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Cogeração
Descrição do Sistema


1. Generalidades

As usinas termelétricas convencionais, queimando combustíveis fósseis, têm uma eficiência térmica da ordem de 30 a 40%, isto é, só estas percentagens da energia contida no combustível são transformadas em trabalho mecânico. O restante é perdido em forma de calor, seja na exaustão ou na condensação do vapor. Em uma unidade de cogeração, a energia que seria inaproveitada é usada para prover calor a um processo, ou aquecimento de ambientes.

Desta forma, podemos definir cogeração como sendo a produção conjunta de trabalho mecânico e calor utilizável a partir da queima do mesmo combustível. O trabalho mecânico é em geral usado para acionar um gerador elétrico, mas poderá ter outras finalidades como o acionamento de compressores ou a propulsão de navios. O calor é quase sempre utilizado para geração de vapor para processo, ou água quente para aquecimento.

Uma instalação de cogeração pode ter eficiência térmica de até 85%. Além de dar melhor uso à energia do combustível, 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. Além disto, estas utilidades deverão ser geradas às temperaturas requeridas localmente. 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. Este trabalho não se propõe a descrever com detalhes todos os passos da seleção e avaliação de uma instalação de cogeração; abordará portanto apenas aspectos de maior relevância e alguns exemplos gerais.

2. Seleção Do Acionador Principal

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). Poderão ser usadas eventualmente combinações dos tipos de acionadores mencionados acima.

Cada acionador tem características específicas que o tornam mais ou menos adequado a uma aplicação específica de cogeração, sendo essencial que estas características sejam levadas em conta no processo de seleção. Potências da ordem de 5 MW ou menos (por exemplo, hospitais) são melhor atendida pelos motores alternativos. Acima de 20 MW, usam-se em geral caldeiras/turbinas a vapor, ou turbinas a gás. Uma associação de turbinas a gás e a vapor, conhecida como sistema de ciclo combinado (CCPS) vem sendo muito usada em instalações maiores. No intervalo 5 MW/20 MW, qualquer das duas tecnologias pode ser usada.

2.1 Motores alternativos

Os motores a pistão podem ser com ignição elétrica ou diesel. Há exemplos de cogeração com grandes motores diesel, como nos modernos navios, onde este tipo de motor vem sendo um padrão. Combinados a um sistema de recuperação de calor, podem responder pelas necessidades de aquecimento e ar condicionado das embarcações, sem necessidade de energia adicional.

Podemos alinhar as seguintes particularidades dos motores alternativos:
· São adequados para instalações de potência inferior a 20 MW, pois são produzidos em série e têm custo competitivo.
· Usam em geral óleos combustíveis líquidos, mas podem queimar gás.
· Têm boa eficiência térmica (38-42%), porém com calor a baixa temperatura, limitando-se na prática ao aquecimento de água e de ambientes.
· São instalações compactas, exigem pouca infra-estrutura e podem ser montados rapidamente.
· Têm exigências de manutenção estritas, e disponibilidade menor que as demais soluções.

2.2 Caldeiras / Turbinas a Vapor

Nessas instalações, como vimos, o combustível é queimado em uma caldeira, e seus gases quentes geram vapor de alta pressão. Este vapor expande-se através da turbina, acionando um gerador elétrico.

Há dois tipos básicos de turbinas a vapor : as sem condensação, ou de contrapressão, e as de condensação. As de contrapressão têm, em sua exaustão, vapor à pressão adequada para ser usado em processo. Se for exigido vapor à pressão mais alta, pode-se extraí-lo da turbina durante a fase de expansão.

Nas turbinas ditas de condensação, extrai-se vapor à pressão desejada durante a fase de expansão, enquanto o restante continua expandindo-se até a condensação, gerando energia adicional. Neste caso, a relação potência / calor é consequentemente mais alta, mas o ciclo global de cogeração tem eficiência menor. Entretanto, por serem mais flexíveis e produzirem mais eletricidade, as turbinas de condensação são escolhidas em determinadas aplicações.

De modo geral, as turbinas a vapor apresentam as seguintes características:
· São especialmente adequadas para instalações de porte, com queima de carvão, óleo combustível pesado ou rejeitos industriais como o bagaço da cana.
· Têm uma eficiência térmica relativamente baixa, porém com a vantagem de obtenção de calor às temperaturas necessárias.
· O custo por KW é alto, e o tempo de instalação longo.
· A 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.

