Aula 1 Curso de Cogeração

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COGERAÇÃO
Centro Federal de Educação Tecnológica 
Celso Suckow da Fonseca
UNEd-ANGRA DOS REIS
Professor: Dr. Nestor Proenza Pérez
Outubro 2017
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Definição de Cogeração. História da cogeração. Aspectos básicos da prática da
cogeração. Seleção de ciclos. Tecnologias de Cogeração. Aplicações de Cogeração.
Tecnologias inovadoras. Impactos da Cogeração. Análise Econômica de Sistemas de
Cogeração.
REFERÊNCIAS BILIOGRAFICAS:
BALESTIERI, J.A.P., "Cogeração: Geração Combinada de Eletricidade e Calor", Editora da 
UFSC, 279 p., Florianópolis-SC, 2002. 
HORLOCK, J. H., "Cogeneration - Combined Heat and Power (CHP): Thermodynamics and 
Economics", Krieger Publishing Company, Flórida, USA, 1997. 
BOYCE, M. P. , “Handbook for Cogeneration and Combined Cycle Power Plants”, 2002.
KOLANOWSKI, B. F. , “Small-scale cogeneration handbook”, 2nd Edition, 2003. 
TEMAS
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SEGUNDA DEFINIÇÃO
É uma técnica de produção simultânea de duas formas de energia térmica e
energia mecânica ou elétrica a partir da queima de um único combustível.
Que coisa é COGERAÇÃO????
Na lingua inglesa definada como:
CHP (combined heat and power)
PRIMEIRA DEFINIÇÃO:
Técnica de conservação de energia primaria que visa a produção de energia
térmica e mecânica / elétrica simultaneamente.
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Método tradicional
Método Cogeração
Economia de energia
Primária (combustível)
(154-100) / 154 = 35 %
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Aumento da eficiência da conversão e uso de energia. (menor custo de energia elétrica
e térmica)
Reduz as emissões para o meio ambiente de todos os principais gases de efeito estufa.
Em alguns casos, podem ser utilizados combustíveis biomásicos e alguns tipos de
resíduos, como gases de refinação, processos ou resíduos agrícolas. Essas substâncias
podem facilmente alimentar a planta de CHP e, se disponível diretamente no local onde
o sistema funcionar, pode aumentar em grande parte a relação custo-rendimento,
especialmente reduzindo os custos de fornecimento de combustível e eliminação de
resíduos. (melhor qualidade da energia produzida)
Uma oportunidade real para desenvolver formas mais descentralizadas de geração de
energia, onde as plantas são projetadas para atender às necessidades dos
consumidores locais, proporcionando alta eficiência, evitando perdas de transmissão e
aumentando a flexibilidade no uso do sistema. (maior confiabilidade de fornecimento de
energia)
A verdadeira oportunidade de aumentar a diversidade na geração de eletricidade e
proporcionar concorrência no mercado de geração de energia. (criar novas
oportunidades de trabalho e de negócios)
Os principais benefícios obtidos quando uma unidade de CHP funciona corretamente são : 
VANTAGENS DA COGERAÇÃO
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DESVANTAGENS DA COGERAÇÃO
Dimensionamento exato, uma vez que a produção de energia precisa combinar o 
máximo possível os requisitos de energia
Disponibilidade de um know-how confiável é crucial
Geralmente associada a altos custos de capital e esforços de manutenção
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Origens
Originária dos sistemas de elevação de carga a partir de gases quentes (smokejacks):
Registros alemães do século XIV;
Emprego na Itália e Alemanha no século XVI;
1685: o inglês John Evelyn tinha um em casa havia mais 
de 100 anos;
1758: Benjamin Franklin sugeriu uso no verão a partir da 
ventilação natural de chaminés.
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Leonardo da Vinci, 1452-1519.
Il Codice Atlantico della 
Biblioteca Ambrosiana di 
Milano. Foglio 21-recto. 
