PDIS –Biomassa e Cogeraçãoee02035/Biomassa_e_Cogeracao.pdf · A biomassa pode considerar-se um recurso natural renovável, enquanto os combustíveis fósseis não se renovam a

Trabalho realizado em colaboração com os alunos:

Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035

Francisco Gonçalves Goiana Mesquita: 010503082

Luís Guilherme Amorim Vigário Silva, 010503174

Página 1

5ºAno

Alexandre dos Santos Dias: 030503051

MIEEC

5ºAno

PDIS –Biomassa e Cogeração

Ricardo Nuno Freitas Neves: 020503035 Página 2

Índice

ÍNDICE ...................................................................................................................................... 2

INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 3

CONTEXTUALIZAÇÃO .................................................................................................................. 3

CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE BIOMASSA E COGERAÇÃO ..................................................... 4

NOTA HISTÓRICA ...................................................................................................................... 5

BIOMASSA ............................................................................................................................... 5

COGERAÇÃO............................................................................................................................. 5

CIÊNCIA .................................................................................................................................... 7

BIOMASSA ............................................................................................................................... 7

Vantagens biomassa ......................................................................................................... 7

Desvantagens biomassa .................................................................................................... 8

COGERAÇÃO............................................................................................................................. 8

Vantagens cogeração ....................................................................................................... 9

Desvantagens cogeração ................................................................................................ 10

APLICAÇÕES ........................................................................................................................... 11

BIOMASSA ............................................................................................................................. 11

COGERAÇÃO........................................................................................................................... 11

PERGUNTA 1........................................................................................................................... 13

MODO DE FUNCIONAMENTO ...................................................................................................... 13

MODELO MATEMÁTICO ............................................................................................................ 14

PERGUNTA 3........................................................................................................................... 16

ALÍNEA A ............................................................................................................................... 16

ALÍNEA B ............................................................................................................................... 17

ALÍNEA C ............................................................................................................................... 18

ALÍNEA D ............................................................................................................................... 20

ALÍNEA E ............................................................................................................................... 21

CONCLUSÕES .......................................................................................................................... 23


Introdução

Contextualização

Vivemos numa época de mudança, na qual se procura fazer face, de forma rápida, nem

sempre clara, nem consciente, aos factores responsáveis pelos impactos ambientais nefastos

que sofremos actualmente e cujas previsões para o futuro só tem tendência para um

agravamento destes mesmos efeitos negativos. O uso dos combustíveis fósseis em larga escala

tem mudado substancialmente a composição da atmosfera e o balanço térmico do Planeta

provocando alterações climáticas. As previsões dos efeitos decorrentes para um futuro

próximo são várias, isto é, ninguém sabe dizer exactamente quais são as consequências, mas

todos estão de acordo num ponto, estas consequências são catastróficas. Alternativas como a

energia nuclear, que eram apontadas como solução definitiva, já mostraram que só podem

piorar a situação.

Existe uma necessidade iminente de encontrar soluções limpas e ambientalmente

correctas. A utilização das energias renováveis em substituição aos combustíveis fósseis é uma

direcção viável e vantajosa. Para além de serem praticamente inesgotáveis, as energias

renováveis podem apresentar impacto ambiental muito baixo ou quase nulo, sem afectar o

balanço térmico ou composição atmosférica do planeta. Graças aos diversos tipos de

manifestação, disponibilidade de larga abrangência geográfica e variadas possibilidades de

conversão, as energias renováveis são bastante próprias para geração distribuída e/ou

autónoma.

A mudança para as energias “limpas” é feita recorrendo ao estabelecimento de metas

e objectivos a atingir para este tipo de energia no valor total de produção das nações. Por

exemplo, o protocolo de Quioto define metas e objectivos a atingir aos quais maior parte das

nações entrou. O protocolo de Quioto tinha por principal objectivo reduzir a emissão de gazes

em pelo menos 5,2% relativamente aos níveis de 1990, no período entre 2008 e 2012, no

entanto, as metas de redução não são homogéneas a todos os países e foram colocados níveis

diferenciados para os países que emitem mais gazes. A título de curiosidade, os EUA mesmo

sendo dos maiores emissores de gases não ratificaram o protocolo. No entanto, apesar de

existir metas, estas por si não chegam, é necessário investir na investigação e desenvolvimento

de novas tecnologias que possam aproveitar estas mesmas energias. Portanto, foram

elaboradas estratégias de forma a incentivar os investidores nomeadamente assegurando

estabilidade nas tarifas de vendas de forma a incutir confiança aos investidores.

Tendo em conta os tipos de produção de energia convencionais que recorrem

maioritariamente aos combustíveis fosseis, cujo previsão aponta para uma extinção no prazo

de 40 a 50 anos caso a sua utilização não diminua, é necessário e exigível uma busca

incessante de alternativas que tem conduzido a diversas fontes de energia ditas “limpas”

(algumas das quais já foram abordadas no âmbito das cadeiras de PDIS, de EESO e de GENE).


