Cogeração | Tecnologias de Trigeração (6ª PARTE)

A Trigeração é, na prática, uma aplicação mais completa do conceito de Cogeração. Esta solução extremamente eficiente promove a produção simultânea de eletricidade, calor e frio. Na sexta parte deste trabalho, analisam-se os equipamentos utilizados para a produção de frio, pelo aproveitamento do calor excedente produzido em Cogeração. São, ainda, referenciados alguns projetos emblemáticos do recurso a esta forma de produção combinada de energia, no nosso país.

6› TRIGERAÇÃO

Existem diversas instalações cujas necessidades energéticas, além de eletricidade e calor, são também de frio. Quando se verifica um equilíbrio considerável entre estes três tipos de necessidades, numa dada instalação, está-se perante uma boa candidata à aplicação de um sistema de Trigeração.

Assim, a Trigeração é uma solução que promove a produção simultânea destes três elementos, a partir de um único combustível, correspondendo na prática a um processo alargado de Cogeração. O calor que não é aproveitado é então recuperado para obter frio. Na língua inglesa, vulgarmente, designa-se este tipo de sistemas por CCHP, um acrónimo para Combined Cooling, Heating and Power [1].

A Figura 2 ilustra um sistema de Trigeração típico, com os seus diversos componentes, permitindo perceber o princípio de funcionamento associado.

Figura 1 · Diagrama esquemático do princípio de Trigeração [2].

Figura 2 · Diagrama esquemático de um sistema de Trigeração típico [3].

6.1› Produção de frio - Chillers

A produção de frio consiste, de facto, na remoção do calor. Tal sucede uma vez que o calor apenas realiza um caminho de um sentido, das temperaturas mais altas para as temperaturas mais baixas. [4] Assim, nos sistemas de Cogeração, quando se tem também a produção de frio como objetivo, recorre-se a chillers, que produzem água gelada, com uma temperatura entre 5° C e 10° C. Um chiller é então uma máquina cuja função é arrefecer - isto é, retirar calor – à água, ou outro líquido, através de um ciclo termodinâmico. Existem chillers de compressão, ou elétricos, de absorção e de adsorção [2].

Os chillers de compressão utilizam um compressor mecânico, acionado por um motor elétrico, para aumentar a pressão em determinada fase do ciclo termodinâmico, o que implica um elevado consumo energético [5]. Por seu turno, os chillers de absorção e os de adsorção permitem produzir água gelada, a partir de uma fonte de calor, utilizando uma solução de um sal, num processo termoquímico. Estes subdividem-se em dois tipos [5]:

• de queima direta, em que o calor necessário para a produção de frio se obtém queimando diretamente um combustível (geralmente, gás natural);
• de queima indireta, em que o calor necessário para a produção de frio é disponibilizado sob a forma de vapor a baixa pressão ou água quente.

O chiller de absorção de queima indireta é o mais apropriado para sistemas de Micro-cogeração, devido às temperaturas que estes produzem. Os equipamentos em que o absorvente é o amoníaco representam um investimento mais elevado, apenas justificado

em instalações de maior dimensão. Quando o absorvente é o brometo de lítio, verifica-se uma melhor relação entre o custo e a eficiência, sendo por isso os equipamentos que o usam mais vulgarmente [6].

Os chillers de absorção e os de adsorção, quando toda a energia necessária para aquecer o absorsor/adsorsor é fornecida pela fonte de calor, são designados de efeito simples. Por outro lado, quando existe mais do que um absorsor/adsorsor no ciclo, existindo recuperação de calor entre eles, o que aumenta a eficiência, diz-se então que se trata de equipamentos de efeito duplo ou com recuperação de calor [5].

6.1.1› Chillers de compressão ou elétricos

O princípio de funcionamento do chiller elétrico baseia-se no efeito Joule-Thompson, isto é, no facto de a temperatura de um gás real variar quando se verifica uma variação brusca da sua pressão. Verifica-se que a expansão de um gás real é sempre acompanhada de uma queda da sua temperatura [7].

