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Sistema de cogeração: funcionamento e benefícios

Um sistema de cogeração produz simultaneamente energia elétrica e térmica. Aplicações, vantagens e limitações

A cogeração é um sistema eficiente e sustentável para produzir simultaneamente duas formas de energia: eletricidade e calor. Esse processo é possível graças ao uso de um sistema chamado cogerador, projetada para aproveitar ao máximo a energia contida no combustível, reduzindo ao mínimo o desperdício.

A escolha de um sistema de cogeração para ser tecnicamente e economicamente viável, deve ser cuidadosamente avaliada com uma análise aprofundada das demandas de energia elétrica e térmica ao longo do tempo e dos sistemas motores disponíveis (pode ser adotada em diferentes situações).

A cogeração também pode aumentar significativamente a eficiência no uso de combustíveis fósseis, permitindo,  reduzir os custos da conta de energia e diminuir a emissão de agentes poluentes e gases do efeito estufa.

Para identificar o cogerador adequado às demandas do edifício e aumentar sua eficiência energética, pode ser útil um software termotécnico de ponta em termos de atualização normativa e tecnológica.

Cogeração: significado

Antes de analisar em detalhes o que são as plantas de cogeração,  vamos entender primeiro o significado de cogeração. A cogeração é um processo que permite produzir simultaneamente energia térmica (calor) e energia elétrica utilizando uma única fonte.

Esse método permite maximizar a eficiência energética, aproveitando ao máximo o calor residual que, de outra forma, seria dissipado em outras formas.

O que é um sistema de cogeração

Um sistema de cogeração, também chamada de CHP, do acrônimo em inglês, Combined Heat and Power, é um sistema que aproveita ao máximo o potencial energético de uma única fonte, reduzindo o desperdício e contribuindo para a otimização dos custos. Esse sistema nasce da tentativa de aproveitar o calor dissipado por um sistema de produção de energia elétrica.

Em uma central elétrica, o calor, por meio de um ciclo termodinâmico, é convertido primeiro em energia mecânica e, em seguida, em energia elétrica. Durante esse processo, uma parte significativa do calor (30-45%) é dissipada no ambiente.

Com um sistema de cogeração, por outro lado, o calor residual produzido é recuperado e utilizado para fins de aquecimento ou alimentação.

Vale ressaltar que nem todo o calor dissipado pode ser recuperado de forma eficaz. Uma parte permanece inevitavelmente dispersa, mesmo em presença de um ciclo de cogeração.

Como funciona uma sistema de cogeração

Para entender o funcionamento de um sistema de cogeração, primeiramente é necessário compreender como tradicionalmente ocorre a produção de energia elétrica. O funcionamento de uma usina termoelétrica convencional envolve 4 fases:

  • aprovisionamento de um combustível;
  • uso dentro do sistema;
  • geração de energia elétrica;
  • descarte do calor dissipado.

O calor dissipado é liberado na atmosfera, causando um considerável dano ambiental quando utilizadas fontes fósseis como petróleo ou gás, contribuindo para o aumento do efeito estufa. Na cogeração, por outro lado, o calor dissipado é recuperado.

O funcionamento de um sistema de cogeração baseia-se nos seguintes elementos:

  • motor primário que pode ser alimentado de diferentes maneiras;
  • gerador elétrico que, acionado pelo motor, é capaz de produzir eletricidade;
  • trocadores de calor que permitem a recuperação do calor produzido.

Quanto aos motores primários, as principais variantes dos sistemas de cogeração se distinguem pelo tipo de motor primário utilizado. As tecnologias básicas mais utilizadas atualmente são:

  • turbinas a gás (utilizadas em ciclo simples com recuperação de calor para cogeração diretamente dos gases de escape, ou em ciclo combinado, recuperação de calor para cogeração após o uso dos gases de escape também para a produção de vapor de alimentação para uma turbina a vapor);
  • turbinas a vapor (podem ser de contrapressão, se o calor é recuperado do vapor descarregado pela turbina, ou de condensação, se o calor é obtido do vapor extraído em um estágio intermediário da turbina);
  • motores de combustão interna (ciclo Diesel ou ciclo Otto; em ambos os casos, o calor provém principalmente dos gases de escape e do líquido presente no motor);
  • plantas de ciclo combinado turbina a gás/turbina a vapor.

As turbinas à vapor e os sistemas de ciclo combinado turbina a gás/turbina a vapor, são utilizadas principalmente em aplicações industriais de alta potência. Enquanto os motores de combustão interna e as turbinas à gás são empregados tanto em sistemas de grande potência quanto em sistemas de mini e micro-cogeração.

