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Cogeração

Cogeração

A cogeração é o processo de produção simultânea de energia mecânica (geralmente transformada em energia elétrica) e calor. O calor pode ser usado para aquecer edifícios e / ou para processos de produção industrial.

O espectro de eficiência elétrica e térmica em relação às usinas de cogeração varia de algumas a centenas de quilowatts. Desde o ano 2000, aproximadamente, as chamadas mini e micro usinas com produção combinada de residências unifamiliares, pequenas empresas e hotéis estão disponíveis para cada vez mais no mercado o tamanho de uma máquina de lavar. Em 2009, a VW lançou um projeto que prevê a instalação de 100.000 pequenas centrais de cogeração, com um rendimento total de cerca de 2 GW.

Geralmente, uma planta de cogeração é composta por:

  • Primeiro motor;
  • Gerador elétrico;
  • Sistema motor;
  • Unidades de recuperação de calor;

Se eles fossem divididos por mecanismos principais, poderíamos distinguir:

  • Plantas Turbogas;
  • Turbinas a vapor;
  • Motores alternativos à combustão interna.

Exemplo de cogeração

A operação de um carro dá um exemplo: a energia retirada do eixo de manivela é usada para tração e produção de eletricidade, o calor subtraído dos cilindros para aquecer o compartimento dos passageiros e a pressão dos gases de escape para mover o eixo de manivela. turbina do compressor A exploração de calor e pressão não implica um aumento no consumo, pois são remanescentes do processo de conversão de energia química em energia mecânica aplicada pelo motor.

Sua exploração permite a transformação da energia primária introduzida (o combustível fornece energia química) em diferentes formas de energia secundária produzida (movimento, calor). Um sistema que opera a partir da cogeração é chamado de co-gerador.

CHP usa

A energia térmica L 'pode ser usada para uso industrial ou ambiental (aquecimento, resfriamento).

A cogeração é realizada em particular nas usinas termelétricas, onde são recuperados água quente ou vapor e / ou fumos do processo, produzidos por um motor primário movido a combustível fóssil (gás natural, óleo combustível, etc.) ou combustíveis não orgânicos. fósseis (biomassa, biogás, gás de síntese ou outros): isso gera economia de energia significativa em comparação à produção separada de eletricidade (através da geração na usina) e energia térmica (através da usina termelétrica tradicional).

Um campo particular dos sistemas de cogeração é o da trigeneração.

Definição de eficiência

A eficiência pode ser expressa de diferentes maneiras, que nem sempre levam a uma comparação correta entre as várias plantas. As definições adotadas pela Agência de Proteção Ambiental (EPA) são ilustradas abaixo.

A eficiência de um processo simples é a relação entre a energia conservada, no final do processo, e a energia de entrada.

Como os sistemas de cogeração produzem eletricidade e calor, sua eficiência total é dada pela soma da eficiência elétrica e da eficiência térmica. Por exemplo, uma planta que usa 100 MWh de metano para produzir 40 MWh de eletricidade e 40 MWh de calor tem uma eficiência elétrica e térmica de 40% e uma eficiência geral de 80%.

A EPA preferencialmente usa outra definição de eficiência conhecida como "eficiência de combustível", a relação entre produção elétrica líquida e consumo líquido de combustível (que não leva em conta o combustível usado para produzir energia térmica utilizável, calculado assumindo uma eficiência específica de 80% caldeira) O recíproco dessa relação é a quantidade líquida de calor.

Existem também outros índices de avaliação de desempenho de uma planta de cogeração: o primeiro é o chamado IRE, índice de economia de energia. Esse índice é definido como a razão entre a diferença de potências absorvidas por usinas individuais para a produção de eletricidade e energia térmica separadamente, menor que a absorvida pela usina de cogeração, dada a potência absorvida pelas usinas separadas, sendo essa potência avaliada em termos de combustível em igual potência elétrica e térmica produzida pelas respectivas usinas. Esse índice fornece a idéia de quanta energia pode ser economizada com esses sistemas; É possível, através de cálculos analíticos simples,

Outros índices importantes são o índice elétrico definido como a relação entre a energia elétrica fornecida e a energia térmica produzida pela mesma usina de cogeração, o coeficiente de utilização esperado como a soma das relações entre energia elétrica e energia e energia absorvidas térmica e que introduzido.

