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Trabalho realizado em colaboração com os alunos:
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035
Francisco Gonçalves Goiana Mesquita: 010503082
Luís Guilherme Amorim Vigário Silva, 010503174
Página 1
5ºAno
Alexandre dos Santos Dias: 030503051
MIEEC
5ºAno
PDIS –Biomassa e Cogeração
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 2
Índice
ÍNDICE ...................................................................................................................................... 2
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 3
CONTEXTUALIZAÇÃO .................................................................................................................. 3
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE BIOMASSA E COGERAÇÃO ..................................................... 4
NOTA HISTÓRICA ...................................................................................................................... 5
BIOMASSA ............................................................................................................................... 5
COGERAÇÃO............................................................................................................................. 5
CIÊNCIA .................................................................................................................................... 7
BIOMASSA ............................................................................................................................... 7
Vantagens biomassa ......................................................................................................... 7
Desvantagens biomassa .................................................................................................... 8
COGERAÇÃO............................................................................................................................. 8
Vantagens cogeração ....................................................................................................... 9
Desvantagens cogeração ................................................................................................ 10
APLICAÇÕES ........................................................................................................................... 11
BIOMASSA ............................................................................................................................. 11
COGERAÇÃO........................................................................................................................... 11
PERGUNTA 1........................................................................................................................... 13
MODO DE FUNCIONAMENTO ...................................................................................................... 13
MODELO MATEMÁTICO ............................................................................................................ 14
PERGUNTA 3........................................................................................................................... 16
ALÍNEA A ............................................................................................................................... 16
ALÍNEA B ............................................................................................................................... 17
ALÍNEA C ............................................................................................................................... 18
ALÍNEA D ............................................................................................................................... 20
ALÍNEA E ............................................................................................................................... 21
CONCLUSÕES .......................................................................................................................... 23
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Introdução
Contextualização
Vivemos numa época de mudança, na qual se procura fazer face, de forma rápida, nem
sempre clara, nem consciente, aos factores responsáveis pelos impactos ambientais nefastos
que sofremos actualmente e cujas previsões para o futuro só tem tendência para um
agravamento destes mesmos efeitos negativos. O uso dos combustíveis fósseis em larga escala
tem mudado substancialmente a composição da atmosfera e o balanço térmico do Planeta
provocando alterações climáticas. As previsões dos efeitos decorrentes para um futuro
próximo são várias, isto é, ninguém sabe dizer exactamente quais são as consequências, mas
todos estão de acordo num ponto, estas consequências são catastróficas. Alternativas como a
energia nuclear, que eram apontadas como solução definitiva, já mostraram que só podem
piorar a situação.
Existe uma necessidade iminente de encontrar soluções limpas e ambientalmente
correctas. A utilização das energias renováveis em substituição aos combustíveis fósseis é uma
direcção viável e vantajosa. Para além de serem praticamente inesgotáveis, as energias
renováveis podem apresentar impacto ambiental muito baixo ou quase nulo, sem afectar o
balanço térmico ou composição atmosférica do planeta. Graças aos diversos tipos de
manifestação, disponibilidade de larga abrangência geográfica e variadas possibilidades de
conversão, as energias renováveis são bastante próprias para geração distribuída e/ou
autónoma.
A mudança para as energias “limpas” é feita recorrendo ao estabelecimento de metas
e objectivos a atingir para este tipo de energia no valor total de produção das nações. Por
exemplo, o protocolo de Quioto define metas e objectivos a atingir aos quais maior parte das
nações entrou. O protocolo de Quioto tinha por principal objectivo reduzir a emissão de gazes
em pelo menos 5,2% relativamente aos níveis de 1990, no período entre 2008 e 2012, no
entanto, as metas de redução não são homogéneas a todos os países e foram colocados níveis
diferenciados para os países que emitem mais gazes. A título de curiosidade, os EUA mesmo
sendo dos maiores emissores de gases não ratificaram o protocolo. No entanto, apesar de
existir metas, estas por si não chegam, é necessário investir na investigação e desenvolvimento
de novas tecnologias que possam aproveitar estas mesmas energias. Portanto, foram
elaboradas estratégias de forma a incentivar os investidores nomeadamente assegurando
estabilidade nas tarifas de vendas de forma a incutir confiança aos investidores.
Tendo em conta os tipos de produção de energia convencionais que recorrem
maioritariamente aos combustíveis fosseis, cujo previsão aponta para uma extinção no prazo
de 40 a 50 anos caso a sua utilização não diminua, é necessário e exigível uma busca
incessante de alternativas que tem conduzido a diversas fontes de energia ditas “limpas”
(algumas das quais já foram abordadas no âmbito das cadeiras de PDIS, de EESO e de GENE).
