12-Cogeracao (1)

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COGERAÇÃO
Combined Heat and Power (CHP)
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Maio 2012
Energia
Cogeração: Combined Heat and Power (CHP)
Conceito termodinâmico – cogeração é a produção de mais de uma 
forma de energia útil, a partir de um único energético num mesmo 
processo.
Conceito empregado no setor elétrico - Res. ANEEL 235/2006 
Art 3º inciso I – Cogeração: processo operado numa instalação 
específica para fins da produção combinada das utilidades calor e 
energia mecânica, esta geralmente convertida total ou parcialmente em 
energia elétrica,a partir da energia disponibilizada por uma fonte 
primária, ....
Definição do Cogeneration Handbook (Califórnia Energy 
Commission, September 1982) – In broadest terms, cogeneration is the 
simultaneous production of electrical or mechanical energy and thermal 
energy.
Cogeração
Obter duas ou mais formas de energia distintas a partir de uma unica 
fonte
COGERAÇÃOFONTE DE ENERGIA
ENERGIA 1
ENERGIA 2
ENERGIA 3
ENERGIA NExistem diferentes qualidades de energia:
- Energia de alta qualidade: Eletricidade, luz, mecânica
- Energia de baixa qualidade: calor
O que se deseja é aproveitar a energia calorífica rejeitada
• cogeração: aplicação direta da 1ª e 2ª leis da termodinâmica
• conceito de calor empregado como energia útil – a exergia
• a forte presença da energia elétrica nas definições
• fronteiras das definições: ciclo combinado a gás natural etc.
Implicação das definições que enfatizam a energia elétrica :
Definição dos ciclos de operação de cogeração:
CICLO TOPPING: Combustível eletricidade calor de processo
CICLO BOTTOMING: Combustível calor de processo eletricidade
Cogeração: Combined Heat and Power (CHP) Cogeração
• Idéia fundamental: Aproveitar ao máximo a energia disponível
• CHP é uma estratégia para aumento da eficiência para geração 
elétrica e térmica
– Aproximadamente 10% da geração total dos EUA (80GW)
• A eletricidade é normalmente produzida de 3 modos:
– Sistemas a vapor.
– Turbinas a gás simples
– Ciclos combinados: turbinas a gás e uso de calor de exaustão 
para gerar vapor para uma turbina a vapor.
• Maiores Benefícios 
– 50% mais eficiente que a geração separada de calor e 
eletricidade.
– Redução do consumo de combustível e usar qualquer 
combustível e tecnologia.
– Redução de emissões e pode substituir sistemas de maior 
emissão.
Cogeração: Combined Heat and Power (CHP) Rendimento dos Ciclos de Potência Comuns
• Ciclo de Vapor Simples 25% - 35%
– Gera vapor a alta pressão, aciona a turbina a vapor e o vapor é
condensado em um condensador.
• Turbina a Gás Simples 30% - 35%
– A turbina a gás aciona um gerador com exaustão para a 
atmosfera.
• Ciclo Combinado 50% - 60%
– A turbina a gás aciona um gerador com exaustão usada para 
produzir vapor a alta pressão, e o vapor é usado para gerar 
eletricidade adicional em uma turbina a vapor.
• Turbina a Gás + Vapor de Processo 75% - 85%
– A turbina a gás aciona um gerador com exaustão usada para 
produzir vapor a baixa pressão para processo.
Usina Térmica Convencional Eficiência na Geração Térmica
Ciclo Aberto com Turbina a Gás
Eficiência na Geração Térmica
Ciclo Combinado
Eficiência na Geração Térmica
Cogeração
O Princípio da Cogeração Cogeração
Cogeração O Princípio da Cogeração
A Cogeração em comparação com a produção separada
Cogeração O Princípio da Cogeração
A Cogeração em comparação com a produção separada
Vantagens Ambientais - Exemplo NOx Motores Térmicos
TRANSFORMAR CALOR EM TRABALHO MECÂNICO
Q →W
Mas o 2º Princípio impõe limitações:
•Qf > 0
•Máximo rendimento: 
c
f
T
T−=1η
Exemplo: Tf=30ºC Tc=690ºC → ηCARNOT=0.68
Exemplo
EM UM MOTOR DE UM AUTOMOVEL: η = 0,38
•25% Trabalho útil.
•20% perdas por radiação.
•20% Refrigeração.
•35% Gases de escape.
EFEITO TERMOELÉCTRICO (Seebeck): 
η = 0,18 ΔT = 300ºC
RENDIMENTO:
cQ
W=ηEm motores térmicos: 
Em Cogeneração:
•Eficiência elétrica:
•Eficiência térmica:
Consumido
Obtido=η
lcombustive
elec
Q
W=η
lcombustive
util
Q
Q=η
Escolha Tecnologia de Cogeração Adequada
– Diferentes tecnologías disponiveis para produzir conjuntamente 
calor e eletricidade.