Assim, o ciclo realizado por um chiller de compressão possui: um evaporador, onde o fluido se evapora; um compressor, onde o fluido é comprimido e fica sob alta pressão; um condensador, onde o fluido condensa; e uma válvula de expansão, onde o fluido perde pressão, ficando a baixa pressão. Ao longo deste ciclo, o fluido recebe o calor a uma temperatura baixa e liberta calor a uma temperatura elevada [4][8].

Figura 3 · Diagrama simplificado de um sistema de arrefecimento por compressão de vapor [9].

6.1.2› Chillers de ciclo de absorção

Os chillers de absorção constituem sistemas termoquímicos, nos quais não existem peças móveis que não as bombas hidráulicas. Assim, apresentam uma vida útil longa e com poucas necessidades de manutenção. Por outro lado, por norma, não é utilizada nenhuma substância nociva da camada de ozono.

O consumo elétrico de um chiller deste tipo é de apenas, aproximadamente, 10% do consumo dos chillers de compressão elétricos. A capacidade dos chillers de absorção varia entre, aproximadamente, 10.000 kW e 17.000 kW mas, regra geral, funcionam na gama dos 1.000 a 2.000 kW [6].

Figura 4 · Vista exterior de um chiller de absorção a brometo de lítio, da marca Shuangliang [10].

O funcionamento de um equipamento deste tipo é ilustrado na Figura 5, sendo realizado da seguinte forma [5]:

• No evaporador, é arrefecida a água a gelar: o fluido refrigerante (por norma, a água) evapora ao absorver calor dos tubos, onde circula a água a gelar;
• No absorvedor, o vapor de água é absorvido pela substância absorvente. O calor libertado, no processo de absorção, é dissipado na passagem dos tubos de água do condensador pelo absorvedor;
• No gerador, é fornecido o calor pela fonte quente. Assim, separa-se novamente o vapor de água da substância absorvente;
• No condensador, o vapor de água produzido no gerador é condensado pela água que circula no seu interior.

Figura 5 · Esquema de funcionamento de um chiller de absorção [11] (Adaptado da fonte).

Todavia, a fraqueza destes equipamentos reside no seu reduzido rendimento energético, ou Coeficiente de Performance (COP), quando comparados com os chillers de compressão. Apresentam COP de 0,6 a 1,1, enquanto nos chillers de compressão pode atingir-se COP de 6,0 [8].

Assim, quando comparada com a tecnologia de refrigeração por compressão de vapor, a refrigeração por absorção é menos popular, quer pela sua baixa eficiência energética, quer pelo elevado custo de investimento a que está associada.

No entanto, a refrigeração por absorção torna-se muito atraente, quando aplicada em sistemas de Cogeração, pela sua capacidade de reaproveitar os gases provenientes da queima de um combustível e/ou de aproveitar a água quente de caldeiras de recuperação para gerar grandes quantidades de frio [5][8].

Uma alternativa para contornar o COP baixo dos chillers de absorção consiste em combinar um chiller elétrico, em funcionamento de base, com um chiller de absorção, para os períodos de cheia e de ponta, nos quais o preço da energia elétrica é mais elevado. Pode, ainda, recorrer-se ao armazenamento de frio em bancos de gelo, sendo este produzido nos períodos economicamente mais favoráveis [5].

6.1.3› Chillers de ciclo de adsorção

Um chiller de adsorção é um equipamento que converte calor em frio, utilizando como fonte o calor inutilizado. A adsorção é um fenómeno reversível, do qual resulta a acumulação de uma substância gasosa ou dissolvida, na superfície porosa de um corpo. Quando tal acontece, as moléculas dessa substância libertam energia e, assim, este é um processo exotérmico. Na absorção, o fluido mistura-se com o absorvente para formar uma solução, sendo aqui que se encontra a principal diferença entre os dois processos [5].

Os chillers de adsorção utilizam apenas água como refrigerante e um gel de sílica como adsorvente. Podem funcionar com temperaturas entre os 55° C e os 90° C, sendo mais interessantes do que os chillers de absorção em soluções de Cogeração de baixa temperatura, tais como, por exemplo, sistemas híbridos Cogeração/Solar Térmico. Contudo, a temperatura adequada para a fase de desadsorção é de 70° C a 90° C, uma gama de temperaturas na qual apresentam melhor eficiência do que os chillers de absorção, sendo que para valores mais baixos a eficiência do processo desce [5][12].