A baixa eficiência térmica de uma instalação caldeira/turbina a vapor torna economicamente desaconselhável o uso de combustíveis de alto valor, como o gás natural. Desta forma, são mais usadas com carvão ou óleos pesados, onde o custo do combustível pode ser melhor recuperado.

2.3 Turbinas à 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. Qualquer dos dois tipos de turbina a vapor discutidos em 2.2 pode ser usado.

Destacam-se as seguintes particularidades das turbinas a gás:
· São adequadas para faixas de potência, desde 5 MW até 1.725 MW, como tem a Enron em Teeside, Inglaterra.
· O combustível é limitado ao gás ou derivados leves da refinação do petróleo, como distilado, querosene ou nafta.
· O tempo de instalação é curto, embora com prazos de entrega atuais dilatados.
· Em ciclo aberto, a eficiência térmica é baixa (30 a 35%), mas em ciclo combinado pode chegar a 50-55%, o mais alto de todos os tipos de acionador.
· A relação potência / calor é flexível.
· O custo por KW é relativamente baixo.

2.5 Tecnologias Emergentes

Como já mencionamos, há diversas tecnologias alternativas que poderão ser usadas no acionador principal em cogeração. Por estarem ainda em desenvolvimento, entretanto, é difícil verificar seu potencial. Embora possam demonstrar eficiências térmicas elevadas, até 55%, e sejam adequadas do ponto de vista ambiental, os custos, flexibilidade e adequabilidade à cogeração ainda são incertos. Para que possam tornar-se competidores sérios das opções convencionais que descrevemos, terão que ser iguais ou melhores que elas - o que fica ainda mais difícil com os aperfeiçoamentos contínuos dos esquemas até agora usados.

3 Considerações Econômicas

A não ser por razões estratégicas, como por exemplo em locais onde o suprimento de energia elétrica não é confiável, a opção pela cogeração via de regra é definida por condicionantes estritamente econômicas e , somente quando evidenciam reduções substanciais nos custos de energia , são adotadas.
Nesta análise econômica, os seguintes pontos, entre outros, devem ser consideradas:
· Preços da eletricidade, correntes e futuros
· Preço do calor
· Preço e disponibilidade do combustível.
· Custos de implantação, operação e manutenção.
· Incentivos fiscais
· Nível esperado de retorno financeiro

Um aspecto importante a ser considerado no cálculo do custo da energia elétrica é o impacto que pode haver sobre os mesmos da importação ou exportação para a rede local de pequenas quantidades de energia. É também necessário levar em conta os custos da energia de "back up", para absorver as paradas das instalações onde não há capacidade de reserva instalada. Não é impossível também que, com a ameaça de perda de receita, a concessionária reduza seus preços, diminuindo as vantagens do empreendimento. Mas mesmo nestes casos, pode-se entender que a consideração da utilização da cogeração como alternativa foi válida por ter-se atingido o objeto maior que é o da redução dos custos com energia.

O método de avaliação de um projeto deve refletir as práticas normais da empresa onde é executado, mas em geral é utilizado o do pay-back simples, ou o do valor líquido presente, mais rigoroso. Embora o primeiro possa ser aproximado, ele permite uma comparação rápida das várias opções sendo usado como primeiro instrumento por várias grandes organizações. É pouco provável que uma instalação de cogeração tenha um tempo de retorno inferior a 4 ou 5 anos, a menos que o custo do combustível seja muito baixo.

A técnica do valor líquido presente determina de forma mais acurada o retorno global de um projeto, mas se baseia em pressupostos relativos a taxas de desconto e outros, de difícil previsão em prazos de 5 anos ou mais. Além disto, o método do valor líquido presente não identifica os projetos que dão a taxa mais rápida de retorno, o que pode ser importante em casos de recursos escassos. Portanto, o melhor será combinar os dois métodos.

Como uma avaliação econômica requer que se considerem as tendências futuras, a análise de sensibilidade do modelo financeiro às variações de valor de itens como combustível ou taxa de juros é essencial e ajudará a definir e reduzir os riscos do projeto.

