COOGERAÇÃO DE ENERGIA - ENGENHARIA MECANICA INTEGRADA

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UNIVERSIDADE PAULISTA
Curso: Engenharia Mecânica
 
 
 
 
 
 
 
 
189R - Eng. Mecânica Integrada
 
 
 
 
 
 
RIBEIRÃO PRETO 2020
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO................................................................................................................4
2.FUNCIONAMENTO ..................................................................................................6
2.1. Aproveitamento de Energia......................................................................6
3.TENDÊNCIAS GLOBAL ..............................................................................................7
4. BENEFÍCIOS ............................................................................................................8
4.1. Como Funciona? .......................................................................................9
5.0 SISTEMAS A VAPOR: CALDEIRAS, TURBINAS E GERADORES ..................................10
6.0. CONCLUSÃO ........................................................................................................12
7.0. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................13
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Aproveitamento de energia .........................................................................4
FIGURA 2 – Aproveitamento de energia elétrica............................................................5
FIGURA 3 – Funcionamento do processo .......................................................................6
FIGURA 4 – Benefícios ........................................................................................................8
FIGURA 5 – Esquema de processos ...........................................................................9
FIGURA 6 – Fluxograma .......................................................................................10
1.INTRODUÇÃO
Por mais eficiente que seja um gerador termelétrico, a maior parte da energia contida no combustível usado para seu acionamento é transformada em calor e perdida para o meio-ambiente.
Trata-se de uma limitação física que independe do tipo de combustível (diesel, gás natural, carvão etc.) ou do motor (a explosão, turbina a gás ou a vapor etc.). Por esta razão, no máximo 40% da energia do combustível do diesel usado em um gerador podem ser transformados em energia elétrica. Até à década de 40, a cogeração de energia era um processo recorrente dado que, não se contava com grandes centrais hidroelétricas ou outras formas de obter energia limpa a uma grande escala. Com o passar do tempo e os desenvolvimentos tecnológicos e ambientais a cogeração foi perdendo terreno. Apesar disso, não caiu no esquecimento e por ser uma forma barata, simples, segura e amiga do ambiente, esta forma de obter energia tem-se revelado atrativa até porque uma parte da energia gerada na produção de energia elétrica a partir de combustíveis fósseis, por exemplo, é libertada sob a forma de calor e pode ser aproveitada para aquecimento de ar, água entre outras utilizações. Há vários tipos de cogeração de energia como a produção simultânea de energia térmica e energia mecânica, a partir de um único combustível ou o tipo mais comum que compreende a produção de energia elétrica e energia térmica, a partir de biomassa ou gás natural.
Figura 1 – https://www.comgas.com.br/para-industria/cogeracao/
Como muitas indústrias e prédios comerciais necessitam de calor (vapor ou água quente), foi desenvolvida uma tecnologia denominada cogeração, em que o calor produzido na geração elétrica é usado no processo produtivo sob a forma de vapor. A vantagem desta solução é que o consumidor economiza o combustível que necessitaria para produzir o calor do processo. A eficiência energética é, desta forma, bem mais elevada, por tornar útil até 85% da energia do combustível.
Figura 2 – https://www.comgas.com.br/para-industria/cogeracao/
O inconveniente da cogeração é que o calor só pode ser usado perto do equipamento, o que limita estas instalações a unidades relativamente pequenas se comparadas com os geradores das concessionárias. Até meados do século XX, a cogeração chegou a ser muito usada nas indústrias, perdendo depois a competitividade para a eletricidade 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 setor elétrico voltou a estimular a produção elétrica 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 adoção deste processo eficiente. Hoje, na Holanda e na Finlândia, a cogeração já representa mais de 40% da potência instalada. A biomassa é um combustível que é facilmente encontrado, é de baixo custo e tem emissões poluentes baixas. O gás natural apesar de também ser muito usado tem um custo superior à biomassa
2.FUNCIONAMENTO
2.1. Aproveitamento de Energia
O impacto ambiental é muito reduzido e esta vantagem levou mesmo a União Europeia a ter definido para 2010 a produção de 18% de energia elétrica através da cogeração. Vários países foram definindo igualmente as suas metas internas e lançando benefícios como a redução de tarifas de uso do sistema elétrico.
