Cogeração | Tecnologias de Cogeração (4ª PARTE)

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.

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].

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].

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 por Ciclo Superior (Topping Cycle) e Ciclo Inferior (Bottoming Cycle) [4].

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].

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].

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 encontra a jusante da mesma. A energia é libertada quando ocorre a mistura do ar com o combustível, na câmara de combustão, e se dá a ignição. Os gases resultantes são direccionados para as pás da turbina, promovendo o seu movimento.

O princípio de funcionamento teórico das turbinas a gás baseia-se no Ciclo de Brayton, também conhecido como Ciclo de Joule [5].

Figura 1 · Vista em corte de uma turbina a gás de potência elevada (Siemens V64.3) [5] (Adaptado da fonte).

Na Figura 2, está representado o processo real de combustão interna de uma turbina a gás, em circuito aberto. O ar admitido é conduzido a um compressor do tipo axial, onde a pressão e a temperatura são elevadas (1). Na câmara de combustão, o ar mistura-se com o combustível – geralmente, gás natural – e a combustão é realizada a pressão constante, uma vez que a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo (de 2 a 3). Os gases resultantes entram na turbina, a alta temperatura, e são expandidos, produzindo trabalho, num processo teoricamente adiabático (de 3 a 4).

Figura 2 · Processo real de combustão interna de uma turbina a gás, em circuito aberto [6].

O trabalho considerado útil é o que resulta da diferença entre o trabalho realizado na turbina (4) e o trabalho entregue ao compressor (1). O compressor e a turbina são montados no mesmo eixo, permitindo que uma parte do trabalho realizado na turbina seja usada no próprio processo de compressão [2] [6].

Na prática, as inevitáveis ocorrências de fricção e turbulência alteram o processo. Estas causam [5]:

• compressão não-isentrópica: para uma dada pressão, a temperatura à saída do compressor é superior à ideal;
• expansão não-isentrópica: apesar de o movimento da turbina causar uma descida da sua temperatura, o compressor não é afectado e a pressão associada é maior, o que diminui a capacidade de expansão disponível para a realização de trabalho útil;
• perdas de pressão na entrada de ar, na câmara de combustível e na saída de gases: reduzem a capacidade de expansão disponível para realizar um trabalho útil.

Assim, é conveniente estudar o funcionamento da turbina a gás em ciclo fechado. Neste caso, o processo de combustão é substituído por um processo de adição de calor, por parte de uma fonte externa, a pressão constante, e o processo de escape é substituído por uma libertação de calor, para o exterior, também a pressão constante [2].

Tal como acontece com todos os outros motores baseados em ciclos termodinâmicos, uma maior temperatura de combustão significa uma maior eficiência. Contudo, o limite é dado pela resistência térmica dos materiais que constituem a máquina. Refrigerar convenientemente as várias partes que a compõem é um trabalho de considerável engenharia.

Uma turbina a gás é, do ponto de vista construtivo, menos complexa do que um motor de combustão interna. As mais usuais têm apenas uma parte móvel: o conjunto veio/ compressor/turbina/alternador [5].

Num sistema de Cogeração com turbina a gás, a recuperação de calor processa-se exclusivamente a partir dos gases de exaustão, numa caldeira de recuperação. Neste caso, não se efectua a recuperação de calor nos circuitos de refrigeração da água e do óleo de lubrificação, ao contrário do que sucede nos motores de combustão interna [1] [3]. A Figura 3 ilustra um esquema típico de Cogeração com turbina a gás.

Figura 3 · Esquema de uma solução de Cogeração baseada numa turbina a gás [1].

4.2› Turbinas a vapor

As turbinas a vapor são já uma tecnologia clássica, sendo utilizadas nas centrais térmicas convencionais (a carvão ou a fuel) e nas centrais de ciclo combinado (a gás natural).

O seu princípio de funcionamento teórico é baseado no Ciclo de Rankine, cujo diagrama é apresentado de seguida [6].