Estes equipamentos possuem COP de 0,6 e o seu consumo de eletricidade é, tipicamente, de apenas 6% da capacidade do próprio chiller [12].

A sua capacidade de arrefecimento varia entre os 5,5 kW e os 500 kW [13].

Figura 6 · Vista exterior de um chiller de adsorção, da marca Weatherite Manufacturing [12]

São equipamentos bastante robustos e de manutenção significativamente reduzida pois quase não possuem peças móveis e, assim, o seu custo de manutenção é de apenas cerca de um décimo do de um chiller de compressão convencional [6][13]. Por outro lado, o emprego do gel de sílica não apresenta riscos para o ambiente, uma vez que é uma substância quimicamente neutra [12].

Porém, são comparativamente mais pesados, mais volumosos e mais dispendiosos (aproximadamente, 500 €/kW). Esta última é a desvantagem marcante dos chillers de adsorção [5][13].

É possível associar um chiller de adsorção, em série, com um chiller de absorção para utilizar mais calor da água quente, em situações em que a temperatura é mais elevada (entre 95° C e 150° C). Os chillers de adsorção podem também ser usados com um chiller de compressão convencional, para aumentar a capacidade de arrefecimento sem um acréscimo significativo no consumo de energia [5].

6.2› Trigeração em Portugal

Em 2008, existia pouco mais de uma dezena de instalações de Trigeração, no nosso país, que representavam uma potência elétrica de aproximadamente 26 MWe (cerca de 3% da potência total instalada em Cogeração, em Portugal). Estas instalações distribuíam-se, essencialmente, por edifícios do setor dos serviços, de onde se destacavam as instalações em centros comerciais, hospitais e alguns grandes edifícios de escritórios. No que concerne às tecnologias de Cogeração empregues nestas instalações, destacavam-se os motores a gás natural (57%), os motores de ciclo de Diesel (24%) e as turbinas a gás (18%) [14].

Não se conhecem números precisos quanto à situação presente da Trigeração em Portugal. Contudo, sabe-se que este tipo de projetos continua a concentrar-se no setor dos serviços, com especial destaque para a recente aplicação de modernas centrais de Trigeração em diversos hospitais portugueses. Relativamente às tecnologias usadas, os novos projetos baseiam-se exclusivamente em sistemas a gás natural (motores de ciclo de Otto e, em menor escala, turbina a gás) [14] [15].

De seguida, far-se-á referência a alguns projetos emblemáticos com recurso à Trigeração, em território nacional.

› Central de Trigeração e rede urbana de calor e frio do Parque das Nações (Lisboa)

O Parque das Nações, local onde foi realizada a Exposição Mundial de 1998 (Expo 98), estende-se por uma área de aproximadamente 400 hectares, fundamentalmente, ocupados por edifícios de habitação e serviços. Na altura da sua construção, optou-se por uma Central de Trigeração a alimentar uma rede urbana de calor e frio (DHC – District Heating and Cooling) como solução de abastecimento de energia térmica (água quente, para aquecimento e AQS, e água gelada, para ar-condicionado e outros fins) aos diversos edifícios [16].

Figura 7 · Diagrama de princípio da central de Trigeração da rede urbana de calor e frio do Parque das Nações [17].

A Central de Trigeração que abastece esta rede DHC, e cujo diagrama de princípio se encontra ilustrado na Figura 7, é constituída por uma turbina a gás, que recorre ao gás natural como combustível, da TUMA Turbomach e um alternador ABB com uma potência elétrica nominal de 4.7 MW [16].

Este grupo turbo-alternador produz a energia elétrica necessária ao funcionamento da central. A energia elétrica excedente é entregue à rede pública, durante as horas de ponta. A interligação à rede é efetuada numa subestação próxima da Central de Trigeração, a uma tensão de 10 kV [16].

Figura 8 · Produção e venda de energia elétrica à rede e consumo de gás natural pela central de Trigeração da rede urbana de calor e frio do Parque das Nações (1998) [17] (Adaptado da fonte).