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Considerações Gerais sobre Biomassa e Cogeração
Do ponto de vista da geração de energia, o termo biomassa abrange os derivados
recentes de organismos vivos utilizados como combustíveis ou para a sua produção. Do ponto
de vista da ecologia, biomassa é a quantidade total de matéria viva existente num ecossistema
ou numa população animal ou vegetal. Os dois conceitos estão, portanto, interligados, embora
sejam diferentes.
Na definição de biomassa para a geração de energia excluem-se os tradicionais
combustíveis fósseis, embora estes também sejam derivados da vida vegetal (carvão mineral)
ou animal (petróleo e gás natural), mas são resultado de várias transformações que requerem
milhões de anos para acontecerem. A biomassa pode considerar-se um recurso natural
renovável, enquanto os combustíveis fósseis não se renovam a curto prazo.
A biomassa é utilizada na produção de energia a partir de processos como a
combustão de material orgânico produzida e acumulada em um ecossistema, porém nem toda
a produção primária passa a incrementar a biomassa vegetal do ecossistema. Parte dessa
energia acumulada é empregada pelo ecossistema para sua própria manutenção. Suas
vantagens são o baixo custo, é renovável, permite o reaproveitamento de resíduos e é menos
poluente que outras formas de energias como aquela obtida a partir de combustíveis fósseis.
A queima de biomassa provoca a liberação de dióxido de carbono na atmosfera, mas
como este composto havia sido previamente absorvido pelas plantas que deram origem ao
combustível, o balanço de emissões de CO2 é nulo.
A cogeração, de forma simples, consiste na conversão de um tipo de combustível, por
exemplo a biomassa, em electricidade e calor.
As centrais termoeléctricas convencionais convertem apenas 1/3 da energia do
combustível em energia eléctrica. O restante, são perdas sob a forma de calor. O efeito
adverso para o ambiente derivado deste desperdício é óbvio. É imperativo aumentar a
eficiência do processo de produção de electricidade. Um método para se conseguir isto é
através da cogeração de energia eléctrica e calor, em que mais de 4/5 da energia do
combustível é convertida em energia utilizável, resultando em benefícios financeiros e
ambientais. Cogeração pode ser então definida como um processo de produção e exploração
consecutiva (simultânea) de duas fontes de energia, eléctrica (ou mecânica) e térmica, a partir
de um sistema que utiliza o mesmo combustível permitindo a optimização e o acréscimo de
eficiência nos sistemas de conversão e utilização de energia.
A energia térmica proveniente de uma instalação de cogeração pode ser utilizada para
produzir frio, através de um ciclo de absorção. Este processo “alargado” de cogeração é
conhecido por trigeração ou produção combinada de electricidade, calor e frio.
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Nota Histórica
Biomassa
Um dos primeiros empregos da biomassa pelo ser humano para adquirir energia teve
início com a utilização do fogo como fonte de calor e luz. O domínio desse recurso natural
trouxe ao homem a possibilidade de exploração dos minerais, minérios e metais, marcando
novo período antropológico. A madeira do mesmo modo foi por um longo período de tempo a
principal fonte energética, com ela a cocção, a siderurgia e a cerâmica foram empreendidas.
Óleos de fontes diversas eram utilizados em menor escala. O grande salto da biomassa deu-se
com o advento da lenha na siderurgia, no período da Revolução Industrial.
Nos anos que compreenderam o século XIX, com a revelação da tecnologia a vapor, a
biomassa passou a ter papel primordial também para obtenção de energia mecânica com
aplicações em sectores na indústria e nos transportes. A despeito do início da exploração dos
combustíveis fósseis, como o carvão mineral e o petróleo, a lenha continuou desempenhando
importante papel energético, principalmente nos países tropicais. No Brasil, foi aproveitada
em larga escala, atingindo a marca de 40% da produção energética primária, porém, para o
meio ambiente um valor como esse não é motivo para comemorações, afinal, a destruição das
florestas brasileiras aumentou nos últimos anos.
Durante os colapsos de fornecimento de petróleo que ocorreram durante a década de
1970, essa importância se tornou evidente pela ampla utilização de artigos procedentes da
biomassa como álcool, gás de madeira, blogas e óleos vegetais nos motores à explosão. Não
obstante, os motores à combustão interna foram primeiramente testados com derivados de
biomassa, sendo praticamente unânime a declaração de que os combustíveis fósseis só
obtiveram primazia por factores económicos, como oferta e procura, nunca por questões
técnicas de adequação.
Cogeração
Até meados do século XX, a co-geração chegou a ser muito usada nas indústrias,
perdendo depois competitividade para a electricidade produzida pelas concessionárias nas
grandes centrais geradoras com ganhos de escala. Assim, a cogeração ficou limitada a sistemas
isolados (plataformas submarinas) e indústrias com lixos combustíveis (canavieira e de papel e
celulose, por exemplo).
