CO - Aula 01 - Origens e Definições

Cogeração

Aula 01 - Origens e definições

Guaratinguetá, primavera 2014

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

"JÚLIO DE MESQUITA FILHO"

Campus de Guaratinguetá, Departamento de Energia

Prof. José Alexandre Matelli

Definição

• Geração simultânea de energia eletro-mecânica e energia térmica útil a partir do mesmo combustível, através da recuperação do calor residual de sua combustão;

Prof. José Alexandre Matelli 2 Unesp/FEG/DEN - Cogeração

Aplicação convencional

Caldeira (η = 17/20)

Moto-gerador (η = 1/3)

Qu = 800 kJ

W = 1000 kJ

941.2 kJ

3000 kJ

η = 0.457


Aplicação com cogeração

Moto-gerador (η = 1/3) W = 1000 kJ 3000 kJ

η = 0.6 Qg = 1000 kJ

Qa = 1000 kJ

Caldeira de recuperação

(η = 4/5)

Qu = 800 kJ

Qe = 200 kJ


Origens

• Originária dos sistemas de elevação de carga a partir de gases quentes (smokejacks): – Registros alemães do século XIV;

– Emprego na Itália e Alemanha no século XVI;

– 1685: o inglês John Evelyn tinha um em casa havia mais de

100 anos;

– 1758: Benjamin Franklin sugeriu uso no verão a partir da ventilação natural de chaminés.


Registros antigos

http://www.ambrosiana.it/ita/ca_sfoglia.asp?sala=&pagina=22

Leonardo da Vinci, 1452-1519. Il Codice Atlantico della Biblioteca

Ambrosiana di Milano. Foglio 21-recto.

bottoming Prof. José Alexandre Matelli 6 Unesp/FEG/DEN - Cogeração

Desenvolvimento moderno

• 1870: Máquinas a vapor de eixo alternativo acopladas a geradores em áreas de grande densidade populacional;

– Favoreceria o aquecimento de ambientes;

– Impulso para a difusão da tecnologia;

• 1909: apenas 150 sistemas de aquecimento de ambientes nos EUA;


Século XX

• Décadas de 20-30: desenvolvimento de sistemas de calefação de ambientes no norte da Europa, União Soviética e países do bloco comunista;

• Pós-guerra: cresce significativamente o número de centrais de cogeração;

• Em outras regiões, a difusão da tecnologia foi lenta;

• Década de 70: crise do petróleo e resistência de grupos ambientais à energia nuclear trazem grande impulso à cogeração.

• Décadas de 80-90: consolidação da cogeração através de regulamentação governamental (por exemplo, o PURPA nos EUA); Prof. José Alexandre Matelli 8 Unesp/FEG/DEN - Cogeração

Evolução do preço do petróleo

UD

S/b

arri

l

Jun/2008: 138.54 USD/barril; Hoje: 116 USD/barril.


No Brasil • Setor elétrico brasileiro fortemente hídrico, aliado à pouca

necessidade de aquecimento de ambientes, não proporcionava um cenário propício para a cogeração;

• Historicamente, a implantação de sistemas de cogeração eram restritas a aplicações muito específicas, como refinarias e plataformas de petróleo;

• O choque do petróleo, na década de 70, mudou este cenário: – Necessidade de se utilizar a energia de modo mais racional (conservação de

energia): sistemas de cogeração se viabilizaram nas indústrias alimentícias, de papel e celulose, siderúrgicas e outras

– Introdução do álcool combustível (Pró-álcool): cogeração nas usinas sucroalcooleiras, hoje o setor mais intensivo em cogeração no Brasil


No Brasil, hoje

• Disponibilidade de gás natural impulsionou novas aplicações, como no setor terciário (hotéis, centros comerciais, hospitais etc);

• A Aneel estabelece os requisitos para a qualificação de centrais termelétricas cogeradoras de energia na Resolução Normativa 235, de 14 de novembro de 2006.

• Principais barreiras:

– Energia elétrica ainda apresenta baixo custo;

– Equipamentos importados;

– Necessidade de ar-condicionado;

– Riscos elevados;


Configuração topping

• O calor residual do processo de geração de energia eletromecânica é recuperado para geração de calor útil


Configuração bottoming

• O calor residual do processo de geração de energia térmica útil é recuperado para geração de energia eletromecânica

da Vinci Prof. José Alexandre Matelli 13 Unesp/FEG/DEN - Cogeração

Perfis de demanda

hora

Dem

and

a (k

W)

Energia elétrica

Energia térmica

Energia térmica útil: vapor, água gelada, água quente, ar quente etc

Qual delas um sistema de cogeração deve atender prioritariamente?


Estratégias de operação

• Paridade elétrica: – Em qualquer instante, a potência elétrica gerada é

igual à potência elétrica demandada; • Se a energia térmica cogerada for maior que a energia

térmica demandada, o excedente é rejeitado para o ambiente (ou termoacumulado, quando aplicável);

• Se a energia térmica cogerada for menor que a energia térmica demandada, um gerador térmico auxiliar complementa a demanda.


Estratégias de operação

• Paridade térmica:

– Em qualquer instante, a potência térmica gerada é igual à potência térmica demandada;

• Se a energia elétrica cogerada for maior que a energia elétrica demandada, o excedente é vendido para a rede;

• Se a energia elétrica cogerada for menor que a energia elétrica demandada, o complemento é adquirido da rede.


Exemplo

10 MPa 500 °C 3375 kJ/kg 1

2

processo

0.5MPa 210 °C 2875 kJ/kg

10

15

kg/s

3000

6000

kW

demanda de vapor

demanda elétrica

Determinar a potência elétrica e a vazão de vapor nos regimes de paridade elétrica e térmica.


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