A água é convertida em vapor saturado de alta pressão, no interior da caldeira, a uma temperatura superior à temperatura de saturação. O vapor é, então, expandido numa turbina de vários andares com, pelo menos, um reaquecimento intermédio, sendo depois rejeitado a baixa pressão para um condensador de vácuo, onde é realizada a condensação do vapor. Por fim, o condensado é direccionado novamente para a caldeira, para que o ciclo se reinicie [2]. Este processo encontra-se representado na Figura 5.

Figura 4 · Diagrama T,s do Ciclo de Rankine [6].

Contudo, o tipo de turbina descrito anteriormente, denominado por turbina de condensação, não é o que deve ser usado nos sistemas de Cogeração porque é pensado para optimizar a conversão eléctrica pura.

Figura 5 · Esquema do ciclo com turbina a vapor [6].

Assim, é mais conveniente usar turbinas a vapor de contrapressão (ou de não-condensação), quando o objectivo é a aplicação em sistemas de Cogeração. Nestas, o vapor que abandona a turbina é enviado directamente para o processo industrial. A denominação destas turbinas explica-se pelo facto do vapor ser rejeitado a pressões próximas da pressão atmosférica e, deste modo, superiores ao vácuo que se verifica no condensador.

A utilização do vapor a estas pressões mais elevadas prejudica o rendimento eléctrico, mas melhora substancialmente o rendimento térmico [2]. Na Figura 6, observa-se o esquema típico de uma Cogeração com turbina a vapor de contrapressão.

Existe, ainda, outro tipo de turbina a vapor que também é usado em sistemas de Cogeração. Trata-se da turbina a vapor de extracção, que é a combinação das duas anteriores: uma parte do vapor é direccionado para o processo industrial e o restante é condensado [2].

Figura 6 · Esquema de uma solução de Cogeração baseada numa turbina a vapor de contrapressão [1].

4.3› Ciclo combinado

Um sistema de Cogeração de ciclo combinado trata-se de uma associação das duas tecnologias anteriores. Assim, integra uma ou mais turbinas a gás que accionam os alternadores respectivos. A recuperação do calor proveniente dos gases de exaustão é utilizada para a produção de vapor que, posteriormente, é expandido numa turbina a vapor, produzindo-se também energia eléctrica dessa forma [2].

A Cogeração em ciclo combinado maximiza a produção de energia eléctrica, podendo existir facilmente produção de energia térmica, através de extracções de vapor [1].

Na Figura 7, encontra-se representado um esquema de princípio de um sistema de Cogeração que recorre à tecnologia de ciclo combinado.

Figura 7 · Esquema de uma solução de Cogeração com ciclo combinado [1].

4.4› Motores alternativos ou de combustão interna

Os motores de combustão interna são máquinas térmicas alternativas destinadas à produção de energia mecânica, isto é, de força motriz de accionamento. Podem ser classificados como de explosão, quando a ignição é realizada por faísca e, nesse caso, funcionam de acordo com o Ciclo de Otto ou como de ignição por compressão, respeitando então o Ciclo de Diesel [3].

Estes motores possuem vários parâmetros de funcionamento [2]:

• Ponto Morto Superior (PMS): é a posição extrema do pistão, na parte superior do cilindro, definindo o volume mínimo deste;
• Ponto Morto Inferior (PMI): é a posição extrema do pistão, na parte inferior do cilindro, definindo o volume máximo deste;
• Volume de admissão: é o volume existente entre o PMS e o PMI e é dado por:

• Tempo motor: corresponde ao deslocamento do êmbolo, desde o PMS até ao PMI, que resulta da expansão dos gases, na combustão;
• Curso do êmbolo: é a distância percorrida entre o PMS e o PMI;
• Volume da câmara de combustão: é o volume ocupado pela mistura ar/combustível, quando o pistão se encontra no PMS;
• Taxa de compressão: corresponde à relação volumétrica, no cilindro, antes e depois da compressão, e é dada por:

Apresenta-se, na Figura 8, um esquema possível para uma Cogeração baseada em tecnologia de motores alternativos.

Figura 8 · Esquema de uma solução de Cogeração com motor alternativo [1].

4.4.1› Motor de quatro tempos – Ciclo de Otto

Este motor, também conhecido por motor de explosão devido à forma como se realiza a ignição, baseia o seu funcionamento num ciclo termodinâmico idealizado pelo engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas, em 1862. Nikolaus Otto, um engenheiro alemão, construiu um motor que operava com este ciclo, em 1876, embora este não fosse exactamente igual aos motores actuais [6].

