cogeração e trigeração

Curso de Engenharia de Sistemas de Energias renovveis Disciplina de Tecnologias das Energias Renovveis Ano lectivo de 2009/2010

Relatrio

Cogerao e Trigerao em Centrais de Biomassa

Mdulo 2: Sistemas de Biomassa e biocombustveis Executado por: Eva Kan 6832 Fbio Oliveira 6844 Orientado por: Mrio Tom Entregue em: 25-11-2009

Cogerao e Trigerao em Centrais de biomasssa

1. Resumo O presente trabalho tem como objectivo aprofundar os conceitos de cogerao e trigerao, bem como o papel que a biomassa pode ocupar nessas tecnologias. Iremos ao longo deste relatrio fazer uma introduo biomassa, explicitando os vrios tipos de biomassa que existem bem como a forma de aproveitar a energia nela contida. Apresentaremos de seguida as vantagens desta fonte renovvel de energia bem como possveis impactos negativos que dela podero advir. Explicaremos como possvel transformar a energia qumica da biomassa em energia elctrica e calorfica, explicitando cada tecnologia associada. Por fim apresentaremos perspectivas do presente e do futuro bem como o enquadramento de Portugal nesta rea.

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ndice1. 2. 3. Resumo .............................................................................................................. 2 Objectivos .......................................................................................................... 5 Biomassa ............................................................................................................ 6 A Biomassa como uma energia renovvel ............................................................... 6 O que a biomassa?................................................................................................. 7 Como se processa o aproveitamento da energia proveniente da biomassa? ............ 8 Centrais trmicas utilizando a biomassa como combustvel ............................... 9 Vantagens e desvantagens da biomassa ................................................................... 9 4. Cogerao e trigerao ..................................................................................... 11 O que a cogerao? ............................................................................................. 11 Eficincia de uma central de cogerao: ................................................................ 12 Cogerao a partir da biomassa ............................................................................. 13 Tecnologias aplicadas s centrais de biomassa...................................................... 14 Como produzir biogs? ...................................................................................... 14 Turbina a gs ...................................................................................................... 16 Turbina de vapor ................................................................................................ 17 Ciclo combinado ................................................................................................ 18 Microturbinas ..................................................................................................... 19 Pilhas de combustvel ........................................................................................ 20 Vantagens e desvantagens das centrais de cogerao utilizando a biomassa ........ 22 Aplicaes .............................................................................................................. 23 O que a trigerao? ............................................................................................. 24 Como produzir frio a partir de calor? ................................................................ 25 Chiller de compresso ou elctrico .............................................................. 25 Chiller de absoro ....................................................................................... 25 Chillers de adsoro ..................................................................................... 26 Vantagens e desvantagens dos diferentes chillers ............................................. 27 5. Cogerao/trigerao em Portugal ................................................................... 29 Portucel Soporcel ................................................................................................... 29 Probiomass ............................................................................................................. 29 EXPO 98 ................................................................................................................ 30 6. Poder Calorfico ............................................................................................... 31



Poder Calorfico e dimensionamento de uma central ............................................ 32 7. 8. 9. Projeces do presente e para o futuro (cogerao/trigerao): ...................... 32 Concluso/Anlise crtica ................................................................................ 34 Bibliografia ...................................................................................................... 35

Figura 1 Composio mdia da biomassa.................................................................... 7 Figura 2 Fontes de biomassa. ....................................................................................... 8 Figura 3 Central de cogerao. .................................................................................. 11 Figura 4 Rendimento de uma central tradicional. ...................................................... 12 Figura 5 Rendimento de uma central de cogerao. .................................................. 12 Figura 6 Central de cogerao. .................................................................................. 14 Figura 7 Vantagens do biogs .................................................................................... 15 Figura 8 Turbina a gs usada na cogerao. .............................................................. 16 Figura 9 Sistema de cogerao com turbina a vapor ................................................. 17 Figura 10 Sistema de cogerao em ciclo combinado. .............................................. 19 Figura 11 Sistema de Microturbina. .......................................................................... 20 Figura 12 Componentes de uma pilha de combustvel .............................................. 21 Figura 13 Comparao entre as diversas tecnologias ................................................ 23 Figura 14 Ponto de vista do cliente. ........................................................................... 24 Figura 15 Chiller de compresso ou elctrico ........................................................... 25 Figura 16 Chiller de absoro. ................................................................................... 26 Figura 17 Chiller de adsoro. ................................................................................... 27 Figura 18 Algumas centrais e projectos a biomassa .................................................. 31 Figura 19 Grfico representativo do crescimento da cogerao presente e futuro. ... 33

Tabela 1 Representao da cogerao em relao gerao de energia em alguns pases. ............................................................................................................................. 13 Tabela 2 Potencial energtico do biogs (DGGE 2005) ............................................ 15 Tabela 3 Comparativo das principais tecnologias utilizadas em cogerao. ............. 21



2. Objectivos Os objectivos do presente trabalho so: a) Breve estudo da biomassa; b) Estudo da cogerao e trigerao em centrais de biomassa: Energia; Funcionamento; Utilidade; Gastos; Vantagens vs desvantagens; c) Anlise do potencial das centrais de cogerao e trigerao: Relao consumo/rendimento; d) Concluses sobre se so um bom investimento presente e para o futuro.



