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Aspectos gerais da cogeração
Publicado em 19/05/2006 às 00h00
1- Introdução


Embora conhecida desde o início do século XX, a cogeração foi cogitada quando do primeiro impacto no preço do petróleo, foi estudada quando do segundo impacto e, efetivamente, incrementada a partir da década de 80.


A cogeração surge como tecnologia cada vez mais importante, pois, garante maior aproveitamento da energia disponível no combustível e consiste, basicamente, na produção combinada de calor e trabalho mecânico ou eletricidade, destinando-se ambos ao consumo interno ou de terceiros e minimizando, desta forma, os terríveis efeitos da segunda lei da Termodinâmica.


Definições de cogeração que impõem a produção de eletricidade estão vinculadas ao histórico hidroelétrico brasileiro e ao paradigma, fortemente enraizado na cultura tecnológica brasileira, de que trabalho mecânico só se realiza com acionadores elétricos.



Do ponto de vista estritamente termodinâmico, a vantagem da cogeração é evidente, mas, infelizmente, nem sempre o investimento requerido traz rentabilidade atrativa.



A vantagem competitiva da cogeração é afetada por fatores conjunturais e pela legislação vigente. Sua lenta implantação no Brasil parece ser decorrente do elevado custo financeiro associado ao investimento inicial.



No entanto, quando se considera a implementação de restrições as emissões de poluentes atmosféricos, a necessidade de garantir auto-suficiência energética e de limitar as conseqüências da elevação no preço do petróleo, a cogeração pode valorizar e viabilizar combustíveis regionais (renováveis ou não) contribuindo para aumentar, simultaneamente, a eficiência e a autonomia energética do País.




Ela requer menores recursos de capital para a geração elétrica quando comparada com a hidroeletricidade ou mesmo com plantas de geração termoelétrica, por isto mesmo, ela pode provocar o aumento da participação de capital da iniciativa privada na produção de energia.


Ela reduz o impacto ambiental e traz reflexos positivos na produtividade e, neste contexto, a tri-geração, ou o processo "alargado" de cogeração, ou ainda, a produção simultânea de eletricidade, calor e frio (através de um ciclo de absorção), mostra-se como estratégia promissora, principalmente, em decorrência das recentes descobertas de gás natural.



As micros cogeração e trigeração com potências que não ultrapassam 250 kW, estão ligadas ao conceito de energia descentralizada e localizada, isto é, ela é produzida onde é consumida evitando-se perdas nas redes de distribuição.



1.1 - Potencial de utilização



Os usuários de sistema são instalações onde há necessidade simultânea e contínua de calor, eletricidade ou frio e com período de funcionamento de, pelo menos, 4500 horas por ano.
Estas características encontram-se, freqüentemente, nas indústrias sucroalcooleira, química, petroquímica, de papel e celulose, alimentícia, de bebidas, na farmacêutica, têxtil, cerâmica, entre outras.



Contudo, no setor terciário, a cogeração ou a trigeração está provocando ser uma solução adequada para hotéis, hospitais, centros esportivos ou comerciais, edifícios de escritórios, hipermercados, campus universitário, aeroportos, etc.



Jose o Brasil tem cerca de 90.000 MW de capacidade instalada e do total de eletricidade produzida, apenas 4% é energia cogerada.



Em torno de 90% da nossa capacidade instalada é proveniente de hidroelétricas o que significa que elas continuarão a desempenhar um papel importante no atendimento a crescente demanda de eletricidade, pelo menos ao longo das duas próximas décadas.



O restante é fornecido por termoelétricas a óleo, carvão e nuclear, além de unidades isoladas a Diesel que atendem, principalmente, a região norte. Poderíamos acrescentar os 15 MW, da região nordeste, disponibilizados por turbinas eólicas.



No Canadá, China, Alemanha, Estados Unidos o percentual de energia cogerada varia entre 8 e 11. A Holanda tem 20%, a Dinamarca 27,5% e a Rússia 30% de eletricidade proveniente de centrais de cogeração.



1.2 - A legislação



Vem sendo esboçada desde 1981 com forte reestruturação na década de 90 com o processo de privatização.



Hoje, apesar de uma série de Resoluções da Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica), órgão regulador e fiscalizador dos serviços de energia elétrica, a expansão da geração esbarra na falta de uma definição clara e de procedimentos consolidados em relação à conexão entre os produtores independentes de eletricidade coma rede de distribuição das concessionárias.



Além da Aneel, existem: o Operador Nacional do Sistema Elétrico (NOS), responsável pela operação do sistema de transmissão e o Mercado Atacadista de energia (MAE) que através de sua Administradora gerencia as transações entre produtores e compradores de energia.



O produtor pode ser classificado como auto produtor que é a pessoa física, jurídica ou empresas reunidas em consórcio com autorização para gerar energia elétrica destinada ao seu uso exclusivo.