Considerações Gerais sobre Biomassa e Cogeração

Do ponto de vista da geração de energia, o termo biomassa abrange os derivados

recentes de organismos vivos utilizados como combustíveis ou para a sua produção. Do ponto

de vista da ecologia, biomassa é a quantidade total de matéria viva existente num ecossistema

ou numa população animal ou vegetal. Os dois conceitos estão, portanto, interligados, embora

sejam diferentes.

Na definição de biomassa para a geração de energia excluem-se os tradicionais

combustíveis fósseis, embora estes também sejam derivados da vida vegetal (carvão mineral)

ou animal (petróleo e gás natural), mas são resultado de várias transformações que requerem

milhões de anos para acontecerem. A biomassa pode considerar-se um recurso natural

renovável, enquanto os combustíveis fósseis não se renovam a curto prazo.

A biomassa é utilizada na produção de energia a partir de processos como a

combustão de material orgânico produzida e acumulada em um ecossistema, porém nem toda

a produção primária passa a incrementar a biomassa vegetal do ecossistema. Parte dessa

energia acumulada é empregada pelo ecossistema para sua própria manutenção. Suas

vantagens são o baixo custo, é renovável, permite o reaproveitamento de resíduos e é menos

poluente que outras formas de energias como aquela obtida a partir de combustíveis fósseis.

A queima de biomassa provoca a liberação de dióxido de carbono na atmosfera, mas

como este composto havia sido previamente absorvido pelas plantas que deram origem ao

combustível, o balanço de emissões de CO2 é nulo.

A cogeração, de forma simples, consiste na conversão de um tipo de combustível, por

exemplo a biomassa, em electricidade e calor.

As centrais termoeléctricas convencionais convertem apenas 1/3 da energia do

combustível em energia eléctrica. O restante, são perdas sob a forma de calor. O efeito

adverso para o ambiente derivado deste desperdício é óbvio. É imperativo aumentar a

eficiência do processo de produção de electricidade. Um método para se conseguir isto é

através da cogeração de energia eléctrica e calor, em que mais de 4/5 da energia do

combustível é convertida em energia utilizável, resultando em benefícios financeiros e

ambientais. Cogeração pode ser então definida como um processo de produção e exploração

consecutiva (simultânea) de duas fontes de energia, eléctrica (ou mecânica) e térmica, a partir

de um sistema que utiliza o mesmo combustível permitindo a optimização e o acréscimo de

eficiência nos sistemas de conversão e utilização de energia.

A energia térmica proveniente de uma instalação de cogeração pode ser utilizada para

produzir frio, através de um ciclo de absorção. Este processo “alargado” de cogeração é

conhecido por trigeração ou produção combinada de electricidade, calor e frio.


Nota Histórica

Biomassa

Um dos primeiros empregos da biomassa pelo ser humano para adquirir energia teve

início com a utilização do fogo como fonte de calor e luz. O domínio desse recurso natural

trouxe ao homem a possibilidade de exploração dos minerais, minérios e metais, marcando

novo período antropológico. A madeira do mesmo modo foi por um longo período de tempo a

principal fonte energética, com ela a cocção, a siderurgia e a cerâmica foram empreendidas.

Óleos de fontes diversas eram utilizados em menor escala. O grande salto da biomassa deu-se

com o advento da lenha na siderurgia, no período da Revolução Industrial.

Nos anos que compreenderam o século XIX, com a revelação da tecnologia a vapor, a

biomassa passou a ter papel primordial também para obtenção de energia mecânica com

aplicações em sectores na indústria e nos transportes. A despeito do início da exploração dos

combustíveis fósseis, como o carvão mineral e o petróleo, a lenha continuou desempenhando

importante papel energético, principalmente nos países tropicais. No Brasil, foi aproveitada

em larga escala, atingindo a marca de 40% da produção energética primária, porém, para o

meio ambiente um valor como esse não é motivo para comemorações, afinal, a destruição das

florestas brasileiras aumentou nos últimos anos.

Durante os colapsos de fornecimento de petróleo que ocorreram durante a década de

1970, essa importância se tornou evidente pela ampla utilização de artigos procedentes da

biomassa como álcool, gás de madeira, blogas e óleos vegetais nos motores à explosão. Não

obstante, os motores à combustão interna foram primeiramente testados com derivados de

biomassa, sendo praticamente unânime a declaração de que os combustíveis fósseis só

obtiveram primazia por factores económicos, como oferta e procura, nunca por questões

técnicas de adequação.

Cogeração

Até meados do século XX, a co-geração chegou a ser muito usada nas indústrias,

perdendo depois competitividade para a electricidade produzida pelas concessionárias nas

grandes centrais geradoras com ganhos de escala. Assim, a cogeração ficou limitada a sistemas

isolados (plataformas submarinas) e indústrias com lixos combustíveis (canavieira e de papel e

celulose, por exemplo).