Além disso, é possível adicionar algumas tecnologias inovadoras, ou ainda não plenamente estabelecidas comercialmente, como:

  • micro;turbinas;
  • motores Stirling;
  • células a combustível.

Portanto, o processo de cogeração é dividido em 4 fases principais:

  • geração de energia: uma turbina produz força mecânica por meio do uso de um combustível;
  • produção de energia elétrica: a energia mecânica é transformada em elétrica por meio de um gerador. O produto final estará pronto para ser utilizado nas redes domésticas;
  • recuperação do calor residual: a turbina produz uma quantidade considerável de calor residual. Esse calor pode ser recuperado usando um trocador de calor, que transfere o calor do sistema de geração para o uso desejado;
  • uso da energia térmica recuperada: o calor recuperado é utilizado para atender às necessidades térmicas da estrutura. Por exemplo, pode ser usado para aquecer a água das instalações domésticas.

Esquema de uma planta de cogeração

Logo abaixo, um esquema de uma planta de cogeração:

Esquema planta de cogeração

Exemplo de um esquema de um sistema de cogeração

Sistema de cogeração: como é alimentado

Nos sistemas de cogeração, é possível utilizar vários tipos de combustíveis, conhecidos como energia primária. Essas plantas podem ser alimentadas tanto por combustíveis tradicionais de origem fóssil, como carvão, gás natural, óleo diesel e óleo combustível, quanto por fontes renováveis como biomassa:

  • cogeração a gás natural: é o tipo mais comum de sistema de cogeração. Utiliza gás natural como fonte de energia primária para alimentar um motor de combustão interna ou uma turbina a gás que gera eletricidade. O calor residual produzido é capturado e utilizado para o aquecimento de edifícios, produção de água quente ou outros;
  • cogeração a biomassa: neste caso, a biomassa, como madeira, resíduos agrícolas ou resíduos orgânicos, é queimada para gerar calor, que é então utilizado para alimentar uma turbina à vapor ou um motor de combustão interna para a produção de eletricidade;
  • cogeração de alta eficiência: esse tipo de sistema de cogeração utiliza tecnologias avançadas, como células a combustível ou motores de ciclo combinado, para alcançar níveis elevados de eficiência. Esses sistemas são capazes de utilizar de forma mais eficiente a energia primária e gerar tanto calor quanto eletricidade com desperdícios limitados.

Sistema de cogeração de alta eficiência

Os sistemas de cogeração de alta eficiência (CAR) são projetados para otimizar o uso dos recursos energéticos primários, garantindo uma conversão muito mais eficiente em energia útil em comparação com os sistemas tradicionais. Normalmente, a eficiência desses sistemas superam os 90%, em contraste com os 30-40% dos sistemas convencionais.

Os sistemas de alta eficiência frequentemente incorporam tecnologias avançadas, como turbinas à gás de alto padrão, motores de combustão interna de última geração ou células a combustível. Estas soluções tecnológicas permitem maximizar a conversão de energia primária em eletricidade e calor.

Esse tipo de sistema está ganhando popularidade não apenas no setor industrial, mas também em outros setores como o comercial, hoteleiro, hospitalar e, em geral, em todas as estruturas que necessitam de energia elétrica e térmica.

Quando a cogeração é vantajosa: benefícios

Os sistemas de cogeração, como mencionado anteriormente, são desenvolvidos para otimizar a eficiência dos processos de geração de energia elétrica.

Uma melhoria na eficiência energética resulta uma significativa redução nos custos energéticos para as empresas. Ao utilizar a energia térmica produzida pela cogeração para aquecer edifícios ou alimentar sistemas industriais, as empresas podem reduzir substancialmente suas contas de energia. Essas empresas podem até se tornar parcialmente ou totalmente autossuficientes em relação à rede elétrica pública.

O utilizo do sistema de cogeração pode ser personalizado para atender às necessidades específicas de cada empresa, garantindo assim uma flexibilidade de uso que a torna adequada para uma ampla gama de aplicações.

Sob o aspecto da sustentabilidade ambiental, a cogeração é considerada uma fonte de energia limpa, pois utiliza de forma mais eficiente a fonte primária de energia. Como resultado, existe uma redução nas emissões de gases do efeito estufa e na pegada de carbono da empresa.

Por fim, os menores consumos de energia primária representam uma vantagem econômica significativa. Essa vantagem pode ser reforçada pelos incentivos dos quais é possível obter ao investir em um sistema de cogeração.

