ARTIGO TÉCNICO
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o electricista Telmo Rocha Engenheiro Electrotécnico, Major em Energia (FEUP)
cogeração
{4.ª PARTE › TECNOLOGIAS DE COGERAÇÃO}
Na quarta parte deste conjunto de artigos, apresenta-se detalhadamente as tecnologias ao serviço das soluções de Cogeração. São expostos os princípios de funcionamento das diversas máquinas, complementados por uma análise comparativa das suas vantagens e desvantagens de aplicação. Abordam-se, ainda, outras questões técnicas, tais como os factores a considerar na selecção da tecnologia a utilizar em cada caso, questões relacionadas com a Operação e Manutenção (O&M) e a possibilidade de telegestão destes sistemas. (continuação da edição anterior)
4› TECNOLOGIAS DE COGERAÇÃO Existem diversas formas de classificar os sistemas de Cogeração. No entanto, geralmente, estes caracterizam-se de acordo com o tipo de máquina térmica com que são equipados. Assim, podem ser distinguidas as seguintes tecnologias: › turbinas a gás; › turbinas a vapor; › ciclo combinado; › motores alternativos ou de combustão interna (de ignição por explosão – ciclo de Otto – ou de ignição por compressão interna – ciclo de Diesel). Todas estas tecnologias são designadas por convencionais uma vez que, no fundamental, já atingiram a maturidade [1]. O funcionamento das grandes centrais termoeléctricas baseia-se no Ciclo de Rankine, isto é, a água enquanto fluido de trabalho muda de fase ao longo do ciclo termodinâmico. Nos motores Otto, nos motores Diesel e nas turbinas a gás o fluido de trabalho é um gás que, ao longo do ciclo termodinâmico, sofre uma mudança de composição. Inicialmente,
o fluido de trabalho é o ar e, durante o processo, é-lhe adicionado combustível, transformando-se numa mistura ar-combustível à qual se dá o nome de produto de combustão [1] [2]. Assim, este tipo de equipamentos denomina-se de combustão interna, enquanto que as centrais convencionais e outros equipamentos se denominam de combustão externa pois, nesses casos, o calor é transferido dos produtos de combustão para o fluido de trabalho, o qual não sofre quaisquer mudanças [3].
por Ciclo Superior (Topping Cycle) e Ciclo Inferior (Bottoming Cycle) [4].
Nos equipamentos de combustão interna, o fluido de trabalho opera em ciclo aberto. Todavia, quando se analisa o funcionamento deste tipo de máquinas, recorrendo a ciclos termodinâmicos, usam-se ciclos fechados que aproximam os ciclos abertos reais. Assim, a análise do funcionamento de máquinas de combustão interna é uma análise aproximada, mas cujas conclusões qualitativas são usualmente consideradas válidas [3].
Por seu turno, num Ciclo Inferior, o calor de um processo industrial é recuperado e utilizado na produção de electricidade. Por este motivo, este tipo de ciclo tem uma utilização mais frequente em indústrias e, de entre os equipamentos utilizados, destacam-se as caldeiras de recuperação [1] [4].
Há, ainda, dois conceitos de extrema importância no que concerne a equipamentos de Cogeração, relacionados com as temperaturas a que é fornecido o calor e com a produção de energia eléctrica. Designam-se
Num Ciclo Superior, a electricidade é produzida em primeiro lugar, sendo posteriormente efectuada a recuperação do calor a partir das perdas térmicas que ocorrem no processo de combustão. As turbinas a gás, os esquemas de ciclo combinado, os motores alternativos ou de combustão interna e as turbinas a vapor de contrapressão funcionam segundo ciclos deste tipo [1] [4].
4.1› Turbinas a gás Uma turbina a gás, também denominada por turbina de combustão, é um motor rotativo que extrai energia do fluxo de um gás combustível. A montante da câmara de combustão, possui um compressor que está acoplado por um veio a uma turbina, que se
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Tipo de tecnologia
Vantagens
Desvantagens
› Elevada fiabilidade; › Baixo nível de emissões poluentes e de vibrações; › Não necessitam de refrigeração; › Disponibilizam calor a elevadas temperaturas, normalmente entre 500° C a 600° C; › Manutenção simples e rápida; › Arranque rápido.
› Rendimento reduzido em funcionamento a carga parcial; › Operação com gás a alta pressão; › Potência de saída diminui com o aumento da temperatura ambiente; › Menor eficiência em processos com poucas necessidades térmicas; › Limitação no tipo de combustível.
Turbinas a vapor de contrapressão
› Rendimento global elevado; › Possibilidade de operação com diversos tipos de combustível; › Disponibilizam calor a temperaturas muito elevadas; › Elevada fiabilidade; › Tempo de vida útil elevado; › Vapor a alta pressão.
› Rendimento eléctrico baixo; › Arranque lento.
Motores alternativos ou de combustão interna
› Bom desempenho em funcionamento a carga parcial; › Rendimento eléctrico elevado; › Arranque rápido; › Operação com gás a baixa pressão; › Disponibilizam dois níveis de temperatura: gases de escape e arrefecimento do motor.
