Cogeração | Tecnologias de Micro-cogeração (5ª PARTE)

Na sequência do artigo técnico anterior, apresentam-se desta feita as tecnologias empregues em sistemas de micro-cogeração. Geralmente, estas tecnologias de pequena produção combinada de calor e electricidade são denominadas emergentes, pois são significativamente mais recentes, quando comparadas com as tecnologias de Cogeração tradicional de grande dimensão. Uma vez mais expõe-se os princípios de funcionamento das diversas máquinas e realiza-se uma comparação detalhada das vantagens e inconvenientes da sua aplicação. Adicionalmente, abordam-se algumas características de operação e custos típicos destas tecnologias em paralelo com as de Cogeração tradicional.

5› Tecnologias de Micro-cogeração

A definição do que constitui uma microcogeração, em termos do valor limite da sua potência eléctrica, foi sempre algo dúbia. Com efeito, a legislação sobre este assunto é manifestamente diferente de país para país. O valor máximo de potência eléctrica para uma dada instalação ser considerada como uma micro-cogeração dependia sobretudo da realidade geral de cada nação, no que concerne às potências instaladas nas unidades de Cogeração que possuía [1].

Todavia, nos anos mais recentes, tem existido uma tentativa de uniformizar o conceito de micro-cogeração, a nível europeu. A Directiva Europeia de promoção da Cogeração, de 2004, qualifica como “Unidade de microcogeração” uma unidade de cogeração cuja capacidade máxima seja inferior a 50 kWe. Adicionalmente, as unidades de cogeração com uma capacidade instalada inferior a 1 MWe são definidas como “Unidade de Cogeração de pequena dimensão”. Refira-se, ainda, segundo a mesma Directiva, que a produção destes dois tipos de unidades de cogeração que permita uma poupança de energia primária é automaticamente considerada cogeração de elevada eficiência, independentemente do valor concreto do seu rendimento [2]. No seguimento desta norma europeia, e fundamentada na mesma, Portugal aprovou uma nova legislação para o sector da Cogeração, em 2010, na qual se estabelecem os valores acima referidos para classificar as unidades de Cogeração de pequena dimensão e as de micro-cogeração. Esta legislação – Decreto-Lei 23/2010 – foi abordada em detalhe na terceira parte deste conjunto de artigos.

Uma vez que a associação de algumas unidades de micro-cogeração conduz a uma unidade de pequena dimensão, estes dois conceitos estão intimamente ligados e, geralmente, ambas as designações são válidas e referem-se essencialmente ao mesmo [1]. Pode dizer-se que a micro-cogeração corresponde à verdadeira essência da Cogeração enquanto forma de Produção Dispersa.

A Micro-cogeração abrange tecnologias tão diversificadas como as micro-turbinas, os motores Stirling, pequenos motores de combustão interna, as pilhas de combustível, os ciclos orgânicos de Rankine, entre outras, ligadas à rede geralmente em Baixa Tensão.

Ainda que algumas das tecnologias referidas, nomeadamente, as micro-turbinas e os pequenos motores de combustão interna, estejam já bem demonstradas e a caminho da consolidação no mercado, outras, tais como as pilhas de combustível e os motores Stirling, encontram-se numa fase menos avançada, ainda de comercialização pouco significativa, após sucessivos estágios de investigação e desenvolvimento que têm vindo a comprovar o seu potencial [3]. As tecnologias associadas à micro-cogeração costumam ser designadas por tecnologias emergentes, pois são consideravelmente mais recentes do que as de Cogeração tradicional [1].

Os equipamentos de micro-cogeração funcionam tipicamente como equipamentos vocacionados para o aquecimento, fornecendo água quente para o aquecimento centralizado e aquecimento de águas sanitárias (AQS), entre outros, em diversos tipos de instalações, mas fundamentalmente em edifícios residenciais e de serviços. Contudo, a diferença marcante para as caldeiras convencionais é que estes equipamentos produzem electricidade, em combinação com o calor, o que se traduz numa importante vantagem [4].