A caldeira de recuperação de calor dos gases de exaustão da turbina possui pós-combustão, aumentando a energia térmica contida nestes, permitindo produzir 18 t/h de vapor saturado a uma pressão de 10 bar. Faz uso, também, de dois chillers de absorção de duplo estágio a brometo de lítio (Br-Li), com uma potência nominal de 4.8 MWt, alimentados pelo vapor produzido numa caldeira de recuperação. Existe, ainda, uma caldeira de vapor auxiliar de 15 MWt, que entra em funcionamento para situações de manutenção da turbina a gás ou quando a capacidade da caldeira de recuperação é excedida pela procura. Por outro lado, a utilização adicional de dois chillers de compressão mecânica, a amoníaco, com uma potência nominal de 5,5 MWt, cujos compressores são acionados por motores elétricos, permite efetuar o arrefecimento complementar, isto é, para se obter com precisão a temperatura desejada no fornecimento de água gelada [16]. O projeto contempla a possibilidade de serem instalados chillers de compressão e/ou de absorção adicionais para satisfazer um aumento da procura que ultrapasse a capacidade desta instalação [17].

Figura 9 · Produção de água quente e de água gelada da central de Trigeração da rede urbana de calor e frio do Parque das Nações, ao longo do ano de 1998 [17] (Adaptado da fonte).

A potência total de aquecimento desta Central ronda os 11 MWt. A água quente é produzida por via da recuperação dos efluentes térmicos da turbina a gás, com recurso a uma caldeira de recuperação. A potência de arrefecimento é de aproximadamente 22 MWt (com uma reserva que permite atingir os 40 MWt, considerando o armazenamento de água gelada) [16]. A água gelada é produzida durante a noite e armazenada num reservatório de 15.000 m3, para ser utilizada durante o dia. Quando as necessidades de arrefecimento são superiores à capacidade de armazenamento dá-se o arranque dos chillers [17]. Assim, esta reserva de água gelada é de extraordinária importância ao permitir uma plena gestão da produção e distribuição da energia térmica, tendo em conta os períodos de venda de energia elétrica à rede, otimizando dessa forma o funcionamento de todo o sistema, reduzindo custos de exploração.

Esta trata-se de uma rede a quatro tubos, instalada em galeria técnica, para minimizar os impactos de ordem estética [17]. As tubagens de fornecimento são devidamente isoladas para evitar perdas térmicas, enquanto os circuitos de retorno e, ainda, os ramais de distribuição a partir da rede principal não o são [16]. Esta rede possibilita o fornecimento simultâneo de água quente e água gelada aos utilizadores finais, possuindo uma extensão total de 40 km [17].

Saliente-se, também, o recurso a um sistema de gestão técnica centralizada, que possibilita a otimização de todos os parâmetros de produção e distribuição da energia térmica ao conjunto de edifícios [16].

Por outro lado, o controlo das necessidades de calor e frio é realizado, individualmente, em cada instalação, garantindo que se consome da rede a energia térmica estritamente necessária. Em cada ponto de entrega de energia térmica, isto é, nos diversos edifícios, existem permutadores de calor compactos que efetuam a troca de energia da rede com as respetivas redes internas. Na maior parte dos casos, são dois os permutadores de calor. Um é destinado ao circuito de água quente e o outro ao de água gelada. Em cada uma das instalações de consumo, existem sistemas de medição de caudal e de energia térmica, bem como sistemas de controlo da temperatura de retorno da água gelada [17].

Este projeto de Trigeração promove uma redução anual de 20.000 t de CO2 (25% de redução comparativamente a uma produção convencional de eletricidade, calor e frio) e de 300 t de SO2 (que equivale a uma redução de 99%) [16].

› Centro Hospitalar de São João – Pólo do Porto

A moderna central de Trigeração do Pólo do Porto do Centro Hospitalar de São João, instalada num edifício independente mas próximo do hospital, substituiu a central de produção de energia que estava em funcionamento há 43 anos e que foi, assim, desativada recentemente. Este novo equipamento proporcionará uma poupança relevante na fatura energética desta unidade hospitalar, bem como ganhos ambientais consideráveis [18].

