16-Cogeracao

Prévia do material em texto

COGERAÇÃO
Combined Heat and Power (CHP)
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Maio 2012
Energia
Cogeração
Obter duas ou mais formas de energia distintas a partir de uma unica
fonte
COGERAÇÃOFONTE DEENERGIA
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
• Produção simultânea de trabalho e calor a partir da queima de
um mesmo combustível.
• O trabalho mecânico é utilizado, em geral, para acionar um
gerador e produzir energia elétrica, podendo ter outras finalidades
como acionamento de compressores ou propulsão de navios.
• O calor, em geral, é usado como vapor de processo ou água
quente para aquecimento.
• A eficiência global pode chegar a 85%.
Cogeração - Características
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: 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 Cogeração - Características
• Melhor uso da energia do combustível.
• Redução do impacto ambiental, principalmente no que se
refere às emissões gasosas.
• Energia “limpa” que dá direito à venda de créditos de
carbono, no âmbito do Protocolo de Kyoto.
• Como o vapor e a água quente não podem ser levados a
longas distâncias, deverão existir demandas locais para suas
produções.
• Estas características criam condições em favor do avanço
de sistemas de geração distribuída, nos quais os
consumidores finais produzem e consomem a energia que
necessitam.
Usina Térmica Convencional Eficiência na Geração Térmica
Ciclo Aberto com Turbina a Gás
Eficiência na Geração Térmica
Ciclo Combinado
Eficiência na Geração Térmica
Cogeração
Cogeração Cogeração
O Princípio da Cogeração
A Cogeração em comparação com a produção separada
O Princípio da Cogeração
Cogeração Rendimento Total x Calor/Trabalho (Q/W)
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Relação W/Q
E
f
i
c
i
ê
n
c
i
a
 
