Resumo.

A matriz energética brasileira atual está configurada nos sistemas de geração

hidrelétrica com apoio de sistemas de geração termelétrica. Vivemos uma situação na

qual a matriz hidrelétrica está chegando a um limite de resposta ao aumento de

demanda por eletricidade, fazendo com que o parque gerador termelétrico seja

utilizado com maior frequência. Isso encarece a eletricidade ao consumidor final, além

de aumentar as chances de um possível racionamento de energia, o que, de forma

direta ou indireta coloca em risco o sistema de produção industrial brasileiro. Mediante

este fato, é imperativo a busca por alternativas que busquem suprir essa lacuna e

recoloque o país em melhor situaçãono cenário energético. Uma alternativa

interessante para o país é a cogeração de energia através da queima de biomassa,

mais particularmente de resíduos e bagaço de cana-de-açúcar. A proposta de

cogeração é interessante também devido à fragilidade em que o sistema de

transmissão brasileiro se encontra, deixando o usuário isento dos possíveis problemas

de “blackout”. A alternativa adotada neste trabalho é pelos sistemas de cogeração de

energia, cuja tecnologia é de domínio e os resultados podem aliviar o sistema elétrico

brasileiro.

Opção 2

O Brasil vive hoje o início de uma crise no abastecimento de energia elétrica. Os

escassos investimentos no setor e o crescente nível de consumo mostram-se como

fatores chave de um problema que assume proporções assustadoras. O fim do

monopólio estatal na geração de energia abre no Brasil oportunidades na área da

geração de energia, permitindo a implantação de sistemas alternativos, como a

cogeração. Em todo o mundo, sistemas de cogeração vem sendo fortemente

incentivados pelos governos e pelas empresas privadas de distribuição de energia,

assumindo importância crescente. A cogeração é um sistema de elevada eficiência

energética, em que se faz simultaneamente a geração de energias elétrica e térmica a

partir de um combustível, tal como os derivados do petróleo, biomassa ou gás natural.

Neste trabalho serão apresentadas tipos de s sistemas de cogeração, objetiva-se

mostrar superficialmente no que consiste o processo de Biomassa e ao mesmo tempo

alertar para a importância do desenvolvimento de tais conteúdos dentro das escolas

de engenharia, ressaltando a necessidade de tratar também das questões sociais,

econômicas e

ambientais.

2.0 Introdução.

Energia é um bem necessário para todos os seres humanos. É através dela que

conseguimos nos reproduzir, alimentar, movimentar, trabalhar e etc. O desenvolvimento

humano e o crescimento da população contribuem para o aumento de energia elétrica.

A energia por sua definição e a capacidade de realizar um trabalho, ou seja a

capacidade de movimentar ou deslocar um corpo, através da energia, os homens

primitivos descobriram que ao dominar a fogo poderiam fazer muitas coisas, tais como

se defender de predadores, cozinhar e produzir instrumentos de batalha. Ao passar o

tempo, o homem descobre mais tipos de energia como a eletricidade, combustão,

química, nuclear e eólica. Porem a humanidade perdeu muito tempo para perceber

que muitas destas energias são de fontes esgotáveis.

O Brasil é o terceiro pais que mais produzem energia elétrica a partir de hidroelétrica,

a energia produzida através do aproveitamento das águas dos rios é a mais barata,

mas causas adversos impactos ambientais.

Através desse problema a humanidade sente a necessidade em pesquisar alguma

solução para conter este consumo desenfreado de energias não renováveis, o

crescimento no desenvolvimento e pesquisas de energias, programas de governos

para contenção de gastos desnecessários de energias, descoberta de fontes

renováveis, coogeração.

3.0 Objetivo

Esse trabalho tem como premissa mostrar a importância dos sistemas de cogeração de

energia do ponto de vista técnico, econômico e ambiental. Com relação às questões

técnicas, propõe descrever as principais tecnologias disponíveis para cogeração e

possíveis tecnologias que poderiam contribuir para o aperfeiçoamento tecnológico dos

sistemas.

4.0 Cogeração.

A coogeração é um meio é a produção simultânea e de forma seqüenciada, de duas ou

mais formas de energia a partir de um único combustível. O processo mais comum é a

produção de eletricidade e energia térmica (calor ou frio) a partir do uso de gás natural

e/ou de biomassa, entre outros.

A cogeração consiste no aproveitamento local do calor residual originado nos

processos termodinâmicos de geração de energia eléctrica, que doutra forma seria

desperdiçado. O aproveitamento pode dar-se sob a forma de vapor, água quente e/ou

fria (trigereção), para uma aplicação secundária, que pode ou não estar ligada com o

processo principal.