Nos últimos quinze anos, porém, um novo modelo do sector eléctrico voltou a

estimular a produção eléctrica local que fosse mais eficiente e de baixo custo, levando ao

aperfeiçoamento da tecnologia da cogeração, inclusive para pequeno porte.

A necessidade de reduzir emissões de CO2 também incentivou a adopção deste

processo eficiente. Hoje, na Holanda e na Finlândia, a cogeração já representa mais de 40% da

potência instalada.

Nos Estados Unidos da América, por exemplo, Thomas Edison terá sido responsável

pela primeira central que recorria ao processo de cogeração. Em 1882, com a construção da


central Pearl Street Station (a primeira central eléctrica comercial do mundo), que era uma

central que produzia simultaneamente electricidade e energia térmica, utilizando o calor dos

resíduos para aquecer edifícios vizinhos. Este processo de funcionamento da central de

Thomas Edison, permitiu atingir aproximadamente 50 por cento a eficiência. No entanto, no

início do séc. XX, surgiram regulamentos para promover a electrificação rural através da

construção de centrais centralizadas, geridas por empresas regionais de utilidade pública.

Estes regulamentos não só promoveram a electrificação por todo o país, mas também

desencorajou processo de produção descentralizada de energia eléctrica, tais como a

cogeração. Chegando inclusivamente a tornar ilegal a produção e venda de energia eléctrica

das entidades que não fossem consideradas empresas regionais de utilidade pública. Em 1978,

o Congresso Americano reconheceu que a eficiência das centrais eléctricas existentes tinha

estagnado e como tal procuraram incentivar o aumento da eficiência, através do PURPA

(Public Utility Regulatory Policies Act – Leis e Políticas Reguladoras de Utilidade Pública), que

incentivou a comprar energia a partir de outros produtores de energia eléctrica.

A Cogeração foi introduzida em Portugal no Sector Industrial nos anos quarenta, sendo

as primeiras instalações baseadas em Turbinas de Vapor (contra-pressão) que satisfaziam

grandes necessidades de vapor de baixa pressão. Seria, no entanto, apenas na década de

noventa que a Cogeração viria a ter um crescimento significativo em termos de potência

instalada e de energia produzida. A cogeração a gás natural é a única que actualmente se

encontra em crescimento, enquanto a Cogeração diesel e a Cogeração em contra-pressão

mantêm uma tendência de estabilização.

Como podemos verificar pela análise da figura 1 (dados até 1999), na União Europeia,

países como a Dinamarca, Bélgica, Holanda e Finlândia apresentam contribuições superiores a

30% na estrutura nacional de produção energética. Também pela análise da linha verde,

verifica-se que a evolução da cogeração na produção global de energia eléctrica na União

Europeia desde 1995 tem aumentado significativamente, sendo expectável que apresente

valores na ordem dos 21% para 2020.

Figura 1 – Peso da cogeração no sector energético na UE e perspectivas de evolução


Ciência

Biomassa

Existem uma grande variedade de produtos que podem servir de matéria-prima na

produção de biomassa.

Principais formas aproveitáveis da biomassa no estado bruto:

Resíduos florestais (limpeza de florestas, resíduos da industria da madeireira e

do papel, industria da cortiça);

Resíduos agrícolas e culturas energéticas (cana de açúcar, beterraba, óleos

vegetais, indústria do azeite, vides, casca de arroz);

Madeira;

Efluentes agro-pecuários (blogas de resíduos de pocilgas);

Resíduos sólidos urbanos (blogas de aterros e de tratamento de águas

residuais).

Algumas formas de obtenção de derivados:

Prensagem de resíduos: produção de briquetes;

Pirólise parcial: produção de carvão vegetal;

Gaseificação por pirólise: produção de gás pobre;

Fermentação anaeróbica: produção de blogas;

Fermentação enzimática e destilação: produção de álcool;

Processos compostos: produção de óleos vegetais.

Vantagens biomassa

Podemos enumerar algumas vantagens associadas á sua utilização:

O menor percentual de poluição atmosférica global e localizado;

Estabilidade do ciclo do carbono;

Maior emprego de mão-de-obra;

Relativamente a outras formas de energias renováveis, a biomassa, como energia

química, tem posição de destaque devido:

o Apresentar alta densidade energética;

o Facilidades de armazenamento, de câmbio e transporte.

A semelhança entre os motores e sistemas de produção de energia de biomassa e de

energia fóssil é outra vantagem, dessa forma a substituição não teria um efeito tão

grande nem na indústria de produção de equipamentos nem nas bases instituídas para

transporte e fabricação de energia eléctrica.