Pode ser classificado, também, como produtor independente, pessoa jurídica ou um consórcio de empresas que recebe concessão ou autorização para gerar e comercializar toda ou parte da energia que produz.



Há, também, duas modalidades de consumidores: os cativos e os livres.



Estes últimos podem optar por comprar energia de qualquer de concessionário, permissionário ou autorizado do sistema elétrico interligado. São consumidores de alta potência atendidos em tensão igual ou superior a 69 kV.



O produtor independente pode vender energia elétrica:



- a concessionária;

- ao consumidor caracterizado como livre;

- ao consumidor integrante do complexo industrial que também recebe vapor;

- aos consumidores de maneira geral em condições ajustadas com a concessionária local de distribuição e,

- a qualquer consumidor que prove que a concessionária local não tem condições de fornecer energia num prazo de 180 dias após sua solicitação.



2 - Tecnologias empregadas



Existem dois sistemas de cogeração em função da seqüência ou da ordem na produção do trabalho e do calor.



Um chamado superior (topping cycle) ou de cabeça, o mais freqüente, onde o combustível é queimado para a produção de energia mecânica ou elétrica, em primeiro lugar e o calor rejeitado, de moderada ou baixa temperatura, é levado ao processo para aquecimento ou refrigeração.








O outro é ciclo inferior ou de cauda (bottoming cycle) onde a energia primária do combustível é utilizada diretamente para satisfazer os requisitos térmicos do processo e o calor rejeitado é usado para geração de energia elétrica.




Estes ciclos se apresentam em processos onde há necessidade do vapor a alta temperatura como nas indústrias siderúrgicas, químicas e na produção do cimento.



Numa seleção preliminar, os fatores mais importantes que afetam a seleção do ciclo de cogeração são:



- A relação x = S / E um parâmetro adimensional e característico de cada setor que relaciona as demandas elétricas e térmicas;


- A qualidade térmica exigida do fluido de trabalho, ou seja, suas condições de pressão e temperatura;


- O combustível a ser utilizado considerando seu custo e sua disponibilidade;


- O tamnho do sistema e


- Os custos dos equipamentos que, evidentemente, dependem da tecnologia selecionada.


- O gráfico representa a situação de um centro consumidor em um ponto no qual se informa a necessidade de energia elétrica e de calor útil para o processo.



Este mapa energético inclui duas linhas que contém pontos indicados por A e D e B e C. Eles representam pontos de operação da planta da cogeração.







Ponto A: paridade elétrica com requerimento de um sistema auxiliar para a geração de calor útil. O sistema de cogeração atende a demanda elétrica mas, não chega a produzir a energia térmica exigida.



Ponto B: paridade térmica com importação de eletricidade. É necessário comprar eletricidade da rede, já que o sistema implementado não produz o suficiente.



Ponto C: paridade térmica com exportação de eletricidade. Como se produz uma quantidade de eletricidade maior que a demandada este excedente pode ser vendido.



No momento, as tecnologias mais importantes para a cogeração, disponíveis no mercado, são:



* Turbina a gás (ciclo Brayton);

* Turbina a vapor (ciclo Rankine);

* Ciclo combinado;

* Motor alternativo de combustão interna e

* Micro turbinadas



2.1 Turbina a gás



A turbina a gás é, relativamente, compactada e leve; é fácil de transportar, instalar e atinge a plena carga rapidamente.



Outras vantagens são: a manutenção simples; a baixa poluição ambiental e a disponibilidade de energia térmica a temperaturas elevadas.



Suas desvantagens estão ligadas a baixa qualidade termodinâmica do ciclo Brayton e a necessidade de combustíveis limpos.



Existe uma grande dispersão no parâmetro eficiência, em função da tecnologia empregada na fabricação destas turbinas. A eficiência do ciclo Brayton também depende da taxa de compressão de ar de combustão e fica entre 30 e 40% e limitada à resistência dos materiais e, pregados.



Muitas vezes são injetados água ou vapor na turbina a gás para aumentar a potência gerada na máquina e reduzir as emissões de NOx, com a redução da temperatura dos gases. A água é injetada na própria câmara de combustão, enquanto o vapor, após a câmara e antes da primeira roda de palhetas da seção quente da turbina.



Outros recursos são usados como o resfriamento intermediário (o intercooler) e a regeneração, no entanto, a modificação de maior sucesso é o ciclo combinado que aproveita a energia térmica dos gases de exaustão da turbina a gás para geração de vapor.



O uso da turbina a gás na cogeração proporciona uma eficiência global de, aproximadamente, 75%. Da energia total intrínseca do combustível utilizado, cerca de 30% é convertida em energia mecânica.



O restante encontra-se nos gases de exaustão, expulsos a temperaturas de ordem de 500 -- 600ºC.







2.2 - Turbinas a vapor



É a opção tecnológica mais difundida na industria com grandes necessidades de potência e onde são indispensáveis elevadas quantidades de vapor para o processo.



A vasta utilização da turbina a vapor pode ser parcialmente atribuída a sua longa vida útil e a sua adequação ao uso de uma variedade enorme de combustíveis.



