Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
4º Ano, 2º Semestre
Gestão de Energia – 2002/2003
Cogeração
Motores a Gás e Diesel
Afonso Oliveira, Daniel Paulos, Nuno Reis
Índice
Introdução ---3
Motor Alternativo de ciclo OTTO ou Diesel ---4
Vantagens---5
Desvantagens:---5
Exemplo de um motor a Diesel ---6
Motor a Gás ---7
Vantagens:---8
Exemplo de um motor a Gás ---9
Trigeração/Poli geração:---9
Impacto Ambiental ---9
Vantagens do Motor a Gás em relação à Turbina--- 10
Legislação--- 10
Bibliografia--- 12
Introdução
A cogeração não é mais que uma produção combinada de energia eléctrica e térmica. Através disto conseguimos evitar o uso de outros equipamentos.
Num sistema de cogeração podemos atingir rendimentos globais entre 70 a 90%. Uma das vantagens desta produção, são os benefícios em custo para o proprietário e para o país. Estes aproveitamentos destinam-se a fornecer energia eléctrica a edifícios e produção de calor ou frio.
A rede OPET integra 43 entidades dos Estado membros da U.E, estes têm como domínio as energias renováveis. De maneira a que se possa desenvolver e melhorar a utilização racional de energia e combustíveis fosseis. Um sistema de cogeração tem a capacidade de conseguir extrair mais energia útil do combustível, isto faz com que assegure o dobro do aproveitamento da energia primária. Um sistema destes tem a capacidade de funcionamento e ilha, se houver falhas por parte da rede tem capacidade para se auto alimentar. O uso de uma energia primária limpa é importante, o gás natural é um exemplo de isso mesmo.
Resume-se então que a cogeração consegue uma economia nos gastos da energia primária, uma maior diversificação energética e com o uso de uma energia primária limpa um diminuição da contaminação ambiental. Isto tudo traduz-se numa garantia de fornecimento e redução de custos. Através da figura em baixo conseguimos percepcionar o funcionamento de um sistema convencional e um sistema de cogeração bem como as suas diferenças.
Motor Alternativo de ciclo OTTO ou Diesel
Este tipo de sistema utilizado em cogeração, produz uma quantidade de energia térmica considerável, sob a forma de gases de escape, água de arrefecimento do motor, óleo de lubrificação do motor e do sistema de sobrealimentação deste.
Tipo de combustível usado: - Fuelóleo; - Gasóleo; - Dual Fuel; Ciclo mecânico: - Motor de 2 tempos; - Motor de 4 tempos;
Na figura em baixo representada é explicado o funcionamento de um motor a dois tempos bem com a quatro tempos.
1º Tempo: Admissão (1-2)
Entrada para o cilindro de uma mistura ar/combustível através do movimento descendente do pistão.
2º Tempo: Compressão (2-3)
As válvulas são fechadas e a mistura combustível/ar é comprimida adiabaticamente, através do movimento ascendente do pistão.
3º Tempo: Expansão (4-5)
Os produtos de combustão a alta pressão e temperatura expandem-se adiabaticamente forçando a descida do pistão.
Vantagens:
- Muito baixa relação calor/ electricidade; - Alto rendimento;
- Vasta gama de aplicações; - Boa fiabilidade da instalação; - Arranque rápido;
- Grande eficiência em energia mecânica (e consequentemente em energia eléctrica); - Não necessita de vigilância constante;
- Baixo custo de investimento;
- Fácil adaptação a variações nas necessidades eléctricas;
Desvantagens:
- Tempo de vida útil relativamente curto; - Custos de manutenção elevados; - Energia Térmica dispersa;
- Energia Térmica de baixa temperatura; - Baixo rendimento em energia térmica; - Dependência directa dos preços do petróleo; - Emissão de elevado ruído de baixa frequência;
Devido aos gases de escape terem uma temperatura que pode atingir os 500ºC o seu uso não é vasto sendo a sua aplicação a maior parte das vezes para fins sanitários.
