Os chamados sistemas Combinados de Refrigeração, Calor e Potência, ou, do inglês, Combined Cooling, Heat and Power (CCHP), são os exemplos mais comuns de plantas de poligeração. Eles são derivados dos sistemas Combinados de Calor e Potência, ou, Combined Heat and Power (CHP). As primeiras aplicações deste último datam do final do século 19, quando foram empregados em grandes plantas industriais. Um sistema CCHP é simplesmente um sistema CHP conectado a um equipamento, termicamente alimentado, para produção do efeito frigorífico (WU; WANG, 2006). A capacidade desses tipos de equipamentos depende da sua aplicação final, mas, segundo COGEN EUROPE (2001), a potência entregue pode variar desde 1 kWe até 500 MWe e pode ser classificada conforme a Tabela 1-1.
Tabela 1-1 Classificação dos sistemas CCHP, baseada em suas capacidades.
Capacidade Classificação
Menor que 20 kWe Micro
Entre 20 kWe e 500 kWe Mini Entre 500 kWe e 1 MWe Pequeno Entre 1 MWe e 10 MWe Médio
Maior que 10 MWe Grande
Fonte: (COGEN EUROPE, 2001)
Em 1997, um importante tratado entre diversas nações foi assinado na cidade de Kyoto, no Japão. O Protocolo de Kyoto, como é conhecido, teve como principal objetivo o estabelecimento de metas para a redução das emissões de gases poluentes, por parte dos países integrantes (NAÇÕES UNIDAS, 1998). Como consequência desse tratado, a busca pelo aumento da eficiência de sistemas já existentes e de sistemas em fase de projeto foi intensificada no início da década de 2000. Dentre os sistemas disponíveis que permitiriam
esse aumento de eficiência, já havia os consolidados sistemas CHP ou CCHP. A aplicação de tais sistemas passou a ser um elemento chave da estratégia de países, como a Inglaterra, para a redução dos poluentes que contribuem para o aumento do efeito estufa, como relatou o estudo feito por (MAIDMENT et. al. 2001).
O próprio trabalho realizado por MAIDMENT et. el. (2001), através de modelamento matemático, analisou típicos equipamentos CHP, que eram instalados em supermercados, e perceberam que esses equipamentos estavam sendo subutilizados, devido à demanda sazonal de calor. Para aumentar a eficiência do sistema, eles propuseram que um sistema de refrigeração por absorção (alimentado termicamente) fosse integrado ao sistema CHP, para a obtenção do efeito frigorífico durante o verão, época na qual o calor gerado não seria necessário. LI; WU, (2009) desenvolveram um sistema CCHP baseado em um sistema de refrigeração por adsorção utilizando o par químico sílica gel/água. O trabalho teve como principais objetivos, a análise de desempenho do sistema de adsorção integrado ao CCHP e o desenvolvimento de estratégias teóricas de controle do sistema.
Figura 1-4 Diagrama esquemático de um sistema CCHP integrado com turbina eólica.
Fonte: (MOHAMMADI et al., 2017)
MOHAMMADI et al. (2017) analisaram um caso de poligeração que combinou um sistema CCHP com energia renovável, neste caso a eólica (Figura 1-4). O sistema CCHP era composto por uma turbina a gás, um ciclo Rankine orgânico e um sistema de refrigeração
por absorção. A parte do sistema, responsável pelo aproveitamento da energia eólica, era composta por uma turbina eólica que alimentava eletricamente um compressor de ar. O principal objetivo do trabalho foi avaliar o desempenho do sistema global fornecendo como produtos: refrigeração, calor e potência. Segundo os autores, a junção de turbinas eólicas ao sistema faz com que seja fornecida a potência elétrica necessária para o compressor de ar e, por esta razão, a potência líquida entregue pelo sistema é aumentada. Com os resultados ficou constatado que o sistema é capaz de fornecer 2,56 kW de refrigeração, 1,82 toneladas de água quente por dia, 33,67 kW de eletricidade e eficiência de 53,94%.
Atualmente, os sistemas CCHP, classificados como “micro”, têm recebido grande atenção da comunidade científica, devido ao seu grande potencial para integração com fontes de energia renováveis. De acordo com GU et al. (2014), as classificações dos sistemas CCHP, mostradas na tabela 1-1, podem ser simplificadas em duas principais. A primeira delas são os habituais sistemas CCHP de grandes capacidades e a segunda diz respeito aos sistemas micro CCHP distribuídos, que contam com menores capacidades e com tecnologias mais avançadas. Estudos como WU, Q.; REN (2017), WANG et al. (2017) e ZHANG et al. (2017) têm avaliado características de projeto e a viabilidade da implantação de micro CCHP em aplicações residenciais e comerciais.
