Cogeração

2º. semestre, 2017

Eficiência energética ambiental

Cogeração O termo cogeração é definido como a “produção combinada de potência elétrica e de energia térmica útil” pelo uso sequencial de um combustível (ou mais de um). A palavra combinado significa que os dois processos acontecem simultaneamente, em série ou em paralelo. Potência elétrica é a eletricidade produzida por um gerador elétrico, geralmente acionando por uma turbina a vapor, a gás ou através de uma máquina alternativa. Energia térmica é o produto do processo que produz aquecimento ou resfriamento, geralmente na forma de gases de exaustão, água quente, vapor ou água gelada. Obs.: Hoje o termo cogeração tornou-se mais conhecido como CHP (combined heat and power).

Cogeração Exemplo típico:

Cogeração A importância da cogeração é financeira e de economia de energia. A questão final é: a economia obtida na redução dos custos da energia térmica é suficiente para justificar o gasto de capital e operação de um sistema de cogeração? Elementos que dificultam a implantação de sistemas de cogeração: a) Redução dos custos da energia elétrica da rede das concessionárias; b) Impostos que estimulam o consumo e não os investimentos de capital; c) Custos crescentes de mão de obra e d) Visão da empresa em focar seu produto final e não no setor de utilidades.

Cogeração

Cogeração no Brasil Conforme dados de 2014 da Aneel, a cogeração representa pouco mais de 2% da potência elétrica instalada.

Cogeração no Brasil Alguns dos principais fatores que condicionam as decisões empresariais e a atratividade e o retorno econômico dos investimentos em cogeração:

Cogeração no Brasil

Cogeração: vantagens

Cogeração Considerando a figura anterior, o rendimento global do sistema de cogeração é dado por: onde W representa a potência produzida, Q a taxa de energia térmica e C o consumo de combustível, todos em unidades consistentes. Por exemplo, com os dados anteriores e para o sistema de cogeração: Enquanto que para o sistema convencional:

ηg =!W + !Q( )!C

ηg =30+ 56( )100

= 86%

ηg =30+ 56( )137,22

≈ 62%

Cogeração Para determinar a economia de combustível e financeira, pode-se estimar uma potêcia elétrica de saída em torno de 50 MW, valor usual em uma instalação institucional (grande universidade ou hospital). Assim, a taxa de energia térmica na saída do sistema é de: Para produzir essa potência, o consumo de combustível seria dado por:

!Q =5630⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟50 MW = 93,33 MW

Combcog =!W + !Q( )ηg,cog

=50+ 93,33( )

0,86=166,66 MW

Combconv =!W + !Q( )ηg,cog

=50+ 93,33( )

0,52= 275,58 MW

Cogeração Considerando que o combustível seja o gás natural, cujo valor é de aproximadamente R$ 1,136/m3 e que seu poder calorífico inferior seja de 39.348,4 kJ/m3, seu custo será de R$ 28,7/milhão de kJ. Para uma operação da planta de 6000 h/ano: Representando uma economia de:

R$_Combcog =166,66 MW ⋅6000 hano

⋅3600sh

⋅1000kJ

1MJ⋅milhão de kJ

1x106 ⋅R$ 28,7 = R$ 103,2x106

170,83x106 −103,2x106 = R$ 67,2x106 / ano

R$_Combcog = 275,58 MW ⋅6000 hano

⋅3600sh

⋅1000kJ

1MJ⋅milhão de kJ

1x106 ⋅R$ 28,7 = R$ 170,83x106

Tipos de sistemas Os sistemas de cogeração são divididos em topping-cycle e bottoming-cycle. Sistemas topping-cycle: a função principal do ciclo é a produção de potência elétrica, que é gerada a maiores temperaturas (top) associada ao processo de combustão do combustível e o calor rejeitado é recuperado para o sistema térmico.

Tipos de sistemas Sistemas bottoming-cycle: nesse ciclo, os gases de combustão a alta temperatura são utilizados primeiramente para a produção de processos de alta temperatura e os gases a baixa temperatura são utilizados para produzir eletricidade (ciclo de Rankine Orgânico, por exemplo).

Exemplo de sistema

O setor institucional (universidades, hospitais, etc.), mesmo não operando em sua maior parte em 24 h/dia, pode obter ganhos significativos utilizando sistemas de cogeração. Como um exemplo, a instalação abaixo apresenta um turbina a gás, conectada a um gerador elétrico, com capaciade de 3,2 MW. Na saida da turbina, os gases encontram-se na temperatura de aproximadamente 500 °C, entrando em um recuperador de calor onde é produzido vapor a 207 °C. Parte do vapor alimenta dois chillers de absorção, cada um com capacidade nominal de 1000 TR, a uma temperatura de 184,5 °C.

Ciclo de absorção amônia-água

Ciclo de absorção amônia-água

Equipamentos utilizados na cogeração: turbina a vapor São equipamentos que trabalham com elevadas pressões e temperaturas. O vapor escoa pela turbina, movimentando suas pás e, como consequencia, o seu eixo, responsável pela transmissão de energia mecânica para o gerador elétrico.

Ao contrário do que acontece com outros elementos motrizes tais como turbinas a gás ou motores térmicos alternativos, o processo de combustão de uma turbina a vapor ocorre externamente, em uma caldeira. Dessa forma, há uma possibilidade de uso de diferentes combustíveis, principalmente sólidos (resíduos de biomassa, resíduos de processos, etc.). As turbinas a vapor podem ser divididades em: Turbinas de condensação: são projetadas para que o vapor saia da turbina a baixa pressão, menor que a pressão atmosférica de forma que o vapor possa ser condensado em um condensador, a temperaturas próximas à temperatura ambiente. Como característica principal, produzem a máxima saída elétrica possível. Assim, a energia ainda disponível no vapor é baixa, não sendo muito aplicadas em sistemas de cogeração.