3. Biomassa A Biomassa como uma energia renovvel Nos ltimos tempos tem-se acentuado fortemente a discusso acerca das Energias renovveis. De facto, torna-se urgente o uso de fontes energticas de origem renovvel, seja pelo elevado e incerto preo do petrleo, fonte de energia da qual o planeta fortemente dependente, seja pela necessidade de proteger o meio ambiente. Contudo, e apesar de existir um leque muito vasto de tecnologias de aproveitamento e converso de energias renovveis, a verdade que a sua utilizao no nosso dia-a-dia ainda muito reduzida. Factores como o preo e desempenho limitam muito a utilizao directa pelo consumidor final de energias renovveis. A realidade que cada vez mais os peritos aceitam que o clima mundial se est a modificar. No sculo passado as temperaturas globais aumentaram em cerca de 0,7 C e de dez em dez anos continuam a aumentar desde 1990. Os cientistas acreditam que este aquecimento devido, pelo menos em parte, ao nosso aumento do uso de combustveis fsseis desde a revoluo industrial. Os combustveis fsseis ardentes lanam gases de efeito de estufa, tais como dixido de carbono (CO2), para a atmosfera, o que contribui para a deteriorao do ozono (O3). Felizmente a sociedade est a tomar conscincia que os combustveis convencionais so um recurso limitado e que a contaminao coloca em perigo o nosso estilo de vida. A verdade que em consequncia desta preocupao crescente, principalmente pelos rgos oficiais, surgiu uma aposta acentuada na utilizao das energias renovveis. Desta forma, entende-se por energias renovveis todas as formas de energia cuja taxa de utilizao inferior sua taxa de renovao. Entre elas destacase a biomassa. A biomassa foi a fonte energtica mais utilizada desde os primrdios da humanidade, sendo alvo de uma prtica antiga quando as pessoas queimavam lenha para obter calor e luz. No entanto, a lenha, principal fonte energtica da sociedade agrcola tradicional, v diminudo o seu consumo logo no sculo XVIII. Posteriormente, no sculo XIX com a revoluo industrial, o mundo foi procura de recursos energticos mais eficientes. Sendo assim, a biomassa, muito utilizada at ento, teve o seu declnio aps a descoberta do petrleo e do gs natural, dando mais tarde, em meados do sculo XX, lugar dominncia do petrleo como fonte energtica capaz de suprir as necessidades da poca de maneira mais eficaz.



No seu conjunto a biomassa um enorme armazm de energia, por esse motivo calcula-se que 1/8 da biomassa produzida anualmente podia satisfazer toda a procura corrente de energia para a humanidade. Assim, curiosamente, hoje tenta-se que ela volte a ser mais aproveitada para gerar energia, pois a partir das crises petrolferas das dcadas de 70 e 80, emergem novas tcnicas de explorao das energias renovveis. Com isto, os cientistas esto constantemente a investigar novas maneiras de extrair energia a partir da biomassa de uma forma cada vez mais eficaz, a um ponto tal que a biomassa comea a emergir como opo energtica do futuro, e uma vez que a biomassa colhida volta a crescer considerada um recurso renovvel.

O que a biomassa? A biomassa a massa total de organismos vivos numa dada regio. Consiste em matria orgnica que tem energia armazenada sob a forma de energia qumica, pois atravs da fotossntese, as plantas capturam a energia do sol e transformam essa energia em energia qumica, a qual posteriormente pode ser convertida em trs formas de energia: electricidade, combustvel e calor. Desta forma a energia contida na biomassa provm do sol, onde os cloroplastos presentes nas folhas das plantas usam a energia solar para produzir diversos componentes como por exemplo os hidratos de carbono. A biomassa tem, assim, uma composio de 25% de lenhina (associada celulose na parede celular, confere rigidez,

impermeabilidade e resistncia) e de 75% de hidratos de carbono

(principal fonte de energia para o corpo e esto presentes nos cereais, razes, tubrculos, leguminosas,Figura 1 Composio mdia da biomassa.

vegetais e frutos). Dentro da biomassa podemos distinguir algumas fontes de energia com potencial energtico considervel: madeira e seus resduos (ex: serrim); resduos agrcolas;



resduos municipais slidos; resduos dos animais; resduos da produo alimentar; carvo vegetal; leos animal ou vegetal; plantas aquticas; algas; () Muita da energia solar armazenada passada para os animais quando eles comem as plantas ou outros animais. SendoFigura 2 Fontes de biomassa.

assim, plantas, animais e excrementos dos animais fazem parte da biomassa, e podem ser considerados armazns de energia solar.

Como se processa o aproveitamento da energia proveniente da biomassa? A biomassa divide-se em trs fontes energticas de origem natural: 1. Biomassa slida: tem como fonte resduos florestais e agricolas (incluindo substncias animais), e tambm a fraco biodegradvel dos resduos industriais e urbanos. 2. Biocombustveis gasosos (biogs): tm como fonte os efluentes agro-pecurios e urbanos (lamas das estaes de tratamento dos efluentes domsticos) e tambm nos aterros de resduos slidos urbanos. 3. Biocombustveis lquidos: Biodiesel: obtidos a partir de leos vegetais. Etanol: obtido a partir de hidratos de carbono (acar, amido e celulose); Metanol: obtido a partir da sntese do gs natural ou da madeira. O aproveitamento da energia da biomassa feito por intermdio de vrios processos que diferem de acordo com a matria e o tipo de combustvel que se quer produzir ou consumir. Alguns desses processos so: a) Queima directa em centrais trmicas Biomassa slida; b) Liquefao Biomassa slida; c) Digesto anaerbia Biogs; d) Transesterificao Biodiesel;



e) Fermentao Etanol; f) Gaseificao Metanol; Destes vrios processos iremos focar o nosso relatrio na queima directa em centrais trmicas que tm como combustvel base a biomassa, independentemente desta se encontrar no estado slido, lquido ou gasoso. Associado a este processo podemos aplicar a cogerao e trigerao. Centrais trmicas utilizando a biomassa como combustvel O uso de biomassa florestal para produo de energia elctrica constitui uma alternativa interessante utilizao de combustveis de origem fssil, de que Portugal importador, e deve por isso ser explorada.