5.1› Micro-turbinas a gás

De entre as tecnologias emergentes, pode dizer-se que as micro-turbinas têm tido o sucesso mais assinalável. Entraram, já há alguns anos, numa fase de comercialização significativa, com muitos modelos inicialmente derivados da indústria aeronáutica [3].

O termo “micro-turbina” refere-se, em geral, a um sistema de dimensões relativamente reduzidas composto por compressor, câmara de combustão, turbina e gerador eléctrico - uma constituição muito semelhante à das turbinas a gás - com uma potência eléctrica total não superior a 300 kWe [5]. Os fabricantes estão a desenvolver unidades cada vez mais pequenas, existindo já alguns modelos com potências da ordem dos 20 kWe [6]. Uma grande parte das micro-turbinas a gás existentes no mercado inclui um permutador de calor, para aproveitamento da energia térmica contida nos gases de exaustão e para, assim, poderem funcionar em Cogeração. Outras unidades necessitam da aquisição separada de tal equipamento.

O constante desenvolvimento, ao nível do desenho e dos materiais empregues, tem permitido alcançar valores de rendimento cada vez mais elevados, emissões reduzidas e necessidades de manutenção mínimas, com um custo por kWe competitivo - em alguns casos, já inferior ao de pequenos motores de combustão interna [3].

A Figura 1 apresenta uma vista do interior de uma micro-turbina, com os seus principais componentes.

Figura 1 · Vista em corte de uma micro-turbina [7]

(Adaptado da fonte).

O princípio de funcionamento destes equipamentos é em tudo semelhante ao das turbinas a gás, baseando-se no Ciclo de Brayton [5]. O ar novo admitido é conduzido ao compressor, onde a sua pressão é elevada. Para aumentar o rendimento, é usual integrar no sistema um recuperador de calor (regenerador), que aproveita o calor disponível nos gases de escape para aquecer o ar novo, antes de este entrar na câmara de combustão (pré-aquecimento). O ar aquecido é, então, misturado com o combustível, naquele local. O calor libertado na combustão eleva a temperatura da mistura ar-combustível e, consequentemente, a sua pressão. Ao passar na turbina, a mistura expande- se e, desta forma, transmite energia mecânica ao veio, accionando o compressor e o gerador (Figura 2) [6] [7].

Figura 2 · Esquema de uma micro-turbina, com um único veio [8] (Adaptado da fonte).

Geralmente, o veio funciona a uma velocidade de 70.000 rpm a 90.000 rpm, produzindo electricidade, em corrente alternada, com uma frequência elevada. Esta é, primeiro, rectificada para corrente contínua e, depois, invertida novamente para corrente alternada, desta feita, à frequência da rede [6]. Existem, também, soluções em que o compressor e o gerador não se encontram acoplados directamente no mesmo veio, sendo então utilizadas caixas de velocidades (Figura 3). Nestes casos, o maior número de peças móveis têm, como consequência, níveis de desgaste da máquina e de ruído de operação superiores [6].

Uma outra característica diferenciadora dos vários tipos de micro-turbinas é a forma de apoio dos componentes rotativos. Podem ser usadas chumaceiras lubrificadas a óleo e chumaceiras de ar. As primeiras implicam um consumo de óleo adicional. A manutenção e o número de arranques a frio são factores a considerar na escolha do tipo de chumaceira [6].

O arrefecimento da máquina pode ser efectuado a ar ou a água. No primeiro caso, o ar novo é forçado a circular pelo gerador, antes de entrar na câmara de combustão, enquanto que é necessário um sistema auxiliar para bombear a água, no segundo [6].

Figura 3 · Esquema de uma micro-turbina, com vários veios [6].