As usinas termelétricas convencionais, queimando combustíveis fósseis, têm uma

eficiência térmica da ordem de 30 a 40%, isto é, só estas porcentagens da energia

contida no combustível são transformadas em energia elétrica. Em uma unidade de

cogeração, a energia que seria perdida em forma de calor, seja na exaustão ou na

condensação do vapor é aproveitada para prover calor a um processo, ou aquecimento

de ambientes fazendo com que uma instalação de cogeração possa ter eficiência

térmica de até 85%.

Além de dar melhor uso à energia do combustível, com a cogeração reduz-se o

impacto ambiental, especialmente quanto às emissões gasosas. Ao lado destas

vantagens econômicas e ecológicas, há alguns pontos negativos na cogeração. Como

o vapor e a água quente não podem ser levados a longas distâncias, deverão existir

localmente demandas para suas produções, sem o que a eficiência térmica global do

processo ficará prejudicada. Por estes motivos, a energia elétrica tem geralmente um

peso maior que o calor, e as avaliações econômicas de uma instalação têm que levar

estes fatos em consideração.

A seleção, avaliação e eventual implementação de uma instalação de cogeração são

tarefas complexas, que pressupõem um conhecimento detalhado das demandas de

calor e eletricidade, e seus respectivos custos. Provavelmente cada instalação terá

mais de uma solução, todas exigindo estudos minuciosos dos aspectos técnicos e

econômicos para que a melhor dentre elas seja selecionada.

4.1 Benefícios da cogeração

São muitos os benefícios da cogeração sendo que alguns são devidos à alta eficiência

dos sistemas de cogeração, enquanto outros se referem às próprias vantagens da

geração descentralizada de energia.

Cogeração é um meio de cortar custos de energia e emissões de poluentes para o

meio ambiente, já que cogeração é um meio mais eficiente de produção de energia.

Desde que cogeração é uma forma de produção local de energia perdas de energia na

transmissão são evitadas e, com isso pode-se ter um meio de distribuir energia com

melhor custo/benefício em relação às longas extensões. E devido ao fato de serem

menores do que as plantas de geração convencionais, os sistemas de cogeração

possuem maior flexibilidade e confiabilidade.

Menor tempo de construção. Em mercados de eletricidade os contratos são feitos

geralmente para menos de cinco anos à frente. Desde de que grandes plantas de

geração levam tipicamente três anos para serem construídas, é muito difícil de

encontrar compradores para estas plantas ou de estimar o preço da eletricidade para

daqui cinco anos. Então proprietários de grandes plantas sofrem grandes riscos de

mercado e preço quando constroem tais plantas. Sistemas de geração de menor porte

são construídos entre quatro e dez meses e eles podem também obter o retorno do

investimento em menor tempo em relação as grandes plantas. Também é muito difícil

estimar a demanda de energia após mais de cinco anos à frente, desde que o

crescimento econômico pode flutuar consideravelmente. Se as decisões de

investimento são feitas muito cedo, os erros na estimativa de crescimento podem

causar supercapacidade ou incapacidade de geração.

Melhor flexibilidade. A demanda de energia muda a toda hora durante o dia. Isto

requer uma capacidade de controlar a produção de energia para corresponder com a

demanda. Isto é muito difícil de se realizar no caso de grandes plantas de geração, as

quais foram tipicamente planejadas para operar em uma carga de produção que só

pode ser controlada numa base diária. Desta forma têm-se grandes perdas de energia.

No entanto, pequenas plantas de geração possuem capacidade de seguir a demanda

bastante flexível. Estes sistemas podem ser iniciados em segundos e seus níveis de

saída podem ser mudados a cada hora de acordo com a demanda dos consumidores

industriais ou da rede nacional.

Melhor confiabilidade. Um grande número de pequenas plantas de geração também

significa melhor confiabilidade do sistema. Pequenas plantas de geração geralmente

têm maior disponibilidade, tipicamente entre 90% e 95%, em relação a plantas maiores,

que apresentam disponibilidade entre 75% e 90% dependendo do tipo. Isto se dá pelo

fato de pequenos sistemas de geração serem simples e possuírem menos

componentes do que sistemas maiores. Pequenas plantas de geração

descentralizadas podem também ser estrategicamente utilizadas para assegurar o

suprimento local de eletricidade de importantes funções públicas durante um black-out

na rede de transmissão tradicional.

Menor emissão de poluentes. Os atuais tipos de instalações de cogeração alcançam

uma redução de emissão de CO2 em torno de 30% em comparação com geração de

estações de queima de carvão (termoelétrica movidas a carvão), e cerca de 10% em

comparação com turbinas a gás de ciclo combinado (autogeração a gás natural).

