um sistema convencional de produção de energia térmica e energia elétrica e um sistema de

cogeração, que nos permite verificar que para a mesma quantidade combustível, o sistema de

cogeração tem um aproveitamento de energia útil muito superior ao sistema convencional. Sendo

ainda possível constatar que na central de cogeração há um maior proveito do calor gerado e de

eletricidade, e consequentemente, uma redução nas perdas, sendo evidente uma maior eficiência

deste processo.

Nos sistemas de cogeração, a energia térmica pode ser aproveitada para a produção de

vapor, óleos térmicos, água quente ou também ar quente. Ainda pode ser aproveitado sob a forma

de frio, geralmente pela produção de água fria. Neste caso, para a produção de frio, o processo

designa-se de Trigeração.

Para medir o crescimento na eficiência da produção de eletricidade através da cogeração,

destaca-se o parâmetro do Rendimento Elétrico Equivalente (REE) [^2].

O REE permite, na prática, comparar o rendimento de um processo de cogeração com um rendimento elétrico de uma central que produza, exclusivamente, energia elétrica. Segundo a legislação (Decreto-Lei n.º 538/99), o REE deveria ser maior ou igual que 55%, que correspondia, na altura, ao rendimento mais elevado de produção de energia elétrica numa central termoelétrica em Portugal. Atualmente, no nosso país, o REE depende ainda da possível utilização de recursos renováveis. Sendo representado pela seguinte expressão:

Os tipos de sistemas de cogeração existentes estão relacionados com as tecnologias nestes mesmos sistemas, sendo que vão-se dividir em 2 grandes grupos com base no grau de maturidade, desenvolvimento tecnológico e disseminação comercial:

As turbinas de gás operam segundo o ciclo termodinâmico de Brayton, utilizando mais comumente gás natural como combustível, permitindo assim obter uma potência elétrica na gama dos 1 MW e 100MW. A tecnologia em causa, tem ainda sofrido um desenvolvimento rápido nos últimos anos.

O ar atmosférico vai entrar no compressor, onde a pressão e a temperatura são elevadas. De seguida, na câmara de combustão, o ar encontra-se em contato com o combustível que está a arder a pressão constante. Os gases resultantes do processo anteriormente falado, encontram-se a temperaturas elevadas e são expandidos na turbina até atingirem a pressão atmosférica, produzindo assim trabalho. Os gases exaustos são rejeitados, aproveitando assim de forma útil o calor associado, e a temperatura dos mesmos encontra-se na ordem dos 400 e 500ºC, podendo, no entanto, atingir os 600ºC para turbinas de maior dimensão. É necessário ainda instalar-se um recuperador de calor visando o aproveitamento deste calor para a produção de vapor ou água quente.

O rendimento desta tecnologia vai desde os 60% até aos 80%, sendo que o período de instalação da mesma varia entre os 9 e os 12 meses, podendo até mesmo chegar aos 2 anos para sistemas de maiores dimensões. O tempo de vida destes equipamentos varia entre 15 e 20 anos.

Nesta tecnologia é também importante dividir em duas categorias, sendo que a primeira possui um motor de ignição por compressão, utilizando gasóleo como combustível, utilizando assim o Ciclo Diesel. Neste ciclo, o ar é comprimido num cilindro, e o combustível é injetado na fase final do ciclo de compressão, dando-se uma ignição espontânea devido à alta temperatura do ar comprimido. Os estágios dos motores alternativos que funcionam segundo o ciclo Diesel são:

1. O ar é inicialmente aspirado para o interior do cilindro com o auxílio de uma válvula de entrada;

2. De seguida, o pistão irá subir e o ar dentro do cilindro é comprimido com uma taxa bastante elevada. Assim, a temperatura do ar que foi comprimido vai subir substancialmente até 70°C;

3. Injeta-se combustível à alta pressão no ar comprimido que se encontra a elevadas temperaturas. Deste modo segue-se uma combustão espontânea e força o movimento do pistão para baixo;

4. Por fim, os gases que se formaram anteriormente são expulsos pelo movimento ascendente do pistão de dentro do cilindro.

O segundo tipo de motor segue o Ciclo de Otto e utiliza como combustível o gás natural, podendo ser também propano ou gasolina. Este tipo de motores tem o nome de motor de explosão ou ignição por faísca, uma vez que a mistura de ar e combustível é comprimida em cada cilindro, e a ignição é provocada por uma faísca externa. É importante notar, que este tipo de motores são os mais utilizados em instalações de cogeração, uma vez que possuem mais que uma fonte de recuperação de calor. Os motores alternativos que seguem o ciclo de Otto contêm um cilindro, duas válvulas e uma vela de ignição. Numa primeira fase o pistão vai-se mover no interior do cilindro e é acoplado à biela que se articula com a cabota, transformando o movimento que anteriormente era de vaivém, num movimento rotativo. Pode-se então dizer que este tipo de motor se designa por 4 tempos, uma vez que o seu funcionamento dá-se por uma sequência de 4 etapas:

1. **1º Tempo**: Inicialmente a válvula de admissão é aberta, e de seguida a mistura constituída por combustível e ar é injetada no cilindro através da válvula de admissão. De seguida, a cambota empurra o pistão para baixo enquanto roda;

2. **2º Tempo**: A válvula de admissão fecha-se e a mistura é comprimida enquanto o pistão realiza o seu movimento ascendente. Antes que o pistão chegue à parte superior, a vela irá provocar uma faísca.

3. **3º Tempo**: Em penúltimo lugar, a mistura vai-se incendiar e consecutivamente explodir. Os gases quentes formados na explosão produzem força que permite ao pistão descer, movimentando a cambota através da biela;

4. **4º Tempo**: Por fim, a válvula de escape vai-se abrir e os gases irão ser expulsos pelo pistão enquanto o mesmo se está a elevar.

