UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAMPA CENTRO DE TECNOLOGIA DE ALEGRETE

CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

SISTEMAS HIDRAULICOS E TRMICOS COGERAO DE ENERGIA

Nomes: Maicon Venes Vilson Moura Godoy

Alegrete, 07 de julho de 2009.

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Contedo

1. Introduo: .................................................................................................................................... 3 2. Sistemas de Cogerao ................................................................................................................. 3 3. Componentes de um Sistema de Cogerao: ................................................................................ 4 4. Tipos Maquinas Trmicas empregadas cogerao: ..................................................................... 5

4.1 Motores Alternativos de Combusto Interna......................................................................... 5 4.2 Caldeiras Turbinas .............................................................................................................. 6 4.3 Caractersticas Turbinas a Vapor: ......................................................................................... 6 4.4 Motores a Gs:....................................................................................................................... 6 4.5 Turbina a gs: ........................................................................................................................ 7 4.6 Ciclo Combinado:.................................................................................................................. 7

5. Combustveis: ............................................................................................................................... 8 5.1 Biomassa: .............................................................................................................................. 8 5.2 Bagao da cana-de-acar: .................................................................................................... 9 5.3 Gs Natural: ........................................................................................................................... 9 5.4 Petrleo:................................................................................................................................. 9 5.5 Nuclear: ................................................................................................................................. 9

6. Rendimento ................................................................................................................................... 9 7. Concluso: .................................................................................................................................. 10 8. Bibliografia ................................................................................................................................. 10

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1. Introduo:

O Brasil possui um forte potencial hidroeltrico estimado em 286,8 GW. Em 1998, 185,8 GW estavam sendo utilizados. Atualmente o Brasil vive um perodo de escassez de energia eltrica e uma das alternativas seria aumentar a produo de energia gerada em hidroeltricas. No entanto, os impactos ambientais e sociais devido construo de hidroeltricas so substanciais, alm de ser um empreendimento que requer um alto investimento inicial.

Uma alternativa interessante para o pas a cogerao de energia atravs da queima de biomassa, mais particularmente de resduos e bagao de cana-de-acar. A proposta de cogerao interessante tambm devido fragilidade em que o sistema de transmisso brasileiro se encontra, deixando o usurio isento dos possveis problemas de blackout.

A cogerao consiste no aproveitamento local do calor residual originado nos processos termodinmicos de gerao de energia elctrica, que doutra forma seria desperdiado. O aproveitamento pode dar-se sob a forma de vapor, gua quente e/ou fria (trigereo), para uma aplicao secundria, que pode ou no estar ligada com o processo principal.

Nos processos convencionais de transformao da energia fssil em energia eltrica (centrais termoelctricas), por mais eficiente que seja o processo, a maior parte da energia contida no combustvel, usado na accionamento das turbinas, transformado em calor e perdido para o meio ambiente.

Todo gerador eltrico acionado por algum motor que usa algum combustvel chamado de gerador termeltrico. Por maior que seja a eficincia deste tipo de gerador, a maior parte da energia contida no combustvel transformada em calor e perdida para o meio-ambiente. Trata-se de uma limitao fsica que no pode ser contornada, independente do tipo de combustvel (diesel, gs natural, carvo etc.) ou do tipo de motor (a exploso, turbina a gs ou a vapor).

Como muitas indstrias e prdios comerciais necessitam de calor (vapor ou gua quente), foidesenvolvido a cogerao, um gerador termeltrico em que o calor produzido usado no processo produtivo.A vantagem desta soluo que o consumidor economiza o combustvel que necessitaria para produzir o calor do processo.

Fig1.1 - Balano geral de cogerao

2. Sistemas de Cogerao

Os sistemas de cogerao so aqueles em que se faz simultaneamente e de forma

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seqnciada, a gerao de energia mecnica/eltrica e trmica a partir de um combustvel, tal como os derivados do petrleo, o gs natural, o carvo ou biomassa.

