INSTITUTO FEDERAL DE EDUC., CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIACAMPUS LAURO DE FREITAS

CURSO: TÉCNICO EM SISTEMAS DE ENERGIA RENOVÁVELDISCIPLINA: EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

COGERAÇÃO

Prof. Dr. Fagner Barbosa Ferraz

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VÍDEO

A cogeração consiste no processo de produção simultânea ousequencial de duas ou mais formas de energia, térmica e mecânica, apartir de um único combustível.

A cogeração permite um aproveitamento de até 85 % da energiaprimária, a qual pode ser transformada em energia mecânica na formade força motriz, ou eletricidade, mais energia térmica na forma de arquente, água quente, vapor e água gelada.

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COMBUSTÍVEIS USADOS NA COGERAÇÃO:

A cogeração possui uma boa flexibilidade para utilização decombustíveis, sejam sólidos, líquidos ou gasosos. O que define o tipoespecífico de combustível a ser utilizado é a máquina térmicaempregada na produção da energia principal e a disponibilidade docombustível na região da instalação da planta de cogeração.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

Os principais combustíveis sólidos utilizados na cogeração estão contidos na família da biomassa:• bagaço de cana-de-açúcar;• palha de cana-de-açúcar;• lenha;• pallets de madeira;• carvão;• lixo urbano.

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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS:

As principais características de utilização desse tipo de combustível:

• baixo custo unitário, pelo fato de esses combustíveis serem, em geral,

resíduos de processo;

• facilidade de emprego em caldeiras de geração de vapor ;

• necessidade de infraestrutura complexa de transporte e

armazenamento do combustível.

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

Os principais combustíveis líquidos utilizados na cogeração são:

• derivados de petróleo, como óleo combustível e diesel;

• biocombustíveis, como etanol e biodiesel;

• resíduos de processo, como licor negro.

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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS:

Ao contrário dos combustíveis sólidos, os derivados de petróleo ebiocombustível possuem difícil viabilidade econômica, mas sualogística de abastecimento necessita de menor espaço, porém exigemaior segurança operacional.

Os derivados de petróleo, além da emissão de CO2, exigemtratamento especial dos produtos da combustão para controle depoluentes lançados na atmosfera.

Os biocombustíveis, como etanol e biodiesel, também sãoalternativas interessantes, em particular do ponto de vista ambiental.

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COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

Os principais combustíveis gasosos utilizados na cogeração são:

• gás natural;

• biogás;

• resíduos de processo, gás de alto forno, gás de refinaria, etc.

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COMBUSTÍVEIS GASOSOS:

O emprego de combustíveis gasosos torna a cogeração mais flexível,podendo ser empregado em todas as tecnologias de máquinas térmicas.

Dentre os combustíveis gasosos, o gás natural apresenta maiorviabilidade técnico-econômica, por ser o combustível mais usado nacogeração em todo o mundo.

Pode-se destacar a facilidade na logística de abastecimento, maiorsegurança operacional, menor emissão de poluentes dentre oscombustíveis fósseis e o fato de não requerer tratamento pré e pós-queima.

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A cogeração pode ser aplicada em qualquer empreendimento no qualexista demanda de energia elétrica e térmica simultaneamente.

Os objetivos podem também ser mais amplos, quando se substitui aprodução de eletricidade por energia mecânica para acionamentodireto de compressores, bombas e transportadores, sem necessidadede conversão anterior em eletricidade.

Outro nome utilizado para a cogeração é Combined Heat and Power(CHP) e ainda Trigeneration (eletricidade, resfriamento eaquecimento), quando três transformações ou aproveitamentosenergéticos estão presentes.

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CHILLER DE ABSORÇÃO

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HISTÓRICO:

O conceito de cogeração não é novo. Há mais de um século asindústrias na Europa já usavam o rejeito térmico das centraistermelétricas para diversas finalidades.

Nos Estados Unidos, em 1900, a cogeração já representava cerca de50 % da energia produzida. Com o aumento de centrais térmicas e aampliação das redes de distribuição, a cogeração reduziu suaparticipação para menos de 4 % em 1970.

A crise energética de 1970 reverteu a tendência e fez com que omundo industrializado se preocupasse com o melhor uso da energia.

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Em 2006, a cogeração nos Estados Unidos representou 9 % dacapacidade total de produção de energia, totalizando 85 GWe decapacidade instalada.

É esperado que em 2030 a capacidade instalada de cogeraçãoaumente para 241 GWe, representando 20 % da capacidade totalinstalada no país.

Países com elevada dificuldade de obtenção de energias primáriaspossuem o maior desenvolvimento tecnológico na cogeração, sendoo Japão um dos maiores expoentes.

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Classificação dos sistemas de cogeração:

a) Sistemas de companhias elétricas

Os sistemas de companhias elétricas foram difundidos, basicamentenos anos 1980, por meio de geradoras de vapor de baixa pressãopara geração de energia elétrica, de maneira pouco eficiente. Com opassar dos anos e com o aumento da demanda, as companhiaselétricas ficaram cada vez maiores, o que encareceu cada vez mais aprodução dessa energia. A partir desse ponto, começaram a surgirinvestimentos para uso eficiente do combustível e aproveitamento decalor residual por intermédio de cogeração.