O rendimento eléctrico destes equipamentos é da ordem dos 30%, quando existe regenerador. O rendimento global, considerando o aproveitamento do calor, pode atingir mais de 80%. Existem situações em que se pode utilizar directamente os gases de combustão, tais como processos industriais de secagem ou pré-aquecimento com ar quente. Nestas situações, o rendimento global pode ultrapassar os 90% [7].

Os mais recentes desenvolvimentos tecnológicos apontam para a utilização de materiais cerâmicos, nos componentes das secções quentes, na próxima geração de micro-turbinas a gás, o que permitirá atingir temperaturas superiores e, consequentemente, rendimentos mais elevados [6].

Embora se esteja a recorrer à designação “micro-turbinas a gás”, existem vários tipos de combustíveis que podem ser utilizados. Os mais usuais são o gás natural, o gás propano, a gasolina sem chumbo, os álcoois, o querosene, o bioetanol e o biogás. Quando a pressão de alimentação do combustível gasoso não é suficiente, recorre-se a um compressor adicional. O gás natural é, de entre os fósseis, o combustível mais indicado pois emite menores níveis de poluentes, tornando- o especialmente adequado em consumidores localizados em centros urbanos, o que constitui uma parte apreciável dos utilizadores de micro-cogeração [7]. A maior parte das micro-turbinas disponíveis no mercado está preparada para funcionar em ambiente exterior, contudo alguns modelos estão restringidos a um funcionamento em espaços interiores [6].

5.2› Motores Stirling

O motor Stirling é um motor inicialmente desenvolvido por um Reverendo escocês, Robert Stirling, em 1816 [9]. Este é um motor de combustão externa, diferindo substancialmente dos motores mais convencionais, ditos de combustão interna, em que o combustível é queimado no interior da máquina [3]. Existem três configurações básicas [9]:

• Alfa: com cilindros em V;
• Beta: com êmbolos coaxiais num mesmo cilindro;
• Gama: com cilindros em linha.

Um motor Stirling simplificado usa dois cilindros. Um deles é aquecido por uma fonte de calor externa e o outro é arrefecido, também, por uma fonte externa. As câmaras de combustão dos dois cilindros encontram-se ligadas, por um canal, e os pistões estão mecanicamente articulados, entre si, o que determina o seu movimento [10].

O motor Stirling possui menos partes móveis do que os motores convencionais e não tem válvulas, excêntricos, injectores de combustível ou sistemas de ignição por faísca. É uma máquina que necessita de pouca manutenção e que apresenta reduzidas emissões de partículas [3].

Figura 4 · Aspecto exterior de um motor Stirling de 55 kWe, da Stirling Biopower [11].

Este tipo de motor funciona segundo um ciclo termodinâmico composto por quatro momentos e executado em dois tempos do pistão. Encontra-se muito próximo do Ciclo de Carnot, que estabelece o limite máximo teórico de rendimento das máquinas térmicas [9].

O calor é fornecido ao motor Stirling por uma fonte externa, que pode ser um gás combustível, por exemplo, e isso causa a expansão de um fluido de trabalho, o que provoca o movimento de um de dois pistões (ou êmbolos), no interior de um cilindro. Este pistão designa-se por pistão de trabalho. O outro, chamado pistão de deslocamento, transfere o gás para uma zona arrefecida, onde é comprimido pelo pistão de trabalho. O pistão de deslocamento transfere então o gás comprimido ou ar para uma secção quente da máquina e o ciclo repete-se [3].

A Figura 5 ilustra as quatro fases do funcionamento deste motor, que se descrevem mais detalhadamente, de seguida [3]:

• Na primeira fase, de expansão, a maior parte do gás no sistema é impelida para o cilindro quente. O gás aquece e expande-se, accionando ambos os pistões para dentro;
• Na segunda fase, de transferência, o gás continua a expandir-se. A maior parte do gás encontra-se ainda no cilindro quente. Contudo, o momento do volante leva o veio de manivelas a descrever um movimento de 90º, transferindo todo o gás para o cilindro frio;
• Na terceira fase, de compressão, o gás expandido no cilindro frio arrefece e contrai-se, puxando ambos os pistões para fora;
• Na quarta e última fase, de transferência, o gás agora comprimido está ainda no cilindro frio. O momento do volante leva o veio de manivelas a descrever um novo movimento de 90º, transferindo o gás para o cilindro quente e, assim, completar o ciclo.