Vantagens e desvantagens da biomassa Actualmente a biomassa ainda utilizada como fonte de energia principalmente nas aldeias, pois os recursos de biomassa esto disponveis nos campos e florestas sendo a facilidade e disponibilidade de obteno do recurso uma das maiores vantagens da biomassa como fonte energtica. Alm disso, a produo de energia a partir de biomassa contribui para a economia, pois ajuda a reduzir os desperdcios de matria energtica, contribuindo tambm para o aproveitamento de resduos, como por exemplo toda a espcie de resduos florestais. Desta forma, como um recurso facilmente disponvel tem baixo custo e um grande potencial, alm de que a biomassa menos poluente do que a energia obtida a partir da queima de combustveis fsseis. Isso justificado, porque apesar da queima de biomassa tambm libertar dixido de carbono, gs de efeito de estufa, para a atmosfera, esse dixido de carbono tinha sido anteriormente absorvido pelas plantas que deram origem ao combustvel, sendo o balano de emisses de CO2 nulo. A produo de energia a partir da biomassa permite criar novos postos de trabalho nos vrios sectores de processamento da biomassa. Em contrapartida, uma das grandes desvantagens que criou grandes controvrsias, em finais de 2008, volta da gerao de energia a partir de culturas vegetais, foi as plantaes que se realizaram apenas com fins energticos, que originou uma sobreesplorao das espcies vegetais, gerando uma crise alimentar em consequncia da subida dos preos. Conjecturou-se que esta explorao excessiva pudesse levar extino das espcies vegetais mais utilizadas para produzir biocombustveis, alm de



que a plantao excessiva pudesse prejudicar os solos levando sua contaminao pela utilizao de fertilizantes para obteno de culturas vegetais em grande massa. A biomassa apesar de ser uma energia considerada limpa tem baixo poder energtico quando comparada com os combustveis fsseis.



4. Cogerao e trigerao O que a cogerao? A cogerao a gerao simultnea de energia trmica e energia elctrica a partir de um nico combustvel (petrleo, gs natural, gs propano ou mesmo a biomassa) e um nico conjunto de equipamentos. Desta forma assegura um acrscimo relevante de rendimento e de eficincia relativamente aos processos tradicionais de produo de energia. Os sistemas de cogerao mais utilizados so a turbina a gs, turbina a vapor e ciclo combinado sendo as diferenas entre eles a relao entre as necessidades de energia trmica e elctrica, os custos da instalao e da explorao e os nveis de emisses e rudos. Nas centrais de cogerao utiliza-se o calor produzido para produo de electricidade. O calor remanescente utilizado como fonte de energia trmica em processos industriais ou em aquecimento. A eficincia global destas centrais prxima dos 80%. As indstrias da fileira florestal produzem energia elctrica atravs de centrais de cogerao. Outros utilizadores potenciais para centrais de cogerao a biomassa so indstrias com grandes necessidades de calor e de electricidade, e aplicaes para aquecimento central em hospitais, universidades e grandes edifcios. O calor produzido pode ser utilizado directamente no processo industrial, bem como recuperado e convertido para utilizao em aquecimento de espaos e aquecimento de gua opondose aos mtodos tradicionais de produo de electricidade por via trmica, que desperdiam todo o calor inerente ao processo. de considerar que o problema da viabilizao da produo de electricidade a partir de biomassa passa tambm, no pelo tipo de combustvel, mas pelo tipo de utilizao desse combustvel.

Figura 3 Central de cogerao. Escola Superior de Tecnologia e Gesto Instituto Politcnico de Viana do Castelo Pgina 11 de 36


Eficincia de uma central de cogerao: Na avaliao do rendimento de um processo de cogerao temos que ter em conta o rendimento de um processo tradicional de produo de energia a partir de combustveis fsseis (petrleo ou gs natural) ou mesmo biomassa, em que pelo menos 65% da energia primria contida no combustvel transformada em calor e perdida para a atmosfera, ou seja, numa central termoelctrica tradicional o rendimento mdio de 30% a 40%, pois a maior parte da energia contida no combustvel, usado no accionamento das turbinas, transformado em calor resultando em perdas para a atmosfera sem qualquer fim, isto , desperdia-se energia. (fig. 4) Em contrapartida, num sistema de cogerao, o aproveitamento til da energia primria, ou seja, do calor residual proveniente do processo de produo de energia elctrica que contabiliza perto dos 65%, apenas uma pequena percentagem realmente perdida ou desperdiada. Quer isto dizer que dos 65% de calor libertado como perdas para a atmosfera 50% aproveitado para a produo de energia trmica, resultando numa reduo do desperdcio de energia em 15% (fig. 5). O custo de investimento numa central de Cogerao/trigerao ronda em mdia os 750 /kW.

Figura 4 Rendimento de uma central tradicional.

Figura 5 Rendimento de uma central de cogerao.



Tabela 1 Representao da cogerao em relao gerao de energia em alguns pases.

Cogerao a partir da biomassa O combustvel das centrais de cogerao pode derivar de fontes no renovveis (combustveis fsseis) ou fontes renovveis (biomassa). A cogerao com recursos renovveis tem conhecido um enorme crescimento nos ltimos anos uma vez que permite o aproveitamento de recursos energticos endgenos de elevado potencial, diminuindo as necessidades de consumo de combustveis fsseis e minimizando impactes sobre o meio ambiente. Assim, cogerao a partir da biomassa significa que o combustvel a ser queimado na central ser a biomassa que, como referido anteriormente, se pode encontrar nos trs estados fsicos: slida, lquida ou gasosa. Desta forma, de acordo com o estado da biomassa sero utilizadas diferentes tecnologias aplicadas s centrais trmicas. Como principais fontes de energia renovvel para utilizao em sistemas de cogerao temos: Biocombustveis slidos: A utilizao de resduos florestais ou de subprodutos provenientes de indstrias transformadoras de resduos, nomeadamente indstrias transformadoras de madeira, cortia, processamento de frutos secos e azeite, bastante comum em sistemas de cogerao por turbina de vapor, sendo utilizados para produo do vapor para alimentar turbina. Biocombustveis gasosos com origem industrial: certos processos industriais produzem resduos e efluentes com importantes cargas orgnicas e cujo tratamento anaerbio origina uma fraco gasosa de elevado potencial



energtico: o biogs. Este combustvel contm um elevado teor de metano (50% a 70%) e uma grande resistncia auto-detonao, pelo que a sua utilizao e valorizao em sistemas de cogerao bastante interessante e comum. Biocombustveis gasosos com origem em aterros sanitrios: A deposio de resduos orgnicos em aterros sanitrios gera a sua decomposio anaerbia de forma espontnea, sendo produzido gs de aterro. Este gs composto por um elevado teor de metano (35% a 60%) sendo, por isso, um excelente combustvel para sistemas de cogerao.

