ARTIGO TÉCNICO
revista técnico-profissional
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o electricista Telmo Rocha Engenheiro Electrotécnico, Major em Energia (FEUP)
cogeração
{5.ª PARTE › TECNOLOGIAS DE MICRO-COGERAÇÃO}
(continuação da edição anterior)
Na sequência do artigo técnico anterior, apresentam-se desta feita as tecnologias empregues em sistemas de micro-cogeração. Geralmente, estas tecnologias de pequena produção combinada de calor e electricidade são denominadas emergentes, pois são significativamente mais recentes, quando comparadas com as tecnologias de Cogeração tradicional de grande dimensão. Uma vez mais expõe-se os princípios de funcionamento das diversas máquinas e realiza-se uma comparação detalhada das vantagens e inconvenientes da sua aplicação. Adicionalmente, abordam-se algumas características de operação e custos típicos destas tecnologias em paralelo com as de Cogeração tradicional.
5› TECNOLOGIAS DE MICRO-COGERAÇÃO A definição do que constitui uma microcogeração, em termos do valor limite da sua potência eléctrica, foi sempre algo dúbia. Com efeito, a legislação sobre este assunto é manifestamente diferente de país para país. O valor máximo de potência eléctrica para uma dada instalação ser considerada como uma micro-cogeração dependia sobretudo da realidade geral de cada nação, no que concerne às potências instaladas nas unidades de Cogeração que possuía [1]. Todavia, nos anos mais recentes, tem existido uma tentativa de uniformizar o conceito de micro-cogeração, a nível europeu. A Directiva Europeia de promoção da Cogeração, de 2004, qualifica como “Unidade de microcogeração” uma unidade de cogeração cuja capacidade máxima seja inferior a 50 kWe. Adicionalmente, as unidades de cogeração com uma capacidade instalada inferior a 1 MWe são definidas como “Unidade de Cogeração de pequena dimensão”. Refira-se, ainda, segundo a mesma Directiva, que a produção destes dois tipos de unidades de cogeração que permita uma poupança de energia primária é automaticamente consi-
derada cogeração de elevada eficiência, independentemente do valor concreto do seu rendimento [2]. No seguimento desta norma europeia, e fundamentada na mesma, Portugal aprovou uma nova legislação para o sector da Cogeração, em 2010, na qual se estabelecem os valores acima referidos para classificar as unidades de Cogeração de pequena dimensão e as de micro-cogeração. Esta legislação – Decreto-Lei 23/2010 - foi abordada em detalhe na terceira parte deste conjunto de artigos. Uma vez que a associação de algumas unidades de micro-cogeração conduz a uma unidade de pequena dimensão, estes dois conceitos estão intimamente ligados e, geralmente, ambas as designações são válidas e referem-se essencialmente ao mesmo [1]. Pode dizer-se que a micro-cogeração corresponde à verdadeira essência da Cogeração enquanto forma de Produção Dispersa. A Micro-cogeração abrange tecnologias tão diversificadas como as micro-turbinas, os motores Stirling, pequenos motores de combustão interna, as pilhas de combustível, os ciclos orgânicos de Rankine, entre outras, ligadas à rede geralmente em Baixa Tensão.
Ainda que algumas das tecnologias referidas, nomeadamente, as micro-turbinas e os pequenos motores de combustão interna, estejam já bem demonstradas e a caminho da consolidação no mercado, outras, tais como as pilhas de combustível e os motores Stirling, encontram-se numa fase menos avançada, ainda de comercialização pouco significativa, após sucessivos estágios de investigação e desenvolvimento que têm vindo a comprovar o seu potencial [3]. As tecnologias associadas à micro-cogeração costumam ser designadas por tecnologias emergentes, pois são consideravelmente mais recentes do que as de Cogeração tradicional [1]. Os equipamentos de micro-cogeração funcionam tipicamente como equipamentos vocacionados para o aquecimento, fornecendo água quente para o aquecimento centralizado e aquecimento de águas sanitárias (AQS), entre outros, em diversos tipos de instalações, mas fundamentalmente em edifícios residenciais e de serviços. Contudo, a diferença marcante para as caldeiras convencionais é que estes equipamentos produzem electricidade, em combinação com o calor, o que se traduz numa importante vantagem [4].
ARTIGO TÉCNICO
o electricista
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Tipo de tecnologia Micro-turbinas
Motores Stirling
Pilhas de combustível
Ciclo Orgânico de Rankine
Vantagens
Desvantagens
[1]
Dimensões compactas; Peso reduzido; Baixo nível de emissões poluentes; Não necessitam de refrigeração; Manutenção reduzida, devido a poucas peças móveis; › Elevado tempo de vida.
› Custo bastante elevado; › Apenas disponibilizam calor a baixas temperaturas; › Tecnologia ainda em fase de maturação.
› Manutenção reduzida, devido a poucas peças móveis; › Níveis de ruído muito baixos; › Reduzidas emissões de NOx e queimados; › Evita a necessidade de uma caldeira complementar.
› Custo elevado; › Fiabilidade ainda em dúvida; › Tecnologia ainda em fase de maturação.
› Baixo nível de emissões poluentes; › Baixo nível de ruído; › Muito pouca manutenção (não tem peças rotativas); › Dimensões relativamente compactas; › Modularidade.
› Custo bastante elevado; › Dúvidas relativas à fiabilidade; › Necessitam de pré-processamento do combustível (dificuldade de produção do hidrogénio); › Tecnologia ainda em fase de maturação.