Nos últimos quinze anos, porém, um novo modelo do sector eléctrico voltou a
estimular a produção eléctrica local que fosse mais eficiente e de baixo custo, levando ao
aperfeiçoamento da tecnologia da cogeração, inclusive para pequeno porte.
A necessidade de reduzir emissões de CO2 também incentivou a adopção deste
processo eficiente. Hoje, na Holanda e na Finlândia, a cogeração já representa mais de 40% da
potência instalada.
Nos Estados Unidos da América, por exemplo, Thomas Edison terá sido responsável
pela primeira central que recorria ao processo de cogeração. Em 1882, com a construção da
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central Pearl Street Station (a primeira central eléctrica comercial do mundo), que era uma
central que produzia simultaneamente electricidade e energia térmica, utilizando o calor dos
resíduos para aquecer edifícios vizinhos. Este processo de funcionamento da central de
Thomas Edison, permitiu atingir aproximadamente 50 por cento a eficiência. No entanto, no
início do séc. XX, surgiram regulamentos para promover a electrificação rural através da
construção de centrais centralizadas, geridas por empresas regionais de utilidade pública.
Estes regulamentos não só promoveram a electrificação por todo o país, mas também
desencorajou processo de produção descentralizada de energia eléctrica, tais como a
cogeração. Chegando inclusivamente a tornar ilegal a produção e venda de energia eléctrica
das entidades que não fossem consideradas empresas regionais de utilidade pública. Em 1978,
o Congresso Americano reconheceu que a eficiência das centrais eléctricas existentes tinha
estagnado e como tal procuraram incentivar o aumento da eficiência, através do PURPA
(Public Utility Regulatory Policies Act – Leis e Políticas Reguladoras de Utilidade Pública), que
incentivou a comprar energia a partir de outros produtores de energia eléctrica.
A Cogeração foi introduzida em Portugal no Sector Industrial nos anos quarenta, sendo
as primeiras instalações baseadas em Turbinas de Vapor (contra-pressão) que satisfaziam
grandes necessidades de vapor de baixa pressão. Seria, no entanto, apenas na década de
noventa que a Cogeração viria a ter um crescimento significativo em termos de potência
instalada e de energia produzida. A cogeração a gás natural é a única que actualmente se
encontra em crescimento, enquanto a Cogeração diesel e a Cogeração em contra-pressão
mantêm uma tendência de estabilização.
Como podemos verificar pela análise da figura 1 (dados até 1999), na União Europeia,
países como a Dinamarca, Bélgica, Holanda e Finlândia apresentam contribuições superiores a
30% na estrutura nacional de produção energética. Também pela análise da linha verde,
verifica-se que a evolução da cogeração na produção global de energia eléctrica na União
Europeia desde 1995 tem aumentado significativamente, sendo expectável que apresente
valores na ordem dos 21% para 2020.
Figura 1 – Peso da cogeração no sector energético na UE e perspectivas de evolução
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Ciência
Biomassa
Existem uma grande variedade de produtos que podem servir de matéria-prima na
produção de biomassa.
Principais formas aproveitáveis da biomassa no estado bruto:
Resíduos florestais (limpeza de florestas, resíduos da industria da madeireira e
do papel, industria da cortiça);
Resíduos agrícolas e culturas energéticas (cana de açúcar, beterraba, óleos
vegetais, indústria do azeite, vides, casca de arroz);
Madeira;
Efluentes agro-pecuários (blogas de resíduos de pocilgas);
Resíduos sólidos urbanos (blogas de aterros e de tratamento de águas
residuais).
Algumas formas de obtenção de derivados:
Prensagem de resíduos: produção de briquetes;
Pirólise parcial: produção de carvão vegetal;
Gaseificação por pirólise: produção de gás pobre;
Fermentação anaeróbica: produção de blogas;
Fermentação enzimática e destilação: produção de álcool;
Processos compostos: produção de óleos vegetais.
Vantagens biomassa
Podemos enumerar algumas vantagens associadas á sua utilização:
O menor percentual de poluição atmosférica global e localizado;
Estabilidade do ciclo do carbono;
Maior emprego de mão-de-obra;
Relativamente a outras formas de energias renováveis, a biomassa, como energia
química, tem posição de destaque devido:
o Apresentar alta densidade energética;
o Facilidades de armazenamento, de câmbio e transporte.
A semelhança entre os motores e sistemas de produção de energia de biomassa e de
energia fóssil é outra vantagem, dessa forma a substituição não teria um efeito tão
grande nem na indústria de produção de equipamentos nem nas bases instituídas para
transporte e fabricação de energia eléctrica.
