Introdução. Electricidad Térmica. e η =40% η =38% 40u. Cogeração Diesel. 100u

Introdução

Entende-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.

Existem 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. Existe 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.

No seguinte esquema apenas (a ser considerado como simplificação) pode-se observar facilmente a diferença e a vantagem principal de um sistema de cogeração face aos sistemas convencionais. 105,3u Trabalho η =40% 100u 49u fs recuperador de calor ε =67%

Sistema convencional tem um factor de utilização de energia de 52% enquanto que a cogeração tem um FUE de 80,2%. Deste modo é fácil observar o melhor aproveitamento energético da cogeração vs. os métodos comuns.

Electricidad e 40u Calor 40,2u Cogeração Diesel Caldeira η =82% Central Térmica η =38%

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 (PCI). (Para centrais de produção de energia o rendimento é expresso em termos de PCS de acordo com normas DIN ou ASME). Em toda a literatura referente a cogeração e na legislação os rendimentos referem-se ao PCI, sendo esta a regra adoptada aqui. Rendimento eléctrico

C

E

E

=

η

Rendimento térmico

C

Q

C

=

η

Como 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:

C

Q

E

G

+

=

η

A este factor dá-se normalmente a designação de factor de utilização de energia FUE.

Como 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:

C

P

Q

P

E

P

FUE

C Q E PP

+

=

onde PE, PQ e PC são preços por unidade de energia (e.g. kWh) de electricidade, calor e combustível

Um outro parâmetro utilizado na caracterização das instalações de cogeração é a razão Calor Trabalho produzido sendo dado por:

E

Q

CG

=

γ

Esta 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. A produção de vapor é efectuada a partir de uma caldeira de recuperação que utiliza os gases à saida da turbina de gás, podendo esse vapor ser fornecido a um circuito de aquecimento fornecendo o calor à co-geração ou pode ser misturado com os produtos de combustão, permitindo assim aumentar a potência na turbina a gás.

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 FESR (Fuel Energy Saving Ratio):

E C E C

E

Q

C

E

Q

FESR

η

+

η

−

η

+

η

=

Esta 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. Este parâmetro dá-nos uma ideia da poupança de combustível que pode ser realizada por um sistema de cogeração.

Para cada tipo de instalação de cogeração a razão calor/trabalho permite obter valores variáveis de factor de utilização de energia e do factor de economia de combustível (FESR). Na figura seguinte (Pita, 1995) apresenta-se a variação destes parâmetros para três situações típicas.

Para comparar os sistemas de cogeração com a produção separada de electricidade e calor utiliza-se também o rendimento eléctrico equivalente.

C E S

_E

_Q

Q

E

η

+

η

+

=

η

representa a produção separada e em cogeração

C

Q

E

G

+

=

η

Para que ηG> ηS deve então verificar-se:

C E

Q

E

C

η

+

η

<

ou ainda _E C

/

Q

C

E

REE

>

η

η

−

=

O Rendimento Eléctrico Equivalente (REE) deve assim ser superior a um valor de referência do rendimento de produção de electricidade ηE. Este valor em Portugal foifixado em 1999 com o valor de 55% PCI com base no ciclo combinado da Tapada do Outeiro. Em França devido à elevada penetração de centrais nucleares o valor é de 65%. Em Espanha os valores do REE são definidos em função do combustível e tecnologia utilizado na cogeração, oscilando os valores entre 49 e 59%. O rendimento da caldeira é considerado com o valor de 90% podendo ser reduzido até 70% no caso de se considerar que o calor é proveniente de energias renováveis.

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. Ciclos superiores ou de cabeça (Topping Cycles). 2. Ciclos inferiores ou de cauda (Bottoming Cycles). 3. Ciclos 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.

Em alternativa à classificação referida, podem-se classificar os ciclos de cogeração em: Ciclos simples – Com 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).

Ciclo 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. Em geral a gás. Ciclo a vapor – Em 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, usam-se combustíveis de menor qualidade que são consumidos na própria refinaria.

Ciclo 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. Como 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 ηQ=0.9 e ηE=0.4)

C E Q FUE FESR

CG

γ

Ciclo Extracção/Condensação 1 0.38 0.1 0.48 0.057 0.26

Ciclo Contra-pressão 1 0.25 0.6 0.85 0.235 2.4

Ciclo Turbina a gás com caldeira de

recuperação 1 0.3 0.55 0.85 0.265 1.83

Ciclo combinado contrapressão 1 0.4 0.42 0.82 0.318 1.05

Tabela – Elementos 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 E.Clark, Ann. Rev. Energy, 1986. A última linha e os valores entre parentesis foram adicionados com base em instalações demonstradas.

Tabela – Eficiência (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

Figuras de Horlock J.H. – Cogeneration: Combined Heat and Power, Pergamon Press, 1987. Comparação de sistemas de produção separada e em cogeração