Figura 6 Central de cogerao.

Tecnologias aplicadas s centrais de biomassa Como a maior parte das tecnologias associadas cogerao e trigerao envolvem gs natural (CH4) como combustvel, iremos apresentar como se pode produzir este gs a partir da biomassa. Como produzir biogs? O biogs resulta da deteriorao biolgica anaerbia da matria orgnica presente em resduos orgnicos atravs da digesto anaerbia. O biogs principalmente constitudo por metano (CH4) em percentagens que variam entre os 50% e os 80% sendo o restante essencialmente CO2.



A combusto de biogs num sistema de cogerao permite satisfazer, primeiramente, as necessidades trmicas do utilizador e, conjuntamente, produzir energia elctrica, para consumo na prpria instalao e/ou venda rede pblica de distribuio de energia elctrica. Foi definido em Resoluo de Conselho de Ministros (RCM n 63/2003) a meta de 50 MWe de potncia instalada com origem no aproveitamento do biogs, at 2010. A tarifa do biogs aumentou no incio de 2005 em cerca de 28%, de 72 /MWh para 100 /MWh (remunerao acima da elica). Estas medidas, associadas edificao de novos sistemas de ETARs e tratamentos de RSU, integrados em planos ambientais e manuteno dos recursos hidrlogos, poder criar novos empreendimentos de aproveitamento energtico do Biogs. Em Portugal, estima-se que exista um potencial energtico de biogs na ordem dos 660 GWh/ano, ou seja, perto de 150 MWe de potncia instalada. Em particular, o biogs com origem em efluentes da agro-pecuria pode representar cerca de 226 GWh/ano (potncia instalada de 38 MWe). Em 2001, apenas existia 1 MWe de potncia instalada apenas 0,7% do potencial disponvel. de salientar o facto da queima do metano permitir que no ocorra o seu lanamento na atmosfera onde fortemente nocivo em termos de efeito de estufa.

Tabela 2 Potencial energtico do biogs (DGGE 2005)

Figura 7 Vantagens do biogs



Turbina a gsNas turbinas a gs, que derivado da biomassa ser o biogs, o ar entra no compressor, onde a presso e a temperatura so aumentadas, e sendo misturado com um combustvel ocorre a combusto. Os gases quentes so expandidos na turbina at presso atmosfrica produzindo-se trabalho. Esse compressor funciona com 65% da energia da turbina, enquanto os restantes 35% so energia mecnica disponvel no eixo da turbina. Seguidamente um alternador acoplado ao veio da turbina produz electricidade, sendo a energia trmica dos gases de combusto recuperada em caldeiras de recuperao de calor. Desta forma, uma turbina a gs constituda por um sistema de admisso de gs, um compressor (dispositivo de compresso do ar), uma cmara de combusto, uma turbina de expanso e um sistema de exausto. O rendimento de uma turbina a gs ronda os 60% a 80%, sendo o perodo de instalao de 9 a 14 meses podendo atingir os dois anos para grandes sistemas. O tempo de vida de 15 a 20 anos. Esta tecnologia, usando turbinas ou motores alternativos de combusto interna tem sido aplicada adequadamente em instalaes de Cogerao nas ltimas dcadas. Todas estas mquinas e sistemas tm sido continuamente desenvolvidas e produzidas por empresas Europeias durante muitas dcadas.

Figura 8 Turbina a gs usada na cogerao.



Vantagens Fcil manuteno; No necessita de vigilncia permanente; Disponibiliza energia trmica a temperaturas elevadas (500 C a 600 C); Arranque rpido; Baixo nvel de vibraes.

Desvantagens Limitado a nvel de variedade de combustvel consumido; Tempo de vida til curto; Ineficcia em processos com poucas

necessidades trmicas; Necessidade de uso de dispositivos antipoeiras/sujidade, anti-corroso (em especial em casos de pausas de funcionamento prolongado).

Turbina de vapor A Cogerao com Turbinas a Vapor tem-se difundido principalmente na produo centralizada de energia elctrica nas grandes instalaes (acima dos 20MW), em indstrias onde so indispensveis elevadas quantidades de vapor para o processo.O sistema funciona segundo o ciclo de Ranckie, quer na sua forma bsica ou em verses melhoradas com reaquecimento de pr-aquecimento de gua regenerativa. A turbina utiliza o vapor que produzido numa caldeira aquo-tubular de alta presso. Utiliza vapor de elevada entalpia como combustvel para produzir trabalho mecnico e vapor de menor contedo entlpico. O vapor extrado (expandido) em vrios andares da turbina, dependendo das necessidades de energia trmica. O rendimento de uma turbina de vapor ronda os 60% a 65%, sendo o perodo de instalao de 12 a 18 meses podendo atingir os trs anos para grandes sistemas. Contempla um tempo de vida longo (cerca de 25 a 35 anos).