Figura 5 · As quatro fases distintas de um Ciclo de Stirling - motor de 2 cilindros ou configuração Alfa [12] (Adaptado da fonte).

O gás utilizado é o ar, nos modelos mais simples, enquanto que em versões mais potentes se recorre ao hélio ou ao hidrogénio pressurizado, visto que se tratam de gases com uma maior condutividade térmica e uma menor viscosidade, transportando a energia térmica mais rapidamente e com menor resistência ao escoamento [3].

Em oposição ao que sucede com os motores de combustão interna, o fluido de trabalho nunca abandona o interior do motor, tratando-se assim de uma máquina de ciclo fechado [9]. Em teoria, o motor Stirling é a máquina térmica mais eficiente possível. Alguns protótipos atingiram já valores de 45%, superando facilmente os motores de combustão interna. Para diminuir as perdas térmicas e aumentar a eficiência, por norma, existe um regenerador entre as câmaras quente e fria onde o calor, que seria rejeitado na câmara fria, fica armazenado para a fase seguinte de aquecimento [7].

Pode afirmar-se que esta é uma tecnologia com várias décadas de experiência, conhecida desde o início do século XIX, mas que não teve grande desenvolvimento nem aplicação, principalmente, devido ao surgimento dos motores eléctricos. O que agora se constitui como uma inovação é a sua aplicação no âmbito de sistemas de micro-cogeração. Para a geração de calor em muito pequena escala, é necessário ter-se pequenos motores, com capacidades até 4 kWe. Para esta dimensão, as micro-turbinas a gás e os pequenos motores a gás não são adequados, sendo o motor Stirling uma boa alternativa [3].

O rendimento eléctrico destes motores ainda não é muito elevado, situando-se actualmente entre os 10% e os 25%, com expectativas de que se possa concretizar firmemente este último valor. Por outro lado, o rendimento global pode chegar aos 90% [7].
 

5.3› Pilhas de Combustível

A electrólise é uma reacção electroquímica que promove a decomposição da água, através da absorção de electricidade. Esta reacção pode realizar-se, também, no sentido inverso, gerando electricidade e designa-se por hidrólise [5]. As pilhas de combustível são dispositivos que promovem tal reacção, isto é, do hidrogénio (H2) com o oxigénio (O2), convertendo energia química em energia eléctrica e gerando como únicos subprodutos, a água e o calor. Como não há passagem pelo ciclo de calor, a sua eficiência é superior à dos motores de combustão interna [6].

O funcionamento de uma pilha de combustível é bastante semelhante ao de uma pilha comum de lítio ou níquel-cádmio, distinguindo-se apenas por possuírem uma vida útil teórica infinita pois, enquanto que uma pilha comum consome os seus próprios eléctrodos, durante a operação, limitando o seu tempo de vida, a pilha de hidrogénio pode, em teoria, produzir energia enquanto forem fornecidos hidrogénio e oxigénio [7].

As possibilidades oferecidas por este equipamento são diversas, mas a produção combinada de calor e electricidade é uma das suas aplicações mais sólidas, pelo facto de ser uma alternativa de geração de energia, de forma limpa, silenciosa e eficiente [3].

As pilhas de combustível são um conjunto empilhado de células electroquímicas elementares, geralmente, associadas em série, nas quais se produz a reacção [5].

O princípio de funcionamento de uma célula de combustível promove a transformação contínua de energia química em energia eléctrica, e algum calor, desde que lhe seja fornecido o combustível e o oxidante. O combustível é o hidrogénio ou um composto que o tenha na sua constituição e o oxidante é o oxigénio.