Equipamentos utilizados na cogeração: turbina a vapor

Turbinas de contra pressão: são projetadas para que o vapor na saída da turbina se encontre em uma pressão superior à pressão atmosférica e, dessa maneira, o vapor ainda contém energia suficiente para ser utilizado para produção de calor de processo ou outras aplicações. Qualquer uma dessas turbinas pode ser equipada com uma ou mais portas de extração, de onde uma parte do vapor pode ser retirado a diferentes pressões para ser utilizado em diversos tipos de processo. Essas turbinas possuem um relação calor/potência entre 4 a 10. O rendimento da turbina a vapor aumenta com o seu tamanho e varia entre 8 a 20%. Apesar da maior fonte térmica disponível ser o vapor na saída da turbina (ou nas suas extrações), os gases de exaustão da caldeira também podem ser utilizados como fonte de energia secundária.

Equipamentos utilizados na cogeração: turbina a vapor

Nessas turbinas, a relação calor/potência é da ordem de 1 a 3. Da mesma forma que para turbinas a vapor, o rendimento aumenta com o tamanho, variando entre 20 a 45%. Para controlar a temperatura de operação dessa turbina, a quantidade de ar em excesso utilizado no processo de combustão pode atingir a ordem de 100 vezes a massa de combustível, fazendo com que na saída, os gases contenham concentrações relativamente elevadas de nitrogênio e oxigênio. Com as temperaturas elevadas na saida, eses gases são adequados para processos de cogeração. Turbinas a gás utilizam combustíveis líquidos (querosene, etc.) ou gasosos (GN ou propano).

Equipamentos utilizados na cogeração: turbina a gás

São motores estacionários de combustão interna. Podem utilizar gás natural ou mesmo com óleo diesel ou ainda com os dois. Assim como acontece em motores automotivos, esses motores também devem ser resfriados pela circulação de um líquido. Dessa forma, esse líquido de resfriamento pode ser utilizado como uma fonte térmica secundária.

Equipamentos utilizados na cogeração: motores alternativos

Essa relação é aproximadamente constante para uma dada família de motores térmicos e é uma caracterísitica importante para a seleção do motor térmico adequado para uma dada aplicação de cogeração. roximad

Relação calor/potência

turbina a gás

São trocadores de calor onde os gases de exaustão são utilizados para o aquecimento de água, vaporização e o seu superaquecimento.

Equipamentos de recuperação de calor

O processo de vaporização é mostrado na figura abaixo:

Equipamentos de recuperação de calor

O “pinch point” ou temperatura de aproximação é a menor diferença de temperatura entre os gases de exaustão e a água, quando essa começa a vaporizar. Quanto menor for esse valor, menor será a taxa de transferência de calor. Para compensar, a área de troca térmica deverá ser aumentada, incrementando o custo do trocador. Em geral esse valor fica entre 16,7 e 44,4 °C. Recuperadores mais eficientes podem chegar à diferenças de temperatura de 13,9 °C. Os gases na saída da chaminé deverão ter temperatura acima de 150 °C, ou seja, acima da temperatura de condensação da água, para evitar a formação de ácidos. Essa temperatura, no entanto, está condicionada à quantidade de enxôfre no combustível. Quanto maior, maior deverá ser esse temperatura mínima.

Equipamentos de recuperação de calor

Para realizar esse ajuste, é necessário dispor das informações sobre as cargas de forma horária, diária e também mensal. Como mostrado na figura, para um dia típico de inverno, as cargas de aquecimento e potência começam aumentar as 4 h da manhã. Essas duas cargam apresentam um máximo perto das 8 h da manhã e diminuem para o restante do dia. A curva de potência elétrica permanece aproximadamente constante para as demais horas laborais do dia, diminuindo durante o final de tarde e da noite.

Ajustando cargas elétricas e térmicas

Para realizar esse ajuste, é necessário dispor das informações sobre as cargas de forma horária, diária e também mensal. Como mostrado na figura, para um dia típico de inverno, as cargas de aquecimento e potência começam aumentar as 4 h da manhã. Essas duas cargam apresentam um máximo perto das 8 h da manhã e diminuem para o restante do dia. A curva de potência elétrica permanece aproximadamente constante para as demais horas laborais do dia, diminuindo durante o final de tarde e da noite.

Ajustando cargas elétricas e térmicas

Para a mesma instalação, a figura abaixo mostra as duas cargas para cada um dos meses do ano. Nos meses de verão (junho, julho e agosto), as cargas são mínimas. As linhas tracejadas na figura mostram as cargas base, que representam as cargas mínimas ao longo do ano. Se a instalação operar na condição de carga base, deverá ter caldeiras auxiliares para o aquecimento nos outros meses e comprar energia elétrica suplementar à carga base.

Ajustando cargas elétricas e térmicas

Análise da implantação de um sistema de cogeração na Unisinos. Informações básicas: 1. Grupos de até 4 componentes (mais ou menos); 2. Apresentação em seminário e entrega de um trabalho por grupo contendo as informações mais importantes: metodologia, resultados, etc. 3. Data a ser definida posteriormente.

Trabalho

Considerações iniciais: 1. Fonte de energia disponível: qual, onde, valor, condições, contrato, etc. 2. Carga térmica para aqueciment e resfriamento ou apenas para resfriamento? 3. Definição das cargas base para uma amostra padrão do campus; 4. Análise das tecnologias disponíveis e seus custos; 5. Considerações sobre marcos regulatórios: Aneel, questões ambientais, etc. 6. Caso se consigam informações sobre a tarifa paga pela universidade e do custo dos equipamentos, seria possível fazer uma análise econômica?

Trabalho