Figura 9 Sistema de cogerao com turbina a vapor



Vantagens Tempo de vida til elevado; No necessita de vigilncia constante; Equipamento seguro; Eficincia global elevada; Capacidade de fornecer vapor a alta presso e/ou presso atmosfrica; Elevado tempo de trabalho entre manutenes;

Desvantagens Reduzido nmero de aplicaes; Baixo rendimento elctrico; Arranque lento; Problemas de controlo de emisso de poluentes; Dependncia de um tipo de combustvel no dimensionamento, ou seja s pode usar o combustvel idntico aquele para que foi projectado o sistema; Reduzido nmero de aplicaes; Investimento inicial elevado; Baixo rendimento elctrico;

Ciclo combinado O melhoramento dos sistemas isolados, conduziu introduo de um novo tipo de cogerao que se baseia na agregao de dois sistemas isolados num s sistema, permitindo assim aumentar o rendimento e eficcia global da cogerao. Este novo tipo de Cogerao, denominada de Cogerao em Ciclo Combinado constitudo de uma forma geral por um sistema de Cogerao com Turbinas a Gs e por um sistema de Cogerao com Turbinas a vapor, que so projectados e executados de modo a complementarem-se. Na Cogerao com Turbinas a Gs, verifica-se que os gases de exausto contm ainda uma grande quantidade de oxignio (aproximadamente 15%) que pode ser utilizado para uma queima suplementar de combustvel numa caldeira de recuperao produzindo-se vapor de alta presso. Estes gases de exausto, uma vez que se encontram ainda a elevadas temperaturas (normalmente entre os 450 C e 550 C) podem ser usados doutra forma diferente da descrita no anteriormente. Este segundo mtodo consiste em tirar partido do calor destes gases para produzir vapor numa caldeira de recuperao, sem haver queima suplementar. Em comparao com grande parte das tecnologias apresentadas anteriormente, a de Ciclos Combinados permite, de uma maneira geral, uma maior extraco de potncia



por unidade de calor. Portanto, o ciclo combinado tem uma eficincia maior quando comparada com a dos ciclos com turbina a gs e a vapor separadamente.

Figura 10 Sistema de cogerao em ciclo combinado.

Vantagens Elevada eficincia; Grande flexibilidade na quantidade de energia trmica produzida; Reduo custos globais de operao. Microturbinas

Desvantagens Sistema global sujeito a um somatrio das desvantagens dos dois sistemas em separado (Cogerao com Turbina a Gs e a Vapor); Maior complexidade do sistema global.

As microturbinas podem constituir uma opo vantajosa para produo distribuda de electricidade e de calor, devido sua simplicidade, ao facto de serem uma tecnologia j amadurecida e devido s suas reduzidas emisses. Comparando as turbinas convencionais, apresentam uma potncia mais reduzida (normalmente at 200 kW), um ciclo de combusto simplificado, uma menor taxa de compresso e um eixo do rotor de reduzidas dimenses, com o gerador montado numa das extremidades. Estes grupos podem adaptar-se para funcionarem com diferentes tipos de combustveis, sem quaisquer modificaes significativas a realizar nos seus dispositivos mecnicos, entre esses combustveis inclui-se a biomassa. Esses combustveis que podem ser utilizados vo desde os que apresentam elevado contedo energtico, como o propano at aos gases provenientes das estaes de compostagem, passando pelo gs natural. Podem tambm ser utilizados combustveis lquidos como o diesel, a gasolina ou o querosene, sendo necessrio apenas realizar-se pequenas modificaes no sistema de alimentao de combustvel.



As microturbinas ainda so uma tecnologia relativamente cara face a tecnologias convencionais, embora se possa tornar mais competitiva sobretudo se a sua procura permitir a produo destes equipamentos em grande escala.

Figura 11 Sistema de Microturbina.

Vantagens Nmero de partes mveis reduzido; Dimenses e peso reduzidos; Emisses reduzidas; No necessita de refrigerao; Tm tempos de arranque muito rpidos; Tem elevada fiabilidade e necessitam muito pouca manuteno.

Desvantagens Custos elevados; Eficincia mecnica relativamente reduzida; Limitado a aplicaes de cogerao com baixas temperaturas.

Pilhas de combustvel Existem diferentes modelos de pilhas de clulas de combustvel, mas o funcionamento principal semelhante. Todas tm dois elctrodos (um nodo e um ctodo) divididos por um componente apelidado electrlito. Na maioria das pilhas de clulas de combustvel o nodo sustentado por hidrognio, onde se ioniza gerando protes e electres. Os protes transitam o electrlito para chegar ao ctodo, enquanto



os electres fluem por um circuito externo (produzindo uma corrente elctrica na rede externa) indo para o ctodo da clula de combustvel. No ctodo, os electres, os protes e o oxignio reagem formando gua. uma tecnologia que comea a aparecer cada vez mais, que relativamente com outras tecnologias tradicionais de produo proporciona altos rendimentos (mesmo para potncias baixas) e reduzidas emisses acsticas. As pilhas de clulas de combustvel so amigas do ambiente, pois mesmo com o uso de um combustvel fssil, no se geram gases prejudiciais que contribuem para o aparecimento das chuvas cidas, nem libertam partculas poluentes que coloquem em risco a qualidade do ar, nenhum hidrocarboneto libertado durante operao normal, e confrontando com o dixido de carbono libertado com as outras tecnologias que usam este tipo de combustvel, mesmo com as mais eficientes, o valor bastante menor. Permitem regular a potncia de operao, respondendo rapidamente carga, so simples de instalar, tm versatilidade de fontes na alimentao desde os combustveis fsseis (petrleo, leo, gs natural), at hidrognio puro produzido por electrlise (energia vinda de fontes renovveis como sol, o vento, a gua, a biomassa). Para alm destas vantagens, de realar que esta uma tecnologia revolucionria por oferecer elevados ndices de qualidade de energia, bem como possibilitar uma operao contnua durante um nmero de horas bastante superior ao das tecnologias tradicionais. Por outro lado, pode ser utilizado o calor originado pela produo de energia, para efeitos de cogerao ou trigerao, amplificando o rendimento desta tecnologia.

Tabela 3 Comparativo das principais tecnologias utilizadas em cogerao.