Desvantagens biomassa

Existem algumas situações mais desfavoráveis e que será necessário ultrapassar de

modo a tornar esta tecnologia mais apelativa e aumentar a sua implementação nos panoramas

energéticos dos países. Apresentamos algumas dessas dificuldades:

Tecnologias com custos elevados;

Preocupações ambientais das populações locais;

Inexistência de infra-estrutura e mercado de recursos;

Custos de colecta, transporte e acondicionamento da biomassa;

Os recursos mais interessantes em termos de externalidades (limpeza de florestas para

evitar incêndios) não são os mais interessantes economicamente (difícil

acondicionamento e baixo valor energético);

A indústria madeireira já aproveita os seus resíduos para outros fins;

Requer muita mão-de-obra, que no nosso caso é relativamente cara (interessante para

países em desenvolvimento).

Cogeração

A cogeração consiste no aproveitamento local do calor residual originado nos

processos termodinâmicos de geração de energia eléctrica, que em condições normais seriam

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

(trigeração), para uma aplicação secundária, que pode ou não estar ligada com o processo

principal. O combustível utilizado no processo pode ser a biomassa.

Ao nível de equipamento especializado, exige uma turbina de extracção-condensação

controlada, que permite derivar uma parte do caudal de vapor que a atravessa para usos

térmicos. O restante do vapor é utilizado na geração de electricidade. As características do

vapor extraído (caudal, pressão e temperatura) vão depender da procura de energia térmica

exigida pelos consumidores finais. O funcionamento do “resto” da central é análogo ao

funcionamento de uma turbina sem extracção. Uma turbina com extracção indica um maior

investimento, porém contribuí para uma maior rentabilidade do projecto em função das

vendas de energia térmica aos consumidores finais.

As tecnologias, actualmente, mais importantes disponíveis no mercado para cogeração

são:

Turbina de Gás (ciclo de Brayton);

Turbina de Vapor (ciclo de Rankine);

Ciclo Combinado;

Motor alternativo de Combustão Interna (ciclo Diesel ou Otto);

Pilhas de Combustível;

Micro-turbinas.

As primeiras quatro tecnologias, usam turbinas ou motores alternativos de combustão

interna. Têm sido aplicadas adequadamente em instalações de cogeração nas últimas décadas.


As tecnologias de Pilhas de Combustível e micro-turbinas estão ainda numa fase de

desenvolvimento e início de comercialização. Todas estas máquinas motrizes e sistemas têm

sido continuamente desenvolvidas e produzidas por empresas Europeias durante muitas

décadas.

Para trigeração, os tipos vulgarmente mais aplicados são os motores de combustão

interna, muitas das vezes em grupos de mais do que uma unidade, para fazer face à variação

de cargas. As Turbinas de Gás são utilizadas em grandes complexos de edifícios tais como

hospitais ou redes urbanas de calor e frio. As turbinas de vapor não são utilizadas no Sector

Terciário.

Vantagens cogeração

A grande vantagem da cogeração é a eficiência que apresenta em relação aos

processos tradicionais de produção de energia. Na produção energética convencional,

a maior parte da energia contida no combustível perde-se e apenas 40% é realmente

aproveitada. Por sua vez, a produção de energia através da cogeração permite um

aproveitamento energético superior a 80%;

Estas centrais contribuem para um grande aumento da eficiência energética ao gerar

simultaneamente electricidade, água gelada para o ar condicionado e água quente.

A cogeração contribui para reduzir o aquecimento global. A eliminação de gases na

atmosfera ocorre a temperaturas consideravelmente mais baixas, 170ºC ao invés de

570ºC, reduzindo também a emissão de CO2, o que contribui para redução do efeito

estufa;

A implementação bem sucedida de cogeração e trigeração conduz a uma redução do

consumo de combustível em aproximadamente 25% comparativamente à produção

convencional de energia eléctrica;

Vantagens económicas para o utilizador final. Os custos energéticos das instalações de

trigeração são menores do que os das instalações convencionais. Como valor

indicativo pode dizer-se que a redução de preços é da ordem dos 20-30%;

Pequenas centrais de cogeração, de energia eléctrica e calor, ligadas à rede eléctrica,

garantem uma operação ininterrupta da instalação, no caso de falha do

funcionamento da central ou do abastecimento da rede. Ao nível nacional favorecem a

produção descentralizada, reduzindo a necessidade de grandes centrais

termoeléctricas. Contribuem também para o aumento do emprego a nível local;

As unidades de trigeração proporcionam um alívio significativo às redes do sistema

eléctrico durante os meses quentes de verão. Cargas de arrefecimento são

transferidas da electricidade para um combustível fóssil, uma vez que o processo de

arrefecimento/refrigeração altera-se dos largamente utilizados ciclos de compressão

de vapor para os de absorção. Este facto contribui ainda para o aumento da

estabilidade das redes eléctricas e para a melhoria da eficiência do sistema; até aos

dias de hoje, os picos de verão são servidos pelas empresas eléctricas distribuidoras

através de unidades de apoio ineficientes e linhas de transporte de energia eléctrica

sobrecarregadas.