Figura 3 - https://www.comgas.com.br/para-industria/cogeracao/
Os sistemas de cogeração de energia mais usados são as turbinas a gás ou vapor (caldeiras que produzem vapor), motores de combustão interna (ciclo de Otto ou Diesel), geradores elétricos, caldeiras de recuperação e trocadores de calor, sistemas de chillers de absorção que usam calor para produzir frio (ar condicionado), geradores elétricos, transformadores e equipamentos elétricos associados. As centrais de cogeração têm uma potência mínima de 15kW e podem ir até dezenas de MW. Desta forma, qualquer consumidor de energia elétrica e térmica pode instalar o seu sistema não estando esta forma de produção de energia limitada a grandes indústrias ou a avultados projetos.
3.TENDÊNCIAS GLOBAL
Por enquanto, a geração distribuída não opera inteiramente conectada à rede de distribuição de eletricidade do Brasil, mas estudos apontam que, até 2020, esse modelo de geração crescerá 40% mais rápido do que a demanda global por eletricidade. A tendência é mesmo global. No mundo, já existem mais de 9 mil unidades de cogeração da área de energia distribuída da GE Power & Water, com uma potência elétrica total de aproximadamente 11.000 MW — apenas 3.000 MW a menos que a potência elétrica da Usina de Itaipu. Anualmente, são gerados mais de 66 milhões de MW/h de eletricidade e mais de 60 milhões de MW/h de calor com as nossas soluções para cogeração. 
É muita energia gerada. E é exatamente esse o caminho que estamos trilhando para o futuro: a cogeração é um dos modelos de energia distribuída mais eficientes do mundo. Com as soluções inovadoras da área de energia distribuída da GE, como turbinas aero derivadas e os motores a gás Jenbacher e Waukesha, geramos energia elétrica e térmica a partir de resíduos orgânicos.
4. QUAIS OS BENEFÍCIOS?
São muitos os benefícios. Com o uso do biogás para a cogeração de energia, o desperdício é reduzido nos processos produtivos, além de substituir o uso de combustíveis fósseis. Em indústrias de alimentos e bebidas, é possível cortar até 10% dos custos em energia. Ainda, se compararmos um sistema de cogeração com motor a gás e outro que utiliza equipamentos de geração de eletricidade e calor separadamente, atingimos uma economia de energia de até 40%! 
Figura 4 - https://gereportsbrasil.com.br/sem-perdas-nem-desperd%C3%ADcio-saiba-tudo-sobre-cogera%C3%A7%C3%A3o-41505521c356
4.1. Como Funciona?
Na maioria das vezes, processos industriais geram resíduos combustíveis. É o caso da palha de arroz, sobras de papel ou o bagaçoda cana, exemplos de biomassa — antes desprezados por usinas e fábricas -, e que podem ser transformados em biogás. Rico em metano, o biogás é processado pelos motores Jenbacher, Waukesha ou pelas turbinas aero derivadas. Com isso, se tem uma quantidade de energia elétrica e calor, em forma de vapor ou água quente, prontinha para ser usada no processo produtivo.
Figura 5 – https://gereportsbrasil.com.br/sem-perdas-nem-desperd%C3%ADcio-saiba-tudo-sobre-cogera%C3%A7%C3%A3o-41505521c356
5.0. SISTEMAS A VAPOR: CALDEIRAS, TURBINAS E GERADORES
Atualmente, no Brasil e em todo o mundo, somente sistemas a vapor são encontrados nas usinas de cana-de-açúcar. Esta é uma tecnologia amplamente conhecida pelo setor e, no Brasil, são utilizados majoritariamente equipamentos de fabricação nacional. Diversos fabricantes de caldeiras, turbinas a vapor e geradores elétricos são encontrados na indústria nacional, sendo que muitos também atendem o mercado externo. Os sistemas de cogeração mais eficientes em operação no setor de cana-de-açúcar nacional são ciclos a vapor que trabalham com vapor vivo a 65 bar de pressão (variando entre 60 e 65 bar na maioria dos casos) e 480ºC de temperatura. A tendência verificada junto aos fabricantes é o emprego de parâmetros mais elevados na geração de vapor, propiciando maior eficiência na geração elétrica. Existem diversas consultas de usinas para viabilizar sistemas que operem a mais de 80 bar de pressão, embora as vendas ainda se concentrem em sistemas de 42 e 65 bar. Foi verificado que um projeto, atualmente em construção, conta com um sistema de 90 bar de pressão. O aumento da temperatura do vapor gerado pelas caldeiras é outro fator considerado para aumento de eficiência na geração elétrica. São encontradas no mercado caldeiras de 65 e 90 bar com temperatura máxima de 520°C. Segundo fabricantes de caldeiras, existe uma limitação econômica para o emprego de temperaturas mais altas na geração do vapor vivo, uma vez que no Brasil são produzidos aços que podem suportar temperaturas de até 520ºC. O emprego de aços especiais, que suportam temperaturas acima deste nível, teria que ocorrer com a importação do material ou por encomenda de lotes específicos à indústria nacional, o que torna os custos proibitivos.