Dependendo de sua finalidade, a instalação pode dispor, de turbinas condensantes, condensantes de extração controlada ou de contrapressão.







Segundo trabalho realizado pela FIESP/CIESP(2.001) a produção de energia a partir do bagaço da cana, quando gerenciada com cuidados ambientais, tende a ser melhor aceita por ser renovável, de caráter sustentável, com resíduos reaproveitáveis, e de inserção adequada na questão de emissões de gases do efeito estufa. Ambientalistas representantes das organizações não governamentais (ONGs) SOS Mata Atlântica (Mário Mantovani) e Greenpeace, aprovaram a produção de energia pelo bagaço da cana, considerando-a ambientalmente adequada, por possibilitar a captura do dióxido de carbono (CO2) emitido no processo da geração de energia com o próprio cultivo da cana de açúcar, através da fotossíntese. As alterações ambientais e os impactos (alterações significativas) desencadeados nas diferentes etapas do sistema de geração de energia do bagaço, desde o cultivo da cana até a colocação da energia na subestação da distribuidora, são diversificados e necessitam ser previstos e amenizados. A cana de açúcar é uma das plantas mais eficientes na realização da fotossíntese, ou seja, possui uma grande capacidade de fixar e capturar CO2.



A queima de resíduos da cana-de-açúcar produzem substancial liberação de carbono na forma de CO2. Entretanto no balanço do caso de biomassa, o resultado é praticamente nulo, pois através da fotossíntese, a biomassa queimada é reposta no ciclo seguinte da cultura. A tabela 1 faz uma comparação das emissões de C02 na geração de energia elétrica entre biomassa e combustíveis fósseis.





























Tipo de combustível
Emissões
(kg CO2/kWh)
Condições
Cana-de-açúcar
0,057 - 0,11
Ciclo completo incluindo energia indireta
dos equipamentos e insumos.
Madeira
0,0465
Ciclo completo incluindo energia indireta
dos equipamentos e insumos.
Óleo Combustível
0,85
Somente queima de combustível.
Gás Natural
0,38
Somente queima de combustível.




2.3 - Ciclo combinado



Os gases de exaustão da turbina a gás, que se encontram a elevada temperatura, são utilizados para a produção de vapor em uma caldeira de recuperação, com ou sem queima suplementar.



A combinação dos ciclos Brayton e Rankie apresenta grande flexibilidade na produção de calor e eletricidade face às várias possibilidades de arranjo, além de apresentar uma eficiência maior quando comparada com a dos dois ciclos isoladamente.



Na cogeração realizada com o ciclo combinado, a turbina a vapor ou a própria caldeira de recuperação devem oferecer possibilidades de fornecimentos de vapor ao processo,



Tudo isto, na verdade, depende do investimento a ser feito, da flexibilidade operacional desejada, mas, sempre, buscando a compatibilidade do ciclo proposto com o processo consumidor de trabalho e calor.







Uma central como esta pode atingir um rendimento de até 90% quando se aproveita a energia remanescente nos gases de exaustão para produzir calor e frio.



Diferentemente da eletricidade, existem fortes limitações técnicas para transporte do calor e, principalmente, do frio.



O limite de distância para o transporte do vapor ser economicamente viável fica em torno de 5 km. Para o frio, usando como veículo água gelada, a distância econômica não passa dos 500 m.



2.4 - Motor alternativo de combustão interna



Aparecem mais nas pequenas indústrias e no setor terciário na produção de energia de emergência. Eles podem cogerar desde que as necessidades térmicas sejam pouco significativas.



O aproveitamento do calor ocorre com a utilização da energia contida nos gases de exaustão e/ou nos fluidos de refrigeração e lubrificação. A quantidade de calor recuperada depende do tipo e porte do motor e de seu regime operacional.



O calor que precisa ser rejeitado do óleo lubrificantes e do fluido de refrigeração é limitado a produção de água quente.



Já os gases de escape podem ser aproveitados diretamente ou, conduzidos à caldeira de recuperação, para gerar vapor, no entanto, não é recomendável liberá-los a temperatura abaixo de 150 -- 180ºC para evitar problemas de corrosão.



A eficiência global ronda os 70%, sendo que, cerca de, 30% da energia do combustível é transformada, diretamente, em energia mecânica e, perto de 40%, em energia térmica através dos recursos já mencionados.







2.5 - Micro turbinas



São sistemas de dimensões reduzidas, com potência total disponível não superior a 250 kW. Caso a potência fique na faixa de 250 kW a 1 MW é, usualmente, empregado o termo mini turbina.



Estas pequenas turbinas a gás têm a função principal de produzir eletricidade. O calor liberado na combustão pode elevar a temperatura da mistura ar -- combustível ou usada para outro fim, acoplando ao sistema, equipamento adicional.
Fonte: Revista ALCOOLbrás - Nº 100 - Ano VIII - Março/2006
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