Uma produção combinada permite produzir energia eléctrica e energia térmica, esta sob a forma de vapor de água quente que vêm dos gases de escape e da água de refrigeração do motor. Para um investimento deste tipo temos de incluir o transporte, montagem, arranque e a construção civil da instalação. Numa central destas e necessário o controlo completo dos aparelhos, para isso recorre-se:
- Contadores electrónicos de energia eléctrica, de tripla tarifem e ciclo semanal, de compra e venda à rede bem como o consumo da central e produção do grupo;
- Contador electrónico de alta precisão, com correcção de pressão para o vapor de agua por exemplo;
- Aparelho de medida para a energia térmica;
Este tipo de motor tem necessidades térmicas pouco significativas e grandes necessidades eléctricas. Os seus rendimentos andam na casa:
- Eléctrico: 35 a 45%; - Térmico: 40 a 50%; - Total: 75 a 80%;
Outro problema que este tipo de motor apresenta e o ruído, não existe ainda legislação específica para cogeração ao abrigo das leis vigentes para ruído. Um das formas de reduzir é utilizando almofadas de maneira a insonorizar o local ou através de paredes grossas. A utilização deste tipo de energia primária faz com que seja extremamente poluente (CO2,SO2,NOx) devido à sua percentagem de Enxofre, principalmente o fuelóleo. Outra comparação e que é menos poluente quando usado em cogeração comparando com a produção convencional eléctrica. O consumo médio anual de fuelóleo anda pelos 540000 litros consoante o tipo de motor.
Motor a Gás
Com a extensão do gasoduto proveniente da Argélia, pôde dar-se o desenvolvimento dos sistemas a gás natural. Esta é uma energia consumida directamente pelo utilizador sem necessidade de nenhum processo de conversão, reduz-se assim a parte ambiental. O calor que é produzido pode reduz-ser utilizado para o aquecimento de água ou espaços; e através de chillers de absorção para a produção de frio. Fornece-nos uma alta eficiência eléctrica e térmica, na utilização de sistemas que utilizam motores alternativos de combustão interna, de ciclo de OTTO. São motores muito competitivos a nível económico, tecnológico e ambiental.
Na figura seguinte temos a representação de um ciclo de funcionamento do motor a gás bem como os seus constituintes.
Através desta figura explicamos o ciclo de OTTO de um motor a gás bem como todo o seu funcionamento principal. Os motores em causa, de combustão interna são de ciclo de OTTO. O gás misturado com o ar em proporções adequadas a uma pressão e temperaturas estabelecidas, provocam mediante um foco de ignição uma forte reacção exotérmica, cuja energia libertada gera uma força motriz que faz accionar o gerador eléctrico.
1º Tempo: Admissão (A-B)
Entrada para o cilindro de uma mistura ar/combustível através do movimento descendente do pistão.
2º Tempo: Compressão (B-D)
As válvulas são fechadas e a mistura combustível/ar é comprimida adiabaticamente, através do movimento ascendente do pistão.
3º Tempo: Expansão (D-E)
Os produtos de combustão a alta pressão e temperatura expandem-se adiabaticamente forçando a descida do pistão.
4º Tempo: Escape (B-A)
O pistão move-se no sentido ascendente, purgando o que resta dos gases de escape.
Vantagens:
- Redução da factura energética;
- Não existe necessidade do tratamento dos gases de escape;
- Maior autonomia do utilizador no fornecimento de energia eléctrica; - Redução das emissões poluentes;
- Racionalização da rede eléctrica reduzindo os custos de transporte e as perdas nas linhas;
- Redução do consumo global de combustível;
O rendimento num sistema global de um sistema destes ronda os 90%.
As aplicações da energia térmica provêm dos gases de escape a uma temperatura de 85-90ºC, do sistema de refrigeração de motor num ciclo fechado e um recuperação directa dos gases. Com este tipo de recuperação conseguimos gerar ar quente.
Exemplo de um motor a Gás:
Trigeração/Poli geração:
A trigeração não e mais que uma produção combinada de energia eléctrica, calor e frio.