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Desenvolvimento moderno
1870: Máquinas a vapor de eixo alternativo acopladas a geradores em áreas de grande
densidade populacional;
A central de Pearl Street Station, projectada por Thomas Edison, que entrou em funcionamento em 1882, na cidade
de Nova Iorque, foi provavelmente a primeira aplicação deste princípio. Esta produzia electricidade, para a iluminação
pública, e o vapor era direccionado para indústrias e edifícios situados nas proximidades.
- Favoreceria o aquecimento de ambientes;
- Impulso para a difusão da tecnologia;
1909: apenas 150 sistemas de aquecimento de ambientes nos EUA; denominados
vulgarmente por “redes de vapor”, operando com baixos níveis de eficiência.
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Décadas de 20-30: desenvolvimento de sistemas de calefação de ambientes no norte da
Europa, União Soviética e países do bloco comunista;
Nos anos 40, a cogeração nos EUA, 50% de energia elétrica total gerada, e na Europa
30% (Distric Heating) .
Pós-guerra: cresce significativamente o número de centrais de cogeração;
Ao final dos anos 60, Europa 15% e nos EUA 5%, devido a expansão das redes de
transmissão, distribuição e monopólio dos serviços elétricos.
DESIGUALDADES N-S CONSUMO
DE ENERGIA PER CAPITA
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Década de 70: crise do petróleo e resistência de grupos ambientais à energia nuclear
trazem grande impulso à cogeração.
Nos anos 80, a cogeração passou a ser encarada como uma importante alternativa
energética.
Durante os anos 90, foram intensificadas as pressões por processos de conversão
energética sustentáveis e com menores emissões de CO
2
para atenuar os impactos
globais do efeito estufa. consolidação da cogeração através de regulamentação
governamental (por exemplo, o PURPA (Public Utilities Regulatory Policy Act) nos
EUA);
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TIME Magazine: Foto do satélite 20 horas antes e 7 horas depois do 
black out de New York (agosto/2003)
GERAÇÃO CENTRALIZADA COGERAÇÃO
A crise de energia na Califórnia, ano 2001
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Grandes eventos meteorológicos e desastres naturais (terremotos, furacões, tsunamis etc)
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Nos EUA 40 GW de geração adicionais foram acrescidos entre 1980 e 1995, atingindo
54 GW no ano 2000 e com perspectivas de atingir 200 GW ate 2020.
Nos países europeus estima-se que atualmente existam cerca de 97 GW de
capacidade instalada, se espera para 2020perspectivas de se agregar até 150 GW.
Estima-se que a capacidade instalada em Cogeração, a nível global, se encontre
atualmente num valor próximo dos 330 GWe, o que corresponde a cerca de 10% da
capacidade de produção eléctrica mundial
Capacidades instaladas de Cogeração (MWe), 2007
https://www.voltimum.pt/artigos/artigos-tecnicos/cogeracao-evolucao-da
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http://www.turbomar.pt/cat/temas/temas-cogeracao/cogeracao-o-que-e
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Cogeneration & Trigeneration – How to Produce Energy
Efficiently
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No Brasil
Setor elétrico brasileiro fortemente hídrico, aliado à pouca
necessidade de aquecimento de ambientes, não proporcionava
um cenário propício para a cogeração;
Historicamente, a implantação de sistemas de cogeração eram
restritas a aplicações muito específicas, como refinarias e
plataformas de petróleo;
O choque do petróleo, na década de 70, mudou este cenário:
Necessidade de se utilizar a energia de modo mais racional (conservação de
energia): sistemas de cogeração se viabilizaram nas indústrias alimentícias, de
papel e celulose, siderúrgicas e outras
Introdução do álcool combustível (Pró-álcool): cogeração nas usinas
sucroalcooleiras, hoje o setor mais intensivo em cogeração no Brasil
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No ano de 1997 foi instituído um novo marco regulatório para o setor elétrico, chamado
Reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro (RESEB), prevendo grande participação do
capital privado, com o intuito de expansão do sistema de geração e orientada ao preço
de mercado da energia elétrica.