No entanto, todos esses coeficientes estão relacionados a um momento específico ao intervir em seus poderes e, por esse motivo, esses índices são úteis para determinar os valores da placa do sistema, ou seja, os valores máximos de desempenho do sistema.

Muitas vezes, é conveniente consultar um período finito de tempo e avaliar os índices nesse período: isso equivale a avaliar os índices em termos de relações energéticas em vez de potências, essas avaliações são importantes porque permitem estabelecer onde é mais conveniente realizar um projeto específico de planta de cogeração, de acordo com o consumo de energia obtido nessas áreas.

Por fim, o índice de economia econômica definido como a relação entre os custos que seriam obtidos na compra de energia do exterior, menos os custos na compra de combustível para alimentar a usina de cogeração que você deseja construir e que produz uma quantidade igual de energia que você quer comprar, fração do custo da energia que deseja comprar. Esse índice permite avaliar a conveniência econômica que esse projeto implica, é claro, uma avaliação econômica correta e completa implica um cálculo de despesas para manutenção da planta e investimentos relacionados.

A eficiência energética da cogeração

A cogeração é uma tecnologia que permite aumentar a eficiência energética geral de um sistema de conversão de energia. Mas, para explicar o porquê, precisamos analisar os retornos.

O coeficiente de eficiência é característico de cada tipo de motor e representa a relação entre a eficiência energética resultante e o combustível introduzido. No motor de um carro, indica a relação entre os quilômetros percorridos e a quantidade de hidrocarbonetos introduzidos; Nos grandes motores para produção de eletricidade, o coeficiente indica a relação entre os quilowatts-hora produzidos e o combustível consumido.

Esses relacionamentos são característicos para cada tipo de mecanismo. Por exemplo, os motores de automóveis a gasolina têm rendimentos que variam entre 20 e 30%; carros com motores a diesel entre 25 e 35%, o restante é convertido em calor residual.

Motores grandes têm maior eficiência e, embora sejam generalizados, pode-se dizer que, para motores termoelétricos, o coeficiente de eficiência é bastante alto e pode chegar a 55%. Mas o mesmo motor, quando produzido em cogeração, tem coeficientes que atingem 85%, porque o valor calorífico do combustível é melhor utilizado, com uma otimização efetiva do processo.

Certamente, os investimentos para adaptar os motores de uma usina termelétrica à cogeração são consideráveis, mas se é possível criar uma rede de aquecimento urbano, os resultados são sempre vantajosos. De fato, o período de uso dessas máquinas, que chega a 30-40 anos, deve ser considerado.

Tipos de instalações de cogeração

Usina Termelétrica Ferrera Erbognone (PV)

O exemplo mais comum de uma usina de cogeração é aquele construído com uma turbina a gás / motor alternativa e caldeira de recuperação. Os vapores da turbina a gás ou do motor alternativo são transportados através de um duto de fumaça para a caldeira de recuperação. A recuperação pode ser simples, se não houver pós-combustor ou recuperação pós-combustão. Os vapores na caldeira permitem produzir água quente, vapor saturado ou vapor superaquecido. Geralmente, a água quente é usada para aquecimento, vapor saturado para usuários industriais e vapor superaquecido para turbinas a vapor e usuários.

Finalmente, a eletricidade é obtida através do alternador acoplado à turbina a gás e, possivelmente, através do alternador acoplado ao turbo vapor e da produção de energia térmica na forma de vapor, que é então explorada pelos usuários conectados.

Na presença de vapor turbo, é obtido um ciclo combinado no qual a dispersão de energia é mínima e consiste principalmente no calor introduzido na atmosfera pelos vapores que saem da caldeira de recuperação.

Quanto ao fluido em evolução, geralmente é a água que, em muitos casos, atinge o estado de vapor superaquecido, mas em outros pode atingir temperaturas que não são altas o suficiente. Por esse motivo, você precisará de trocadores de calor intermediários para aumentar a temperatura.