O hidrogénio utilizado no processo pode ser obtido de várias fontes: electrólise da água, gás natural, propano, metanol, ou outros derivados do petróleo, tais como qualquer hidrocarboneto. Normalmente, recorre-se a um processo, denominado por Reformação, para o obter [5]. Quando o oxidante é o oxigénio, este é retirado do ar, podendo também ser obtido a partir da electrólise da água.

Figura 6 · Princípio de funcionamento de uma célula electroquímica de combustível [13].

Uma célula de combustível é constituída por dois eléctrodos. Entre os dois, encontra-se um electrólito cuja função é actuar como um meio que permita aos iões (H+, OH–, O2– e outros) passarem no sentido de um eléctrodo para o outro, atravessando-o.

O electrólito pode ser um meio líquido ou sólido e tem uma grande influência na natureza e pureza do combustível e do oxidante, na temperatura de funcionamento da pilha de combustível e no seu desenho [6].

Exteriormente, existe uma ligação eléctrica entre os dois eléctrodos (ânodo e cátodo), onde se encontra a carga, neste caso, representada por uma lâmpada.

O ânodo é alimentado pelo combustível, enquanto que o cátodo é alimentado pelo oxidante. No caso mais simples, em que o combustível é hidrogénio molecular, as reacções electroquímicas que ocorrem são as seguintes [6]:

Ânodo: H2 > 2H+ + 2e–

Cátodo: O2 + 4H+ + 4e– > 2H2O

Os electrões libertados pela separação das moléculas de hidrogénio, no ânodo, são captados pela placa de platina e conduzidos, através de um circuito eléctrico, até ao cátodo, originando uma corrente eléctrica contínua. Os iões (neste caso, protões) são transferidos para o cátodo através do electrólito, onde se associam às moléculas de oxigénio formando moléculas de água. Assim, o produto da reacção global é apenas água [6].

Reacção global: 2H2 + O2 > 2H2O

A Figura 7 ilustra um esquema que contém os principais subsistemas necessários para o funcionamento de uma pilha de combustível. Actualmente, existem pelo menos cinco tipos diferentes de pilhas de combustível conhecidos [5]:

• AFC: Alkaline Fuel Cell;
• PEFC/PEMFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell/Proton Exchange Membrane Fuel Cell;
• PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell;
• MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell;
• SOFC: Solid Oxid Fuel Cell.

Figura 7 · Principais subsistemas para o funcionamento de uma pilha de combustível [5].

A Tabela 1 resume as principais características que as diferenciam.

Tipo de pilha de combustível	Electrólito	Combustível	Oxidante	Ião Cond.	Temperatura de funcionamento (°C)	Rendimento eléctrico (% PCI)	Dimensão típica
AFC	KOH (hidróxido de potássio)	H2 puro	Ar + H20 (s/ CO2)	OH-	60 – 90	55 - 60	< 7 kW
PEFC / PEMFC	Membrana de polímero	H2 puro	Ar (s/CO)	H+	70 – 90	35 – 45	5 – 250 kW
PAFC	Ácido fosfórico	H2	Ar (s/CO)	H+	200	35 – 45	200 kW
MCFC	Litium, potássio	CH4, H2, CO	Ar + CO2	CO32-	600 – 650	45 – 55	2 – 3 MW
SOFC	Óxidos de Yttria e Zircónio	CH4, H2, CO	Ar	O2-	800 - 1000	45 – 55	Tubular: 100 – 5000 kW Planar: 50 – 100 kW

Tabela 1 · Resumo das principais características dos vários tipos de pilhas de combustível [6].