Figura 2 – Ponto de vista do cliente

Desvantagens cogeração

Apresenta como limitação o facto de o calor produzido só poder ser usado perto do

centro produtor, devido à dificuldade no transporte. Isto limita as instalações de

cogeração a unidades pequenas, em comparação com as centrais térmicas

convencionais;

O limite de distância para o transporte de calor ser economicamente viável fica em

torno de 5 km. Para o frio, usando como veículo água gelada, a distância económica

não passa de 500m;

Tempo de vida útil relativamente curta;


Aplicações

Biomassa

A evolução tecnológica dos equipamentos que recorrem á biomassa permitiu que

estes atingissem rendimentos equiparáveis aos sistemas convencionais utilizadores de

energias fósseis, dando origem a uma grande diversidade de produtos adaptáveis às mais

diversas aplicações. Por outro lado, o aparecimento de combustíveis derivados da biomassa

(ex. pellets, briquetes, estilhas), com maior poder calorífico, contribuiu para o incremento da

qualidade e rentabilidade deste tipo de soluções.

As aplicações térmicas no sector da biomassa dividem-se essencialmente na produção

de calor e água quente sanitária. Hoje em dia existem equipamentos a ar que fornecem

aquecimento a apenas uma divisão, ou recuperadores de calor, estufas e caldeiras a água que

abastecem um circuito de radiadores ou piso radiante, e produzem ainda águas quentes

sanitárias.

Figura 3 – Integração entre Sistema a Biomassa e Sistema Solar

Cogeração

Relativamente ao vapor extraído para usos térmicos podemos enumerar algumas

aplicações possíveis:

Venda de energia térmica às indústrias da zona que necessitam vapor para

determinados processos de fabrico (conserveiras, fábricas de tabuleiros, papeleiras,

matadouros, etc.,);

Utilização do vapor em fábricas de paletes associadas à central de biomassa;

Aproveitamento do vapor no processo de secagem forçado da biomassa na própria

central.

Os potenciais utilizadores de cogeração são instalações que verificam as seguintes

características:

Necessidades simultâneas e contínuas de energia térmica e energia eléctrica;


Disponibilidade de combustíveis de qualidade;

Período de funcionamento de pelo menos 4.500-5.000 horas por ano;

Espaço suficiente e uma adequada localização para a implementação do novo

equipamento;

Calor residual disponível de elevada qualidade;

Estas características encontram-se frequentemente na indústria. Contudo, no Sector

Terciário, se bem que o seu uso possa ser razoavelmente intensivo (um grande número de

horas por ano), não se verifica uma relação muito estreita entre o consumo de energia e o tipo

de actividade, dependendo aquele mais das condições climatéricas. As principais necessidades

de energia térmica são para aquecimento, ventilação e ar condicionado e em menos extensão

como vapor e água quente para várias utilizações, tais como lavandarias, cozinhas,

esterilização, etc.

O principal potencial de cogeração neste sector verifica-se em hospitais, hotéis,

centros de desporto, edifícios de escritórios, centros comerciais e sistemas de redes urbanas

de calor (“district heating”). A escolha da tecnologia de cogeração mais apropriada depende

de um conjunto de factores, tais como a razão calor/electricidade, os níveis de temperatura da

energia térmica necessária, a disponibilidade de combustível, as flutuações das necessidades

térmicas, etc. Os motores alternativos e as micro-turbinas a gás, conjuntamente com chillers

de absorção, são as tecnologias actualmente mais utilizadas em sistemas de trigeração no

Sector Terciário.

Existe ainda o conceito de micro-cogeração a implementar a nível de residências

familiares utilizando pilhas de combustível (≈ 5 kW).

As aplicações industriais são de média escala (≈ 5-10 MW) (papel, têxteis, alimentação,

madeiras) ou grande escala (10-50MW) (celulose, refinarias, química).

A cogeração também pode ser considerada energia limpa, sendo que se aproveitam os

biocombustíveis sólidos (com origem em indústrias transformadoras de resíduos, tipo cortiça

ou madeira) e gasosos (com origem industrial ou em aterros sanitários) como fontes de

energia.

Nas instalações de cogeração de maior escala utilizam-se combustíveis próprios

(subprodutos) das indústrias.

A cogeração de grande escala é também utilizada em países nórdicos para a produção

centralizada de calor distribuído pelas habitações.


Pergunta 1 Uma pequena central a biomassa com turbina a vapor pode ser representada por:

Figura 4 Funcionamento base do sistema de cogeração com Turbina a vapor.