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Desvantagens biomassa
Existem algumas situações mais desfavoráveis e que será necessário ultrapassar de
modo a tornar esta tecnologia mais apelativa e aumentar a sua implementação nos panoramas
energéticos dos países. Apresentamos algumas dessas dificuldades:
Tecnologias com custos elevados;
Preocupações ambientais das populações locais;
Inexistência de infra-estrutura e mercado de recursos;
Custos de colecta, transporte e acondicionamento da biomassa;
Os recursos mais interessantes em termos de externalidades (limpeza de florestas para
evitar incêndios) não são os mais interessantes economicamente (difícil
acondicionamento e baixo valor energético);
A indústria madeireira já aproveita os seus resíduos para outros fins;
Requer muita mão-de-obra, que no nosso caso é relativamente cara (interessante para
países em desenvolvimento).
Cogeração
A cogeração consiste no aproveitamento local do calor residual originado nos
processos termodinâmicos de geração de energia eléctrica, que em condições normais seriam
desperdiçados. O aproveitamento pode dar-se sob a forma de vapor, água quente e/ou fria
(trigeração), para uma aplicação secundária, que pode ou não estar ligada com o processo
principal. O combustível utilizado no processo pode ser a biomassa.
Ao nível de equipamento especializado, exige uma turbina de extracção-condensação
controlada, que permite derivar uma parte do caudal de vapor que a atravessa para usos
térmicos. O restante do vapor é utilizado na geração de electricidade. As características do
vapor extraído (caudal, pressão e temperatura) vão depender da procura de energia térmica
exigida pelos consumidores finais. O funcionamento do “resto” da central é análogo ao
funcionamento de uma turbina sem extracção. Uma turbina com extracção indica um maior
investimento, porém contribuí para uma maior rentabilidade do projecto em função das
vendas de energia térmica aos consumidores finais.
As tecnologias, actualmente, mais importantes disponíveis no mercado para cogeração
são:
Turbina de Gás (ciclo de Brayton);
Turbina de Vapor (ciclo de Rankine);
Ciclo Combinado;
Motor alternativo de Combustão Interna (ciclo Diesel ou Otto);
Pilhas de Combustível;
Micro-turbinas.
As primeiras quatro tecnologias, usam turbinas ou motores alternativos de combustão
interna. Têm sido aplicadas adequadamente em instalações de cogeração nas últimas décadas.
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As tecnologias de Pilhas de Combustível e micro-turbinas estão ainda numa fase de
desenvolvimento e início de comercialização. Todas estas máquinas motrizes e sistemas têm
sido continuamente desenvolvidas e produzidas por empresas Europeias durante muitas
décadas.
Para trigeração, os tipos vulgarmente mais aplicados são os motores de combustão
interna, muitas das vezes em grupos de mais do que uma unidade, para fazer face à variação
de cargas. As Turbinas de Gás são utilizadas em grandes complexos de edifícios tais como
hospitais ou redes urbanas de calor e frio. As turbinas de vapor não são utilizadas no Sector
Terciário.
Vantagens cogeração
A grande vantagem da cogeração é a eficiência que apresenta em relação aos
processos tradicionais de produção de energia. Na produção energética convencional,
a maior parte da energia contida no combustível perde-se e apenas 40% é realmente
aproveitada. Por sua vez, a produção de energia através da cogeração permite um
aproveitamento energético superior a 80%;
Estas centrais contribuem para um grande aumento da eficiência energética ao gerar
simultaneamente electricidade, água gelada para o ar condicionado e água quente.
A cogeração contribui para reduzir o aquecimento global. A eliminação de gases na
atmosfera ocorre a temperaturas consideravelmente mais baixas, 170ºC ao invés de
570ºC, reduzindo também a emissão de CO2, o que contribui para redução do efeito
estufa;
A implementação bem sucedida de cogeração e trigeração conduz a uma redução do
consumo de combustível em aproximadamente 25% comparativamente à produção
convencional de energia eléctrica;
Vantagens económicas para o utilizador final. Os custos energéticos das instalações de
trigeração são menores do que os das instalações convencionais. Como valor
indicativo pode dizer-se que a redução de preços é da ordem dos 20-30%;
Pequenas centrais de cogeração, de energia eléctrica e calor, ligadas à rede eléctrica,
garantem uma operação ininterrupta da instalação, no caso de falha do
funcionamento da central ou do abastecimento da rede. Ao nível nacional favorecem a
produção descentralizada, reduzindo a necessidade de grandes centrais
termoeléctricas. Contribuem também para o aumento do emprego a nível local;
As unidades de trigeração proporcionam um alívio significativo às redes do sistema
eléctrico durante os meses quentes de verão. Cargas de arrefecimento são
transferidas da electricidade para um combustível fóssil, uma vez que o processo de
arrefecimento/refrigeração altera-se dos largamente utilizados ciclos de compressão
de vapor para os de absorção. Este facto contribui ainda para o aumento da
estabilidade das redes eléctricas e para a melhoria da eficiência do sistema; até aos
dias de hoje, os picos de verão são servidos pelas empresas eléctricas distribuidoras
através de unidades de apoio ineficientes e linhas de transporte de energia eléctrica
sobrecarregadas.