Encontra-se, também, em desenvolvimento uma pilha de combustível regenerativa. Esta situa-se algures entre uma pilha de combustível e uma bateria. As pilhas de combustível regenerativas armazenam ou fornecem energia eléctrica através de uma reacção electroquímica reversível, entre dois electrólitos (neste caso, sais), que se encontram na fase líquida. Assim, a pilha de combustível regenerativa também realiza o inverso da reacção de uma célula de combustível, utilizando electricidade e água para formar o hidrogénio e o oxigénio. A reacção ocorre no interior de uma célula electroquímica que contém compartimentos, um para cada electrólito, separados fisicamente por uma membrana de permuta de iões. Vários pares de electrólitos podem ser utilizados [14].

Figura 8 · Esquema de funcionamento de uma célula de combustível regenerativa [15].

Um sistema de produção de electricidade baseado em pilhas de combustível necessita de equipamento auxiliar, que pode incluir alguns dos seguintes componentes [6]:

• compressor ou ventilador para fornecer o ar ao cátodo;reformador;
• circuito de refrigeração;
• separador para remoção da água obtida nos produtos da reacção;
• bomba para recirculação do gases rejeitados pelo ânodo;
• controlador do sistema;
• dispositivos de controlo de CO;
• sistema de armazenagem e alimentação do combustível.

A produção de energia a partir do hidrogénio tem reduzidos ou nulos impactos ambientais, tornando as pilhas de combustível numa tecnologia cujo desenvolvimento se está a revelar deveras promissor. No entanto, o seu carácter inovador traduz-se em alguns problemas, ainda a resolver, como o elevadíssimo custo e a ausência de infra-estruturas de apoio técnico, nomeadamente, de manutenção, pelo que a adopção de um equipamento deste tipo constitui ainda algum risco [7].

5.4› Ciclo Orgânico de Rankine (COR )

O primeiro protótipo baseado neste ciclo foi desenvolvido, em 1961, por dois engenheiros israelitas, Harry Zvi Tabor e Lucien Bronicki [16].

O princípio de funcionamento do COR é o mesmo do ciclo de Rankine convencional. Contudo, o seu nome deve-se ao facto de se utilizar um fluido orgânico de elevada massa molecular, com uma mudança de fase, de líquido para vapor, ou ponto de ebulição, que ocorre a uma temperatura inferior à da água. Assim, este fluido permite o aproveitamento de calor a partir de fontes de mais baixa temperatura, como os resíduos de algumas indústrias, nomeadamente, de madeira e a energia geotérmica, entre outras [7].

Figura 9 · Unidade baseada no COR, de 450 kWe, durante a instalação, em Admont, Áustria [7].

O fluido de trabalho orgânico é bombeado para o evaporador, onde ocorre a evaporação, devido à aplicação de calor por parte da caldeira. O vapor resultante é expandido na turbina e, no final deste processo, é condensado, recorrendo a um fluxo de água fria ou ao ar ambiente. O condensado é bombeado novamente para o evaporador e, assim, se fecha este ciclo termodinâmico [7].

Na Figura 10, ilustra-se este princípio de funcionamento.

Figura 10 · Princípio de funcionamento de um processo de COR a biomassa [7].

As fontes de aquecimento e de arrefecimento que participam no processo não estão directamente em contacto com o fluido de trabalho orgânico. Para aplicações de alta temperatura, é adicionado um regenerador para incrementar a eficiência do ciclo.

Este tipo de equipamentos tem tido a sua aplicação mais frequente na indústria de processamento de madeira e em redes de District Heating and Cooling (DHC). Para sistemas de dimensão extraordinariamente pequena, é difícil conseguir soluções viáveis, quer do ponto de vista técnico, quer do económico.

Actualmente, existem cerca de quatro dezenas de instalações baseadas em processos de COR [7].
 

5.5› Pequenos motores de combustão interna

Existem, também, numerosas aplicações de micro-cogeração que recorrem a motores de combustão interna de reduzidas dimensões. Nestes casos, geralmente, recorre-se a motores cujo funcionamento é baseado no Ciclo de Otto, sendo o gás natural o combustível usado mais frequentemente [3].

