solução convencional 1/2). As variações horárias das necessidades de calor para o sistema de absorção tornam o uso da turbina a gás como a escolha acertada. Considerou-se uma eficiência da turbina a gás de 29%, a eficiência para alta temperatura (água quente) de 26% e para baixa temperatura (água refrigerada) de 32%, o que corresponde a uma eficiência global de 87%. Chiller: sistema LiBr-H2O de efeito simples.
Resultados (estimativa) Como não existe a utilização da trigeração durante o inverno (não existe necessidade de arrefecimento ambiente), a turbina a gás não está a trabalhar durante este período, pelo que não há produção de electricidade no inverno. Esta concepção para a operação do sistema resulta num uso reduzido do sistema de trigeneração (3055 horas/ano). A eficiência anual do sistema de trigeneração é de 47%. Tempo de retorno: 8,3 anos considerando apenas as despesas de manutenção (1). As poupanças anuais de SO2, NOx, CO2 e partículas são 18894, 6383, 2431281 and 1021 kg, respectivamente. (1) Situação concordando com o método de cálculo do tempo de retorno do RSECE Não aplicando este princípio o tempo de retorno é de 17,7 anos
Potencial de implementação O tempo de retorno não obriga à realização duma reabilitação energética ao abrigo da nova regulamentação (RSECE): Artº 32º: São de implementação obrigatória todas as medidas de eficiência energética que tenham um período de retorno simples < 8 anos, incluindo como custos elegíveis os correspondentes a um eventual financiamento bancário da execução das medidas. Período de retorno = C / P C - custo adicional do investimento: diferença entre o custo inicial da solução base e o da solução mais eficiente. P - poupança anual resultante da aplicação da alternativa mais eficiente com base em simulações anuais.
Ter presente (II) A instalação dum sistema de cogeração em edifícios com consumo anual semelhante pode apresentar tempos de retorno muito distintos. Num elevado número de edifícios a introdução dum sistema de trigeração em substituição do sistema existente pode não ser rentável. Dos diferentes tipos de edifícios, os que apresentam à partida um potencial para a introdução de sistema de trigeração são os hoteis, hospitais e alguns edifícios especiais (aeroportos, centros comerciais, p.e.). A actual relação entre o custo do GN e da electricidade, o uso de chillers de compressão de vapor com condensador arrefecido a água de elevada eficiência, o recurso a chillers de recuperação total ou parcial, a reduzida necessidade de calor são penalizantes para a introdução de sistemas de trigeração.