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Figura 2 – Ponto de vista do cliente
Desvantagens cogeração
Apresenta como limitação o facto de o calor produzido só poder ser usado perto do
centro produtor, devido à dificuldade no transporte. Isto limita as instalações de
cogeração a unidades pequenas, em comparação com as centrais térmicas
convencionais;
O limite de distância para o transporte de calor ser economicamente viável fica em
torno de 5 km. Para o frio, usando como veículo água gelada, a distância económica
não passa de 500m;
Tempo de vida útil relativamente curta;
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Aplicações
Biomassa
A evolução tecnológica dos equipamentos que recorrem á biomassa permitiu que
estes atingissem rendimentos equiparáveis aos sistemas convencionais utilizadores de
energias fósseis, dando origem a uma grande diversidade de produtos adaptáveis às mais
diversas aplicações. Por outro lado, o aparecimento de combustíveis derivados da biomassa
(ex. pellets, briquetes, estilhas), com maior poder calorífico, contribuiu para o incremento da
qualidade e rentabilidade deste tipo de soluções.
As aplicações térmicas no sector da biomassa dividem-se essencialmente na produção
de calor e água quente sanitária. Hoje em dia existem equipamentos a ar que fornecem
aquecimento a apenas uma divisão, ou recuperadores de calor, estufas e caldeiras a água que
abastecem um circuito de radiadores ou piso radiante, e produzem ainda águas quentes
sanitárias.
Figura 3 – Integração entre Sistema a Biomassa e Sistema Solar
Cogeração
Relativamente ao vapor extraído para usos térmicos podemos enumerar algumas
aplicações possíveis:
Venda de energia térmica às indústrias da zona que necessitam vapor para
determinados processos de fabrico (conserveiras, fábricas de tabuleiros, papeleiras,
matadouros, etc.,);
Utilização do vapor em fábricas de paletes associadas à central de biomassa;
Aproveitamento do vapor no processo de secagem forçado da biomassa na própria
central.
Os potenciais utilizadores de cogeração são instalações que verificam as seguintes
características:
Necessidades simultâneas e contínuas de energia térmica e energia eléctrica;
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Disponibilidade de combustíveis de qualidade;
Período de funcionamento de pelo menos 4.500-5.000 horas por ano;
Espaço suficiente e uma adequada localização para a implementação do novo
equipamento;
Calor residual disponível de elevada qualidade;
Estas características encontram-se frequentemente na indústria. Contudo, no Sector
Terciário, se bem que o seu uso possa ser razoavelmente intensivo (um grande número de
horas por ano), não se verifica uma relação muito estreita entre o consumo de energia e o tipo
de actividade, dependendo aquele mais das condições climatéricas. As principais necessidades
de energia térmica são para aquecimento, ventilação e ar condicionado e em menos extensão
como vapor e água quente para várias utilizações, tais como lavandarias, cozinhas,
esterilização, etc.
O principal potencial de cogeração neste sector verifica-se em hospitais, hotéis,
centros de desporto, edifícios de escritórios, centros comerciais e sistemas de redes urbanas
de calor (“district heating”). A escolha da tecnologia de cogeração mais apropriada depende
de um conjunto de factores, tais como a razão calor/electricidade, os níveis de temperatura da
energia térmica necessária, a disponibilidade de combustível, as flutuações das necessidades
térmicas, etc. Os motores alternativos e as micro-turbinas a gás, conjuntamente com chillers
de absorção, são as tecnologias actualmente mais utilizadas em sistemas de trigeração no
Sector Terciário.
Existe ainda o conceito de micro-cogeração a implementar a nível de residências
familiares utilizando pilhas de combustível (≈ 5 kW).
As aplicações industriais são de média escala (≈ 5-10 MW) (papel, têxteis, alimentação,
madeiras) ou grande escala (10-50MW) (celulose, refinarias, química).
A cogeração também pode ser considerada energia limpa, sendo que se aproveitam os
biocombustíveis sólidos (com origem em indústrias transformadoras de resíduos, tipo cortiça
ou madeira) e gasosos (com origem industrial ou em aterros sanitários) como fontes de
energia.
Nas instalações de cogeração de maior escala utilizam-se combustíveis próprios
(subprodutos) das indústrias.
A cogeração de grande escala é também utilizada em países nórdicos para a produção
centralizada de calor distribuído pelas habitações.
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Pergunta 1 Uma pequena central a biomassa com turbina a vapor pode ser representada por:
Figura 4 Funcionamento base do sistema de cogeração com Turbina a vapor.