4.2Tipos de sistemas de cogeração

Os sistemas são basicamente separados em dois grandes grupos, em função da

seqüência de utilização da energia, podendo ser de "topping cycle" e "bottoming cycle".

Nos sistemas tipo "topping cycle" o combustível é usado primeiramente na produção de

energia elétrica ou mecânica em turbinas ou motores a gás e o calor rejeitado é

recuperado para o sistema térmico. Um esquema do sistema

de cogeração do tipo “topping cycle” está mostrado na fig. 1

Fig. sistema toppig cycle

Nos sistemas com "bottoming cycle" o energético produz primeiramente vapor, que é utilizado para produção de energia mecânica ou elétrica em turbinas a vapor, e depois repassado ao processo. Um esquema do sistema de cogeração do tipo “bottoming cycle” está mostrado na fig. 2.

3. Componentes de um Sistema de Cogeração:

A peça mais importante de uma instalação de cogeração é o acionador principal, que pode ser uma caldeira/turbina a vapor, motores alternativos ou turbinas a gás. Há ainda as chamadas "tecnologias emergentes", como células de combustível, ou motores Stirling (uma tecnologia há muito conhecida, mas que só recentemente vem sendo explorada comercialmente).

4. Tipos Maquinas Térmicas empregadas cogeração:

4.1 Motores Alternativos de Combustão Interna

Este ciclo utiliza motores alternativos de combustão interna para produzir trabalho em acionamento mecânico ou geração de energia elétrica quando acoplados em geradores (alternadores). A cogeração é obtida com a recuperação da energia térmicaresidual dos gases de exaustão, e também, na recuperação do calor dos sistemas de lubrificação de resfriamento das camisas dos pistões.

Devido a quantidade de energia residual recuperada neste ciclo ser baixa, sua aplicação freqüentemente é mais utilizada em instalações que necessitam de quantidades maiores de energia elétrica e mecânica e de quantidades menores de calor em temperaturas moderadas.

4.2 Caldeiras – Turbinas

4.3 Características Turbinas a Vapor: combustível pesado ou rejeitos industriais como o bagaço da cana;

• eficiência térmica relativamente baixa, porém com a vantagem de obtenção de calor às temperaturas necessárias;

• custo por kW é alto, e o tempo de instalação longok

• relação potência / calor é variável ao longo de uma ampla faixa, o que dá flexibilidade à operação;

• exigem áreas grandes e quantidades significativas de água de refrigeração;

• têm alta disponibilidade

4.4 Motores a Gás:

Os motores a gás (ou a óleo diesel) são disponíveis para aplicação em Sistemas de Cogeração, sendo que vários fabricantes dispõem de modelos especificamente reparados para este tipo de aplicação.

Em geral apresentam uma eficiência elétrica maior do que as turbinas a gás, conseguindo converter algo ao redor de 32% a 40% da energia do combustível em energia mecânica, enquanto as turbinas conseguem tipicamente de 2% a 35% (turbinas de maior porte conseguem atingir eficiência maiores, chegando em alguns casos a 40%).

Eles possuem características especificas diferentes dos motores para uso em regime de emergência, devido principalmente a operação em regime continuo e ao sistema de resfriamento, apropriado para permitir a recuperação de calor. Nas turbinas a gás, todo o calor a ser recuperado está disponível nos gases de descarga o que não acontece nos motores a gás.

4.5 Turbina a gás:

Nas turbinas a gás, o ar é aspirado na entrada, comprimido a 15 ou 20 vezes a pressão atmosférica, e então misturado ao combustível na câmara de combustão. Os gases quentes aí produzidos impulsionam a turbina, que aciona o compressor de ar e um gerador elétrico ou outro equipamento rotativo.

Nas instalações de cogeração, os gases de exaustão da turbina passam por uma

caldeira de recuperação de calor, onde produz-se vapor na pressão desejada. O vapor assim obtido pode ser usado diretamente, ou expandido através de uma turbina a vapor, gerando mais energia.

Neste caso, temos o chamado "Sistema de Ciclo Combinado" (CCGS), solução adotada geralmente pelas termelétricas a gás natural.

4.6 Ciclo Combinado:

Devido às características das turbinas a gás e das turbinas a vapor, as condições de acoplamento térmico entre os dois ciclos são muito boas. No ciclo combinado (turbina a gás/turbina a vapor), o calor necessário para a caldeira da turbina a vapor é fornecido pelos gases quentes da exaustão da turbina a gás.

Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gás/turbina a vapor) resulta na termelétrica mais eficiente na conversão da energia do combustível em potência elétrica, pois tem uma temperatura alta de início de conversão de calor em trabalho e uma temperatura de rejeição de calor muito baixa.