O trabalho mecnico em geral usado para acionar um gerador eltrico, mas poder ter outras finalidades como o acionamento de compressores ou a propulso de navios. O calor quase sempre utilizado para gerao de vapor para processo, ou gua quente para aquecimento. As tecnologias de cogerao so usualmente classificadas em dois grupos, de acordo com a ordem relativa de gerao de potncia e calor, do ponto do fluxo energtico. Tem-se, assim, os ciclos bottoming e os ciclos topping. Os sistemas so basicamente separados em dois grandes grupos, em funo da seqncia de utilizao da energia, podendo ser de "topping cycle" e "bottoming cycle".

Fig. 1.2 Sistema Topping Cycle

Nos sistemas com "bottoming cycle" o energtico produz primeiramente vapor, que utilizado para produo de energia mecnica (e/ou eltrica) em turbinas a vapor, depois repassado ao processo, figura 1.3.

Fig. 1.3 Sistema bottoming cycle

3. Componentes de um Sistema de Cogerao:

A pea mais importante de uma instalao de cogerao o acionador principal, que pode ser uma caldeira/turbina a vapor, motores alternativos ou turbinas a gs. H ainda as chamadas "tecnologias emergentes", como clulas de combustvel, ou motores Stirling (uma tecnologia h muito conhecida, mas que s recentemente vem sendo explorada comercialmente).

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Podero ser usadas eventualmente combinaes dos tipos de acionadores mencionados acima. Cada acionador tem caractersticas especficas que o tornam mais ou menos adequado a uma aplicao especfica de cogerao, sendo essencial que estas caractersticas sejam levadas em conta no processo de seleo.

Potncias da ordem de 5 MW ou menos (por exemplo, hospitais) so melhor atendida pelos motores alternativos. Acima de 20 MW, usam-se em geral caldeiras/turbinas a vapor, ou turbinas a gs. Uma associao de turbinas a gs e a vapor, conhecida como sistema de ciclo combinado (CCPS) vem sendo muito usada em instalaes maiores. No intervalo 5 MW/20 MW, qualquer das duas tecnologias pode ser usada.

4. Tipos Maquinas Trmicas empregadas cogerao:

As plantas de cogerao so formadas de vrios arranjos de equipamentos, desde simples turbinas acopladas a caldeiras, at sistemas mais complexos. Neste item ser tratado o funcionamento e os tipos desses equipamentos utilizados na cogerao.

4.1 Motores Alternativos de Combusto Interna

Este ciclo utiliza motores alternativos de combusto interna para produzir trabalho em acionamento mecnico ou gerao de energia eltrica quando acoplados em geradores (alternadores). A cogerao obtida com a recuperao da energia trmicaresidual dos gases de exausto, e tambm, na recuperao do calor dos sistemas de lubrificao de resfriamento das camisas dos pistes.

Devido a quantidade de energia residual recuperada neste ciclo ser baixa, sua aplicao freqentemente mais utilizada em instalaes que necessitam de quantidades maiores de energia eltrica e mecnica e de quantidades menores de calor em temperaturas moderadas.

Fig 1.4 - cogerao com Motor de Combusto Interna e com Ciclo de Absoro

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4.2 Caldeiras Turbinas

Fig 1.5 -Turbina a vapor

4.3 Caractersticas Turbinas a Vapor:

especialmente adequadas para instalaes de porte, com queima de carvo, leo combustvel pesado ou rejeitos industriais como o bagao da cana;

eficincia trmica relativamente baixa, porm com a vantagem de obteno de calor s temperaturas necessrias;

custo por kW alto, e o tempo de instalao longok

relao potncia / calor varivel ao longo de uma ampla faixa, o que d flexibilidade operao;

exigem reas grandes e quantidades significativas de gua de refrigerao;

tm alta disponibilidade

4.4 Motores a Gs:

Os motores a gs (ou a leo diesel) so disponveis para aplicao em Sistemas de Cogerao, sendo que vrios fabricantes dispem de modelos especificamente reparados para este tipo de aplicao.