Modo de Funcionamento
O princípio de funcionamento de uma pequena central a vapor consiste na queima de
combustível (por exemplo biomassa) num forno. A energia calorífica resultante da queima é
utilizada para aquecer a caldeira. Na caldeira, a água é convertida em vapor saturado de alta
pressão a uma temperatura superior à temperatura de saturação (sobreaquecimento). Este
vapor é expandido numa turbina de vários andares (é frequente pelo menos um
reaquecimento intermédio), sendo finalmente rejeitado (a baixa pressão) para um
condensador de vácuo, onde se processa a condensação do vapor. Finalmente, o condensado
é bombeado de novo para a caldeira (eventualmente com um pré aquecimento, designado
regeneração), para reinício do ciclo.
Nos sistemas de cogeração não deve ser usado o tipo de turbina que acabou de se
descrever, chamado turbina de condensação, pois este equipamento está dimensionado para
optimizar o rendimento da conversão eléctrica. Assim, é mais adequado usar, em sistemas de
cogeração, as chamadas turbinas de contra-pressão (ou de não-condensação). Nas turbinas de
contra-pressão, o fluxo de vapor exausto que abandona a turbina é enviado directamente para
o processo industrial em condições próximas das que são requeridas. O termo contra-pressão
refere-se ao facto de o vapor ser rejeitado a pressões da ordem de grandeza da pressão
atmosférica, superiores portanto ao vácuo do condensador (pressão da ordem das centésimas
de bar). A utilização do vapor a uma pressão relativamente elevada prejudica sensivelmente o
rendimento eléctrico, mas melhora o rendimento térmico, pois as características do vapor são
normalmente mais adequadas aos fins a que se destina.
A turbina de extracção é um misto das duas anteriores: uma parte do vapor é enviado
para o processo industrial, a uma pressão intermédia, e o remanescente é condensado no
condensador.
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Na figura 5, podemos observar os diferentes módulos de uma turbina a vapor que
aproveita os diferentes níveis de pressão.
Figura 5 - Módulos de uma Turbina a Vapor
Modelo Matemático
Após uma pesquisa exaustiva, conseguiu-se encontrar no “IEEE” e no “Direct Science”
diagramas de blocos que traduzem o processo/comportamento duma turbina a vapor. No
entanto, os modelos obtidos através da nossa pesquisa não contêm valores concretos das
constantes. Estes valores dependem de inúmeros factores, como por exemplo do tipo de
combustível usado, tipo de turbina usado (potência), entre outros. Estes valores são do
conhecimento exclusivo dos fabricantes e/ou técnicos especializados na área pelo que
tentamos contactar um especialista, o Professor, Carlos Alegria, do IST e funcionário da central
de Mortágua, no entanto até ao momento, não obtivemos nenhuma resposta.
Os diagramas obtidos encontram-se nas figuras 6 e 7 e correspondem ao Controlo da
Pressão da Turbina e da Potência Gerada respectivamente.
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Figura 6 - Diagrama de Blocos de controlo da pressão
Figura 7 – Diagrama de Blocos da potência gerada
Com intuito de facilitar a análise dos diagramas, recorrendo ao software “MATLAB”, esquematizamos os dois modelos restando apenas ao utilizador final, introduzir o valor das constantes desconhecidas. Os subsistemas “By pass” e “Intercept valve” foram integrados de forma a posteriormente poderem ser modelizados, neste momento apresentam comportamentos lineares, isto é a entrada corresponde a saída.
Os modelos assim como a workspace (variáveis) serão facultados em anexos. Caso surge alguma dúvida respectiva a estes diagramas, será também fornecido o artigo em PDF.
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Pergunta 3
Alínea a
Nesta alínea pretende-se que sejam calculados os gastos anuais com a energia do
hospital (componente petrolífera e componente eléctrica).
Tendo em conta a tabela de preço e consumo eléctrico fornecida no enunciado,
calculou-se o gasto com electricidade por mês, já o gasto em recursos petrolíferos, sabendo o
consumo de fuelóleo necessário para o suprimento de calor e sabendo o preço por kg
calculou-se o encargo financeiro com o mesmo. Partindo do pressuposto que o consumo é
constante todos os meses, calculou-se os encargos financeiros anuais.
Gastos com energia Mês Ano
Custo com electricidade 39.818€ 477.816€
Custo com fuelóleo 27.750€ 333.000€
É possível estimar um custo do vapor, ou seja, o dinheiro necessário para obter se um
kg de vapor recorrendo á expressão:
24 *365 * horapor vapor de Consumo
anuais fuelóleo com EncargosVapor Custo
Tendo em conta que o consumo de vapor por hora foi fornecido no enunciado
(8000kg/h), chegamos assim a um 0048.0Vapor Custo €/kg.
