Muitas vezes se ouve falar em cogeração, mas não nos apercebemos que apesar de essa palavra designar um conceito bem estabelecido, existem inúmeras formas e tecnologias aplicadas a cada caso específico. Como decidir qual a tecnologia correcta a utilizar?
Cogeração significa simplesmente a produção combinada de duas ou mais formas de energia útil. Tipicamente electricidade e energia térmica, e como tal vamos seguir com o foco na escolha tecnológica para este tipo de cogeração.
A electricidade é considerada uma forma nobre de energia, e tem associada uma rede de transporte e distribuição que permite o seu trânsito entre um qualquer ponto de produção e ponto de consumo. No entanto a produção de electricidade é normalmente gerada a partir de accionamento mecânico, através de turbinas eólicas, hidráulicas, a vapor, motores de combustão interna, turbinas a combustão, entre outros.
No caso dos accionamentos que utilizam combustíveis, a sua eficiência é bastante reduzida, podendo andar entre os 20 e os 50% (Nota: no caso de ciclos combinados de grande potencia e a plena carga poderá chegar aos 60%) traduzindo para energia mecânica apenas essa parte da totalidade da energia libertada pela combustão, obrigando a restante a sair pelos gases de escape e/ou pelo arrefecimento de órgãos das máquinas.
Por outro lado há no quotidiano inúmeras necessidades de energia térmica, como o aquecimento e/ou arrefecimento do ambiente, o aquecimento de águas sanitárias até inúmeras aplicações industriais com inúmeras variantes na forma e temperatura necessária. A cogeração será então a arte de casar o suprir dessas necessidades térmicas, aproveitando para produzir toda a electricidade possível, sendo irrelevante onde será esta consumida pois será facilmente transportada até aos consumidores.
A escolha da tecnologia começa com o levantamento rigoroso das necessidades térmicas, nomeadamente:
- Forma (ar quente, água quente, água gelada, vapor, termofluido, entre outros);
- Temperaturas máximas e mínimas para cada forma necessária;
- Potência máxima e mínima para cada forma;
- Horário de consumo ou caso seja possível, curvas de consumo;
- Necessidades de segurança de abastecimento.
E em segundo analisar as formas de combustível disponíveis no local:
- Biomassa;
- Fuelóleo;
- Gás natural;
- Gasóleo;
- Resíduos energeticamente capazes;
- Outros.
A partir daqui o trabalho será sobretudo da imaginação para escolher a solução mais simples e robusta para usar um dos combustíveis disponíveis para alimentar uma máquina que, por sua vez, seja capaz alimentar as necessidades térmicas.
Tomando com primeiro exemplo um motor alternativo ultima geração de potência média, com rendimento eléctrico de 45% temos que:
De 100% da energia térmica disponibilizada
- 50% nos gases de escape - temperaturas a rondar os 400º C;
- 40% em água 90-70º C;
- 10% em água 45-40º C;
Se os nossos consumidores puderem consumir 5 MW em água a 90º C poderemos aproveitar toda a energia disponibilizada pela água a 90ºC acrescida de:
- ((400-(90+30))/400 = 70%.
da potência dos gases de escape temos que poderemos aproveitar:
- 100% x 40% + 70% x 50% = 75% do total de energia térmica disponibilizada.
Ou seja seria capaz de debitar um total 5MWth/75% = 6,67MWth
Para facilitar os cálculos vamos desprezar as perdas térmicas e então temos que o motor aparentemente indicado para suprir as necessidades térmicas teria uma potencia eléctrica de 45% x (6,67/(1-45%)) = 5,46MWe.
Este exemplo apenas serve para lembrar que toda a escolha e dimensionamento deve ser feita tendo em conta primariamente a energia térmica.
Um outro exemplo baseado no caso real - Cogeração Ecociclo II - é bastante mais complexo. Senão vejamos a especificação dos consumos térmicos:
- Água sobreaquecida a 200ºC e retorno a 180ºC, potencia média de 1,6MW mas variando de 0 a 3.2MW. O fornecimento destina-se a uma indústria de HPL que trabalha 2.ª a 6.ª, 24h/dia e é necessário um bom nível de segurança de abastecimento;
- Vapor a 6bara até 8ton/h. Este vapor vai alimentar um grande centro de logístico de distribuição com armazéns a temperatura ambiente e armazéns refrigerados e armazéns de congelados. Para fazer face a tudo isto o centro de logística tem um sistema de absorção multiestágio a amónia que usando o vapor fornecido obtém temperaturas abaixo dos -25º C;
- Água quente a 105º C 2MW, com variações entre 0,8 e 3MW para climatização de todos os edifícios de escritórios e outros serviços que rodeiam a cogeração. Esta água serve para aquecer todos os edifícios e águas sanitárias e ainda através de um chiller de absorção de Brometo de Lítio produzir água gelada a 6º C.
Para tudo isto e tendo em conta as temperaturas que impossibilitariam a utilização de um motor como o apresentado no exemplo anterior (não se poderia aproveitar nem 40% do calor disponibilizado) foi escolhida uma turbina a gás natural. Devido a haver consumidores que param aos fins-de-semana foi escolhida uma turbina aeroderivativa, que permite arranques e paragens sem penalização para a durabilidade da máquina.