Modo de Funcionamento

O princípio de funcionamento de uma pequena central a vapor consiste na queima de

combustível (por exemplo biomassa) num forno. A energia calorífica resultante da queima é

utilizada para aquecer a caldeira. Na caldeira, a água é convertida em vapor saturado de alta

pressão a uma temperatura superior à temperatura de saturação (sobreaquecimento). Este

vapor é expandido numa turbina de vários andares (é frequente pelo menos um

reaquecimento intermédio), sendo finalmente rejeitado (a baixa pressão) para um

condensador de vácuo, onde se processa a condensação do vapor. Finalmente, o condensado

é bombeado de novo para a caldeira (eventualmente com um pré aquecimento, designado

regeneração), para reinício do ciclo.

Nos sistemas de cogeração não deve ser usado o tipo de turbina que acabou de se

descrever, chamado turbina de condensação, pois este equipamento está dimensionado para

optimizar o rendimento da conversão eléctrica. Assim, é mais adequado usar, em sistemas de

cogeração, as chamadas turbinas de contra-pressão (ou de não-condensação). Nas turbinas de

contra-pressão, o fluxo de vapor exausto que abandona a turbina é enviado directamente para

o processo industrial em condições próximas das que são requeridas. O termo contra-pressão

refere-se ao facto de o vapor ser rejeitado a pressões da ordem de grandeza da pressão

atmosférica, superiores portanto ao vácuo do condensador (pressão da ordem das centésimas

de bar). A utilização do vapor a uma pressão relativamente elevada prejudica sensivelmente o

rendimento eléctrico, mas melhora o rendimento térmico, pois as características do vapor são

normalmente mais adequadas aos fins a que se destina.

A turbina de extracção é um misto das duas anteriores: uma parte do vapor é enviado

para o processo industrial, a uma pressão intermédia, e o remanescente é condensado no

condensador.


Na figura 5, podemos observar os diferentes módulos de uma turbina a vapor que

aproveita os diferentes níveis de pressão.

Figura 5 - Módulos de uma Turbina a Vapor

Modelo Matemático

Após uma pesquisa exaustiva, conseguiu-se encontrar no “IEEE” e no “Direct Science”

diagramas de blocos que traduzem o processo/comportamento duma turbina a vapor. No

entanto, os modelos obtidos através da nossa pesquisa não contêm valores concretos das

constantes. Estes valores dependem de inúmeros factores, como por exemplo do tipo de

combustível usado, tipo de turbina usado (potência), entre outros. Estes valores são do

conhecimento exclusivo dos fabricantes e/ou técnicos especializados na área pelo que

tentamos contactar um especialista, o Professor, Carlos Alegria, do IST e funcionário da central

de Mortágua, no entanto até ao momento, não obtivemos nenhuma resposta.

Os diagramas obtidos encontram-se nas figuras 6 e 7 e correspondem ao Controlo da

Pressão da Turbina e da Potência Gerada respectivamente.


Figura 6 - Diagrama de Blocos de controlo da pressão

Figura 7 – Diagrama de Blocos da potência gerada

Com intuito de facilitar a análise dos diagramas, recorrendo ao software “MATLAB”, esquematizamos os dois modelos restando apenas ao utilizador final, introduzir o valor das constantes desconhecidas. Os subsistemas “By pass” e “Intercept valve” foram integrados de forma a posteriormente poderem ser modelizados, neste momento apresentam comportamentos lineares, isto é a entrada corresponde a saída.

Os modelos assim como a workspace (variáveis) serão facultados em anexos. Caso surge alguma dúvida respectiva a estes diagramas, será também fornecido o artigo em PDF.


Pergunta 3

Alínea a

Nesta alínea pretende-se que sejam calculados os gastos anuais com a energia do

hospital (componente petrolífera e componente eléctrica).

Tendo em conta a tabela de preço e consumo eléctrico fornecida no enunciado,

calculou-se o gasto com electricidade por mês, já o gasto em recursos petrolíferos, sabendo o

consumo de fuelóleo necessário para o suprimento de calor e sabendo o preço por kg

calculou-se o encargo financeiro com o mesmo. Partindo do pressuposto que o consumo é

constante todos os meses, calculou-se os encargos financeiros anuais.

Gastos com energia Mês Ano

Custo com electricidade 39.818€ 477.816€

Custo com fuelóleo 27.750€ 333.000€

É possível estimar um custo do vapor, ou seja, o dinheiro necessário para obter se um

kg de vapor recorrendo á expressão:

24 *365 * horapor vapor de Consumo

anuais fuelóleo com EncargosVapor Custo

Tendo em conta que o consumo de vapor por hora foi fornecido no enunciado

(8000kg/h), chegamos assim a um 0048.0Vapor Custo €/kg.