De modo a podermos colocar as duas energias utilizadas no mesmo patamar e assim
analisa-las comparativamente, calculamos o valor de toneladas equivalente de petróleo (TEP)
correspondente às duas energias. Utilizaram-se os valores base de conversão:
• Para o fuelóleo 0.969 TEP/ton;
• Para a energia eléctrica 0.00029 TEP/kWh;
Multiplicando estes factores de conversão pelas quantidades consumidas de cada
fonte de energia obteve-se:
• Para o fuelóleo 872,1 TEP;
• Para a energia eléctrica 1646 TEP;
Dividindo os valores obtidos para custos anuais de cada uma das energias pelos valores
energéticos em TEP chegou-se ao valores:
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• Para o fuelóleo 381,84 €/ TEP
• Para a energia eléctrica 290 €/TEP
Analisando os resultados finais, podemos concluir que a energia proveniente do
fuelóleo fica mais dispendiosa do que a energia eléctrica.
Alínea b
Tendo em conta consumos a nível de vapor e eléctricos do hospital, pretende-se
determinar a potência nominal do sistema de cogeração de modo a maximizar a eficiência do
sistema, garantindo que os consumos eléctricos e caloríficos sejam satisfeitos.
Inicialmente procuramos identificar aspectos regulamentares importantes para o
nosso caso, para de seguida proceder aos respectivos cálculos. Destacamos em seguida alguns
pontos que consideramos importantes:
A energia vendida à rede tem de ser inferior a 60 % da produção eléctrica para que
possa ser considerada cogeração (Decreto-lei 538/99);
A energia eléctrica vendida à rede ao longo de um ano não poderá ser superior a:
ETE
TEEer *5.4
*5.0*5.4
E – Energia eléctrica total (TEP); T – Valor do vapor total (TEP).
A componente energética ligada à produção de calor deve ser assegurada.
A capacidade de produção de vapor por potência do sistema a instalar é de 2000
kg/MW. Tendo em conta as condições acima citadas para que o sistema seja considerado de
cogeração, sabe-se que as necessidades de vapor são de 8000 kg/hora. A razão entre as
necessidades de vapor do sistema e a capacidade de produção de vapor do sistema de
cogeração resulta no valor da potência eléctrica instalada que vai garantir a produção de calor
desejada.
4___
___
sistemavaporproduçãoCapacidade
sistemavaporesNecessidadP instaladaeléctrica
MW.
De seguida, determinou-se a energia eléctrica admissível obtendo-se o valor de 4115,1
TEP. Pelas condições referidas anteriormente, apenas 60 % deste valor pode ser vendido à
rede, o que perfaz um valor de 2469 TEP.
Uma vez que a energia vendida, segundo o que se encontra regulamentado
actualmente, não pode ser superior a Eer, fomos calcular esse valor. Assim:
17741.4115*5.41.872*5.01.4115
1.8721.4115*5.4erE TEP
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 18
O valor máximo de energia eléctrica instalada será:
342016461774consumoer EE TEP
A razão entre o calor e a energia eléctrica produzida:
5.253420
1.872
__
__
produzidaeléctricaEnergia
produzidacaloríficaEnergia %
Para concluir, fomos calcular o rendimento Eléctrico e o rendimento Calorífico do
sistema através das expressões:
78.559.6131
3420__
Consumo
produzidaeléctricaEnergiaeléctrico
%
22.149.6131
1.872__
Consumo
produzidacaloríficaEnergiacalorífico
%
Alínea c
O Factor de Utilização da Energia (FUE) económico é definido através da expressão:
CP
QPEPFUE
C
QE
PP*
**
PE, PQ e PC correspondem aos preços por unidade de energia, cujos valores são:
• PE = 290 €/TEP
• PQ = 381, 8 €/TEP
• PC = 463, 4 €/TEP
E corresponde á energia eléctrica, Q ao calor produzido e C ao combustível utilizado:
• E = 3420 TEP
• Q = T = 872, 1 TEP
• C = 6131,9 TEP
Substituindo todos estes valores na expressão de FUE, obteve-se o valor:
O FUE energético é definido pelo rendimento do sistema e apresenta uma expressão
geral:
%21.51PPFUE
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 19
O rendimento eléctrico equivalente REE é definido por:
CR representa o equivalente energético dos recursos renováveis ou resíduos
industriais, agrícolas ou urbanos consumidos anualmente na instalação de cogeração. Como o
combustível utilizado será gás CR=0, logo:
Para a produção de TEP de vapor de calor são necessários os mesmos TEP de combustível C. Assim sendo, é impossível calcular o REE para a situação actual pois os valores dados são
E [TEP] 1646,04
T [TEP] 872,1
C [TEP] 872,1
REE -1698,70% Este valor deve-se ao facto de na situação actual não existir uma produção de electricidade, dependendo da produção externa, sendo apenas consumidor. Como tal, o rendimento que podemos obter deste sistema é apenas o rendimento da caldeira nas dependências que tem. Isto é, o rendimento será dado por:
Se interpretarmos este rendimento, que depende também da electricidade consumida, como o REE então temos os seguintes valores
E [TEP] 1646,04
T [TEP] 872,1
C [TEP] 2518,14
REE 46,04%
C
CR
TC
EREE
*2.09.0
%25.66
*2.09.0
REE
C
CR
TC
EREE
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 20
Em conclusão, o Rendimento Eléctrico Equivalente toma o valor de 46,04%, sendo então este o rendimento do sistema actual convencional.