Outro ponto de importância na análise econômica são as especificidades de cada país, sua legislação e incentivos dados pelo governo. Na Inglaterra, por exemplo, embora haja estímulos do governo às instalações de cogeração, há pouco suporte financeiro e legislação limitada. Uma política de curto prazo, vigorante até início da década de 90, mantinha o preço baixo da eletricidade (2,5p/kwh) e preços altos para o gás (acima de 20p/therm). Esta situação modificou-se com a meta governamental de ter instalações de cogeração com capacidade total acima de 20 GW até 2003, mas os esquemas financeiros ainda permanecem pouco apropriados. Nosso site mostra, no botão "Tarifas", o que cada distribuidora de gás canalizado cobra pelo gás, e os preços de energia elétrica das respectivas concessionárias. Assim, é possível verificar, em primeira análise, as vantagens de uma instalação de cogeração em vários pontos do país.

Nos Estados Unidos, a introdução do PURPA, em 1978, estimulou, com base na conceituação de custos evitados , a construção de unidades de cogeração. Os documentos do PURPA podem ser acessados em nosso site a partir do botão "Legislação".

Na Espanha, desenvolveu-se também um significativo mercado de cogeração, em decorrência da política governamental de substituir como combustível industrial óleo por gás. Através da construção de uma rede nacional de distribuição de gás, a indústria espanhola pode ter neste energético uma forma de reduzir custos e tornar-se mais competitiva internacionalmente.

4 Considerações Ambientais

Como têm eficiência térmica mais alta, os esquemas de cogeração consomem menos combustível, com a redução consequente das emissões gasosas. A adoção dos ciclos combinados, com queima de gás natural, reduziram ainda mais estas emissões, pois este energético é basicamente "limpo", e a relação consumo / descarga de água é menor, pois o ciclo de vapor é reduzido. De fato, foi a introdução das CCPS que causaram a significativa redução dos níveis de poluição gasosa na Inglaterra, nos últimos 5 a 10 anos. O potencial de redução de emissões, especialmente em instalações movidas a gás natural, é um forte elemento a favor da cogeração, e da resultante redução das usinas a carvão.

5 Conclusão

Cada projeto de cogeração é diferente dos demais, e envolve uma sequência de passos até que fique assegurada sua viabilidade e a escolha da melhor solução.
Entre eles, enumeram-se os seguintes:
· Estabelecimento das demandas de calor, de resfriamento (chilling loads) e de vapor.
· Análise do perfil da demanda de calor e a escolha do tipo e tamanho da instalação de cogeração.
· Escolha do combustível, com base em fatores locais e econômicos.
· Estudo de viabilidade preliminar, considerando as conexões à infra-estrutura e as condições de arranjo local.
· Escolha do acionaodor principal e diagrama de ciclo.
· Estabelecimento do esquema básico e do modelo operacional.
· Avaliação econômica do esquema básico e suas opções.
· Seleção do melhor esquema e análise de riscos.
· Identificação das vantagens ambientais e seus incentivos.
· Estudo dos possíveis financiamentos, especialmente a juros subsidiados.
· Tomada de decisão de executar a instalação.
· Formação de empresa de propósito específico, se necessário.
· Implementação do projeto.

A consideração destes fatores mostrará que não há solução universal ou mesmo conjunto de regras para determinar a viabilidade do projeto e sua melhor solução técnica. Cada projeto de cogeração tem um certo número de soluções, e só um estudo acurado poderá determinar a melhor delas. Entretanto, sempre haverá uma solução, provavelmente favorável financeiramente.

6 Leituras Aconselhadas

Griffiths, Robin T. Combined Heatand Power, Energy Publications. ISBN 1874334 04 8
Vários autores Good Practice Guide Series, ETSU, Harwell, Oxford.
Desta série são particularmente interessantes:
Nº 1 Guidance Notes for the Implementation of Small-Scale Packagede Combined Heat and Power
Nº 3 Introduction to Small-Scale CHP
Nº 43 Introduction to Large-Scale CHP
Nº 67 Energy Champions : A Selection of Case Histories
Nº 115 An Environmental Guide to Small-Scale CHP
Nº 116 Environmental Aspects of Large-Scale CHP
Nº 227 How to Appraise CHP




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