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Motor de gasoil.
Ciclo diésel

O que é 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 que é cogeração?

O espectro de desempenho elétrico e térmico com relação às usinas de cogeração varia de alguns a centenas de quilowatts. Desde o ano 2000 ou assim, as chamadas mini e micro usinas de energia com produção combinada de residências unifamiliares, pequenas empresas e hotéis estão disponíveis para cada vez mais no mercado da planta do 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 uma produção total de cerca de 2 GW.

Geralmente, uma planta de cogeração consiste em:

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

Se eles fossem divididos por motores principais, poderíamos distinguir:

  • Plantas turbogás;
  • Instalações turbo a vapor;
  • Motores de combustão interna alternativos.

Exemplo de cogeração

O funcionamento de um carro exemplifica: a potência retirada do virabrequim é utilizada para tração e produção de eletricidade, o calor que é extraído dos cilindros para aquecer a cabine e a pressão dos gases de escapamento para movimentar o virabrequim. turbina do turbocompressor. O aproveitamento do calor e da pressão não implica aumento do consumo, visto que são resquícios do processo de conversão da energia química em energia mecânica aplicada pelo motor.

O seu aproveitamento permite transformar a energia primária introduzida (o combustível fornece energia química) em diferentes formas de energia secundária produzida (movimento, calor). Um sistema que opera por cogeração é denominado cogerador.

CHP usa

A energia térmica pode ser utilizada para condicionamento industrial ou ambiental (aquecimento, resfriamento).

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

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

Definição de eficiência

A eficiência pode ser expressa de diferentes maneiras, o que nem sempre leva a uma comparação correta entre as várias fábricas. 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, ao 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 elétricos e 40 MWh térmicos tem uma eficiência elétrica e térmica de 40% e uma eficiência geral de 80%.

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

Existem também outros índices para avaliar o desempenho de uma usina de cogeração: o primeiro é o chamado IRE, índice de economia de energia. Este índice é definido como a razão entre a diferença de potência absorvida pelas usinas individuais para a produção de eletricidade e energia térmica separadamente, menos a potência absorvida pela planta de cogeração, dada a potência absorvida pelas usinas distintas, sendo essa potência avaliada em termos de combustível em igualdade de energia elétrica e térmica produzida pelas respectivas usinas. Este índice dá uma ideia de quanta energia pode ser economizada com esses sistemas; É possível, por meio 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 planta de cogeração, o coeficiente de utilização esperado como a soma das relações entre a energia elétrica e a energia absorvida e a energia térmica e que entrou.

Porém, todos esses coeficientes estão relacionados a um momento específico de intervenção em suas potências, por isso esses índices são úteis para determinar os valores da placa de sistema, ou seja, os valores máximos de desempenho do sistema.

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

Por fim, o índice de economia econômica que é definido como a razão entre os custos que seriam obtidos na compra de energia do exterior menos os custos que você tem ao comprar combustível para alimentar a planta de cogeração que se deseja construir e que produz uma quantidade igual de energia que deseja comprar, fração do custo da energia que deseja comprar. Este índice permite avaliar a conveniência econômica que tal projeto acarreta, evidentemente, uma avaliação econômica correta e completa implica no cálculo dos gastos com a manutenção da planta e dos respectivos investimentos.

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 introduzida; Em grandes motores para a produção de eletricidade, o coeficiente indica a relação entre os quilowatts-hora produzidos e o combustível consumido.

Essas relações são características de cada tipo de motor. Por exemplo, motores de automóveis a gasolina têm eficiências que variam de 20 a 30 por cento; carros com motores a diesel entre 25 e 35 por cento, o resto é convertido em calor residual.

Os motores de grande porte apresentam maior eficiência e, embora sejam amplamente generalizados, pode-se dizer que, para os motores termoelétricos, o coeficiente de eficiência é bastante elevado e pode chegar a 55%. Mas o mesmo motor quando produzido em cogeração tem coeficientes que chegam a 85%, pois o poder calorífico do combustível é melhor aproveitado, com uma otimização efetiva do processo.

Claro que os investimentos para adaptar os motores de uma termelétrica à cogeração são consideráveis, mas se for possível criar uma rede de aquecimento urbano os resultados são sempre vantajosos. Na verdade, deve-se considerar o período de uso dessas máquinas, que chega a 30-40 anos.