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b) Sistemas industriais

Atualmente, a grande maioria das indústrias utiliza a energia elétricada rede, porém a tendência de aumento do custo da energia elétricadevido ao incremento da demanda, atrelada à necessidade demelhora da eficiência na produção industrial, tem motivado muitasindústrias a implantar projetos de cogeração. Da mesma forma,diversos países, preocupados com a diversificação da matrizenergética, vêm aprovando leis no sentido de incentivar um maiornúmero de aplicações de cogeração na indústria.

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c) Sistemas de calefação

Os sistemas de cogeração para calefação se caracterizam porgrandes centrais de calefação, nas quais calor principal é utilizadopara suprir bairros com água quente através de sistemas de dutospressurizados, alimentando residências, universidades, hospitais e ocalor residual é utilizado para produção de energia elétrica.

Essas centrais também podem funcionar com a produçãosequencial ou simultânea de água gelada para a climatização deambientes dos mesmos usuários.

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d) Sistemas de energia total

São plantas de cogeração totalmente isoladas da rede elétricaque atendem à demanda elétrica do empreendimento, e o calorresidual é recuperado na produção de calefação e/ouclimatização para o mesmo.

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Dimensionamento da cogeração

No dimensionamento de uma planta de cogeração deve-se buscar omelhor balanço na produção energética, de forma a atender àdemanda térmica e elétrica com o maior rendimento possível. Dessaforma, podemos utilizar dois tipos de dimensionamento básico:

a) Dimensionamento topping cycle

b) Dimensionamento bottoming cycle

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a) Dimensionamento topping cycle

A cogeração chamada topping cycle é aquela em que a geração de baseou geração principal é a energia elétrica. Portanto, o combustívelprimário gera primeiramente a energia elétrica, sendo o calor residualrecuperado e utilizado na produção de energia térmica resultante. Esseciclo é muito utilizado no setor terciário, comércio e serviços, nos quais aenergia elétrica tem maior relevância e maior intensidade

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b) Dimensionamento bottoming cycle

A cogeração chamada bottoming cycle é aquela em que a geraçãoprincipal é a energia térmica. O combustível primário geraprimeiramente a energia térmica, e o calor residual recuperado éutilizado na produção da energia elétrica. Esse ciclo se viabiliza, emparticular, em processos cujo combustível possui baixo custo.

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Atividade em Sala: Pesquise e Apresente Exemplospráticos de Cogeração topping cycle e bottoming cycle

Não existe um padrão ou uma fórmula específica para odimensionamento de uma planta de cogeração. O balanço energéticooperacional exige uma análise específica do empreendimento a seraplicado, considerando-se, entre outros fatores:

• demandas elétricas e térmicas;

• perfil de consumo das utilidades de energia;

• seleção das tecnologias disponíveis;

• espaço físico para instalação da planta;

• análise da interligação dos processos produtivos.

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INDICADORES DE COGERAÇÃO NO MUNDO

Atualmente, a cogeração representa cerca de 10 % da geraçãode energia elétrica mundial. Alguns países têm se destacado com aparticipação de 30 a 50 % do total de sua energia gerada. Alguns dosprincipais fatores dessas taxas são:

- As políticas energéticas de uso racional dos recursos;

- O incentivo ao aumento da eficiência energética nos processosprodutivos;

- A dificuldade de obtenção de energia primária para a demanda dopaís.

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A Figura mostra os principais países com participações de uso de cogeração emrelação à energia elétrica produzida. O Brasil, nessa época, ou seja, em 2008,ocupava o último lugar, com menos de 2 % de participação, mas, em 2015, essacifra já se encontrava acima dos 10 %.

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INDICADORES DE COGERAÇÃO NO BRASIL

No ano de 2014 o Brasil chegou a 12 GWe de capacidadeinstalada de cogeração em operação, sendo que, 73 % (8810 MWe)são oriundos da cogeração da biomassa de cana-de-açúcarconcentrada nos estados de São Paulo, Minas Gerais, Mato Grosso doSul e Goiás. Em 2001, a capacidade instalada de cogeração naindústria de cana-de-açúcar era de 1500 MWe, e, por isso,apresentou um crescimento de quase seis vezes em pouco mais deuma década. Já a cogeração a gás natural representa 11 % (1339MWe) do total de cogeração no País.

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A Figura ilustra o crescimento da potência instalada de cogeração em operaçãono Brasil nas últimas seis décadas.

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A Figura indica o número de plantas de cogeração e suas respectivascapacidades instaladas por estados brasileiros em 2014, evidenciando amassiva aplicação em São Paulo com quase 50 % do total do País.

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Bahia(6º Lugar)

A Figura mostra a capacidade instalada de cogeração em operação no Brasil portipo de combustível em 2014, evidenciando a massiva participação da biomassade cana-de-açúcar, com 72,6 % do total, seguida pela cogeração a gás naturalcom 11 % de participação.

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Exemplos Práticos

VÍDEO 1

VÍDEO 2

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Os sistemas de cogeração de energia mais usados são as turbinas a gásou vapor (caldeiras que produzem vapor), motores de combustão interna (ciclode Otto ou Diesel), caldeiras de recuperação e trocadores de calor, sistemas dechillers de absorção que usam calor para produzir frio (ar condicionado)

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Atividade: Pesquise e prepare uma pequena apresentação sobre o funcionamento dos sistemas de cogeração mais utilizados

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