› Custos de manutenção elevados; › Apenas disponibilizam calor a baixas temperaturas; › Nível mais elevado de emissões poluentes; › Necessidade de refrigeração; › Provocam ruído de baixa frequência.
Turbinas a gás
elevados do que os sistemas convencionais de produção separada de electricidade e calor. Tal sucede devido ao facto destes sistemas possuírem um maior número de peças móveis e, como tal, estarem sujeitos a um maior desgaste provocado pelo seu funcionamento. Ainda assim, os acrescidos custos em manutenção não deverão ser vistos como uma desvantagem da Cogeração. De facto, a experiência aponta para que este acréscimo de custos seja compensado pelos proveitos resultantes da Poupança de Energia Primária (PEP) e da venda de electricidade à rede [11]. Existem dois tipos de manutenção que estão presentes em qualquer tecnologia de Cogeração: a periódica e a forçada. A primeira relaciona-se com eventos previstos pelo fabricante do equipamento e cuja realização contribui para a longevidade do mesmo, para o seu bom funcionamento e para a diminuição de situações de manutenção forçada. Como exemplos, refiram-se as mudanças de óleo, de filtros, de velas de ignição, de líquidos de refrigeração e de alguns componentes de desgaste, tais como as pás, no caso das turbinas e micro-turbinas. A segunda ocorre quando existem avarias, tais como a neces-
sidade de substituir os pistões, num motor, devido a um sobreaquecimento. Por norma, ambos os tipos de manutenção requerem a interrupção da operação do sistema e, como tal, devem ser realizadas nos períodos em que causem menor transtorno, quer operacional, tendo em conta a evolução temporal das necessidades energéticas da instalação, quer económico, sob o ponto de vista do preço de venda da electricidade à rede [10].
As soluções mais avançadas de telegestão permitem comunicar, em simultâneo com até cem equipamentos de Cogeração, que poderão encontrar-se em diferentes localizações ou estar associados num único sistema [13]. Algumas das acções mais relevantes dos sistemas de telegestão de instalações de Cogeração são o registo, arquivo e tratamento de dados, as alterações dos parâmetros de funcionamento e a análise histórica de erros ocorridos, o que se traduz em inúmeras vantagens do ponto de vista da operação e manutenção destes sistemas. Outra acção extremamente importante, nos casos em que é vendida electricidade à rede, é a gestão automática dessa entrega, de acordo com os períodos em que a remuneração é mais proveitosa [11].
REFERÊNCIAS [1] COGEN Portugal. Manual de Apoio ao Cogerador. Consulta online em http://www.cogenportugal.com/ ficheirosUpload/Manual_de_Apoio_ao_Cogerador.pdf; [2] Guia de Aplicações de Gestão de Energia e Eficiência Energética. André Fernando Ribeiro de Sá. Editora Publindústria; [3] Motores de Combustão Interna. Jorge Martins. Editora Publindústria; [4] NaturalGas.org. Consulta online em http://www. naturalgas.org; [5] Austrian Energy Agency. Energytech.at. Consulta online em http://www.energytech.at/kwk/portrait_ kapitel-2_2.html; [6] MSPC Informações técnicas. Consulta online em http:// www.mspc.eng.br/ndx_termo0.shtml;
4.7› Aparelhagem de Telegestão em sistemas de Cogeração A aparelhagem de telemedida e de telegestão tem assumido um papel cada vez mais relevante, no domínio de sistemas de Cogeração.
[7] The Fuel and Engine Bible. Consulta online em http:// www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html; [8] Oficina e C.ia. Consulta online em http:// www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro/biblia. asp?status=visualizar&cod=4; [9] Castrol. Consulta online em http://www.castrol. com/liveassets/bp_internet/castrol/castrol_brazil/
Estes equipamentos possibilitam uma monitorização constante e remota, via modem, das condições de funcionamento de uma instalação de Cogeração. Actualmente, estes sistemas são extremamente desenvolvidos e possuem interfaces simples, em ambiente Windows, permitindo controlar, à distância, os principais parâmetros de funcionamento do equipamento, por via da análise em tempo real de dados de índole mecânica, térmica e eléctrica [12] [13].
STAGING/local_assets/images/ask_the_expert/curso_ desempenho001_br_375x588.jpg; [10] Cogeneration – Best Practice Manual. Consulta online em http://www.energymanagertraining. com/CodesandManualsCD-5Dec%2006/BEST%20 PRACTICE%20MANUAL-COGENERATION.pdf; [11] Seminário COGEN Portugal: Micro-cogeração em Portugal. 10-12-2009. Fundação Dr. António Cupertino Miranda. Porto; [12] Turbomar. Consulta online em http://www.turbomar.pt/; [13] Global Microturbine. Consulta online em http:// www.globalmicroturbine.com/Site/Microturbine/ Microturbine.html.
(continua na próxima edição)