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.
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.
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 29 147.6 16 38.4 2 12 Alimentação 9 41.8 5 21.4 1 7.7 Papel 8 48.6 3 14.1 1 50 Madeira 6 21.3 Química 5 18.0 0 0 2 72.2 Vidro 3 10.9 Terciário /(. om.) 3 4.2 6 15.6 1 5 Hospitalar 2 4.1 2 4.1 erâmica 3 14.7 4 7 3 11.3 ouro 2 15.9 mbalagem 1 5.5 Outras 5 14.2 1 1.5 2 4.1 Total 73 336.3 38 107.6 14 166.4
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, 1999. 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) 710.5 11.1 8.33 4.99 Média Alta Tensão (Período seco) 710.5 11.1 8.66 5.87 Baixa Tensão (Utilização média) 470.2 32.47 13.87 9.03 Baixa Tensão (Utilização longa) 1321.5 18.55 10.6 7.04 BTN (<20.7 kva) 202-1772 25.13 10.44 Preços em 2001 (para comparação) 168-6930 17.9 9.98 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
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 0.5 1.5 Motor Diesel 0.2 0.8 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.
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
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).
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 1 0.38 0.1 0.48 0.057 0.26 iclo ontra-pressão 1 0.25 0.6 0.85 0.235 2.4 iclo Turbina a gás com caldeira de 1 0.3 0.55 0.85 0.265 1.83 recuperação iclo combinado contrapressão 1 0.4 0.42 0.82 0.318 1.05 Tabela lementos motores utilizados em co-geração Gama Potência (MW) Rendimento Turbina de vapor extracção-condensação 30-300 0.25-0.30 Turbina de vapor contra-pressão 1-200 0.20-0.25 Turbina de gás (0.15) 1-150 0.18-0.35 Motor de combustão interna 0.05 25 0.35-0.40 Pilha de combustivel 0.005 0.2 (11) 0.37-0.40 Valores retirados de.lark, Ann. Rev. nergy, 1986. 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 34-42 26-32 36-45 ficiencia a carga parcial + - ++ Arranque /paragem + - +/- missões + + ++ Produção de vapor 60-65 70-80 55-60 Produção de água quente 85-90 80-85 80-85 Horas entre grande reparações 36000 40000 40000* *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 5,185 27 8,621 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
Figuras de Horlock J.H. ogeneration: ombined Heat and Power, Pergamon Press, 1987. omparação de sistemas de produção separada e em cogeração squema de cogeração em motor Diesel