No estudo desenvolvido por WANG et al. (2015), foi avaliado um método de otimização de um sistema CCHP, que era composto basicamente por um ciclo Rankine orgânico e um ciclo de refrigeração por ejeção e eram alimentados por energia solar (Figura 1-5). Tal sistema, que também era provido de um aquecedor, possuía três válvulas de regulação: uma antes do referido aquecedor, outra antes do ejetor e uma terceira antes da turbina. O gerenciamento dessas válvulas permitia a configuração do sistema para funcionar no modo apenas de Potência, durante a primavera ou outono, no modo CHP, durante o inverno, ou no modo CCP (Combined Cooling and Power), durante o verão. Os resultados mostraram que as potências úteis alcançadas para cada um desses modos foram, respectivamente, 6,40 kW, 5,84 kW e 8,89 kW.
Figura 1-5 Diagrama esquemático do sistema CCHP alimentado por energia solar.
Fonte: (WANG et al. 2015)
CHAIYAT e KIATSIRIROAT (2015) estudaram um típico caso sistemas CCHP. Eles analisaram os aspectos energéticos, econômicos e ambientais da integração de um ciclo Rankine orgânico (ORC) com um sistema de refrigeração por absorção (SRA) (Figura 1-6). O sistema ORC operava com R245fa, como fluido de trabalho, e era integrado a um sistema de absorção de 20 kW, operando com água/brometo de lítio. Os dois sistemas eram alimentados pela mesma fonte térmica que fornecia água quente entre temperaturas de 90 e 105 ºC. Um dos principais objetivos da junção dos dois sistemas foi a possibilidade da redução da temperatura de condensação do sistema ORC, fato que contribuiu para o aumento da potência entregue pelo sistema e, consequentemente, para o aumento da eficiência global do sistema. Dentre os principais resultados foi observado que a eficiência do sistema ORC aumentou em 7%, com o SRA fornecendo água resfriada a 15ºC.
Figura 1-6 Diagrama esquemático do sistema ORC integrado com um sistema de absorção.
No estudo conduzido por ANVARI et. al. (2017), foi analisado um sistema CCHP composto, basicamente, por uma turbina a gás, um ciclo Rankine orgânico regenerativo e um chiller de absorção (Figura 1-7). O principal alvo do estudo foi avaliar a viabilidade da integração do ORC regenerativo (operando com R123) e do chiller de absorção (operando com água/brometo de lítio) a uma turbina a gás, do ponto de vista técnico e econômico. O princípio de funcionamento do sistema consistiu no aproveitamento da energia disponível nos gases de escape da turbina a gás. Esses gases passavam primeiramente através do pré- aquecedor de ar, da própria turbina, em seguida por um trocador de calor (para fornecimento de água quente), depois pelo evaporador do sistema ORC e, finalmente, pelo gerador de vapor do chiller de absorção. O estudo demonstrou que a integração dos referidos ciclos possibilitou um importante aumento da eficiência exergética, apesar do aumento nos custos do sistema global. Eles também concluíram que esse aumento nos custos é aceitável, frente ao considerável aumento obtido na eficiência exergética. O sistema ORC regenerativo contribuiu, respectivamente, com 2,3% e 5,5% na destruição de exergia e no custo total de capital, enquanto o chiller de absorção contribuiu, respectivamente, com 0,25% e 0,45%. Resultados semelhantes foram encontrados por AHMADI et. al. (2012). Eles também analisaram um sistema CCHP composto por uma turbina a gás, um sistema ORC (operando com n-octano), um chiller de absorção (operando com água/brometo de lítio) e um aquecedor de água doméstico. Eles chegaram à conclusão de que a eficiência exergética do sistema integrado é maior que no modo CHP ou na turbina a gás sozinha. Seguindo a mesma linha de raciocínio, também foi constatado que a emissão de CO2 é menor para o sistema em modo CCHP.