Os motores alternativos possuem um rendimento que varia entre os 70 a 85%, sendo que o período de instalação é no máximo de 9 a 12 meses. No entanto, o tempo de vida do equipamento varia conforme o tamanho da unidade. Assim, para grandes unidades, o tempo de vida será aproximadamente 10000 a 30000 horas, o que dará aproximadamente um máximo de 3 anos e meio. Para uma unidade de grandes dimensões, o tempo de vida pode variar entre 15 e 20 anos.

As turbinas de vapor seguem o Ciclo de Rankine e podem possuir uma de 4 tipos de configurações, Contrapressão, Condensação, Ciclo de base e Sistema com fluido orgânico. Na primeira configuração, o vapor sai da turbina a pressão atmosférica ou a uma pressão elevada. Por outro lado, o segundo tipo de configuração permite que o vapor seja extraído da turbina a pressões inferiores à atmosférica.

Nesta tecnologia, o processo inicia-se na caldeira, em que a água é convertida em vapor sob certas condições de sobreaquecimento. De seguida, o vapor será expandido numa turbina com mais que um andar, deslocando-se até ao condensador, onde será rejeitado para um condensador a vácuo, dando-se a condensação de vapor. Numa última fase, o condensado é então bombeado para a caldeira, começando o ciclo de novo.

Este equipamento é dimensionado para otimizar rendimentos de conversão elétrica, e por isso, não é muito utilizado para sistemas de cogeração. Uma melhor opção de equipamento seria as turbinas de contra-pressão, em que o fluxo de vapor já exausto que abandona a turbina é enviado para um processo industrial nas condições que são necessárias para o mesmo.

As turbinas de vapor oferecem um rendimento na ordem dos 60 a 65% e possuem um tempo de vida útil de cerca de 25 a 35 anos. O período de instalação irá variar mais uma vez com o tamanho dos sistemas, sendo que para sistemas pequenos varia entre 12 a 18 meses, e para sistemas de dimensões superiores, pode atingir os 3 anos.

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As microturbinas apresentam um princípio de operação muito semelhante ao das turbinas de gás, recorrendo ao ciclo de Brayton para a caracterização do seu funcionamento.

O que torna estas duas tecnologias distintas é a sua dimensão. As microturbinas situam-se na gama 30 – 300 kW, enquanto as turbinas de gás estão na gama de 0,5 – 250 MW.

O funcionamento das microturbinas apresenta a seguinte ordem de estágios:

1. O ar é pré-aquecido e comprimido para o interior da turbina a alta velocidade e a alta pressão;

2. O ar aquecido é misturado com o combustível e queimado na câmara de combustão, onde o processo de queima é controlado de forma a obter a máxima eficiência e baixos níveis de emissões.

3. Os gases produzidos na queima são expandidos na turbina.

4. Os gases não aproveitados, os gases de exaustão, são libertados para atmosfera ou podem ser aproveitados para outros fins úteis.

As microturbinas podem operar com uma grande variedade de combustíveis: principalmente gás natural, mas também combustíveis líquidos como gasolina, querosene e óleo diesel.

A maioria das microturbinas existentes no mercado têm como função principal produzir eletricidade, podendo funcionar em Cogeração utilizando equipamento adicional, um permutador de calor, de forma a tirar partido da elevada temperatura dos gases de escape.

As pilhas de combustível, ainda se encontrem em constante desenvolvimento, apresentam um modo de obtenção de energia elétrica muito diferente das tecnologias convencionais e até mesmo das tecnologias que recorrem a recursos renováveis.

As pilhas assemelham-se às tão conhecidas baterias, no sentido em que ambas geram energia em corrente contínua através de um processo eletroquímico, sem recorrer à combustão. Contudo, enquanto as baterias convertem uma quantidade finita e muito limitada de energia química armazenada em energia elétrica, as pilhas de combustível podem, em teoria, operar indefinidamente, desde que lhes seja fornecida continuamente uma fonte de combustível, neste caso, o hidrogênio.

No entanto, H2 é uma fonte de combustível muito escassa. Sendo assim é necessário recorrer a um processo químico, designado por reformação, para obter hidrogênio através de outro combustível e de vapor de água.

As principais fontes de energias renováveis aplicadas num sistema de cogeração são as seguintes:

O aproveitamento de resíduos florestais ou de subprodutos de indústrias transformadoras de resíduos, nomeadamente de madeira ou cortiça, é bastante comum em sistemas de cogeração por turbina de vapor, sendo muito utilizados para produção de vapor na alimentação da turbina.

O descarte de resíduos orgânicos em aterros sanitários gera uma decomposição anaeróbia, produzindo um gás de aterro. Este gás é composto por um elevado teor de metano (35-60%) sendo um ótimo combustível para sistemas de cogeração.

Para implementar um sistema de cogeração é preciso dimensionar as necessidades de calor, responsáveis pela produção de energia elétrica, de forma a aplicar nos diversos setores industriais e serviços.

Desta forma, as principais e diversas aplicações em vários setores são:

Neste sentido, apresentamos algumas legislações implementadas:

Estabelece disposições em matéria de eficiência energética e produção em cogeração, transpondo a Diretiva n.º 2012/27/UE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 25 de outubro de 2012, estabelecendo um novo enquadramento que promove a eficiência energética na união europeia e que define as ações associadas às propostas incluídas no plano de eficiência energética de 2011 e ao mesmo tempo, considerando as necessidades identificadas no roteiro de transição para uma economia de baixo carbono competitiva, em 2050.

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