G
l
o
b
a
l
Rendimento Térmico 40 %
Rendimento Térmico 25 % Perdas Irrecuperáveis 15%
As curvas foram elaboradas considerando-se máquinas térmicas com eficiência de conversão mecânica de 25 % e 
40 %, uma eficiência de recuperação do calor de 80 % e perdas irrecuperáveis de 15 %. 
Energia Útil/
CalorFonte
de
Calor EnergiaElétrica
Perdas
Cogeração - Tecnologias
De acordo com a aplicação específica a que se destina a
cogeração, haverá uma tecnologia mais apropriada ou,
eventualmente, uma combinação delas, quais sejam:
- caldeiras/turbinas a vapor;
- turbinas a gás;
- motores a diesel;
- células a combustível (gás natural/biomassa).
Cogeração - Tecnologias
Motores a diesel:
para potências menores que 20 MW (navios e hospitais, por
exemplo);
• utilizados em conjunto com sistemas de recuperação de calor
para suprimento das necessidades de aquecimento e ar
condicionado;
• apresentam boa eficiência térmica (38 - 42%), mas geram calor
a baixa temperatura, limitando-se na prática ao aquecimento de
água e de ambientes.
• produzidos em série a custo competitivo;
• compactos, exigem pouca infra-estrutura e podem ser
montados rapidamente.
Cogeração - Tecnologias Cogeração - Tecnologias
Turbinas a vapor:
• utilizadas em instalações de maior porte (> 20 MW), onde há
queima de carvão, óleo pesado ou rejeitos industriais, como o
bagaço de cana;
• eficiência térmica relativamente baixa (o que torna o uso de
combustíveis “caros” desaconselhável), mas geram calor à
temperatura necessária ao processo;
• envolvem custos elevados e tempo de instalação longo;
• exigem áreas grandes e quantidades significativas de água de
refrigeração;
• relação potência/calor variável ao longo de uma ampla faixa,
dando flexibilidade à operação.
Cogeração - Tecnologias
Turbinas a gás:
• adequadas em faixas de potência que variam de 5 MW a
1.725 MW;
• utilização de gás natural ou derivados leves do refino (como
querosene ou nafta);
• tempo de instalação curto;
• baixa eficiência térmica quando em ciclo aberto (30 a 35%),
podendo chegar a 50-55% em ciclo combinado.
• relação potência/calor flexível;
•custo relativamente baixo.
Cogeração - Tecnologias
Células a combustível:
• tecnologia desenvolvida para aplicações de diversos
portes, desde pequenas unidades para cogeração
residencial de 1kW a grandes unidades de porte industrial,
de dezenas de kW;
• estima-se que há hoje no mundo mais de 700 células
combustíveis estacionárias para aplicações de grande porte
instaladas no mundo;
• combustíveis mais utilizados: gás natural, biogás e
hidrogênio.
Cogeração - Viabilidade Econômica
A opção pela cogeração, de modo geral, é definida por
condicionantes estritamente econômicas, adotada somente
quando se observam reduções substanciais nos custos de
energia.
Numa análise econômica, deve-se, portanto, considerar os
seguintes pontos:
• custos de instalação, operação e manutenção;
• tarifas de energia elétrica (atuais e futuros);
• preço e disponibilidade do combustível;
• incentivos fiscais;
• retorno financeiro.
Principais Fontes de Energia
SUCROALCOOLEIRO: Bagaço de Cana
PAPEL E CELULOSE: Lixívia, Lenha, Resíduos de
Madeira
METALURGIA: Gás de Alto-forno, Gás de Coqueria
Gás de Aciaria
PETRÓLEO: Gás de Refinaria, Gás Natural
Óleo Combustível
QUÍMICA: Gás de Pirólise, Gás Residual
Gás Natural
OUTROS: Gás Natural, Gás Residual
Cogeração no Brasil
SETORES TWh % % S/SETOR
SUCROALCOOLEIRO 7,0 27,1 114,0
PAPEL E CELULOSE 6,2 24,0 48,3
METALURGIA 4,6 17,8 7,8
PETRÓLEO 4,3 16,7 64,1
QUÍMICA 2,4 9,3 11,0
OUTROS 1,2 4,7 0,8
TOTAL 25,8 100,0 7,2
Fonte: EPE, 2006
Cogeração no Mundo
Participação dos sistemas de cogeração na oferta de eletricidade
(WADE World Alliance of Decentralized Energy, 2003)
Cogeração: Mercado Potencial PDEE
Térmica
21,1%
PCH, 
PROINFA, 
outros
5,1%
Hidráulica
73,8%
Expansão Geração:
-
-
5.907
1.908 
 3.654 
 1.362
 573
8.268 
4.688 
 5.967
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
PCH, PROINFA, outros
Térmica
Hidráulica
5.369
2.796
A
c
r
é
s
c
i
m
o
 
a
n
u
a
l
 
(
M
W
)
Média Investimento Anual
 (2006-2015):
R$ 10.461,5 milhões
• 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.
O Princípio da Cogeração
A Cogeração em comparação com a produção separada
Vantagens Ambientais - Exemplo NOx Cogeração
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 kW.
– 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 kW até mais de 1.000 kW
– 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 kW em um edificio público (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 kW em
uma pequema localidade (La Surizée -
Bélgica)
Imagem: Motor de biogás de 1,25 MW
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 kW.
– 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 kW.
– 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 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 Cogeração em Usinas de Açúcar
Ciclo Tradicional de Contrapressão
Fluxograma Esquemático do Ciclo Tradicional de Contrapressão
Modificado para Geração Máxima de Excedentes de Energia Elétrica
Ciclo de Condensação e Extração
Fluxograma Esquemático do Ciclo de Condensação e Extração em Co-geração
 Topping para Geração Máxima de Excedentes de Energia Elétrica
BIG-STIG Biomass Integrated Gasification
Steam Injected Gas Turbine
Fluxograma Esquemático do Ciclo BIG em Co-geração Topping
BIG-GTCC Biomass Integrated Gasification
Gas Turbine Combined Cycle
Fluxograma Esquemático do Ciclo BIGGTCC em Co-geração Topping
Ciclo de Condensação e Extração