Em geral apresentam uma eficincia eltrica maior do que as turbinas a gs, conseguindo converter algo ao redor de 32% a 40% da energia do combustvel em energia mecnica, enquanto as turbinas conseguem tipicamente de 22% a 35% (turbinas de maior porte conseguem atingir eficincia maiores, chegando em alguns casos a 40%).

Eles possuem caractersticas especificas diferentes dos motores para uso em regime de emergncia, devido principalmente a operao em regime continuo e ao sistema de resfriamento, apropriado para permitir a recuperao de calor. Nas turbinas a gs, todo o calor a ser recuperado est disponvel nos gases de descarga o que no acontece nos motores a gs.

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4.5 Turbina a gs:

Nas turbinas a gs, o ar aspirado na entrada, comprimido a 15 ou 20 vezes a presso atmosfrica, e ento misturado ao combustvel na cmara de combusto. Os gases quentes a produzidos impulsionam a turbina, que aciona o compressor de ar e um gerador eltrico ou outro equipamento rotativo.

Nas instalaes de cogerao, os gases de exausto da turbina passam por uma caldeira de recuperao de calor, onde produz-se vapor na presso desejada. O vapor assim obtido pode ser usado diretamente, ou expandido atravs de uma turbina a vapor, gerando mais energia.

Neste caso, temos o chamado "Sistema de Ciclo Combinado" (CCGS), soluo adotada geralmente pelas termeltricas a gs natural.

Fig 1.6 - Turbina a gs

4.6 Ciclo Combinado:

Devido s caractersticas das turbinas a gs e das turbinas a vapor, as condies de acoplamento trmico entre os dois ciclos so muito boas. No ciclo combinado (turbina a gs/turbina a vapor), o calor necessrio para a caldeira da turbina a vapor fornecido pelos gases quentes da exausto da turbina a gs.

Fig 1.7 - sistema com ciclo combinado

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Fig 1.8 - sistema com ciclo combinado

Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gs/turbina a vapor) resulta na termeltrica mais eficiente na converso da energia do combustvel em potncia eltrica, pois tem uma temperatura alta de incio de converso de calor em trabalho e uma temperatura de rejeio de calor muito baixa.

Uma caracterstica construtiva importante do ciclo combinado sua construo modular, ou seja, as turbinas a gs so instaladas primeiro e comeam a produzir energia eltrica e gerando retorno financeiro. Posteriormente instalada a turbina a vapor com respectivas caldeiras de recuperao.

5. Combustveis:

A cogerao possibilita o uso de diversos combustveis em seu processo produtivo, porm, neste trabalho, sero abordadas apenas a utilizao da biomassa (principalmente o bagao da cana-de-acar, por se tratar de uma atividade econmica de grande representatividade em todo o territrio brasileiro), do gs natural e dos derivados do petroleo principalmente oleo diesel.

5.1 Biomassa:

O termo biomassa engloba a matria vegetal oriunda da fotossntese e os seusderivados, tais como: resduos florestais e agrcolas, resduos animais e a matria orgnica contida nos resduos industriais, domsticos, municipais, etc. Estes materiais contm energia qumica provinda da transformao energtica da radiao solar. Essa energia qumica pode ser liberada diretamente por combusto, ou pode ser convertida, atravs de outros processos, em fontes energticas mais adequadas.

Nos anos 90, com a descoberta de novas tecnologias e a incluso da temtica ambiental, houve um novo interesse pela biomassa energtica. Neste contexto, a biomassa considerada uma forma adequada de satisfazer a demanda energtica, que vai alm dofator econmico, incluindo tambm um menor impacto ambiental e sua renovabilidade, a possibilidade de gerao de empregos e a dinamizao de economias regionais. Como exemplos dessa aplicao, pode-se citar o uso do carvo vegetal na siderurgia e o programa do lcool automotivo no Brasil, a implantao de bosques energticos e a produo de bioeletricidade nos Estados Unidos, as plantaes de eucalipto na Etipia, entre outros.