A câmara de combustão contém um cilindro, uma válvula de admissão, uma válvula de escape e uma vela de ignição. No interior do cilindro, move-se um pistão que se encontra acoplado à biela e esta articula com a cambota. Assim, a cambota transforma o movimento rectilíneo de ida e volta do conjunto pistão-biela num movimento rotativo [2].

Estes motores utilizam como combustível gasolina, álcool, gás natural, bioetanol ou biogás [6].

A Figura 9 ilustra os principais componentes de um motor de combustão interna.

O ciclo de trabalho de um motor Otto define-se em quatro tempos distintos, compreendendo duas voltas na cambota ou quatro cursos completos do êmbolo [2]. Considerando o uso de apenas duas válvulas, que são comandadas pelos ressaltos da árvore de cames, uma de admissão, que permite a introdução no cilindro de uma mistura gasosa composta por ar e combustível, e outra de escape, que permite a expulsão para a atmosfera dos gases queimados, o ciclo de funcionamento de um motor de combustão interna a quatro tempos é o seguinte [3]:

• Com o êmbolo (ou pistão) no PMS é aberta a válvula de admissão, enquanto se mantém fechada a válvula de escape. A mistura gasosa é regulada pelo sistema de alimentação. O êmbolo é impulsionado para baixo, pelo veio de manivelas, movendo-se então até ao PMI. Assim, a cambota rodou meia volta. Este primeiro curso do êmbolo é o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admissão;
• Nesta altura, fecha-se a válvula de admissão, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que é comprimida pelo pistão, impulsionado no sentido ascendente, em direcção à cabeça do motor, pelo veio de manivelas, até atingir novamente o PMS. Durante este movimento, as duas válvulas encontram-se fechadas. A cambota completa uma volta. Este segundo curso do êmbolo constitui o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compressão;

Figura 9 · Vista de um motor de combustão interna e seus principais componentes [7] (Adaptado da fonte).

• Quando o êmbolo atinge o PMS, a mistura gasosa que se encontra comprimida no espaço existente entre a face superior do êmbolo e a cabeça do motor, o que se denomina por câmara de combustão, é inflamada devido à faísca produzida pela vela e explode. O aumento de pressão, causado pelo movimento de expansão dos gases, empurra o êmbolo até ao PMI, impulsionando assim o veio de manivelas e produzindo a força rotativa necessária ao movimento do eixo do motor. Nesta fase, a cambota rodou uma volta e meia. Este terceiro curso do êmbolo é o terceiro tempo do ciclo, também designado por tempo de explosão, tempo motor ou tempo útil, uma vez que é o único em que efectivamente se produz trabalho;
• O cilindro encontra-se agora cheio de gases resultantes da combustão da mistura. Nesta altura, o êmbolo retoma o seu movimento ascendente, impulsionado pelo veio de manivelas, e a válvula de escape abre. Permite-se, assim, a expulsão dos gases para a atmosfera, impelidos pelo êmbolo no seu movimento até ao PMS, e a válvula de escape volta a fechar. A cambota completou duas voltas. Este último curso do êmbolo é o quarto tempo do ciclo, o tempo de exaustão ou de escape.

Após a expulsão dos gases, o motor retorna às condições iniciais, permitindo que o ciclo se repita. A Figura 10 ilustra os quatro tempos descritos.

Figura 10 · Os quatro tempos do Ciclo de Otto [8] (Adaptado da fonte).

A Figura 11 contém os diagramas P,v e T,s do Ciclo de Otto e as suas etapas [2]:

• 1 - 2: compressão isentrópica da mistura, pelo movimento ascendente do pistão;
• 2 - 3: adição de calor, a volume constante, devido à ignição da mistura ar-combustível e consequente explosão, e aumento da pressão;
• 3 - 4: expansão isentrópica causada pelo movimento descendente do pistão;
• 4 - 1: rejeição de calor, a volume constante, pela abertura da válvula de escape.

Figura 11 · Diagrama P,v e diagrama T,s do ciclo de Otto [6].