•Criterios:
– O calor deve ser utilizado próximo da planta de cogeneração
para evitar perdas de transmissão.
– A tecnologia de produção combinada deve ser escolhida em 
função da demanda de calor específica do cliente.
– As unidades de cogeneração devem ter o tamanho adequado
para o cliente. 
– Disponibilidade de fontes de energia.
Resumo das Tecnologias de Cogeração
•"++" significa que a tecnologia é muito adequada
"+" significa menos adequada
Nenhuna menção significa que não é adequado para produzir este tipo de 
calor 
Existem distintas células de 
combustível, a avaliação não é
possível
Máquinas Térmicas Usadas em Cogeração
•Turbina a gás.
•Turbina a vapor.
•Motor a gás.
•Motor diesel.
•Motor a biogás.
•Motor Stirling.
•Células combustivel.
Turbina a Gás
– Tecnologia muito importante para cogeneração a grande escala.
– Ampla gama de unidades disponiveis: començando por micro 
turbinas de ~30 kWe.
– Redução de emissões de enxofre ou nitrogenio em comparação
com o óleo combustível.
Turbina a Gás
compressor
Motor a Gás
– O motores de combustão interna funcionam com os mesmos
principios que seus homólogos de gasolina e diesel 
– Existem unidades desde 5 kWe até mais de 1.000 kWe
– Maior eficiência elctrica que as turbinas, mas a energia térmica 
apresenta geralmente temperaturas mais baixas
Motor a Gás Motores de Combustão Interna
Motor a Diesel
Imagem: Motor diesel de 5 kWe em um edificio municipal (Amel - Bélgica)
Motor a Biogás
– Se tem biogás disponível, resulta ecologica e economicamente 
viável utilizar um motor a biogás!
Motor a Biogás
Imagem: Motor de biogás de 102 kWe 
em uma pequema localidade (La 
Surizée - Bélgica)
Imagem: Motor de biogás de 1,25 MWe 
em uma Industria alimentícia, Lutosa 
(Electrabel – Bélgica)
Turbina a Vapor
– Tecnologia utilizada para cogeração a grande escala durante 
muitos anos. 
– Gama de unidades disponíveis: desde ~200 kWe.
– Eficiência total geralmente alta, até 84%.
– Funciona com combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos (também 
renováveis).
Turbina a Vapor Motor Stirling
– Estes motores são dispositivos de combustão externa diferente 
dos convencionais.
– Aplicações de pequena escala disponíveis só de 0,2 até 9 kWe.
– Requerem baixa manutenção, as emissões são baixas 
(dependendo da fonte de energia, normalmente gás natural).
Motor Stirling
Radiador
Aquecedor
Cilindro de 
expansão
Pistáo de
expansão
Gerador
Regenerador
Agua de
resfriamento
Cilindro de
compressão
Pistão de
compressão
SOLO 161
Turbina a Gás com Queima Suplementar
Queimador de Efluentes e Turbina a Vapor Cogeração
Cogeração DIAGRAMA PADRÃO DE SISTEMA DE COGERAÇÃO
EMPREGADO PELAS INDÚSTRIAS DO SETOR SUCROALCOOLEIRO
DO ESTADO DE SÃO PAULO
DIAGRAMA PADRÃO DE SISTEMA DE COGERAÇÃO
EMPREGADO PELAS INDÚSTRIAS DO SETOR SUCROALCOOLEIRO
DO ESTADO DE SÃO PAULO
BAGAÇO
H2O DE
REPOSIÇÃO
CALDEIRA
P=22 kgf/cm2
GERADOR
TURBINA
CONTRAPRESSÃO
ENERGIA
MECÂNICA 
VALVULA
REDUTORA 
T= 300 OC
BOMBA
PROCESSO T=140
OC 
P=1,6 kgf/cm2
• NÚMERO DE UNIDADES INDUSTRIAIS QUE UTILIZAM ESTE ESQUEMA = 128
% DA CANA PROCESSADA NESTE MÉTODO = 87,5 (dados de 1997)
H=720 kcal/kg
H=657 kcal/kg
T=90°C
H=90 kcal/kg
Cogeração
Escolha do sistema de Cogeração
Cogeração
Alternativa Com Turbinas A Gás
Cogeração
Alternativa Com Turbinas A Gás
Cogeração
Alternativa Com Turbinas A Gás
Cogeração
Alternativa com Motores a Gás
Cogeração
Alternativa com Motores a Gás
Cogeração Cogeração
Cogeração
Alternativa com Motores a Gás
Cogeração
Alternativa com Motores a Gás
Cogeração
Alternativa com Motores a Gás
Cogeração
Alternativa com Motores a Gás
Cogeração