Figura 12 Componentes de uma pilha de combustvel



Vantagens e desvantagens das centrais de cogerao utilizando a biomassa

Vantagens Pode ser realizada atravs de uma fonte de energia renovvel; Menor emisso de poluentes gerando menor impacto ambiental; Menor custo de energia (elctrica e trmica); Maior eficincia energtica e consequente reduo dos desperdcios de energia; Melhor qualidade da energia elctrica; Permite um sistema de maior repartio da energia em relao s grandes centrais

Desvantagens

Necessidade de efectuar estudos de viabilidade econmica; Investimento inicial elevado; Problemas com poluio sonora e poluio local; Lucros dependentes do preo da electricidade e do combustvel.

produtoras de electricidade; Melhor qualidade da energia elctrica no caso de ser mantida a ligao rede; Evita custos de transmisso e de distribuio de electricidade e perdas; Maior eficincia energtica;



Figura 13 Comparao entre as diversas tecnologias

Aplicaes A cogerao geralmente utilizada por consumidores industriais pois mais apropriada para instalaes com elevados nveis de consumo de energia trmica ao longo do ano, visto que h um melhor aproveitamento do calor do que num sistema convencional. Por este motivo principalmente nas indstrias qumicas, cermica e do papel, existindo tambm algumas instalaes no sector Tercirio (hospitais, hotis e centros comerciais) que os sistemas de cogerao tm maior aplicabilidade. Assim, os potenciais utilizadores de cogerao so instalaes que verificam as seguintes caractersticas: Necessidades simultneas e contnuas de energia trmica e energia elctrica; Disponibilidade de combustveis de qualidade; Perodo de funcionamento de pelo menos 4.500 a 5.000 horas por ano; Espao suficiente e uma adequada localizao para a implementao do novo equipamento; Calor residual disponvel de elevada qualidade.



Figura 14 Ponto de vista do cliente.

O que a trigerao? A trigerao ou CCHP (em ingls combined cooling, heating and power generation) a produo simultnea de energia mecnica (muitas vezes convertida em electricidade), calor e frio a partir de apenas uma fonte de calor, como um combustvel ou energia solar. Como acontece com a cogerao, o calor desperdiado aproveitado, o que torna o sistema muito mais eficiente. Os sistemas de trigerao tm vindo a ser utilizados sobretudo no sector tercirio, em processos de climatizao. A utilizao dos chillers de absoro pode constituir uma maneira de equilibrar o aumento das necessidades de frio com a diminuio das necessidades de calor no perodo estvel, isto , onde existam necessidades de calor para aquecimento ambiente no Inverno, e grandes necessidades de frio para arrefecimento ambiente no Vero. Contudo, em empresas industriais que tenham grandes necessidades de frio esta ser tambm uma hiptese a considerar, sobretudo no caso das actuais unidades que recorrem ao arrefecimento por gua (por exemplo bancos de gelo) utilizando sistemas tradicionais de refrigerao.



Como produzir frio a partir de calor? Os chillers so mquinas trmicas que atravs de um ciclo termodinmico conseguem remover calor da gua, ou outro lquido, em diferentes tipos de aplicaes, isto , produzir frio. Existem essencialmente trs tipos de chillers: 1. Chillers de compresso ou elctrico; 2. Chillers de absoro; 3. Chillers de adsoro. Chiller de compresso ou elctrico Este tipo de chiller utiliza um compressor mecnico, accionado normalmente por um motor elctrico, de forma a aumentar a presso em determinada fase do ciclo termodinmico do sistema. A desvantagem deste processo reside no seu elevado consumo energtico.

Figura 15 Chiller de compresso ou elctrico

Chiller de absoro O que distingue o funcionamento dos chillers de absoro dos chillers de compresso o facto de o primeiro ter como princpio de base um compressor termoqumico. Os chillers de absoro permitem produzir gua gelada a partir de uma fonte de calor, utilizando para tal uma soluo de um sal (e.g. brometo ltio) num processo termoqumico de absoro. Os chillers de absoro, por sua vez, subdividem-se em dois tipos: Chiller de absoro de queima directa: nestes sistemas o calor necessrio ao processo obtido queimando directamente um combustvel, tipicamente gs natural.



Chiller de absoro de queima indirecta: nestes sistemas o calor necessrio fornecido na forma de vapor de baixa presso, gua quente ou de um processo de purga quente. Os chillers de absoro so muitas vezes integrados em sistemas de cogerao, de forma a permitir o aproveitando do calor que de outra forma seria desperdiado. O chiller de absoro de queima indirecta utilizando gua quente como fonte de calor (hot water fired absorption chiller) representa o tipo de chiller mais apropriado para a integrao com sistemas de micro-cogerao, j que estes produzem gua quente com temperaturas adequadas aos chillers. Existem essencialmente dois tipos distintos de chillers de absoro de queima indirecta: 1. Sistemas onde o absorvente o amonaco: estes sistemas representam um investimento relativamente elevado, sendo normalmente aplicados apenas em instalaes de grande capacidade. 2. Sistemas onde o absorvente o brometo de ltio: representa o sistema mais utilizado nos casos de integrao com sistemas de micro-cogerao, devido essencialmente a uma melhor relao entre o seu custo e a sua eficincia energtica.

Figura 16 Chiller de absoro.

Chillers de adsoro Um chiller de adsoro uma mquina trmica que transforma calor em frio utilizando como fonte calor inutilizado. A adsoro um fenmeno de adeso reversvel, da qual resulta a acumulao de uma substncia gasosa ou dissolvida na superfcie de um corpo, tipicamente uma superfcie constituda por um material poroso. Quando as molculas da substncia so fixadas, libertam energia, logo, a adsoro um processo exotrmico. A diferena entre



adsoro e absoro reside no facto de que, neste ultimo processo, o fludo misturar-se com o absorvente para formar uma soluo. Os chillers de adsoro utilizam apenas gua como refrigerante e um gel de slica como adsorvente. Tambm se utiliza carvo activo ou resina sinttica como absorvente nos processos industriais, para purificar a gua ou para secar (com a adsoro da gua). Os chillers de adsoro com gel de slica podem funcionar a temperaturas inferiores a 80 C, o que os torna mais interessante do que os chillers de absoro em aplicaes onde a fonte de calor de baixa temperatura, como por exemplo, integrados com sistemas solares trmicos. Os chillers de adsoro utilizam apenas energia trmica.