Uma característica construtiva importante do ciclo combinado é sua construção modular, ou seja, as turbinas a gás são instaladas primeiro e começam a produzir energia elétrica e gerando retorno financeiro. Posteriormente é instalada a turbina a vapor com respectivas caldeiras de recuperação.

5. Combustíveis:

A cogeração possibilita o uso de diversos combustíveis em seu processo produtivo,

porém, neste trabalho, serão abordadas apenas a utilização da biomassa

(principalmente o bagaço da cana-deaçúcar, por se tratar de uma atividade econômica

de grande representatividade em todo o território brasileiro), do gás natural e dos

derivados do petroleo principalmente oleo diesel.

5.1 Biomassa:

O termo biomassa engloba a matéria vegetal oriunda da fotossíntese e os

seusderivados, tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria

orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos, municipais, etc. Estes materiais

contêm energia química provinda da transformação energética da radiação solar. Essa

energia química pode ser liberada diretamente por combustão, ou pode ser convertida,

através de outros processos, em fontes energéticas mais adequadas.

Nos anos 90, com a descoberta de novas tecnologias e a inclusão da temática

ambiental, houve um novo interesse pela biomassa energética. Neste contexto, a

biomassa é considerada uma forma adequada de satisfazer a demanda energética,

que vai além dofator econômico, incluindo também um menor impacto ambiental e sua

renovabilidade, a possibilidade de geração de empregos e a dinamização de

economias regionais. Como exemplos dessa aplicação, pode-se citar o uso do carvão

vegetal na siderurgia e o programa do álcool automotivo no Brasil, a implantação de

bosques energéticos e a produção de bioeletricidade nos Estados Unidos, as

plantações de eucalipto na Etiópia, entre outros.

5.2 Bagaço da cana-de-açúcar:

Por muito tempo tratado como resíduo, o bagaço de cana adquiriu na década de 80 a

posição de insumo de grande potencial energético, industrial e agropecuário,

resultando de uma série de medidas desenvolvidas para sua valorização, tais como o

desenvolvimento de técnicas de estocagem e manuseio do bagaço, a aplicação como

matéria prima para a indústria de papel e celulose e de produtos aglomerados, a

utilização como ração animal e fertilizante no setor agrícola e, principalmente, como

insumo energético.

5.3 Gás Natural:

O gás natural é bastante utilizado nas indústrias e empresas com a finalidade de

obtenção de energia elétrica ou térmica ou até mesmo na geração desses dois tipos de

energia simultaneamente. Sua conversão em calor ou força motriz apresenta um

rendimento muito superior ao dos demais combustíveis, traduzido por um menor

consumo e um conseqüente decréscimo de emissão de produtos de combustão.

5.4 Petróleo:

O petróleo é uma substância oleosa, inflamável, menos densa que a água, com cheiro

característico e de cor variando entre o negro e o castanho escuro. Embora objeto de

muitas discussões no passado, hoje tem como certa a sua origem orgânica, sendo uma

combinação de moléculas de carbono e hidrogênio.

O principio de funcionamento e muito simples, e um grande tanque oval de aço,

refrataria, chumbo, concreto, a espessura da parede e conforme o Grau de isolamento

da radiação se haver vazamento das varetas de aquecimento térmico da agua, estes

varetas depende do grau de enriquecimento do urânio, em quanto maior mais

aquecimento a agua, só e preciso 100ºc para virar vapor, como este tubo e fechado ai

aumenta a pressão, esta pressão e controlado par válvulas , vapor e conduzido por

tubos de aço para as Turbinas, esta Turbina tem um rotor tem aletas verticais angular

que a velocidade do vapor batem nelas para girar o rotor da turbina, na ponta do eixo

desta turbina tem Alternador (gerador) ac. que gera energia alternada, o vapor que sai

da turbina (vapor servido) vai para o condensador (esfriador)voltando ao estado liquido

(água quente) e baixa pressão voltado para a caldeira aproveitado reaquecer até

determinada pressão para ser usado nas turbinas, Obs estão fazendo muita propagada

de risco, não a risco porque a quantidade de combustão e controlada e baixo

enriquecimento (energia nuclear e baixo enrequecimento e fissão nuclear e 1000000

vez maior)

6. BAGAÇO DA CANA

Analisando o rendimento elétrico e térmico nos processos de cogeração expostos

neste trabalho, fica evidente que o rendimento de energia elétrica pelo rendimento de

energia térmica justifica e supera as expectativas, o que justifica o alto invetimento

neste setor de cogeração de energia elétrica, sendo que em media o rendimento deste

processo fica em torno de 85%, superando em aproximadamente 20% nas hidrelétricas

por exemplo.