Programa Prioritário de Termelétricas (PPT) em 1999. Disponibilidade de gás natural
impulsionou novas aplicações, como no setor terciário (hotéis, centros comerciais,
hospitais etc);
Criado no ano 2000 o Programa de Incentivo à Cogeração através do Edital 212/2000,
com o objetivo a curto prazo de incentivar o investimento privado em sistemas de CHP
que ofereçam uma capacidade instalada de geração termelétrica aprimorada no país.
No 2002, foi criado o Programa de Incentivo à Fonte de Energia Alternativa (PROINFA)
pela Lei 10.438 para estimular a geração de eletricidade a partir de fontes de energia
renováveis, e o uso de sistemas de cogeração associados a esses sistemas é
promovido através de incentivos de financiamento público disponíveis no Banco
Nacional de Desenvolvimento Econômico (BNDES), subsídios diretos, incluindo redução
de impostos e taxas de importação em equipamentos de cogeração, bem como garantia
de contratos de longo prazo e preços de venda atraentes para empresas de cogeração
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Observa-se os requisitos mínimos, segundo aspectos de racionalidade energética, para
o reconhecimento da qualificação de centrais termelétricas cogeradoras, com vistas à
participação nas políticas de incentivo ao uso racional dos recursos energéticos. De
acordo com o parágrafo 2° do artigo 4° da resolução normativa 235 da ANEEL de 14 de
Novembro de 2006, uma central cogeradora preenche os requisitos mínimos de
racionalidade energética mediante o cumprimento das seguintes inequações:
]kW[fontedaenergiaE
]kW[calorutilidadedaenergiaE
%15
E
E
f
t
f
t



resoluçãoda4artigodo1.paragno
existentetabeladaretiradosfatores%FeX
]kW[instaladanicaeletromecâenergiadecapacidadeE
%F
E
E
X
E
E
oo
e
c
f
e
f
t



fE
= energia recebida pela central termelétrica cogeradora
tE
= energia da utilidade calor, cedida pela central termelétrica
cogeradora, descontando das energias brutas entregues ao
processo as energias de baixo potencial térmico que retornam à
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Principais barreiras:
Energia elétrica ainda apresenta baixo custo;
Equipamentos importados;
Necessidade de ar-condicionado;
Riscos elevados;
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2017
17,400 MW incremento 9,4%
64% Biomassa – 11,200 MW
15,7% Gás natural -2,700 MW
14,3% licor negro – 2,488 MW
Fonte: http://www.cogen.com.br/cogeracao/cogeracao-no-brasil/biomassa Professor Dr. Nestor Proenza Pérez
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Fonte: Estudo Da Cogeração Em Uma Indústria De Beneficiamento De Madeira
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CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE COGERAÇÃO
As tecnologias de cogeração são usualmente classificadas em dois grupos, de acordo
com a ordem relativa de geração de potencia e calor, do ponto de vista do fluxo
energético:
Ciclos “topping”
(ciclo de topo
ou ciclo montante)
: O calor residual do processo de geração de energia eletromecânica é 
recuperado para geração de calor útil.
Fonte: A cogeração de energia e a sua inserção em indústrias arrozeiras 
utilizando a casca de arrozFonte: Combined Heat and Power (CHP)
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BRAYTON
RANKINE
MCI
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Ciclos “bottoming”: 
(ciclo de fundo 
ou ciclo jusante)
O calor residual do processo de geração de energia térmica útil é 
recuperado para geração de energia eletromecânica
Fonte: A cogeração de energia e a sua inserção em indústrias arrozeiras 
utilizando a casca de arroz
Fonte: Combined Heat and Power (CHP)
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Os sistemas comuns que utilizam este ciclo são
aplicações industriais com processos de alta
temperatura tais como fornos de reaquecimento de aço,
fornos de argila e vidro, cimenteiras, refinarias de
petróleo.