Alínea d
De modo a calcular a remuneração eléctrica do excedente da produção recorremos
aos passos indicados na portaria 58/2002. Para facilitar o trabalho usaram-se alguns dos
valores do exemplo de tarifário colocado na página de Produção Dispersa, assinalados na folha
de Excel também enviada ao professor, como valores para o caso em estudo. Logo,
apresentam-se os valores de maior significância obtidos.
VDRM 40.437,39 €
PF(VRD)m 4.922,93 €
PV(VRD)m 28.957,26 €
PA(VRD)m 6.557,20 €
Por sua vez, a energia eléctrica total produzida num ano é dada por:
[kWh]
Logo, o preço aproximado por kWh é dado por:
No que diz respeito a situação após 120 meses a remuneração passa a
VDRM 37.830,43 €
PF(VRD)m 4.922,93 €
PV(VRD)m 29.628,91 €
PA(VRD)m 3.278,60 €
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 21
uma vez que na expressão da remuneração o valor de CEA da parcela Ambiental passa a
ser divisível por 8 e não por 4
120 Primeiros meses: – –
Após 120 meses iniciais: – –
.
Com esta mudança de 4 para 8 ao fim de 120 meses no calculo do CEA, temos uma um CEA
duas vezes mais baixo que nos primeiros 120 meses.
Assim, o preço aproximado por kWh toma o valor de 0,07 €
Alínea e Com base nos dados do enunciado tem-se que:
• Custo do Sistema 700 €/kW × 4 MW = 2.800.000 € • Custo de Instalação 50 €/kW × 4 MW = 200.000 € • Investimento Inicial Total = Custo do Sistema + Custo de Instalação = 3.000.000 € • Retoma das Caldeiras = 50.000 €
• Investimento Inicial Final = Investimento Inicial Total – Retoma Caldeiras =2.950.000 € • Custo de manutenção anual = 7000 €
Como investimento inicial tem-se:
• Capital próprio = 40 % Investimento Inicial Total = 1.180.000 € • Crédito bancário = 60 % Investimento Inicial Total = 1.770.000 €
Quanto ao crédito bancário sabe-se que a amortização do investimento terá:
• Número de anos = 30 • Taxa de inflação 3% • Taxa de actualização 10% • Imposto sobre pessoas colectivas 35%
Com isso calcula-se a renda que será de 187.760,27 €
Para o combustível tem-se que:
• Custo de combustível 2.589.043,96 € • Aumento previsto do custo de combustível além da inflação 8% • Aumento do custo da electricidade além da inflação 10% • Custo da energia no primeiro ano → VDRm × 12 = 485.248,67 €
Com todos estes valores fez-se um quadro de cash-flows e chegou-se ao VAL= -
40.838.487.34 €
O tempo de retorno calculado para este investimento é um pouco mais de 7,5 anos.
Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 22
O custo nivelado de electricidade é obtido através de:
e
Obtém-se assim um custo nivelado de electricidade CNE = 1.553 € / MWh, isto é, CNE =
1,553 €/kWh No que diz respeito ao sistema actual, e tendo em conta que não se sabe quais os
valores iniciais das caldeiras, apenas se realizou uma analise financeira para 5 anos, uma vez que é o tempo de vida das caldeiras. Assim, pode-se verificar que o retorno do investimento da cogeraçao é feito em 7,5 anos, aproximadamente, com a amortização a 30 anos.
Comparando os primeiros 5 anos de funcionamento, obteve-se uma diferença de
6.330 mil € entre a cogeração e o sistema actual, que se retirando-se o investimento no equipamento se obtém cerca de 3.380 mil €.
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Conclusões
Biomassa pode contribuir para ajudar no desenvolvimento da energia sustentável na
Europa;
Devido às propriedades da biomassa, esta poderá ser uma óptima forma de produzir
energia em escala pequena, descentralizada;
Interesse limitado em bioenergia nas últimas décadas provocam pouca eficiência
nestas tecnologias;
Aumento na investigação, aproximação de faculdades e industria uma melhor
divulgação poderá ser essencial em aumentar o potencial da bioenergia:
O emprego de centrais com cogeração provoca uma diminuição das perdas em cerca
de 50%, que está directamente relacionada com o aproveitamento da energia térmica;