Em resumo, os benefícios são de 3 tipos: energéticos, ambientais e econômicos.

Quais são as limitações de uma planta de cogeração

É importante ressaltar também as principais limitações a serem consideradas na avaliação de uma planta de cogeração. O princípio da cogeração, embora válido, as vezes não pode ser aplicado de maneira energeticamente e economicamente viável, a menos que as seguintes condições sejam respeitadas:

  • presença e proximidade da demanda térmica: para que um sistema de cogeração possa ser implementado, é necessário que haja uma demanda térmica, industrial ou civil, nas proximidades. Essa necessidade entra em conflito com a tendência de localizar as usinas termoelétricas para a geração de energia distantes dos centros urbanos ou de trabalho, a fim de limitar a exposição da população às emissões atmosféricas;
  • simultaneidade das demandas: outra condição para que uma planta de cogeração possa ser utilizada adequadamente é que a demanda de energia térmica e elétrica seja simultânea. Um sistema de cogeração é tipicamente capaz de fornecer calor e eletricidade simultaneamente, portanto, é necessário que as demandas absorvam essa energia simultaneamente. Por esse motivo, frequentemente os sistemas de cogeração estão conectadas à rede elétrica nacional, cedendo a ela o excedente de eletricidade produzida e o sistema é operado de acordo com as demandas de energia térmica;
  • compatibilidade das temperaturas: nem todas as plantas de cogeração disponibilizam calor à mesma temperatura. Pode acontecer que um sistema de cogeração não seja adequado para atender a uma demanda térmica porque esta requer calor a alta tempera;
  • flexibilidade da planta: mesmo que haja demanda simultânea de calor e eletricidade por parte de uma demanda, às vezes a relação entre a energia solicitada nas duas formas pode variar. Pode acontecer, portanto, que em certos momentos a demanda de eletricidade seja proporcionalmente maior respeito à térmica, ou vice-versa.

Sistemas de cogeração: em quais setores podem ser aplicadas

Os sistemas de cogeração são adequados tanto para aplicações residenciais quanto industriais. A cogeração é especialmente vantajosa em contextos caracterizados por uma demanda elevada e constante de eletricidade ou calor, como:

  • hospitais e clínicas;
  • piscinas e centros esportivos;
  • shopping centers;
  • fábricas de papel;
  • indústrias alimentícias;
  • indústrias de refinação de petróleo;
  • indústrias químicas e farmacêuticas;
  • indústrias de cerâmica;
  • indústria têxtil;
  • indústria de produção de materiais plásticos.

Cogeração, micro-cogeração e cogeração doméstica

As instalações de cogeração distinguem-se tanto pelo tamanho (potência) quanto pelas características do motor primário à combustão.
Em relação ao tamanho, refere-se a:

 

  • cogeração: potência elétrica > 1 MW.
  • pequena cogeração: potência elétrica < 1 MW;
  • micro-cogeração: potência elétrica < 50 kW;

O conceito de micro-cogeração (ou pequena cogeração) refere-se a sistemas nos quais as potências elétricas variam de quilowatt a megawatt, com instalações projetadas para uso doméstico/residencial (também conhecidas como cogeração doméstica) e para pequenas/médias empresas.
A distinção principal, então, entre cogeração e microcogeração reside exatamente no destino de uso: na cogeração doméstica, o principal objetivo é a produção de calor, enquanto o componente elétrico tende a ser excessivo em relação às necessidades imediatas e pode ser cedido à empresa elétrica.

Diferença entre cogeração e tri-geração

A distinção entre tri-geração e cogeração baseia-se nas funções desempenhadas pelos respectivos sistemas. A trigeração pode ser definida como uma extensão da cogeração e permite seu uso mesmo durante os períodos mais quentes.
Enquanto a cogeração se concentra na produção combinada de calor e eletricidade a partir de uma única fonte energética (como o gás natural), a tri-geração vai além e permite gerar não apenas calor e eletricidade, mas também ar ou água fria para os sistemas de ar condicionado, aproveitando ao máximo a energia térmica disponível.

Basta conectar ao sistema de cogeração um grupo frigorífico de absorção, que pode adicionar à produção de eletricidade e calor também a produção de água fria. A água fria pode ser usada tanto para uso doméstico quanto para o resfriamento de ambientes.

Custo de uma instalação de cogeração

O custo de uma instalação de cogeração pode variar dependendo de uma série de fatores, tais como:

  • tamanho da instalação;
  • tecnologia utilizada;
  • potência instalada;
  • configuração da instalação;
  • disponibilidade de combustível;
  • preços de mercado.
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