3.1 Análise Termodinâmica
3.1.1 Processo de Cálculo Segundo a Diretiva 2004/8/CE e Decisão da
Nesta secção o que se pretende é explicar o procedimento de cálculo utilizado, exposto em parte no Anexo II e no Anexo III da Diretiva 2004/8/CE. A Decisão da Comissão de 19 de Novembro de 2008 veio dar orientações na metodologia harmonizada de cálculo presente no Anexo II e por isso foi também utilizada como fonte no desenvolvimento desta ferramenta.
3.1.1.1 Fluxograma
Rendimento elétrico e térmico de cogeração
Poupança de energia primária (PEP)
Rendimento exergético Dados da instalação
Valores de referência da eficiência da produção separada
Rendimento elétrico, térmico e global Quantidade combustível caldeira auxiliar
Quantidade eletricidade Quantidade calor útil Total energia produzida Total energia consumida Excluir calor e combustível consumido na caldeira auxiliar
Fase experimental ou primeiro ano de operação?
Sim Não
Rendimento global igual ou superior ao limiar mínimo referido
no Anexo II?
Não Sim
Unidade em modo cogeração integral em alguns períodos?
Sim Não
Rácio eletricidade/calor de projeto
Eletricidade cogerada Combustível para eletricidade
cogerada
Rácio eletricidade/calor atual Rácio eletricidade/calor do Anexo II
da Diretiva 2004/8/CE
Análise de Sistemas de Cogeração Capítulo 3
3.1.1.2 Expressões e Definições
a) Rendimento Elétrico, Térmico e Global:
O primeiro passo, após a introdução dos dados da instalação de cogeração, é o cálculo do rendimento global, segundo as definições da Diretiva (ηG,D). Nesta etapa são também
calculados os rendimentos elétrico (ηE,D) e térmico (ηQ,D) da unidade segundo o mesmo
critério. Estes indicadores são dados por,
em que,
No cálculo do rendimento elétrico o coeficiente de perda φ só deverá ser diferente de zero em unidades que utilizem turbinas de condensação com extração de vapor. Nesses casos, ao rendimento elétrico dá-se o nome de Rendimento Elétrico em Modo Condensação. O calor útil de acordo com a Diretiva, QU,D, é o destinado ao aquecimento de processos ou espaços
e/ou utilizado posteriormente para refrigeração, sendo distribuído a redes de climatização urbana. Também se considera calor útil, o calor contido nos gases de exaustão de um processo para aquecimento ou secagem. Por esse motivo é retirado o autoconsumo de calor (QA) à
produção total de calor (Q) pois este, evidentemente, não é considerado útil. Por outro lado, a produção de calor da caldeira auxiliar (QB) e o respetivo combustível consumido (FB) são
também excluídos. Apesar de QB ser utilizado para o mesmo efeito, não é considerado um
produto de cogeração de acordo com os princípios de delimitação do sistema de cogeração presentes na Decisão da Comissão de 19 de Novembro de 2008.
b) Rendimento Global da Instalação versus Rendimento Global Mínimo
O segundo passo consiste em comparar o rendimento global calculado com o rendimento global mínimo definido no Anexo II da Diretiva 2004/8/CE. A eletricidade cogerada, será considerada igual à produção total de eletricidade da unidade medida à saída dos geradores principais se: , = + , . (3.1) , = , (3.2) , = + , (3.3) , = − − (3.4) = − (3.5) = (3.6)
Nas unidades de cogeração com turbina a vapor de contrapressão, turbina de gás com recuperação de calor, motor de combustão interna, microturbina, motor Stirling e célula de combustível, referidas no Anexo I (ver Capítulo 2), com 75% de rendimento global igual ou superior;
Nas unidades de cogeração com turbina de gás em ciclo combinado com recuperação de calor e turbina de condensação com extração de vapor, referidas no Anexo I (ver Capítulo 2), com 80% de rendimento global igual ou superior.
isto é,
e
c) Eletricidade Cogerada
Nos casos em que não se verifica uma das condições anteriormente referidas, pode haver produção de eletricidade não cogerada (WE,NÃO-CHP) e a unidade pode ser dividida em duas
partes virtuais - a parte CHP e a parte não CHP – conforme representado na Figura 3.2.
