Cogeração ou Combined Heat and Power (CHP) é a geração combinada de calor e energia. Não é uma tecnologia única, mas um sistema de energia integrado. A cogeração envolve primeiro a produção de energia a partir de uma fonte de combustível específica, como gás natural, biomassa, carvão ou óleo. Durante a combustão do combustível, a cogeração captura o excesso de calor que, de outra forma, teria sido desperdiçado.
O calor capturado pode ser usado para ferver água, criar vapor, aquecer edifícios, etc. Por exemplo, nas areias betuminosas, o vapor é necessário para produzir betume. Ao utilizar a cogeração, as empresas de energia podem produzir simultaneamente vapor para produção e eletricidade no local. Ao minimizar os resíduos, as centrais de cogeração convertem geralmente 75-80% da fonte de combustível em energia utilizável, em comparação com os sistemas convencionais que apenas cobrem cerca de 45%/
Quando o calor capturado é utilizado para produzir eletricidade, o processo é denominado ciclo combinado.
A cogeração foi praticada em algumas das primeiras instalações de geração elétrica. Antes de as estações centrais distribuírem energia, as indústrias que geravam a sua própria energia utilizavam vapor de exaustão para aquecimento de processos. Grandes edifícios de escritórios e apartamentos, hotéis e lojas geralmente geravam sua própria energia e utilizavam vapor residual para aquecimento de edifícios. Devido ao elevado custo da energia adquirida antecipadamente, estas operações de cogeração continuaram durante muitos anos após a disponibilização da electricidade dos serviços públicos.
Tipos de Cogeração:
Existem duas grandes categorias de cogeração:
1. O ciclo de cobertura:
Neste tipo, o calor primário na extremidade de temperatura mais alta do ciclo Rankine é usado para gerar vapor de alta pressão e alta temperatura e eletricidade da maneira usual.
O vapor do processo a baixa pressão e temperatura é então retirado das turbinas de acordo com os requisitos do processo. Existem duas maneiras de utilizar o vapor.
Eles são os seguintes:
(a) Usando vapor na exaustão da turbina – A turbina a vapor, neste caso, é chamada de turbina de contrapressão. O condensador é removido e a exaustão da turbina é conduzida para a planta de processo. Como o condensador está ausente, a pressão de exaustão da turbina é maior (daí o nome turbina de contrapressão) e sua eficiência é menor.
(b) Extraindo vapor da turbina em estado intermediário; tanto quanto para aquecimento de água de alimentação. A turbina deste tipo é conhecida como turbina de extração ou turbina de passagem. Como é utilizado condensador, a eficiência do ciclo é maior; e o vapor extraído tem pressão e temperatura muito mais altas.
A principal vantagem deste ciclo é a sua capacidade de utilizar uma vasta gama de combustíveis, incluindo madeira, carvão, petróleo, coque, resíduos, etc. e, portanto, é utilizado onde resíduos de baixa qualidade e combustíveis de subprodutos estão prontamente disponíveis.
Este tipo, entretanto, raramente é usado devido ao seu alto custo inicial e baixa relação potência/calor; especialmente em altas pressões de vapor de processo.
2. Ciclo de fundo:
Aqui, o primeiro calor primário em alta temperatura é usado diretamente para atender aos requisitos do processo. O calor residual de baixa qualidade (baixa temperatura e disponibilidade) da planta de processo é usado para gerar eletricidade. A eficiência do ciclo é obviamente baixa, –10% para aplicações de baixa temperatura e até 20% para aplicações de alta temperatura. Dado que o calor residual é gratuito, a economia do ciclo pode ser favorável.
As principais aplicações dos ciclos de fundo são nos processos das indústrias química e de processamento de materiais, como cimento, calcário e aço.
sistema de ciclo de fundo-cogeraçãoComo a temperatura do calor residual é baixa, fluidos de hidrocarbonetos são frequentemente usados como meio de trabalho.
Tipos de ciclo de cobertura:
Como o ciclo de bottoming tem eficiência combinada muito baixa, ele é de pouco interesse termodinâmico ou econômico e, portanto, somente o ciclo de topping pode fornecer economias reais em energia primária. Além disso, a maioria das aplicações de processo requer um vapor de baixa qualidade (baixa temperatura e disponibilidade) que pode ser convenientemente produzido em um ciclo de topping.
Alguns dos arranjos para cogeração no ciclo de cobertura são os seguintes:
(a) Usina de turbina a vapor com turbina de contrapressão.
(b) Usina elétrica de turbina a vapor com extração de vapor de turbina de condensação.
(c) Usina elétrica de turbina a gás com caldeira de recuperação de calor – usando exaustão de turbina a gás para gerar vapor.
(d) Usina elétrica de turbina a gás a vapor combinada – A turbina a vapor é do tipo contrapressão (a) ou do tipo extração-condensação (b) acima.
A planta de turbina a vapor de contrapressão (a) é mais adequada apenas quando a demanda de eletricidade é baixa em comparação com a demanda de calor. A central de ciclo combinado (d) acima é mais adequada apenas quando a procura eléctrica é elevada, aproximadamente comparável à procura de calor ou superior. O ciclo da turbina a gás (c) fica no meio. Somente a planta de condensação de extração (b) acima é adequada em uma ampla faixa de proporções.
Cogeração com uma usina de turbina a gás:
As turbinas a gás são usadas sozinhas em uma ampla gama de serviços.
Alguns deles são:
1. Como unidade de propulsão para todos os tipos de aeronaves.
2. Para acionamento de equipamentos mecânicos como bombas e compressores em plantas industriais.
3. Como unidade de energia para ferrovias e carros de corrida.
4. Para acionar geradores elétricos em usinas de energia elétrica – Para produzir energia para picos de carga.
Há também um interesse crescente na utilização de turbinas a gás para cogeração e em centrais de ciclo combinado. As temperaturas de trabalho da turbina a gás são bastante altas (temperatura máxima de cerca de 1200 – 1300°C) e os gases de exaustão quentes que saem da turbina a cerca de 500°C ainda contêm uma grande quantidade de energia térmica armazenada.
Essa energia térmica pode ser utilizada para diversos fins, tais como:
1. Secagem e aquecimento direto – Na indústria alimentícia.
2. Aquecimento de fluidos em indústrias de processo – para aquecer ar, óleo, água que é um meio de trabalho numa planta de processo.
3. Produção de vapor usando uma caldeira de recuperação de resíduos – O vapor produzido pode ser usado para aplicação de processo ou para geração de eletricidade usando turbinas a vapor. Isso é conhecido como “cogeração” para o primeiro e “ciclo combinado” para o último.
É utilizado um ciclo simples de turbina a gás composto por um Compressor de Ar (AC), Câmara de Combustão (CC) e Turbina a Gás (GT). Os gases de exaustão da turbina passam por uma caldeira de recuperação de calor (HRB) para gerar vapor de processo que é então levado para a planta de processo. Queimadores de combustível suplementares são fornecidos para queimar combustível adicional para aumentar a taxa de fluxo de massa do vapor do processo por um curto período, se necessário.