4.4.2› Motor de dois tempos – Ciclo de Diesel

Este motor foi inicialmente desenvolvido pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel, em 1894. A sua característica distintiva é a eliminação da necessidade de um circuito eléctrico para proceder à ignição. Neste caso, o combustível é queimado por acção do calor libertado, quando a mistura é comprimida a uma taxa bastante elevada [2].

Os motores Diesel utilizam como combustível o gasóleo, o óleo Diesel e o biodiesel [6]. O Ciclo de Diesel contém dois tempos, cada um definido por dois momentos:

• Inicia-se com o êmbolo no PMS e a válvula de admissão aberta. O êmbolo, ao descer, aspira o ar para o interior do cilindro. Este é o momento de admissão;
• O êmbolo atinge o PMI, iniciando-se então a compressão. A diminuição do volume provoca um aumento substancial da temperatura do ar, dentro do cilindro. Este momento é designado por momento de compressão;
• No movimento de subida do êmbolo, ligeiramente antes do PMS, o combustível começa a ser pulverizado pelo injector, em finas gotículas, misturando-se com o ar quente até se dar a combustão. Esta é controlada pela taxa de injecção de combustível, isto é, pela quantidade de combustível injectado. A combustão provoca a expansão, que começa após o PMS, e o combustível continua a ser pulverizado até momentos antes do PMI. Este é o momento de expansão;
• Por fim, o êmbolo retorna ao PMS, provocando a expulsão dos gases de combustão do cilindro. Este último momento denomina-se por exaustão ou escape.

O motor fica então em condição de retomar o ciclo [3]. A Figura 12 expõe o modo de funcionamento descrito anteriormente.

Figura 12 · Os quatro tempos do Ciclo de Otto [8] (Adaptado da fonte).

A Figura 13 ilustra os diagramas P,v e T,s do Ciclo de Diesel, constituído pelas seguintes etapas [2]:

• 1 - 2: compressão isentrópica da mistura, devido ao movimento ascendente do pistão;
• 2 - 3: adição de calor, a pressão constante, devido à ignição da mistura ar-combustível e consequente explosão, e aumento da pressão;
• 3 - 4: expansão isentrópica causada pelo movimento descendente do pistão;
• 4 - 1: rejeição de calor, a volume constante, pela abertura da válvula de escape.

Figura 13 · Diagrama P,v e diagrama T,s do ciclo de Diesel [6].

4.5› Comparação das diferentes tecnologias

A selecção da tecnologia de Cogeração ou Micro-cogeração a usar, num dado projecto, deve ser sujeita a uma análise cuidada, uma vez que depende de diversos factores.

Cada uma das tecnologias expostas está associada a vantagens e inconvenientes, impostos pelas suas características próprias, que devem ser tomados em consideração, de modo a que a escolha efectuada responda da melhor forma possível às necessidades da instalação em causa e que maximize as suas potencialidades [1].

Alguns dos factores a considerar na selecção da tecnologia a usar, num dado projecto, são [10]:

• as necessidades eléctricas e térmicas da instalação, em situação normal e de pico;
• o andamento temporal destas necessidades, bem como o intervalo de tempo máximo tolerado pela instalação, sem que estas sejam satisfeitas;
• a prioridade das necessidades;
• o tipo de calor requerido;
• a rapidez de resposta exigido;
• os tipos de combustível disponíveis, quer no imediato, quer a longo prazo, e o seu preço actual, bem como a evolução que é esperada neste capítulo;
• a disponibilidade comercial dos diversos equipamentos e a existência de uma boa resposta, em termos de serviços de manutenção, assim como os seus tempos de vida;
• as condições físicas da própria instalação, tais como o espaço disponível, condições do solo, entre outras;
• os tempos de montagem das diversas tecnologias;
• os custos associados a cada uma das possíveis escolhas.

A Tabela 1 elenca as principais vantagens e inconvenientes de cada uma das tecnologias de Cogeração.

4.6› Manutenção de sistemas de Cogeração

No geral, os sistemas de Cogeração possuem custos associados à sua manutenção mais 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 necessidade 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].

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.

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].

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;

[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/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%20PRACTICE%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.

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