Desta forma é necessário o cálculo da fração de eletricidade cogerada (WE,CHP) e o cálculo do
respetivo consumo de combustível (FCHP), bem como a fração correspondente à eletricidade
não cogerada (WE,NÃO-CHP) e respetivo combustível (FNÃO-CHP),
, = (3.7)
= (3.8)
, = , . (3.9)
Análise de Sistemas de Cogeração Capítulo 3
d) Rácio Eletricidade/Calor
O processo implica o conhecimento da repartição das formas de energia à saída da unidade, através do rácio eletricidade/calor, REC, para que seja possível encontrar a eletricidade produzida em modo cogeração. Este indicador é muito importante pois condiciona o desempenho de uma cogeração. A Diretiva estabelece três possibilidades para a definição do REC, conforme esquematizado no fluxograma (Figura 3.1):
RECDESIGN caso a instalação se encontre em fase experimental ou no primeiro
ano de operação;
RECATUAL caso a instalação opere em modo cogeração integral num
determinado período. Neste modo de funcionamento é recuperado o máximo de calor tecnicamente possível. É necessário que existam dados de produção desse período. Assim,
RECDEFAULT caso não exista nenhum dos rácios anteriores. Este rácio encontra-
se especificado numa tabela no Anexo II da Diretiva 2004/8/CE para alguns tipos de unidades, , Ã = − , (3.10) Ã = , Ã , (3.11) = − Ã (3.12) = , , (3.13) , = − , − , (3.14)
Tabela 3.1 - Rácio eletricidade/calor implícito de alguns tipos de unidades de cogeração.
e) Rendimento Elétrico e Térmico de Cogeração
Existindo uma fração de eletricidade não cogerada, tanto o rendimento elétrico, como o rendimento térmico da cogeração, serão influenciados e os seus novos valores serão calculados utilizando as seguintes expressões,
f) Poupança de Energia Primária
A poupança de energia primária (PEPCHP) da unidade de cogeração, definida no Anexo III,
é calculada com base na seguinte fórmula:
em que ηQ,REF e ηE,REF são respetivamente os valores de referência da eficiência da produção
separada de calor e de eletricidade. Os valores de referência harmonizados podem ser consultados no guia das linhas orientadoras da Diretiva 2004/8/CE (EC, 2007). O valor de referência para a produção separada de eletricidade, ηE,REF, deve ser corrigido seguindo o
seguinte critério:
Correção temperatura ambiente: baseada na diferença entre a média anual da temperatura no Estado Membro e condições normais ISO (15ºC). A correção será então:
- subtrair 0,1% ao rendimento de referência por cada grau Celsius acima de 15ºC; - somar 0,1% ao rendimento de referência por cada grau Celsius abaixo de 15ºC. Correção de perdas na rede:
, = , (3.15) , = , (3.16) = 1 − 1 , , + , , (3.17)
Tabela 3.2 - Fatores de correção para as perdas de rede evitadas para aplicação nos valores de referência harmonizados para a produção separada de eletricidade.
Análise de Sistemas de Cogeração Capítulo 3
Após a escolha do intervalo de tensão, utilizar a seguinte fórmula:
em que R é a percentagem de eletricidade exportada para a rede e L a percentagem consumida no local. Esta operação deve ser feita após a correção de temperatura ambiente do Estado Membro.
Em termos absolutos o PEP calcula-se da seguinte forma:
g) Rendimento Exergético da Instalação
Finalmente o cálculo do rendimento exergético da instalação (não incluído na Diretiva) dado por,
em que,
e
Os valores de γ são apresentados na tabela seguinte e referem-se exclusivamente a combustíveis secos. Combustível = ( ) Carvão vegetal 1,05 Coque de Carvão 1,09 Turfa 1,16 Briquetes de Turfa 1,16
Madeira / resíduos de madeira 1,23
Gasóleo / Diesel 1,06 Fuelóleo 1,06 GPL 1,06 Gás natural 1,04 Gás de refinaria / hidrogénio 0,985 Gás de Alto forno 0,98
Tabela 3.3 - Valores de γ para alguns combustíveis (Pinho, 2010).
, = , . ( . + . ) (3.18) = 1 − − (3.19) , = , , (3.20) , = + = + , . 1 − (3.21) , = = . (3.22)