Também foi verificada uma tendência de aumento da capacidade de geração de vapor das caldeiras destinadas ao setor sucroalcooleiro. Atualmente, a maior parte das vendas destina-se a caldeiras de capacidade de geração de vapor de 150 a 250 t/h e eficiência acima de 85% (base PCI), segundo os fabricantes. Novos projetos em fase de conclusão e alguns já instalados contam com caldeiras de 300 a 450 t/h de vapor gerado. A tendência, quando se trata de caldeiras de maior capacidade, é a construção de caldeiras do tipo monodrum. Essa tecnologia é novidade no setor sucroalcooleiro, mas já vem sendo empregada há vários anos, no Brasil e no mundo, em setores como o de papel e celulose, petroquímicas e termelétrico. Segundo os fabricantes, a tecnologia possibilita a adoção de grandes vazões de vapor e pressões superiores a 100 bar. Com relação às turbinas a vapor nacionais, verificou-se que os sistemas mais modernos vendidos atualmente para o setor de cana-de-açúcar são turbinas que operam com vapor de entrada a 65 bar e 490ºC e com sistemas de condensação e extração controlada e contrapressão. A potência das turbinas nacionais, segundo os fabricantes, está limitada a 50 MW por motivos econômicos, uma vez que os geradores elétricos nacionais atendem somente até esse nível de potência, sendo a importação desinteressante do ponto de vista da viabilidade do investimento.
Foi verificado que existe tecnologia na indústria nacional para produção de turbinas a vapor de reação com potência de até 150 MW, operando com vapor de admissão de até 120 bar e 530°C, mas destinadas ao mercado externo. Alguns projetos estão em andamento visando à compra de turbinas de 85 bar e 520ºC. Entretanto, parte significativa das vendas ao setor estava concentrada em turbinas que operavam com vapor a 22 bar/320ºC (sistemas que apenas viabilizavam a autossuficiência do atendimento elétrico) e 42 bar/420ºC (que permitiam a geração de excedentes elétricos modestos); a partir de 2007 a maioria dos equipamentos vendidos são para condições de vapor acima de 60 bar, possivelmente motivado por financiamentos mais favoráveis para esta situação.
Para simulação do excedente de eletricidade gerado pelas destilarias dentro dos cenários de evolução tecnológica nos horizontes de 2015 e 2025 apresentados nestas projeções, foram consideradas duas variantes associadas à hipótese de produção, ou não, de etanol por hidrólise do bagaço. Diferentes configurações de sistema de cogeração foram simuladas baseando-se na disponibilidade de combustível (bagaço e palhiço) e na introdução ou não da planta anexa de hidrólise.
As configurações de sistema de cogeração foram simuladas com o emprego de um software de simulação de sistemas de potência a vapor, desenvolvido em linguagem orientada para o objeto, utilizando como base o software comercial Delphi. O módulo “Potência” do programa de simulação permite a realização dos cálculos termodinâmicos da configuração definida pelo usuário. A figura reproduz a tela Fluxograma do programa. A configuração objeto de análise pode ser definida (i) nos modos de operação cogeração ou termoelétrico, (ii) com um ou dois níveis de pressão na geração de vapor, (iii) com emprego de turbinas de contra pressão ou de extração-condensação (até duas extrações de vapor podem ser consideradas), (iv) com eletrificação ou não da moagem e do preparo da cana, etc.
Figura 6 - https://www.novacana.com/usina/cogeracao-como-funciona-producao-energia-eletrica
6.0. CONCLUSÃO
A cogeração de energia é extremamente importante para que as indústrias sucroalcooleiras tenham custos mais baixos e possam atender o país em caso de crise hídrica. Investir no melhoramento de equipamentos para esta cogeração deixa de ser uma melhoria e passa a ser uma alternativa energética e porque não dizer também, representa um ganho financeiro para o produtor. Aquelas que não “inovarem”, se adequando as novas tecnologias, serão absorvidas pelo mercado, ficando assim defasadas. Pôde-se observar, com o uso de modelos matemáticos para a simulação de cenários, que a troca dos geradores de contrapressão por um de maior potência terá um impacto relevante quanto à cogeração de energia. Quando se pensa em compra ou troca a primeira frase que vem à mente é “custos de investimentos” e isto explica a hesitação dos empresários na aquisição dos equipamentos, mas o estudo de caso mostra que é possível a realização deste investimento e que o payback é satisfatório, tornando o mesmo viável. Além disso, é importante salientar que a partir do estudo dos cenários prospectivos de venda de energia e de bagaço o projeto pode se adequar a diferentes realidades de unidades sucroalcooleiras. E com o ponto de equilíbrio identificado a indústria pode alternar entre a venda do bagaço e da energia de acordo com as vantagens econômicas deles, de forma ela não terá prejuízos
7.0.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
https://www.comgas.com.br/para-industria/cogeracao/
https://gereportsbrasil.com.br/sem-perdas-nem-desperd%C3%ADcio-saiba-tudo-sobre-cogera%C3%A7%C3%A3o-41505521c356
Barbeli, M. C. A cogeração de energia e sua importância do ponto de vista técnico, econômico e ambiental. Empreendedorismo, Gestão e Negócios, v. 4, p. 238-246, 2015.
Clementino, L. D. A conservação de energia por meio da cogeração de energia elétrica. São Paulo: Érica, 2001.
https://hypescience.com/novo-material-transforma-calor-em-eletricidade-de-maneira-mais-facil/
https://www.novacana.com/usina/cogeracao-como-funciona-producao-energia-eletrica
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