Figura 17 Chiller de adsoro.

Vantagens e desvantagens dos diferentes chillers Vantagens Como no existem componentes mveis no sistema (para alm das bombas hidrulicas necessrias), no h desgaste, logo este tipo de chiller apresenta uma vida til longa, geralmente superior a vinte anos, e exigindo muito pouca manuteno; Desvantagens

Chillers de compresso ou elctrico e chillers de absoro

Nos chillers onde se usa gua como fludo refrigerante, no utilizada nenhuma substncia nociva para a camada de ozono (como os CFC por exemplo);

A grande desvantagem dos chillers de absoro frente aos chillers de compresso reside no seu reduzido rendimento energtico. Os chillers de absoro apresentam COPs de 1,1, enquanto nos chillers de compresso o valor pode subir at 6,0. Por outro lado, os chillers de absoro exigem um investimento inicial muito superior (entre 1,5 e 2,5 vezes mais caro).

O consumo elctrico dum chiller de absoro tipicamente cerca de 10% do



consumo dos chillers de compresso elctricos. Nas regies onde existe uma forte procura de electricidade e/ou em que o preo bastante elevado, possvel reduzir a factura energtica investindo num sistema de arrefecimento que praticamente no necessita de electricidade;

Os chillers de absoro de queima indirecta apresentam tambm a vantagem de funcionar com uma ampla gama de fontes quentes.

Funciona com fontes de calor de temperatura baixa (55 C) com um Coeficiente de Performance (COP) de 0,5 0,6. Assim podem ser utilizados em aplicaes de sistemas solares trmicos ou de sistemas de cogerao de baixa temperatura. O consumo de electricidade ronda apenas 6% da capacidade do chiller. A manuteno muito reduzida pois praticamente no tm peas mveis (apenas as bombas). O custo da manuteno representa apenas cerca de um dcimo do que necessrio para um chiller de compresso convencional. Para alm disso, a equipa de manuteno no necessita de preparao especial. Se usar gel de slica no apresenta riscos para o ambiente pois este gel quimicamente neutro (SiO2). Elevado custo. Por exemplo, o preo de um chiller de adsoro com gel de slica ronda os 500 /kW.

Chiller de adsoro



5. Cogerao/trigerao em Portugal Portucel Soporcel O grupo Portucel Soporcel o maior produtor nacional de energia a partir de uma fonte renovvel, a biomassa florestal. Produz mais de 90 por cento da energia elctrica a partir da valorizao deste recurso, optimizando a eficincia da sua utilizao no fabrico dos produtos intermdios e finais. As principais fontes deste combustvel utilizadas pelo Grupo para a produo de energia so a lenhina, separada no processo de produo de pasta, a casca e outros desperdcios da madeira, obtidos no seu manuseamento fabril ou florestal. A estratgia do Grupo no campo energtico passa por assumir um papel cada vez mais relevante na produo nacional de energias renovveis, designadamente na vertente biomassa. Analisando a evoluo ao longo dos anos, o Grupo reduziu as suas emisses de CO2 de origem fssil, cerca de 58% entre 2000 e 2008, atravs de investimentos em mecanismos que visam a minimizao do uso desses combustveis. No sentido de dar continuidade a este processo evolutivo e de sucesso comprovado, o Grupo aposta na construo de duas novas centrais termoelctricas a biomassa, a instalar na fbrica de Cacia e no complexo industrial de Setbal, garantindo, no seu conjunto, uma produo lquida para a rede correspondente a cerca de 167 GWh/ano.

Maior produtor nacional de energia a partir da biomassa

O Grupo assume o estatuto de maior produtor nacional de energia a partir da biomassa em centrais de cogerao, processo que combina a energia elctrica e trmica e que mais eficiente do que a convencional produo exclusiva de energia elctrica. A produo de energia elctrica do grupo Portucel Soporcel a partir de biomassa florestal correspondeu em 2007 a cerca de 55% do total de energia produzida em Portugal com base nesta fonte renovvel. A produo total de energia elctrica do Grupo correspondeu, em 2007, a 2% do consumo de energia elctrica no Pas. Probiomass O grupo de empresas Probiomass prev construir uma central termoelctrica de biomassa florestal em Chaves, um investimento de 27 milhes de euros que prev a criao de 18 empregos directos e 300 indirectos.



A Probiomass liderada pela PROEF e conta com a parceria do Esprito Santo Capital, Eurico Ferreira e a Empreendimentos Hidroelctricos do Alto Tmega e Barroso (EHATB), empresa que junta os seis municpios do Alto Tmega. Est prevista uma mdia de 100 mil toneladas por ano de biomassa florestal (BF) para uma produo mdia de cerca de 82 gigawatts (GW) de energia por hora. A matria-prima ser recolhida na regio do Alto Tmega, aproveitando o facto de a central ficar instalada junto de uma das maiores manchas florestais da regio Norte.