O princípio de funcionamento destes equipamentos é, em tudo, similar aos já expostos na quarta parte deste trabalho, no âmbito de unidades de Cogeração de maiores dimensões.
 

5.6› Comparação das diferentes tecnologias

A selecção da tecnologia a empregar, num projecto de micro-cogeração, deve ser sujeita a uma análise que considere os vários critérios já elencados anteriormente para unidades de maior dimensão.

ma vez mais, as necessidades e especificidades de cada instalação associadas às características próprias de cada tecnologia deverão ser factores combinados no sentido de concretizar a melhor escolha possível.

A Tabela 2 contém as vantagens e inconvenientes de maior destaque das tecnologias de micro-cogeração.

Tipo de tecnologia	Vantagens	Desvantagens
Micro-turbinas	Dimensões compactas; Peso reduzido; Baixo nível de emissões poluentes; Não necessitam de refrigeração; Manutenção reduzida, devido a poucas peças móveis; Elevado tempo de vida.	Custo bastante elevado; Apenas disponibilizam calor a baixas temperaturas; Tecnologia ainda em fase de maturação.
Motores Stirling	Manutenção reduzida, devido a poucas peças móveis; Níveis de ruído muito baixos; Reduzidas emissões de NOx e queimados; Evita a necessidade de uma caldeira complementar.	Custo elevado; Fiabilidade ainda em dúvida; Tecnologia ainda em fase de maturação.
Pilhas de combustível	Baixo nível de emissões poluentes; Baixo nível de ruído; Muito pouca manutenção (não tem peças rotativas; Dimensões relativamente compactas; Modularidade.	Custo bastante elevado; Dúvidas relativas à fiabilidade; Necessitam de pré-processamento do combustível (dificuldade de produção do hidrogénio); Tecnologia ainda em fase de maturação.
Ciclo Orgânico de Rankine	Eficiência muito elevada; Facilidade nos procedimentos de arranque e paragem; Necessidades reduzidas de manutenção; Tempo de vida longo; Bom rendimento em funcionamento a carga parcial.	Reduzida implantação no mercado; Inviável para instalações com necessidades energéticas diminutas.
Pequenos motores de combustão interna	Custo de investimento mais baixo; Elevadas eficiências a carga parcial; Curtos tempos de arranque; Apropriados para geração de emergência e de controlo de pontas; Elevada fiabilidade.	Elevado nível de vibrações; Necessidade de estrutura de suporte e acondicionamento adequados para reduzir ruído; Intervalos para manutenção frequentes.

Tabela 2 · Vantagens e desvantagens de diferentes tecnologias de Micro-cogeração [3] [5] [7]

(Adaptado das fontes).

Por fim, a Tabela 3 lista as características de operação mais relevantes, bem como os custos típicos, em termos de investimento inicial e de operação e manutenção dos vários equipamentos, comparando-os com as tecnologias tradicionais de Cogeração de maior dimensão.