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Estratégias de operação
Energia térmica útil: vapor, água gelada, água quente, ar quente etc
Qual delas um sistema de cogeração deve atender prioritariamente?
Restaurante Universitário 
da UnB
(Universidade de Brasilia)
fonte: tese a cogeração e sua inserção ao sistema elétrico.
Gabriel de jesus Azevedo Barja
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Fonte: Charter Cogeneration
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Fonte: Charter Cogeneration
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SELEÇÃO DE TECNOLOGIAS
COMB
E´
S´
E
S
PRODUTO
Bem
de serviço
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PARIDADE TERMICA:
S´ = S
E´ > E 
(Excedente)
E´ < E (Déficit)
PARIDADE ELÉTRICA:
E´ = E
S´ > S (Joga calor fora)
S´ < S (Equip. 
Auxiliares)
E´ = Energia Elétrica produzida na cogeração
S´ = Energia Térmica produzida na cogeração
Setor 
Industrial o 
Terciário
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Modos de operação de Sistemas de Cogeração
Uma vez conhecidas as possíveis tecnologias para implantação de sistemas de
cogeração, torna-se necessário estabelecer regras e definir os modos de operação
destes sistemas. O modo de operação é definido como sendo o caminho no qual o
sistema de cogeração deve operar de maneira a assegurar a viabilidade da instalação e a
utilização racional da energia no processo. Assim, fatores técnicos e econômicos devem
ser correlacionados com o modo de operação escolhido, para completar a validade da
avaliação de implantação de um sistema de cogeração em um determinado
estabelecimento do segmento industrial ou terciário.
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Existem basicamente 3 estratégias normais de operação para o projeto de um
sistema de cogeração:
_ Operação em paridade térmica;
_ Operação em paridade elétrica;
_ Operação econômica.
Existe ainda um quarto modo de operação, que pode ser economicamente
conveniente em situações excepcionais, denominado:
_ Operação em cargas parciais.
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Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é projetado para ser capaz de
produzir os requerimentos térmicos em cada período de tempo considerado, de
maneira que o calor é o produto principal e a eletricidade é um subproduto da
cogeração.
Operação em paridade térmica
O sistema deve ser conectado a rede da
concessionária, de modo a propiciar a
venda de eletricidade excedente ou a
compra de eletricidade adicional para o
caso de déficit, dependendo dos perfis de
demandas do estabelecimento e das
condições operacionais.
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Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é projetado para ser capaz de produzir
os requerimentos elétricos em cada período de tempo considerado (pico ou base), de
maneira que a eletricidade é o produto principal e o calor é um subproduto da cogeração.
Se o calor produzido é insuficiente para satisfazer as necessidades do estabelecimento,
um sistema auxiliar é acionado para produzir esta diferença. Em caso contrário, parte do
calor produzido no sistema de cogeração é rejeitado para o ambiente.
Operação em paridade elétrica
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10 MPa
500 °C
3375 kJ/kg1
2
processo
0.5MPa
210 °C
2875 kJ/kg
10
15
kg/s
3000
6000
kW
demanda de 
vapor
demanda 
elétrica
Determinar a potência elétrica e a vazão de
vapor nos regimes de paridade elétrica e
térmica.
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Estudo de caso – Exemplo 1
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Caracterização do segmento industrial ou terciário
Tanto os segmentos do setor industrial como os do setor terciário podem ser
caracterizados, do ponto de vista da demanda energética associada, como
consumidores de energia elétrica ou mecânica e de energia térmica.
Baseado nesse fato, é possível definir o parâmetro adimensional ALFA,
característico de cada segmento com variações em função do tipo de
tecnologia empregada.
Caracterização do segmento industrial ou terciário
SEGMENTO DO SECTOR
INDUSTRIAL
OU TERCIARIO
S
E
Produção 
ou
Bem estar
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Para ilustrar a
variação deste
parâmetro ALFA, a
tabela apresenta
alguns valores
para diversos
segmentos do
setor industrial e
terciário.