A nova Central utiliza como combustível o gás natural, produzindo simultaneamente energia elétrica e energia térmica, sob a forma de água quente, vapor de água e água fria. A climatização do hospital passou a ser exclusivamente realizada recorrendo à energia térmica produzida pela Trigeração, o que resulta numa poupança anual de 3 milhões de euros [18]. Foi, ainda, efetuada a modernização da rede de Média Tensão e do posto de seccionamento e alimentação a 60 Kv, o que contribuiu também para ganhos na fatura energética desta instalação [15].

Esta instalação de Trigeração é composta por três motores de Ciclo de Otto, de combustão a gás natural, inseridos em canópias de insonorização, totalizando uma potência elétrica de 7,3 MW, uma central térmica, uma central de produção de água gelada, uma central de bombagem e distribuição de água quente e água gelada, um novo posto de seccionamento e transformação e, ainda, depósitos de inércia com acumulação de energia com capacidade de 100.000 L [18].

A central térmica, a água quente e vapor, é constituída por duas caldeiras de vapor a gás natural de 3 t/h, três caldeiras de recuperação dos gases de escape dos motores, produzindo 1,8 t/h e uma caldeira de água quente de 2 MW, estando ainda dimensionada para ampliar a potência de água quente em 4 MW adicionais, se necessário. Relativamente à central de produção de água gelada, está equipada com dois chillers de absorção, perfazendo uma potência de 4,3 MW, e com um chiller elétrico centrífugo de 3 MW [18]. Existe, ainda, uma reserva de 6 MW repartidos por dois chillers elétricos, para fazer face a necessidades extraordinárias [15].

Este equipamento enquadra-se numa parceria entre o SUCH (Serviço de Utilização Comum dos Hospitais) e o Centro Hospitalar de São João, que possui um horizonte temporal de 15 anos. O investimento inicial, na ordem dos 17 milhões de euros, foi realizado na totalidade pelo SUCH. Contudo, a central passará para a propriedade do C. H. de São João no final do contrato estabelecido [15].

A alteração do sistema de queima, passando de um combustível altamente poluente (nafta), utilizado pela velha central, para um combustível fóssil substancialmente mais limpo (gás natural), permitiu a redução drástica da emissão de poluentes e fumos negros, que provocavam uma diminuição considerável da qualidade do ar envolvente e, ainda, a própria degradação exterior do hospital. Este projeto traduz-se numa redução de 3700 t/ano de CO2 emitido para a atmosfera [18].

› Hospital de Santo André (Leiria)

Esta unidade hospitalar conseguirá, nos próximos dez anos, uma redução de 30% no consumo energético, o equivalente a uma poupança de 1,5 milhões de euros na fatura energética, por via da produção própria de energia térmica e elétrica, através de uma central de Trigeração. Este sistema faz uso direto do calor recuperado e, em complemento, produz frio, fundamental para a climatização, através de chillers de absorção. Assim, a energia térmica é consumida no local e a produção de eletricidade é injetada na rede elétrica nacional [19].

Este equipamento implicou um investimento de 2,7 milhões de euros, realizado pelo Serviço de Utilização Comum dos Hospitais (SUCH), e será gerido em parceria pelo Hospital de Santo André e por esta empresa. No final do prazo contratualmente acordado entre ambas as partes, este equipamento e todas as estruturas anexas passarão para o controlo do Hospital a custo zero [15].

Segundo dados apresentados pelo SUCH, este projeto de Trigeração permitirá reduzir em cerca de 900 toneladas a quantidade de CO2 anualmente libertada para a atmosfera, permitindo alcançar poupanças de aproximadamente 124.000,00 Euros, no primeiro ano, e um total de 1,5 milhões de euros no período de duração deste contrato ESCO [15][19].

