Introdução
Entende-se por cogeração processos em que há produção simultânea de energia
térmica e energia mecânica (normalmente convertida em energia eléctrica), destinados a
consumo próprio ou de terceiros, a partir de uma fonte de combustível (biomassa, fuelóleo, gás
natural, gás propano, resíduos industriais, etc…). O calor produzido pode ser utilizado
directamente no processo industrial, bem como recuperado e convertido para utilização em
aquecimento de espaços, aquecimento de água e em chillers de absorção para produção de frio,
em oposição aos métodos tradicionais de produção de electricidade por via térmica, que
desperdiçam todo o calor inerente ao processo.
De acordo com o decreto-lei n.º 186/95, a cogeração é definida como: O processo de
produção combinada de energia eléctrica e térmica, destinando-se ambas a consumo próprio ou
de terceiros, com respeito pelas condições previstas na lei.
Existem aplicações de cogeração em edifícios e industriais. Nos edifícios as potências
são baixas a médias (100kW – 10MW) sendo exemplos hotéis, hospitais, centros comerciais,
pavilhões desportivos, piscinas. Existe ainda o conceito de micro-cogeração a implementar a
nível de residências familiares utilizando pilhas de combustível (~5kW). As aplicações industriais
são de média escala (~5-10MW) (papel, têxteis, alimentação, madeiras) ou grande escala (1050MW) (celulose, refinarias, química). Nas instalações de cogeração de maior escala utilizam-se
combustíveis próprios (sub-produtos) das indústrias. A cogeração de grande escala é também
utilizada em países nórdicos para a produção centralizada de calor distribuído pelas habitações.
No seguinte esquema apenas (a ser considerado como simplificação) pode-se observar
facilmente a diferença e a vantagem principal de um sistema de cogeração face aos sistemas
convencionais.
105,3u
Central
Térmica
η =38%
Trabalho
Electricidad
e
40u
η =40%
Cogeração
Diesel
49u
Caldeira
η =82%
Calor
40,2u
fs
100u
recuperador de calor
ε =67%
Sistema convencional tem um factor de utilização de energia de 52% enquanto que a
cogeração tem um FUE de 80,2%. Deste modo é fácil observar o melhor aproveitamento
energético da cogeração vs. os métodos comuns.
Parâmetros de caracterização de sistemas de cogeração
Para a produção separada de energia eléctrica e de calor utilizam-se parâmetros de rendimentos
normalmente comparando a energia utilizada em relação à gasta no combustível, referida ao
poder calorífico inferiro (PCI). (Para centrais de produção de energia o rendimento é expresso
em termos de PCS de acordo com normas DIN ou ASME). Em toda a literatura referente a
cogeração e na legislação os rendimentos referem-se ao PCI, sendo esta a regra adoptada aqui.
Rendimento eléctrico
ηE =
E
C
Rendimento térmico
ηC =
Q
C
Como o sistema de cogeração envolve a produção de mais de uma forma de energia pode-se
definir um rendimento global englobando a energia eléctrica e térmica produzida:
ηG =
E+Q
C
A este factor dá-se normalmente a designação de factor de utilização de energia FUE.
Como a energia eléctrica e térmica tem um valor exergético e económico diferente é também
usual exprimir o factor de utilização de energia ponderado por preços:
FUE PP =
PE E + PQ Q
PC C
onde PE, PQ e PC são preços por unidade de energia (e.g. kWh) de
electricidade, calor e combustível
Um outro parâmetro utilizado na caracterização das instalações de cogeração é a razão Calor
Trabalho produzido sendo dado por:
γ CG =
Q
E
Esta razão apresenta valores típicos dependendo do sistema considerado, podendo indicar-se
uma gama aproximada de valores na tabela seguinte:
Turbina de contra-pressão
Turbina de gás
Motor Diesel
1–4
0.5 – 1.5
0.2 – 0.8
Nas turbinas de vapor a razão calor trabalho pode ser menor no caso de se adoptar uma turbina
de extracção/condensação ou ainda um conjunto de duas turbinas uma de contra-pressão e
outra de extracção/condensação. Para o caso da turbina de gás pode-se diminuir a razão calor
trabalho utilizando um ciclo com injecção de vapor. A produção de vapor é efectuada a partir de
uma caldeira de recuperação que utiliza os gases à saida da turbina de gás, podendo esse vapor
ser fornecido a um circuito de aquecimento fornecendo o calor à co-geração ou pode ser
misturado com os produtos de combustão, permitindo assim aumentar a potência na turbina a
gás.
Os sistemas de cogeração têm interesse para minimizar o custo de obtenção de energia
eléctrica e térmica em simultâneo. Assim torna-se importante definir parâmetros que permitam
comparar mais directamente a utilização de cogeração com a produção separada. Pode-se
assim definir o factor de poupança de combustível em Inglês FESR (Fuel Energy Saving Ratio):
Q
E
+
−C
ηC ηE
FESR =
Q
E
+
ηC ηE
Esta razão representa a diferença entre a energia do combustível que seria gasta na produção
separada de electricidade e calor e a energia que é gasta no sistema de cogeração em relação à
energia que seria consumida na produção separada. Este parâmetro dá-nos uma ideia da
poupança de combustível que pode ser realizada por um sistema de cogeração.