Define-se a relação:
ALFA = E/S
onde:
E – Energia elétrica e/ou mecânica consumida no 
segmento [kW]
S – Energia térmica consumida no segmento [kW]
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Caracterização do sistema de geração
Analogamente à caracterização do segmento industrial ou terciário, o sistema de
cogeração pode ser esquematizado em função dos fluxos energéticos
associados. de modo a permitir a sua caracterização através de uma parâmetro
adimensional BETA.
SISTEMA DE
COGERAÇÃO
S´
E´
Combustível
Caracterização do sistema de cogeração
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Define-se:
BETA = E’/S’
onde:
E' - Energia elétrica e/ou mecânica produzida [kW]
S' - Energia térmica produzida [kW]
O valor de BETA depende do tipo de tecnologia de cogeração utilizada e das
condições de operação. Segundo Kovacik (1982), o valor de BETA varia entre
0,08 a 0,26 para as tecnologias com turbinas a vapor, entre 0,48 a 0,77 para as de
turbinas a gás e entre 0,60 a 1,09 para as de ciclo combinado. Evans (l993)
reporta valores entre 0,4 a 1,0 para as tecnologias utilizando motores de
combustão interna (ciclo Otto ou Diesel). Estudos realizados por Pak e Suzuki
(l990), sobre os valores de BETA para sistemas de cogeração com turbinas a gás
mostram existir uma grande flexibilidade com relação ao valor deste parâmetro.
principalmente em função de modificações possíveis nesses sistemas.
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Typical power‐to‐heat
ratios for diverse
sectors
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Typical power‐to‐heat
ratios for diverse
technologies
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Heat-to-Power Ratio ou relação calor/trabalho
• Parâmetro que pode ser utilizado em avaliação preliminar para
escolha do tipo de tecnologia a ser utilizada.
• Esta razão apresenta valores típicos dependendo do sistema
utilizado, como podemos ver na tabela abaixo.
• Valores de razão calor-trabalho para alguns sistemas
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Relação CALOR/TRABALHO que caracteriza cada tecnologia de cogeração. Uma vez que,
de uma forma geral, essas relações não são coincidentes com as relações de demanda
de potencia e calor da unidade industrial.
Disponibilidade de combustíveis adequados a cada tecnologia, a custos relativamente
Baixos.
Impactos ambientais podem afetar de maneira favorável ou desfavorável.
Custo dos investimentos necessários, bem como aos gastos na operação emanutenção
dos sistemas.
Eficiência de conversão do combustível em energia elétrica.
Disponibilidade operacional dos sistemas de cogeração, que influencia a confiabilidade
do sistema elétrico e o custo final do suprimento.
Critérios de seleção de tecnologias
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Cogeração
Seguros
Energia de 
Back-up
Fornecimento 
de Gás
Manutenção 
das Caldeiras
Manutenção 
das Turbinas
Concepção do 
Projeto
Manutenção 
Elétrica
Operação da 
Planta
Projeto e 
Construção
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A Cogeração provavelmente será mais atraente nas seguintes circunstâncias:
(a)A demanda de vapor e eletricidade é equilibrada, isto é, consistente com a demanda
de vapor: taxas de saída de potência podem ser obtidas a partir de uma planta de
cogeração adequada.
(b) Uma única planta ou grupo de plantas tem demanda suficiente de vapor e
eletricidade para permitir economias de escala a serem alcançadas.
(c) Os picos e descidas na demanda podem ser gerenciados ou, no caso da eletricidade,
sistemas de backup adequados podem ser abastecidos da empresa de serviços públicos.
(d) A proporção de calor/trabalho requerida por um lugar pode variar durante diferentes
horas do dia ou durante as estações do ano. O poder de importação da rede pode
compensar a queda na saída elétrica da unidade de cogeração e as caldeiras em espera
podem satisfazer a demanda de calor adicional.
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