Cogeração

• Autor:
  • Maria Ana Castanheira
  • Patrícia Félix
  • Linda Carvalho Cosendey
• Data: 2025-03-11

1. Definição de Cogeração

A cogeração dá-se pela produção de forma simultânea de energia térmica e elétrica a partir de um único combustível. Assim, aproveita-se o calor residual de processos termodinâmicos que seriam desperdiçados, para processos que podem ou não estar relacionados com o processo principal.

Esta técnica gasta cerca de 10 a 30% menos de combustível do que seria necessário para produzir a mesma quantidade de energia de forma separada, sendo assim mais favorável ao ambiente. Associado a uma melhor eficiência de conversão energética encontram-se ainda menores custos associados, e melhores condições para favorecer esta situação.

Figura 1. Sistema convencional vs sistema de cogeração

Fonte: COGEN Portugal ¹.

Na Figura 1 está representado, de uma forma esquemática, um balanço comparativo entre 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:

\(REE = \frac{E}{C - \frac{T}{0.9 - 0.2 \cdot \frac{CR}{C}}} \geq 0.55\)

2. Cogeração em Portugal

Portugal assumiu o compromisso de tentar diminuir as emissões de gases com efeito de estufa, ao abrigo do Protocolo de Quioto, e por isso, o uso da Cogeração tornou-se, portanto muito útil ³.

Existe ainda em Portugal uma associação para a eficiência energética e promove a cogeração, denominando-se de COGEN Portugal, tendo sido fundada 1994 por um grupo de 16 empresas ⁴.

Em Portugal, a implementação de projetos de Cogeração teve início nos anos 20 do século XX e sofreu um crescimento acentuado até meados da década de 90. Atualmente, o país em questão já conseguiu atingir um patamar de potência elevada de cogeração, com tecnologias de vapor de contrapressão. Já a partir de 1990, instalaram-se em Portugal 64 centrais de cogeração com tecnologias de motor Diesel, perfazendo uma potência instalada de 350 MWe ⁵.

A partir da análise da Figura 2, é possível reparar que a implementação da cogeração em Portugal foi constituída por etapas. Ainda é de ressaltar que se deu uma evolução imensa, e hoje em dia a cogeração já se tornou predominante ³.

Figura 2. Potência instalada em Cogeração por anos, tecnologia e total acumulado (dados 2005)

Fonte: França e Caseiro, 2008 ³.

Por fim, apresentam-se os vários setores de indústrias existentes em Portugal, e assim é possível concluir que a Indústria têxtil é o que mais contribui para a utilização de cogeração com um valor de 29,76%. Por outro lado, as ETARs são os setores que menos utilizam a Cogeração atualmente.[3]

Figura 3 - Distribuição de Cogeração em Portugal por Setores[3]

Tipos de sistemas de cogeração

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:

Tecnologias convencionais[3] e [6]

▪ Turbinas a gás

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.

Esta tecnologia pode ainda operar em ciclo aberto ou fechado, sendo que no último, o processo de combustão é substituído por um processo a pressão constante de gás e da adição de calor.

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.

Motores alternativos

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.

Turbinas de vapor

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.

Tecnologia emergentes

Microturbinas

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.

• Pilhas de combustível

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.


Fontes de energia

Apesar da cogeração a partir de combustíveis fósseis de natureza sólida, líquida e gasosa serem preponderantes, a cogeração a partir de recursos renováveis tem tido um crescimento significativo nos últimos anos uma vez que se recorre a um aproveitamento de recursos energéticos com um elevado potencial. Neste sentido, há uma diminuição do consumo de combustíveis fósseis e minimização os impactos no meio ambiente. Existindo uma valorização energética, através de um aproveitamento de resíduos. [8]

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

• Biocombustíveis sólidos

  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.

• Biocombustíveis gasosos com origem industrial

  Nos processos industriais há produção de resíduos e efluentes com uma elevada carga orgânica, o que leva a que o tratamento anaeróbio origine uma fração gasosa com um alto potencial energético, o biogás. Este combustível apresenta um elevado teor de metano (50-70%), pelo que a sua utilização e valorização em sistemas de cogeração se pode tornar tão importante.

• Biocombustíveis gasosos com origem em aterros sanitários

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.

Aplicações

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:

• Setor industrial
  O envolvimento do calor do processo, para a produção de vapor, é muito comum na indústria química, petroquímica e farmacêutica, e também da indústria alimentar e na indústria de papel e têxtil.

  Para aquecimento direto, implicando um forno a altas temperaturas, são conhecidas as indústrias do vidro, do cimento e da siderúrgica.

• Setor comercial e serviços
  Neste setor, a implementação do sistema em ar condicionado central e aquecimento de água, é muito usado em centros comerciais, Hotéis, hospitais e até supermercados.

  Apesar dos sistemas de cogeração serem mais frequentes no setor industrial, destacam-se, através da sua intensidade, no setor terciário, uma vez que está em constante atividade.

Legislação

Através do decreto-lei n.º 186/95, a cogeração é definida como o processo de produção combinada de energia elétrica e térmica, destinando-se ambas a consumo próprio ou de terceiros, com respeito pelas condições previstas na lei. [9]

Ao longo dos anos a legislação orientada para a cogeração tem sofrido alterações tanto a nível nacional como a nível europeu, que hoje em dia permitem que haja um maior controlo desta técnica, das respetivas matérias-primas utilizadas e consequentemente das emissões libertadas, e uma estabilidade económica nos projetos implementados. [4]

Neste sentido, apresentamos algumas legislações implementadas:

• Decreto-Lei n.º 23/2010 de 25 de março
  Estabelece as regras aplicáveis à produção combinada de calor e eletricidade, a cogeração. Desta forma foi possível conhecer novos desafios organizacionais e ambientais.

• Decreto-Lei 68-A/2015

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.

• Despacho n.º 8965/2019

  Determina que a concessionária da Rede Nacional de Transporte, na qualidade de Entidade Emissora de Garantias de Origem, deve criar e manter uma plataforma que assegure a gestão da certificação de instalações de cogeração e de produção de eletricidade a partir de fontes de energia renováveis e a emissão das garantias de origem da respetiva produção.

7. Referências