Tipo de tecnologia	Turbinas a gás	Motores Otto a Gás Natural	Motores Diesel	Turbinas a vapor	Micro-turbinas	Pilhas de Combustível
Rendimento eléctrico	15% - 35%	22% - 40%	25% - 45%	10% - 40%	18% - 29%	35% - 40%
Rendimento térmico	40% - 60%	40% - 60%	40% - 60%	40% - 60%	40% - 60%	20% - 50%
Rendimento global	60% - 85%	70% - 80%	70% - 85%	60% - 85%	55% - 75%	55% - 90%
Potência típica (MWe)	0,2 - 100	0,05 - 5	0,015 - 30	0,5 - 100	0,03 – 0,35	0,01 – 0,25
Relação Pt/Pe	1,25 - 2	0,4 – 1,7	0,4 – 1,7	2 - 10	1 – 2,5	1,1
Desempenho a carga parcial	Mau	Médio	Bom	Bom	Médio	Muito Bom
Custo de Investimento (€/kWe)	600 - 800	700 – 1.400	700 – 1.400	700 – 1.900	1.300 - 2.500	> 2.500
Custos de Operação e Manutenção (€/MWhe)	2 - 7	7 - 15	6 - 12	3	10	2 - 12
Intervalos de manutenção (h)	30.000 – 50.000	24.000 – 60.000	25.000 – 30.000	> 50.000	5.000 – 40.000	10.000 – 40.000
Tempo de arranque	10 m – 1 h	10 s	10 s	1 h – 1 dia	1 m	3 h – 2 dias
Pressão do Combustível (bar)	8 - 35	0,07 – 3,1	< 0,35	-	3 - 7	0,03 - 3
Ruído	Médio	Alto	Alto	Alto	Médio	Baixo
Uso do calor	Água Quente, Vapor a alta pressão, Vapor a baixa pressão	Água Quente, Vapor a baixa pressão	Água Quente, Vapor a baixa pressão	Vapor a alta pressão, Vapor a baixa pressão	Água Quente, Vapor a baixa pressão	Água Quente, Vapor a baixa pressão
Densidade de potência (kW/m2)	20 - 500	35 - 50	35 - 50	> 100	5 - 70	5 - 20
NOX (kg/MWh total)	0,2 - 2	0,5	1 - 14	0,9	0,07	0,01

Tabela 3 · Algumas características de operação e custos típicos de diferentes tecnologias de Cogeração e Micro-cogeração [5].

Referências

[1] Seminário COGEN Portugal: Micro-cogeração em Portugal. 10-12-2009. Fundação Dr. António Cupertino Miranda. Porto;

[2] Directiva 2004/8/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 11 de Fevereiro de 2004. Consulta online em http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:390:0038:0057:PT:PDF;

[3] ADENE – Agência para a energia. Relatório de resultados de contactos efectuados com entidades holandesas sobre micro-cogeração baseada na tecnologia de “motores Stirling”. Consulta online em http://www.adene.pt/NR/rdonlyres/10119547-9131-4FC7-BD3D-BB2F73261481/907/RelatorioMicroCHP_MotStirlingv1.pdf;

[4] Intelligent Energy Europe. Projecto Green Lodges: Micro-cogeração - Brochura para fornecedores;

[5] Guia de Aplicações de Gestão de Energia e Eficiência Energética. André Fernando Ribeiro de Sá. Editora Publindústria;

[6] Centro de Estudos em Economia da Energia, dos Transportes e do Ambiente. Tecnologias de Micro-Geração e Sistemas Periféricos. Consulta online em http://www.ceeeta.pt/site/index.html;

[7] Austrian Energy Agency. Micro CHP systems: state-of-the-art;

[8] Turbec AB. Consulta online em http://www.turbec.com/products/process.html;

[9] American Stirling Company. Consulta online em http://www.stirlingengine.com/faq;

[10] The University of British Columbia. Consulta online em http://www.physics.ubc.ca/outreach/phys420/p420_08/Hiroko%20Nakahara/how.html;

[11] New Energy Direction. Consulta online em http://newenergydirection.com/blog/2008/11/reducing-greenhouse-heating-costs-and-generating-income/;

[12] Animated Engines. Consulta online em http://www.animatedengines.com/vstirling.shtml;

[13] Associação da Comunidade Educativa de Aveiro. Consulta online em http://www.aceav.pt/blogs/cristinabrinco/CFQ/ELECTRICIDADE/Forms/DispForm.aspx?ID=10;

[14] Cogeneration.net. Consulta online em http://www.cogeneration.net/RegenerativeFuelCells.html;

[15] Shetland Power Tecnologies. Consulta online em http://www.shetlandpt.co.uk/refuel_technology.html;

[16] The Energy Library. Consulta online em http://www.theenergylibrary.com.

AUTOR: Telmo Rocha | Finalista do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores da FEUP
Fonte: Revista O Electricista