De modo a podermos colocar as duas energias utilizadas no mesmo patamar e assim

analisa-las comparativamente, calculamos o valor de toneladas equivalente de petróleo (TEP)

correspondente às duas energias. Utilizaram-se os valores base de conversão:

• Para o fuelóleo 0.969 TEP/ton;

• Para a energia eléctrica 0.00029 TEP/kWh;

Multiplicando estes factores de conversão pelas quantidades consumidas de cada

fonte de energia obteve-se:

• Para o fuelóleo 872,1 TEP;

• Para a energia eléctrica 1646 TEP;

Dividindo os valores obtidos para custos anuais de cada uma das energias pelos valores

energéticos em TEP chegou-se ao valores:


• Para o fuelóleo 381,84 €/ TEP

• Para a energia eléctrica 290 €/TEP

Analisando os resultados finais, podemos concluir que a energia proveniente do

fuelóleo fica mais dispendiosa do que a energia eléctrica.

Alínea b

Tendo em conta consumos a nível de vapor e eléctricos do hospital, pretende-se

determinar a potência nominal do sistema de cogeração de modo a maximizar a eficiência do

sistema, garantindo que os consumos eléctricos e caloríficos sejam satisfeitos.

Inicialmente procuramos identificar aspectos regulamentares importantes para o

nosso caso, para de seguida proceder aos respectivos cálculos. Destacamos em seguida alguns

pontos que consideramos importantes:

A energia vendida à rede tem de ser inferior a 60 % da produção eléctrica para que

possa ser considerada cogeração (Decreto-lei 538/99);

A energia eléctrica vendida à rede ao longo de um ano não poderá ser superior a:

ETE

TEEer *5.4

*5.0*5.4

E – Energia eléctrica total (TEP); T – Valor do vapor total (TEP).

A componente energética ligada à produção de calor deve ser assegurada.

A capacidade de produção de vapor por potência do sistema a instalar é de 2000

kg/MW. Tendo em conta as condições acima citadas para que o sistema seja considerado de

cogeração, sabe-se que as necessidades de vapor são de 8000 kg/hora. A razão entre as

necessidades de vapor do sistema e a capacidade de produção de vapor do sistema de

cogeração resulta no valor da potência eléctrica instalada que vai garantir a produção de calor

desejada.

4___

___

sistemavaporproduçãoCapacidade

sistemavaporesNecessidadP instaladaeléctrica

MW.

De seguida, determinou-se a energia eléctrica admissível obtendo-se o valor de 4115,1

TEP. Pelas condições referidas anteriormente, apenas 60 % deste valor pode ser vendido à

rede, o que perfaz um valor de 2469 TEP.

Uma vez que a energia vendida, segundo o que se encontra regulamentado

actualmente, não pode ser superior a Eer, fomos calcular esse valor. Assim:

17741.4115*5.41.872*5.01.4115

1.8721.4115*5.4erE TEP


O valor máximo de energia eléctrica instalada será:

342016461774consumoer EE TEP

A razão entre o calor e a energia eléctrica produzida:

5.253420

1.872

__

__

produzidaeléctricaEnergia

produzidacaloríficaEnergia %

Para concluir, fomos calcular o rendimento Eléctrico e o rendimento Calorífico do

sistema através das expressões:

78.559.6131

3420__

Consumo

produzidaeléctricaEnergiaeléctrico

%

22.149.6131

1.872__

Consumo

produzidacaloríficaEnergiacalorífico

%

Alínea c

O Factor de Utilização da Energia (FUE) económico é definido através da expressão:

CP

QPEPFUE

C

QE

PP*

**

PE, PQ e PC correspondem aos preços por unidade de energia, cujos valores são:

• PE = 290 €/TEP

• PQ = 381, 8 €/TEP

• PC = 463, 4 €/TEP

E corresponde á energia eléctrica, Q ao calor produzido e C ao combustível utilizado:

• E = 3420 TEP

• Q = T = 872, 1 TEP

• C = 6131,9 TEP

Substituindo todos estes valores na expressão de FUE, obteve-se o valor:

O FUE energético é definido pelo rendimento do sistema e apresenta uma expressão

geral:

%21.51PPFUE


O rendimento eléctrico equivalente REE é definido por:

CR representa o equivalente energético dos recursos renováveis ou resíduos

industriais, agrícolas ou urbanos consumidos anualmente na instalação de cogeração. Como o

combustível utilizado será gás CR=0, logo:

Para a produção de TEP de vapor de calor são necessários os mesmos TEP de combustível C. Assim sendo, é impossível calcular o REE para a situação actual pois os valores dados são

E [TEP] 1646,04

T [TEP] 872,1

C [TEP] 872,1

REE -1698,70% Este valor deve-se ao facto de na situação actual não existir uma produção de electricidade, dependendo da produção externa, sendo apenas consumidor. Como tal, o rendimento que podemos obter deste sistema é apenas o rendimento da caldeira nas dependências que tem. Isto é, o rendimento será dado por:

Se interpretarmos este rendimento, que depende também da electricidade consumida, como o REE então temos os seguintes valores

E [TEP] 1646,04

T [TEP] 872,1

C [TEP] 2518,14

REE 46,04%

C

CR

TC

EREE

*2.09.0

%25.66

*2.09.0

REE

C

CR

TC

EREE


Em conclusão, o Rendimento Eléctrico Equivalente toma o valor de 46,04%, sendo então este o rendimento do sistema actual convencional.