EXPO 98(embora o combustvel utilizado no derive da biomassa, optamos por divulgar este projecto megalmano pela sua viso futurista e por constituir uns dos maiores avanos no nosso pas em termos de cogerao, trigerao e redes de distribuio de calor e frio)

O projecto da EXPO98 considerado nico em Portugal (e na Europa), possuindo caractersticas inovadoras que resultam da seguinte combinao de tcnicas e tecnologias associadas produo e distribuio de energia trmica sob a forma de calor e frio: Sistema de trigerao que permite a produo simultnea de trs formas de energia: energia mecnica/elctrica, gua quente e gua arrefecida. Produo de gua arrefecida atravs de mquinas de absoro em que a fonte de calor vapor produzido a partir da recuperao da energia trmica contida nos gases de exausto da turbina a gs. Arrefecimento dos condensadores com a gua do rio Tejo. Armazenamento de gua arrefecida num reservatrio com a capacidade de 15 000 m3 que permite optimizar a gesto das cargas em funo das fontes de energia e os perodos de venda de energia elctrica rede. Fornecimento simultneo de calor e frio aos consumidores ligados ao sistema. Instalao em galeria tcnica de uma rede de distribuio a quatro tubos, soluo que permite evitar impactes ambientais negativos. Utilizao de um sistema de gesto tcnica centralizada que optimiza todos os parmetros funcionais da produo, distribuio e entrega de energia trmica a um grupo alargado de edifcios, da qual resulta um menor consumo de energia primria, com impacte benfico em termos ambientais.



Controlo individual, por consumidor, das necessidades de calor e frio, garantindo a racionalidade do consumo de energia. Uma das primeiras grandes aplicaes do gs natural em Portugal.

Figura 18 Algumas centrais e projectos a biomassa

6. Poder Calorfico O Poder Calorfico a quantidade de energia por unidade de massa (ou de volume no caso dos gases) libertada na oxidao de um determinado combustvel, frequentemente corresponde quantidade de energia que libertada quando se realiza a combusto de um combustvel. Existem combustveis com mais P.C. do que outros, tornando esta medida importante para o dimensionamento de uma central termoelctrica. Atravs da anlise da tabela, verifica-se que a espcie de mato que tem um poder calorfico mais elevado a Urze, isto significa que, quando se realiza a combusto da dita, esta liberta 23 850 J. Como consequncia deste facto, para obter a mesma quantidade de energia queimando apenas erva fina, teriamos que queimar uma maior quantidade, de forma a libertar a mesma energia.



Poder Calorfico e dimensionamento de uma central Qual a potncia de uma central termoelctrica, se nesta se queimarem se o rendimento da reaco for de 30 % e o P.C. da erva-fina for de de erva-fina, ?

Nota: Como o poder calorfico est em unidade de energia por volume, multiplica-se pelo caudal.

E se agora invs de erva-fina se queimar a mesma massa por segundo de gs propano com um P.C. de ?

Como o poder calorfico do gs propano maior do que a erva-fina, lgico que, para as mesmas quantidades queimadas, o gs propano vai produzir uma maior potncia elctrica. Como demonstrado atravs da anlise das contas anteriores, a escolha do combustvel de extrema importncia para o dimensionamento de uma central termoelctrica.

7. Projeces do presente e para o futuro (cogerao/trigerao): A adopo deste processo mais eficiente surgiu em funo da necessidade de reduzir as emisses de CO2. E desta forma, o cumprimento dos objectivos nacionais, quanto reduo de emisses, consagrados no Plano Nacional de Alteraes Climticas (PNAC) aprovado pelo Governo em 2004, estabelecem que a potncia adicional em cogerao, a instalar at ao ano 2010, dever ser de aproximadamente 800 MW, mantendo operacionais todas as instalaes que se encontram j licenciadas. Assim, a Unio Europeia estabeleceu para 2010 uma meta para a produo de energia atravs da cogerao que se situa nos 18% do total da energia produzida. Isto em virtude dos benefcios energticos e ambientais da cogerao. Na Holanda a cogerao j representa mais de 40% da potncia instalada. Nos ltimos anos, o novo modelo de sector elctrico propiciou a produo elctrica local tornando-a mais eficiente e de baixo custo e levando ao aperfeioamento da tecnologia da cogerao, inclusive ao nvel da microgerao (inferior a 150 kW).



Figura 19 Grfico representativo do crescimento da cogerao presente e futuro.



8. Concluso/Anlise crtica Embora o mundo possua uma grande inrcia face mudana, j se esto a dar os primeiros passos para tornar a biomassa uma energia renovvel fivel e presente. Existem, porm, muitos obstculos, dos quais se destacam o elevado preo e tamanho do equipamento, o desconhecimento por parte da populao destes tipos de tecnologias, especialmente dos vrios tipos de combustveis que existem bem como os diferentes ciclos de aproveitamento de energia, entre outros. Alm das inmeras vantagens a nvel ambiental que a biomassa possui, tambm um estmulo economia, visto fomentar a criao de emprego bem como prevenir o aparecimento de fogos devido constante limpeza das matas. As principais centrais de produo de energia elctrica no tinham como princpio aproveitar o calor que resulta da combusto do combustvel. Este facto tornava, e ainda torna algumas centrais, pouco rentveis a nvel energtico, visto que a maior parte da energia desperdiada atravs de transferncias de calor. Atravs da implementao da cogerao e posteriormente, a trigerao, possvel aumentar esta eficincia at aos 80 %, no que se traduz num menor impacto ambiental e numa maior gesto energtica da central, possibilitando, por exemplo, que o calor aproveitado seja utilizado no aquecimento de gua para consumo industrial ou ento, atravs da trigerao, produzir frio e consequentemente diminuir a procura de electricidade devido a aparelhos de ar condicionado. Visto que existem muitas florestas, a aplicao de tecnologias ligadas biomassa permite que ocorra uma descentralizao na produo de energia elctrica, o que acarreta ganhos por no ocorrem perdas devido ao transporte, e tambm porque ajuda a dinamizar reas que a economia esqueceu. A nosso ver, ainda h um longo caminho a percorrer deforma a tornar a biomassa uma energia renovvel disponvel para todos, mas preciso que a iniciativa parta das entidades governamentais de forma a incentivar o uso deste tipo de energia pelos cidados e tambm porque levaria a uma reduo nos preos dos equipamentos (visto que existiria uma maior procura), o que faria com que ainda mais pessoas pudessem aceder a esta to importante e to primordial fonte de energia.



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cogeração e trigeração

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