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5.2 Bagao da cana-de-acar:

Por muito tempo tratado como resduo, o bagao de cana adquiriu na dcada de 80 a posio de insumo de grande potencial energtico, industrial e agropecurio, resultando de uma srie de medidas desenvolvidas para sua valorizao, tais como o desenvolvimento de tcnicas de estocagem e manuseio do bagao, a aplicao como matria prima para a indstria de papel e celulose e de produtos aglomerados, a utilizao como rao animal e fertilizante no setor agrcola e, principalmente, como insumo energtico.

5.3 Gs Natural:

O gs natural bastante utilizado nas indstrias e empresas com a finalidade de obteno de energia eltrica ou trmica ou at mesmo na gerao desses dois tipos de energia simultaneamente. Sua converso em calor ou fora motriz apresenta um rendimento muito superior ao dos demais combustveis, traduzido por um menor consumo e um conseqente decrscimo de emisso de produtos de combusto.

5.4 Petrleo:

O petrleo uma substncia oleosa, inflamvel, menos densa que a gua, com cheiro caracterstico e de cor variando entre o negro e o castanho escuro. Embora objeto de muitas discusses no passado, hoje tem como certa a sua origem orgnica, sendo uma combinao de molculas de carbono e hidrognio.

5.5 Nuclear:

O principio de funcionamento e muito simples, e um grande tanque oval de ao, refrataria, chumbo, concreto, a espessura da parede e conforme o Grau de isolamento da radiao se haver vazamento das varetas de aquecimento trmico da agua, estes varetas depende do grau de enriquecimento do urnio, em quanto maior mais aquecimento a agua, s e preciso 100c para virar vapor, como este tubo e fechado ai aumenta a presso, esta presso e controlado par vlvulas , vapor e conduzido por tubos de ao para as Turbinas, esta Turbina tem um rotor tem aletas verticais angular que a velocidade do vapor batem nelas para girar o rotor da turbina, na ponta do eixo desta turbina tem Alternador (gerador) ac. que gera energia alternada, o vapor que sai da turbina (vapor servido) vai para o condensador (esfriador)voltando ao estado liquido (gua quente) e baixa presso voltado para a caldeira aproveitado reaquecer at determinada presso para ser usado nas turbinas, Obs esto fazendo muita propagada de risco, no a risco porque a quantidade de combusto e controlada e baixo enriquecimento (energia nuclear e baixo enrequecimento e fisso nuclear e 1000000 vez maior)

6. Rendimento

Analisando o rendimento eltrico e trmico nos processos de cogerao expostos neste trabalho, fica evidente que o rendimento de energia eltrica pelo rendimento de energia trmica justifica e supera as expectativas, o que justifica o alto invetimento neste setor de cogerao de energia eltrica, sendo que em media o rendimento deste processo fica em torno de 85%, superando em aproximadamente 20% nas hidreltricas por exemplo.

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7. Concluso:

Analisando o ciclos trmicos, percebemos que ao fazer uso da cogerao possvel obter um rendimento maior no processo produtivo e o uso eficiente do combustvel empregado no sistema. A elevada eficincia no aproveitamento de combustiveis aliada a proximidade do emrcado da energia termica torna alguns destes empreendimentos muito competitivos. As receitas da cogerao so as resultantes da venda da energia cogerada: energia eltrica, vapor, frio, calor e eventualmete, outras utilidades como gua tratada, comprimido, etc.

Para o sistema eltrico brasileiro, a implantao de unidades de cogerao pode oferecer a vantagem de possibilitar a produo de excedente de energia eltrica, e esta ser vendida s concessionrias. Com isso, h um deslocamento de investimentos futuros no sistema.

8. Bibliografia

http://www.compagas.com.br

http://www.renovaveis.tecnopt.com/cogeracao/

http://www.comciencia.br/reportagens/energiaeletrica/energia06.htm

http://representacoesservicos.blogspot.com/2008/08/como-funciona-cogerao-de-enegia-nuclear.html

http://www.artigosbrasil.net/art/misc/1954/cogeracao-energia.html"

Notas de aula, Sistemas Hidrulicos e rmicos, Unipampa.