Para cada tipo de instalação de cogeração a razão calor/trabalho permite obter valores variáveis
de factor de utilização de energia e do factor de economia de combustível (FESR). Na figura
seguinte (Pita, 1995) apresenta-se a variação destes parâmetros para três situações típicas.
Para comparar os sistemas de cogeração com a produção separada de electricidade e calor
utiliza-se também o rendimento eléctrico equivalente.
E+Q
E+Q
representa a produção separada e em cogeração ηG =
E
Q
C
+
ηE ηC
E
Q
E
+
> ηE
Para que ηG> ηS deve então verificar-se: C <
ou ainda REE =
ηE ηC
C − Q / ηC
ηS =
O Rendimento Eléctrico Equivalente (REE) deve assim ser superior a um valor de referência do
rendimento de produção de electricidade ηE. Este valor em Portugal foifixado em 1999 com o
valor de 55% PCI com base no ciclo combinado da Tapada do Outeiro. Em França devido à
elevada penetração de centrais nucleares o valor é de 65%. Em Espanha os valores do REE são
definidos em função do combustível e tecnologia utilizado na cogeração, oscilando os valores
entre 49 e 59%. O rendimento da caldeira é considerado com o valor de 90% podendo ser
reduzido até 70% no caso de se considerar que o calor é proveniente de energias renováveis.
De um modo geral os sistemas de cogeração podem dividir-se em três tipos, estando esta
classificação relacionada com a ordem de produção de energia calorífica e trabalho. Os três
conjuntos são:
1. Ciclos superiores ou de cabeça (Topping Cycles).
2. Ciclos inferiores ou de cauda (Bottoming Cycles).
3. Ciclos combinados.
Nos primeiros é primeiro realizado trabalho, sendo o calor rejeitado reaproveitado como
calor de processo. Nos segundos ocorre a situação inversa. Nos ciclos combinados é produzido
trabalho cujo calor rejeitado é aproveitado numa caldeira onde se produz vapor que por sua vez
é utilizado para produzir mais trabalho.
Em alternativa à classificação referida, podem-se classificar os ciclos de cogeração em:
Ciclos simples – Com motor ou turbina a gás com geração de vapor em caldeira de recuperação
(com ou sem queima adicional de combustível). No caso de motor alternativo existe também a
recuperação de energia térmica a baixa temperatura do circuito de arrefecimento e de óleo.
As turbinas para cogeração usam gás natural enquanto nos motores alternativos usam gás com
ciclo de ignição por faísca e fuel no ciclo com ignição por compressão (Diesel).
Ciclo combinado – Turbina de gás com caldeira de recuperação onde se gera vapor para ciclo a
vapor. O ciclo a vapor pode ser de contra-pressão e/ou extracção-condensação. Em geral a gás.
Ciclo a vapor – Em geral o ciclo de vapor usa combustíveis mais baratos como carvão sendo no
caso de cogeração usados sub-produtos de processos. No caso da indústria do papel em que se
consome cascas de árvores e líxivia negra, resultante da lavagem química. Nas refinarias, usamse combustíveis de menor qualidade que são consumidos na própria refinaria.
Ciclo de secagem – Neste caso consideram-se turbinas ou motores alternativos em que o
aproveitamento de calor é efectuado directamente a partir dos produtos de combustão. Como
exemplos indicam-se a secagem de sal e culturas hidropónicas (Vegetais sem terra).
Tabela – Valores típicos dos parâmetros de co-geração para diversos ciclos.
(Retirada de J.H. Horlock considerando ηQ=0.9 e ηE=0.4)
C
E
Q
FUE
Ciclo Extracção/Condensação
Ciclo Contra-pressão
Ciclo Turbina a gás com caldeira de
recuperação
Ciclo combinado contrapressão
FESR
γ CG
1
1
1
0.38
0.25
0.3
0.1
0.6
0.55
0.48
0.85
0.85
0.057
0.235
0.265
0.26
2.4
1.83
1
0.4
0.42
0.82
0.318
1.05
Tabela – Elementos motores utilizados em co-geração
Gama Potência (MW) Rendimento
Turbina de vapor extracção-condensação
30-300
0.25-0.30
Turbina de vapor contra-pressão
1-200
0.20-0.25
Turbina de gás
(0.15) 1-150
0.18-0.35
Motor de combustão interna
0.05 – 25
0.35-0.40
Pilha de combustivel
0.005 – 0.2 (11)
0.37-0.40
Valores retirados de E.Clark, Ann. Rev. Energy, 1986. A última linha e os valores entre
parentesis foram adicionados com base em instalações demonstradas.
Tabela – Eficiência (rendimento) eléctrica e total para diferentes sistemas de cogeração
Sistema
Turbina a gás
motor de combustão a gás natural
motor de combustão a diesel
células de combustível de ácido
fosfórico
ηel
0,29
0,42
0,38
0,40
ηtotal
0,85
0,85
0,85
0,85
Figuras de Horlock J.H. – Cogeneration: Combined Heat and Power, Pergamon Press, 1987.
Comparação de sistemas de produção separada e em cogeração
Esquema de cogeração em motor Diesel