› Hospital de São Bernardo (Setúbal)

Esta é outra unidade hospitalar que possui um sistema de produção combinada de energia elétrica e térmica (calor/frio). Esta central de Trigeração permitirá poupanças a curto e longo prazo a esta unidade hospitalar. O sistema instalado permite uma produção simultânea de energia elétrica e térmica. A primeira é injetada na rede elétrica, enquanto a segunda é entregue na totalidade ao hospital, para consumo de águas quentes e produzindo, adicionalmente, água gelada para a climatização global do hospital, por via de chillers de absorção [20].

O investimento realizado aproximou-se de 2 milhões de euros, permitindo ao hospital poupar cerca de 1,15 milhões de euros, ao longo dos 10 anos de contrato [20]. Trata-se, também, de uma parceria entre o Serviço de Utilização Comum dos Hospitais (SUCH) e a DALKIA, responsável pela implementação da tecnologia [15].

Este projeto traduziu se em diversos benefícios diretos para o Hospital de São Bernardo, tais como a diminuição de custos de exploração pela utilização desta tecnologia eficiente, o aumento da potência de frio instalada e a eliminação da central de vapor, conduzindo a uma poupança de energia primária superior a 15 por cento [15].

Referências

[1] Guia de Aplicações de Gestão de Energia e Eficiência Energética. André Fernando Ribeiro de Sá. Editora Publindústria. 2008;

[2] COGEN Portugal. Manual de Apoio ao Cogerador. Consulta online em http://www.cogenportugal.com/ficheirosUpload/Manual_de_Apoio_ao_Cogerador.pdf;

[3] LNEG. Trigeração em Edifícios. João Farinha Mendes. Consulta online em http://www.lneg.pt/download/1828;

[4] Ciclo frigorífico de compressão. Luis Filipe Roriz. Consulta online em http://web.ist.utl.pt/luis.roriz/;

[5] 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;

[6] Southern California Gas Company. New Buildings Institute. Absorption Chillers. Consulta online em http://www.newbuildings.org/downloads/guidelines/AbsorptionChillerGuideline.pdf;

[7] Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”. Departamento de Física e Química. Consulta online em http://www.fqm.feis.unesp.br/docentes/newton/Introdu%E7%E3o%20%E0%20Termodin%E2mica%20%20Expans%E3o%20Joule%20Thonson.pdf;

[8] Refrigeração. Fabrício, Jair e Lucas. 2006;

[9] LED Illumination Solutions, Ltd. Johannesburg, Gauteng. Consulta online em http://www.lightingsolutions.co.za/solar-solutions/solar-panels;

[10] DBDMART. Consulta online em http://www.dbdmart.com/absorptionchiller/product.detail.php?lang=th&id=468675;

[11] Treehugger. Consulta online em http://www.treehugger.com/files/2008/12/steinway-solar-airconditioning.php;

[12] Weatherite Manufacturing Limited. Adsorption chiller technology. Consulta online em http://www.weatherite-manufacturing.com/edit/files/brochures/ADsorption%20chiller%20brochure.pdf;

[13] Solair Project. Consulta online em http://www.solair-project.eu/142.0.html;

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

[15] SUCH – Serviço de Utilização Comum dos Hospitais. Consulta online em http://www.somos.pt/pt-PT/equipas/energia.aspx;

[16] Climaespaço. Consulta online em http://www.climaespaco.pt/bt_clima_inf.tec.htm;

[17] Jesus Ferreira Consultores. Consulta online em http://www.jesusferreira.com.pt/ficheiros_artigos/Trigera%C3%A7aoRedesUrbanas.pdf;

[18] Centro Hospitalar de São João. Consulta online em http://www.chsj.pt/PageGen.aspx?WMCM_PaginaId=28015¬iciaId=32462&pastaNoticiasReqId=28007;

[19] Hospital de Santo André. Consulta online em http://www.hsaleiria.minsaude.pt/ComunicacaoImagem/NoticiasEventos/Central+de+ogera%C3%A7%C3%A3o+Trigera%C3%A7%C3%A3o+do+HSA+garante+diminui%C3%A7%C3%A3o+de+30+por+cento+no+consumo+energ%C3%A9tico.htm;

[20] O Setubalense. Consulta online em http://www.osetubalense.pt/noticia.aspidEdicao=639&id=21653&idSeccao=4708&Action=noticia.

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