Este tipo de sistemas permitem utilizar a energia térmica para a produção de frio com recurso a sistemas de absorção (Chiller), climatização. Assim conseguimos aproveitar a maior parte dos excedentes térmicos. Com o uso de chillers conseguimos aumentar a eficiência da instalação e aumentar o seu rendimento, sem que isto implique um consumo adicional de combustível.
Impacto Ambiental:
Tal como nos motores a diesel os motores a gás tem que obedecer à regulamentação imposta para compatibilizar o meio ambiente e o equipamento de combustão. Existem actualmente três sistemas de controlo de emissões gasosas emitidas pelos motores a gás:
- Controlo com um conversor catalítico de três vias; - Tecnologia “Lean-burn”;
- Redução catalítica selectiva com injecção de amoníaco e com um conversor catalítico, isto em conjunto com um conversor catalítico de oxidação.
• NOx <500 mg/Nm3; • CO <650 mg/Nm3; • NMHC <150 mg/Nm3; Em Portugal (Portaria 286/93 e 1058/94) • CO <1000 mg/Nm3; • NOx;
Vantagens do Motor a Gás em relação à Turbina:
- Maior flexibilidade, isto é, permite reagir melhor ás flutuações de carga; - Ocupa um espaço próximo à turbina;
- Cobrem potências entre os 2 e 20 MW; - Maior produção de Energia Eléctrica;
A relação entre a produção de energia térmica e eléctrica varia 1,2 e 1,7.
Tem-se denotado um maior desenvolvimento nos motores a gás em relação ao diesel devido a factores denotados anteriormente, ambiental, rendimento etc.
Legislação
• Condições Necessárias
• E – Energia Eléctrica Produzida anualmente pelo cooperador;
• T – Energia Térmica consumida anualmente, a partir da energia térmica produzida;
• C – Energia Primária consumida na instalação de cogeração;
• CR – O equivalente energético dos recursos renováveis ou resíduos industriais, urbanos ou agrícolas, consumidos anualmente na instalação de cogeração; • REE 0.55 – instalações que utilizem gás natural, gases de petróleo liquefeito,
ou combustíveis líquidos com excepção do fuelóleo;
• REE 0.50 – Instalações que utilizem fuelóleo isoladamente ou em conjunto com combustíveis residuais;
• REE 0.45 – Instalações que utilizem bio massa ou combustíveis residuais ou em conjunto com um combustível de apoio;
Bibliografia
[1] Revista Cogeração gera Controvérsia, Climatização.[2] Centro para a conservação de energia, Cogeração Industrial com Motores a Gás. [3] Instituto de tecnologias energéticas (INETI), Tecnologias de Combustão Cogeração. [4] A Cogeração e o Sistema de Financiamento por Terceiros no Sector de Serviços. http://www.cogenportugal.com http://www.guascor.com http://sites.uol.com.br/technoelearning/Eletrica/Termeletricas/Cogeracao/cogeracao.htm http://www.ccbs.ind.br/cogeracao.htm http://www.acmarine.hpg.ig.com.br/indexport.html http://www.ceeeta.pt http://sunshadow.no.sapo.pt/port/shibri.pdf http://www.rawbw.com/~xmwang/javappl/ottoCyc.html http://www.gasenergia.com.br/portal/port/trabalhando/download/realmahle.pdf
Anexo
O gás natural é proveniente de depósitos subterrâneos, onde se encontra junto de arenitos e é extraído por perfuração. A composição do gás natural varia de um deposito para outro. Os que se distribuem são depurados e tratados, são formados por cerca de 90% de metano acompanhando por pequenas quantidades de etano, azoto e anidrido carbónico.
Uma vez tratado o gás natural é transportado em gasodutos, sobre pressão. Indica-se a seguir a composição do gás natural de referência:
Poder calorífico superior (PCS) 10.032 Kcal/Nm3; Poder calorífico inferior (PCI) 9054 Kcal/Nm3; Densidade relativa 0.65;
Peso especifico 0.8404 Kg/Nm3;
Índice de Wobbe (PCS) 52.09 MJ/Nm3. O gás natural não tem cheiro.