Tipos de usinas de cogeração

Usina termelétrica de cogeração termelétrica Ferrera Erbognone (PV)

O exemplo mais comum de uma planta de cogeração é aquela construída com uma turbina a gás / motor alternativo e caldeira de recuperação. Os fumos da turbina a gás ou motor alternativo são transportados através de um tubo de combustão para a caldeira de recuperação. A recuperação pode ser simples, se não houver pós-combustão, ou a recuperação pós-combustão, caso contrário. Os fumos da caldeira permitem a produção de água quente, vapor saturado ou vapor superaquecido. Normalmente, a água quente é usada para aquecimento, vapor saturado para usuários industriais e vapor superaquecido para turbinas a vapor e usuários.

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

Na presença de turbo vapor, obtém-se um ciclo combinado em que a dispersão de energia é mínima e consiste principalmente no calor introduzido na atmosfera pelos fumos 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 insuficientes. Por esse motivo, você precisará de trocadores de calor intermediários para aumentar a temperatura.

Mais raramente, o fluido em evolução é o ar, que, entretanto, tem o defeito de ter um coeficiente de transferência de calor por convecção muito baixo e, portanto, superfícies de troca de calor muito mais altas são necessárias.

Em relação aos motores de combustão interna, geralmente apenas 33% da energia total disponível é transformada em energia mecânica, o resto é perdido em parte devido à irreversibilidade presente no motor igual a outros 33% da energia total e finalmente os últimos 33% são emitida para o ambiente externo na forma de energia térmica que acaba sendo perdida.

Para recuperar este calor perdido, são utilizados diferentes trocadores de calor: um primeiro trocador que permite o resfriamento do óleo lubrificante, disponível em baixa temperatura (não superior a 80 ° C), outro trocador para resfriar a água destinada ao resfriamento do motor em sim, e finalmente um último trocador localizado no escapamento do motor que permite elevar consideravelmente a temperatura do fluido trocador de calor, geralmente, como já foi dito, água, que por esta troca de calor adicional pode atingir o estado de vapor superaquecido. Por meio dessas usinas é possível produzir eletricidade e calor. Exceto pelo custo dos trocadores. isto não constitui uma complicação excessiva do sistema porque tais motores devem, em qualquer caso, funcionar com um sistema de refrigeração,

Por fim, os fluidos evolutivos particularmente utilizados são os óleos diatérmicos derivados do petróleo, que têm a característica de permanecer líquidos à pressão atmosférica até temperaturas de 300 ° C, e possuem um ponto de solidificação muito inferior ao da água, o que os impede de congelar. nos canos

Pequena cogeração (e microcogeração)

A cogeração com energia elétrica inferior a 1 MW é definida como cogeração em pequena escala, com uma potência de menos de 50 kW de microcogeração, e é realizada por motores alternativos, combustão interna, microturbinas a gás ou motores de ciclo Stirling. A principal diferença entre a pequena cogeração e a micro cogeração consiste no facto de na pequena cogeração a energia térmica ser um produto secundário, enquanto a micro cogeração se destina principalmente à produção de calor e, secundariamente, de eletricidade.

As vantagens da pequena cogeração

Resumindo, as vantagens da pequena cogeração são:

  • Aproveitamento de energia térmica não utilizada, com consequente economia de combustível.
  • Menos poluição do ar.
  • Cadeia de distribuição elétrica significativamente mais curta, com uma redução líquida nas perdas de linha
  • Redução de infraestrutura (usinas e linhas de transmissão)

A trigeração

A trigeneração envolve a produção simultânea de energia mecânica (eletricidade), calor e frio usando um único combustível, de fato, uma planta de trigeração é "capaz de produzir eletricidade, calor e resfriamento em combinação ... garantindo uma redução significativa no uso. De fósseis. combustíveis e emissões equivalentes de CO2 ". Isso porque as térmicas tradicionais convertem apenas 1/3 da energia do combustível em eletricidade, enquanto o resto se perde em calor, havendo ainda a necessidade de aumentar a eficiência da produção de eletricidade. Um método que vai nessa direção é a produção combinada de calor e eletricidade (também conhecida pela sigla em inglês CHP,

Sistemas de trigeneração

Os sistemas de co-trigeneração podem ser estudados e produzidos para funcionar com qualquer fonte primária de calor. Esses sistemas estão tecnicamente maduros e economicamente adequados para serem amplamente adotados, entre as muitas configurações possíveis que mencionamos:

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

Calor combinado com células de combustível

Atualmente é possível produzir gás hidrogênio a partir do metano para a rede pública ou de biogás (após dessulfurização, pois o H 2 "envenena" S as membranas de troca de prótons) com um processo de reforma que utiliza vapor. O hidrogênio reage com o oxigênio atmosférico em uma membrana de troca de prótons para produzir corrente elétrica direta. O calor pode ser recuperado para aquecimento ambiente, água da torneira, 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