Alínea d

De modo a calcular a remuneração eléctrica do excedente da produção recorremos

aos passos indicados na portaria 58/2002. Para facilitar o trabalho usaram-se alguns dos

valores do exemplo de tarifário colocado na página de Produção Dispersa, assinalados na folha

de Excel também enviada ao professor, como valores para o caso em estudo. Logo,

apresentam-se os valores de maior significância obtidos.

VDRM 40.437,39 €

PF(VRD)m 4.922,93 €

PV(VRD)m 28.957,26 €

PA(VRD)m 6.557,20 €

Por sua vez, a energia eléctrica total produzida num ano é dada por:

[kWh]

Logo, o preço aproximado por kWh é dado por:

No que diz respeito a situação após 120 meses a remuneração passa a

VDRM 37.830,43 €

PF(VRD)m 4.922,93 €

PV(VRD)m 29.628,91 €

PA(VRD)m 3.278,60 €


uma vez que na expressão da remuneração o valor de CEA da parcela Ambiental passa a

ser divisível por 8 e não por 4

120 Primeiros meses: – –

Após 120 meses iniciais: – –

.

Com esta mudança de 4 para 8 ao fim de 120 meses no calculo do CEA, temos uma um CEA

duas vezes mais baixo que nos primeiros 120 meses.

Assim, o preço aproximado por kWh toma o valor de 0,07 €

Alínea e Com base nos dados do enunciado tem-se que:

• Custo do Sistema 700 €/kW × 4 MW = 2.800.000 € • Custo de Instalação 50 €/kW × 4 MW = 200.000 € • Investimento Inicial Total = Custo do Sistema + Custo de Instalação = 3.000.000 € • Retoma das Caldeiras = 50.000 €

• Investimento Inicial Final = Investimento Inicial Total – Retoma Caldeiras =2.950.000 € • Custo de manutenção anual = 7000 €

Como investimento inicial tem-se:

• Capital próprio = 40 % Investimento Inicial Total = 1.180.000 € • Crédito bancário = 60 % Investimento Inicial Total = 1.770.000 €

Quanto ao crédito bancário sabe-se que a amortização do investimento terá:

• Número de anos = 30 • Taxa de inflação 3% • Taxa de actualização 10% • Imposto sobre pessoas colectivas 35%

Com isso calcula-se a renda que será de 187.760,27 €

Para o combustível tem-se que:

• Custo de combustível 2.589.043,96 € • Aumento previsto do custo de combustível além da inflação 8% • Aumento do custo da electricidade além da inflação 10% • Custo da energia no primeiro ano → VDRm × 12 = 485.248,67 €

Com todos estes valores fez-se um quadro de cash-flows e chegou-se ao VAL= -

40.838.487.34 €

O tempo de retorno calculado para este investimento é um pouco mais de 7,5 anos.


O custo nivelado de electricidade é obtido através de:

e

Obtém-se assim um custo nivelado de electricidade CNE = 1.553 € / MWh, isto é, CNE =

1,553 €/kWh No que diz respeito ao sistema actual, e tendo em conta que não se sabe quais os

valores iniciais das caldeiras, apenas se realizou uma analise financeira para 5 anos, uma vez que é o tempo de vida das caldeiras. Assim, pode-se verificar que o retorno do investimento da cogeraçao é feito em 7,5 anos, aproximadamente, com a amortização a 30 anos.

Comparando os primeiros 5 anos de funcionamento, obteve-se uma diferença de

6.330 mil € entre a cogeração e o sistema actual, que se retirando-se o investimento no equipamento se obtém cerca de 3.380 mil €.


Conclusões

Biomassa pode contribuir para ajudar no desenvolvimento da energia sustentável na

Europa;

Devido às propriedades da biomassa, esta poderá ser uma óptima forma de produzir

energia em escala pequena, descentralizada;

Interesse limitado em bioenergia nas últimas décadas provocam pouca eficiência

nestas tecnologias;

Aumento na investigação, aproximação de faculdades e industria uma melhor

divulgação poderá ser essencial em aumentar o potencial da bioenergia:

O emprego de centrais com cogeração provoca uma diminuição das perdas em cerca

de 50%, que está directamente relacionada com o aproveitamento da energia térmica;

Documents

PDIS –Biomassa e Cogeraçãoee02035/Biomassa_e_Cogeracao.pdf · A biomassa pode considerar-se um recurso natural renovável, enquanto os combustíveis fósseis não se renovam a