› Eficiência muito elevada; › Facilidade nos procedimentos de arranque e paragem; › Necessidades reduzidas de manutenção; › Tempo de vida longo; › Bom rendimento em funcionamento a carga parcial.
› Reduzida implantação no mercado; › Inviável para instalações com necessidades energéticas diminutas.
› › › ›
› Elevado nível de vibrações; › Necessidade de estrutura de suporte e acondicionamento adequados para reduzir ruído; › Intervalos para manutenção frequentes.
› › › › ›
Custo de investimento mais baixo; Elevadas eficiências a carga parcial; Curtos tempos de arranque; Apropriados para geração de emergência e de controlo de pontas; › Elevada fiabilidade.
Pequenos motores de combustão interna
REFERÊNCIAS
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[3]
[4] [5]
[6]
[7] [8] [9] [10]
[11]
[12] [13]
[14] [15]
Tabela 2 . Vantagens e desvantagens de diferentes tecnologias de Micro-cogeração [3] [5] [7]. (Adaptado
[16]
Seminário COGEN Portugal: Micro-cogeração em Portugal. 10-12-2009. Fundação Dr. António Cupertino Miranda. Porto; Directiva 2004/8/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 11 de Fevereiro de 2004. Consulta online em http:// eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:3 90:0038:0057:PT:PDF; ADENE – Agência para a energia. Relatório de resultados de contactos efectuados com entidades holandesas sobre micro-cogeração baseada na tecnologia de “motores Stirling”. Consulta online em http://www.adene.pt/NR/ rdonlyres/10119547-9131-4FC7-BD3D-BB2F73261481/907/ RelatorioMicroCHP_MotStirlingv1.pdf; Intelligent Energy Europe. Projecto Green Lodges: Microcogeração - Brochura para fornecedores; Guia de Aplicações de Gestão de Energia e Eficiência Energética. André Fernando Ribeiro de Sá. Editora Publindústria; Centro de Estudos em Economia da Energia, dos Transportes e do Ambiente. Tecnologias de Micro-Geração e Sistemas Periféricos. Consulta online em http://www.ceeeta.pt/site/ index.html; Austrian Energy Agency. Micro CHP systems: state-of-theart; Turbec AB. Consulta online em http://www.turbec.com/ products/process.html; American Stirling Company. Consulta online em http:// www.stirlingengine.com/faq; The University of British Columbia. Consulta online em http://www.physics.ubc.ca/outreach/phys420/p420_08/ Hiroko%20Nakahara/how.html; New Energy Direction. Consulta online em http:// newenergydirection.com/blog/2008/11/reducinggreenhouse-heating-costs-and-generating-income/; Animated Engines. Consulta online em http://www. animatedengines.com/vstirling.shtml; Associação da Comunidade Educativa de Aveiro. Consulta online em http://www.aceav.pt/blogs/cristinabrinco/CFQ/ ELECTRICIDADE/Forms/DispForm.aspx?ID=10; Cogeneration.net. Consulta online em http://www. cogeneration.net/RegenerativeFuelCells.html; Shetland Power Tecnologies. Consulta online em http:// www.shetlandpt.co.uk/refuel_technology.html; The Energy Library. Consulta online em http://www. theenergylibrary.com.
das fontes). .
Turbinas a gás
Motores Otto a Gás Natural
Motores Diesel
Turbinas a vapor
Micro-turbinas
Pilhas de Combustível
Rendimento eléctrico
15% - 35%
22% - 40%
25% - 45%
10% - 40%
18% - 29%
35% - 40%
Rendimento térmico
40% - 60%
40% - 60%
40% - 60%
40% - 60%
40% - 60%
20% - 50%
Rendimento global
60% - 85%
70% - 80%
70% - 85%
60% - 85%
55% - 75%
55% - 90%
Potência típica (MWe)
0,2 - 100
0,05 - 5
0,015 - 30
0,5 - 100
0,03 – 0,35
0,01 – 0,25
Relação Pt/Pe
1,25 - 2
0,4 – 1,7
0,4 – 1,7
2 - 10
1 – 2,5
1,1
Tipo de tecnologia
Desempenho a carga parcial Custo de Investimento (€/kWe) Custos de Operação e Manutenção (€/MWhe) Intervalos de manutenção (h) Tempo de arranque Pressão do Combustível (bar) Ruído
Uso do calor
Densidade de potência (kW/m2) NOX (kg/MWh total)
Mau
Médio
Bom
Bom
Médio
Muito Bom
600 - 800
700 – 1.400
700 – 1.400
700 – 1.900
1.300 - 2.500
> 2.500
2-7
7 - 15
6 - 12
3
10
2 - 12
30.000 – 50.000
24.000 – 60.000
25.000 – 30.000
> 50.000
5.000 – 40.000
10.000 – 40.000
10 m – 1 h
10 s
10 s
1 h – 1 dia
1m
3 h – 2 dias
8 - 35
0,07 – 3,1
< 0,35
-
3-7
0,03 - 3
Médio
Alto
Alto
Alto
Médio
Baixo
Água Quente, Vapor a alta pressão, Vapor a baixa pressão
Água Quente, Vapor a baixa pressão
Água Quente, Vapor a baixa pressão
Vapor a alta pressão, Vapor a baixa pressão
Água Quente, Vapor a baixa pressão
Água Quente, Vapor a baixa pressão
20 - 500
35 - 50
35 - 50
> 100
5 - 70
5 - 20
0,2 - 2
0,5
1 - 14
0,9
0,07
0,01
Tabela 3 . Algumas características de operação e custos típicos de diferentes tecnologias de Cogeração e micro-cogeração [5]. (continua na próxima edição)