Mais raramente, o fluido em evolução é o ar, que, no entanto, tem o defeito de ter um coeficiente de transferência de calor convectivo muito baixo e, portanto, são necessárias superfícies de troca de calor muito mais altas.

Quanto aos motores de combustão interna, geralmente apenas 33% da energia total disponível é transformada em energia mecânica, o restante é parcialmente perdido devido à irreversibilidade presente no motor igual a outros 33% da energia total e, finalmente, os últimos 33% são emitidos para o ambiente externo na forma de energia térmica que é finalmente perdida.

Para recuperar esse calor perdido, diferentes trocadores de calor são usados: um primeiro trocador que permite o resfriamento do óleo lubrificante está disponível a baixa temperatura (não excedendo 80 ° C), outro trocador para resfriar a água destinada a esfriar o motor. sim, e finalmente um último trocador localizado no escapamento do motor que permite elevar consideravelmente a temperatura do fluido de troca de calor, geralmente, como disse, a água, que para essa troca de calor adicional pode atingir o estado de vapor superaquecido. Através dessas plantas é possível produzir eletricidade e calor. Exceto pelo custo dos trocadores. isso não constitui uma complicação excessiva do sistema, porque esses motores devem funcionar em qualquer caso com um sistema de refrigeração,

Finalmente, os fluidos evolutivos particularmente utilizados são os óleos diatérmicos derivados do petróleo, que têm a característica de permanecer líquido à pressão atmosférica até temperaturas de 300 ° C e têm um ponto de solidificação muito menor que a água, o que impede congelar nos canos

Pequena cogeração (e microcogeração)

A cogeração com energia elétrica menor que 1 MW é definida como cogeração em pequena escala, aquela com potência menor que 50 kW de microgeração e é realizada por motores alternativos de combustão interna, microturbinas a gás ou Motores de ciclo Stirling. A principal diferença entre pequena cogeração e microcogeração consiste no fato de que na pequena cogeração a energia térmica é um produto secundário, enquanto a microcogeração é direcionada principalmente à produção de calor e, secundariamente, à eletricidade.

As vantagens da pequena cogeração

Simplificando, as vantagens da pequena cogeração são:

  • Uso de energia térmica não utilizada, com consequente economia de combustível.
  • Menos poluição do ar.
  • Cadeia de distribuição de energia significativamente menor, com uma redução líquida de perdas de linha
  • Redução de infraestrutura (usinas e linhas de energia)

Trigeneração

A trigeração envolve a produção simultânea de energia mecânica (eletricidade), calor e frio usando um único combustível; de fato, uma usina de trigeração é "capaz de produzir eletricidade, calor e resfriamento combinados ... garantindo uma redução significativa no uso combustíveis fósseis e emissões equivalentes de CO2 ". Isso é possível porque as usinas térmicas tradicionais convertem apenas 1/3 da energia do combustível em eletricidade, enquanto o restante é perdido na forma de calor.A necessidade de aumentar a eficiência da produção de eletricidade continua. Um método que segue nessa direção é a produção combinada de calor e eletricidade (também conhecida com o acrônimo em inglês CHP,

Os sistemas de trigeneração

Os sistemas de co-geração podem ser estudados e produzidos para funcionar com qualquer fonte primária de calor. Hoje, esses sistemas são tecnicamente maduros e economicamente convenientes para serem amplamente adotados, dentre as muitas configurações possíveis mencionadas:

  • sistemas de cogeração de combustíveis fósseis;
  • sistemas de trigeneração com combustíveis fósseis;
  • co-alocação com sistemas solares térmicos;
  • cogeração com biogás;
  • sistemas híbridos de cogeração e trigeração.

Calor combinado com células de combustível

Atualmente é possível produzir hidrogênio gasoso a partir do metano para a rede pública ou de biogás (após a dessulfuração, porque o H2 "envenena" as membranas de troca de prótons S) com um processo de reforma que utiliza vapor de água. O hidrogênio é reagido com oxigênio atmosférico em uma membrana de troca de prótons para produzir corrente elétrica direta. O calor pode ser recuperado para aquecimento ambiente, água corrente, desinfecção por jato de vapor, etc.

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Data de publicação: 10 de janeiro de 2020
Última revisão: 10 de janeiro de 2020