A turbina disponibiliza toda a energia térmica sob a forma de gases de escape a cerca de 500º C. Havendo necessidade de vapor numa pressão bastante reduzida foi considerado a caldeira de recuperação dos gases ser uma caldeira de vapor mas sendo a utilização de vapor numa pressão bastante reduzida, fazia sentido produzir o vapor a pressão mais elevada 31bara e expandi-lo numa turbina. Esta solução tem três vantagens:
- Melhorar a eficiência eléctrica;
- Estabilizar a pressão do vapor;
- Retirar do barrilete água suficientemente quente para fornecer via um permutador, a água a 200º C.
Desta solução com barrilete apenas fica de fora a água a 110ºC. Para esta foi acrescentado um economizador final nos gases de exaustão acoplado em série a um permutador a vapor. Este permutador permite, em caso de necessidade retirar alguma potência térmica do barrilete para o circuito de AVAC.
Resta a necessidade de uma boa segurança no abastecimento da fábrica, pelo que foi acrescentada uma caldeira de back-up que permite fornecer a água a 200º C, mesmo que ocorra algum problema com a turbina.
No que concerne à potencia e rendimento, a turbina é muito sensível à temperatura do ar de admissão, podendo produzir até 6,3MWe com temperaturas baixas, mas dificilmente chega aos 5MW com o ar acima dos 25º C. Assim a turbina tem instalado um sistema arrefecimento do ar de admissão de ar, permitindo trabalhar todo o ano com um temperatura não superior a 15º C.
Esta turbina tem ainda outra particularidade bastante rara, permite injectar vapor juntamente com o gás natural, aumentando a eficiência e a potencia eléctrica. Na Figura 1 apresenta-se uma versão simplificada do processo da central onde faltam algumas interligações entre circuitos. O P&I completo necessita de ter o tamanho A1 para ser legível.
Figura 1 ∙ Visão geral da instalação demonstrada Cogeração Ecociclo II.
Uma central deste tipo é bastante complexa e exige um excelente sistema de suporte de controlo e gestão de dados que ajude o operador a controlar todas as variáveis e alimentar todos os clientes balanceando o que uns consomem a menos com o que outros consomem a mais.
Este sistema, baseado em autómatos, montados em rede Ethernet, permite o controlo distribuído de todos os equipamentos que integram a unidade de cogeração. Desta forma é garantida a recolha de toda a informação, permitindo a monitorização de todos os subsistemas:
- Rede de energia eléctrica – Gestão de Energia;
- Sistema de Tratamento de água;
- Torres de Arrefecimento;
- Caldeira Recuperativa;
- Turbina a Gás;
- Turbina de Vapor.
Figura 2 ∙ Rede Profibus e Ethernet da Cogeração Ecociclo II.
Através de uma rede de campo, PROFIBUS, torna-se possível a recolha de dados de campo para os autómatos instalados.
A implementação desta arquitectura permitiu:
- maior flexibilidade na instalação dos diversos equipamentos;
- colocação em serviço mais facilitada;
- melhor identificação de erros após o arranque da instalação;
- minimização de cablagens na instalação.
A rede Ethernet TCP/IP serve de suporte à supervisão da instalação e sistema de gestão de energia. A supervisão instalada implementa as funções de gestão de rede, supervisão, arquivo e ainda a supervisão/comando local ou remoto através do interface HMI. Foram desenvolvidos sinópticos que permitem a total operação da instalação.
Figura 3 ∙ Posto de Transformação.
Figura 4 ∙ Caldeira de Recuperação.
Figura 5 ∙ Turbina a Gás.
Figura 6 ∙ Turbina a Vapor.
Os dados dos equipamentos (Estados/Alarmes) são disponibilizados graficamente no sistema de supervisão HMI. Algumas destas informações são transferidas para a base de dados de análise de forma a serem manipulados pelo Sistema de Gestão de Energia.
Desta forma torna-se possível analisar o comportamento de variáveis ao longo do tempo e comparar esse mesmo comportamento utilizando as várias variáveis que influenciam o processo.
Figura 7 ∙ Gráficos da caldeira recuperativa.
O sistema contempla mensagens automáticas de alarme, via SMS e email, através do sistema de supervisão HMI.
De forma esquemática, apresentamos na Figura 8 o diagrama resumido da instalação:
Figura 8 ∙ Diagrama resumido da instalação Cogeração Ecociclo II.
Complementando este sistema de automação e supervisão, existe um sistema de gestão de energia, PowerGest, que acede a dados da cogeração e os regista em base de dados para obtenção de relatórios. Desta forma torna-se possível a obtenção dos diversos consumidores distribuindo os dados pelos diferentes centros de custo.
Ecociclo II - Sonae Capital
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AUTORES:
João Francisco Palmeiro (Eng.º) | Sonae Capital
Miguel Mata (Eng.º) | Sonae Capital
José Armando Marques (Eng.º) | Microprocessador |
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