BELLOS e TZIVANIDIS (2017) investigaram um sistema CCHP (Figura 1-8) do ponto de vista energético e exergético. A demanda energética do sistema era assistida por coletores solar parabólicos, conectados a um tanque de estocagem térmica. Além disso, o sistema era composto por um ciclo Rankine orgânico (o qual foi estudado operando com oito diferentes fluidos orgânicos) e uma bomba de calor por absorção (operando com água/brometo de lítio). O funcionamento do sistema consistia, essencialmente, na alimentação do ORC, pelo tanque de estocagem térmica, sendo que o calor rejeitado pelo ORC alimentava o gerador de vapor da bomba de calor (sendo este último o responsável pela produção simultânea de aquecimento e refrigeração). Este trabalho, que teve como principal objetivo a otimização da eficiência global do sistema, concluiu que os fluidos de
trabalho, para o ORC, que resultaram na maior e menor eficiência exergética foram, respectivamente, o tolueno (29,42%) e o n-pentano (21,92%). Todos os fluidos de trabalho analisados proporcionaram um aumento de, em média, 5% na eficiência exergética, na comparação dos cálculos padrões iniciais com a otimização do sistema. Segundo os autores, esse aumento foi muito importante para tornar o sistema mais sustentável e conclui indicando que, operando com o tolueno, o sistema foi capaz de fornecer 177,6 kW de potência elétrica, 974,2 kW de calor e 398,8 kW de potência de refrigeração.
Figura 1-7 Diagrama esquemático do sistema ORC proposto por ANVARI et. al. (2017).
Uma pesquisa semelhante, realizada por AL-SULAIMAN et. al. (2012), analisou um sistema CCHP, também alimentado por coletores solar parabólicos e/ou tanques de estocagem térmica. O sistema era composto, essencialmente, pelo sistema de energia solar, por um sistema ORC operando com n-octano e por um chiller de absorção operando com o par químico água/brometo de lítio (Figura 1-9). Dentre as principais diferenças entre este e o trabalho de BELLOS e TZIVANIDIS (2017) era que este funcionava sob três modos de operação distintos. O primeiro era o “modo solar e estocagem” (das 8 horas da manhã às 4 horas da tarde), que era acionado quando a intensidade da radiação solar era suficiente para acionar o sistema e para armazenar energia simultaneamente. O segundo era o “modo solar” (das 6 às 8 horas da manhã e das 4 às 6 horas da tarde), acionado quando havia baixa intensidade de luz solar (suficiente apenas para acionar o sistema). Por último, o “modo estocagem” (das 6 horas da tarde às 6 horas da manhã), acionava o sistema apenas com a energia térmica estocada. Os três modos de operação do sistema CCHP proporcionaram, respectivamente, eficiências de 47%, 94% e 42%, frente a 7%, 15% e 6,5% quando apenas a produção de eletricidade foi considerada. Além disso, a energia rejeitada pelo sistema ORC, que foi projetado para fornecer 500 kW de potência elétrica, alimentava um processo de aquecimento e o chiller de absorção.
Um sistema mais simples, proposto por GROSU et al. (2016), também era composto por coletores solar, um sistema ORC (utilizando R245fa) e um chiller de absorção (utilizando água/brometo de lítio), mas não possuía os tanques de estocagem térmica. Além disso, o sistema ORC e o chiller de absorção eram conectados aos coletores solar de forma paralela, ou seja, diferentemente dos ciclos propostos por BELLOS e TZIVANIDIS (2017) e AL-SULAIMAN et. al. (2012), a alimentação dos dois sistemas era feita de forma independente. O principal objetivo do trabalho foi projetar o sistema de tal forma que fosse capaz de fornecer energia elétrica e refrigeração, para um prédio específico da universidade da qual a maioria dos autores são filiados, e encontrar os parâmetros otimizados do desempenho do sistema. Com uma temperatura de alimentação de aproximadamente 140 ºC e uma área de coletores solar de 300 m², o sistema foi capaz de fornecer 5,24 kW de potência mecânica, 45,6 kW de potência de refrigeração, 38% de eficiência energética e 26% de eficiência exergética.
Figura 1-9 Diagrama esquemático do sistema CCHP estudado por AL-SULAIMAN et al. (2012).
Em todos os sistemas de poligeração apresentados anteriormente pode-se inferir que, no mínimo, três características se destacam como sendo mais importantes: o fluido de trabalho utilizado em qualquer dos subsistemas componentes, a configuração desses subsistemas e a fonte da energia térmica. Vários trabalhos comprovam que um mesmo sistema ORC apresentará desempenhos distintos dependendo do fluido orgânico utilizado. O chiller de absorção também fornece diferentes performances à medida que o par químico é variado. No que concerne à configuração, diferentes estudos avaliaram o sistema ORC e o chiller de absorção sendo alimentados de forma paralela ou em série e as fontes térmicas mais comumente encontradas foram: solar, calor residual de turbina a gás ou motor diesel e geotérmica.