A maior parte da energia consumida pelos edifícios é sob a forma de eletricidade e calor. Normalmente esses insumos são produzidos de forma independente, o que resulta em uma eficiência de 45-55% de acordo com a Departamento de Energia dos EUA. Contudo, quando o calor e a electricidade são produzidos a partir do mesmo factor de produção, a eficiência aumenta para 65-85%. Este conceito é denominado calor e energia combinados (CHP) ou cogeração.
Como todos os outros sistemas de geração e aquecimento, as instalações CHP podem ser projetadas para uma ampla gama de cargas de acordo com as necessidades do edifício. Este artigo descreve os principais benefícios do CHP, bem como as principais configurações de sistema disponíveis.
Calor e energia combinados: quando é viável?
Conforme descrito anteriormente, os sistemas CHP operam com maior eficiência do que os equipamentos de geração e aquecimento separados, reduzindo as despesas energéticas do edifício. No entanto, a cogeração não é rentável se apenas necessitar de um dos resultados – a maior eficiência só pode ser alcançada se utilizar ambos.
Um sistema CHP também torna a instalação menos dependente da rede elétrica, ao mesmo tempo que elimina perdas de transmissão e distribuição. Também pode esperar despesas de eletricidade mais previsíveis, uma vez que o impacto das alterações nos preços do kWh é diminuído ou completamente eliminado.
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Quando os grandes consumidores de energia implantam a cogeração, há também um benefício para os operadores de redes de energia: a rede fica descongestionada. Isto ajuda a empresa de serviços públicos a prestar um melhor serviço a outros clientes que não geram a sua própria electricidade, ao mesmo tempo que adia atualizações dispendiosas da infra-estrutura de transmissão e distribuição.
Os sistemas CHP também podem ser combinados com um chiller de absorção, um tipo especial de chiller que funciona com entrada de calor em vez de compressor elétrico. Neste caso você tem um sistema de trigeração, que adiciona refrigeração ao CHP. Os chillers de absorção têm aplicações em resfriamento de ambientes, resfriamento de processos industriais e refrigeração.
Configurações do sistema CHP
CHP é um conceito geral e existem muitas configurações de sistema viáveis. Todos têm o objetivo comum de fornecer calor e energia elétrica, mas os equipamentos utilizados variam significativamente. A maioria dos sistemas CHP utiliza um dos seguintes tipos de equipamento:
- Motores recíprocos
- Turbinas a gás
- Turbinas a vapor
- Microturbinas
- Células de combustível
De acordo com o Departamento de Energia dos EUA, os motores alternativos são a configuração de sistema CHP mais comum, encontrada em mais de 50% dos projetos. Porém, as turbinas a gás ganham em capacidade instalada, respondendo por mais de 60%.
Motores recíprocos
Faixa de capacidade típica: 10 kW a 10 MW
Eficiência somente elétrica: 30-42%
Eficiência da cogeração: 77-83%
Os motores alternativos são baseados no mesmo princípio dos motores de automóveis, mas implantados em maior escala. A rotação do eixo é conseguida com uma série de pistões que seguem um movimento de quatro tempos: admissão, compressão, potência e escape.
Quando um motor alternativo gera eletricidade, o calor pode ser recuperado de três fontes: diretamente do escapamento do motor, da água de resfriamento ou do óleo lubrificante. Os motores oferecem operação flexível, pois podem funcionar com carga parcial sem queda significativa de eficiência.
Como tecnologia, os motores alternativos estão muito maduros e a sua cadeia de fornecimento está bem estabelecida. Globalmente, mais de 200 milhões de unidades são fabricadas e implantadas a cada ano.
Turbinas a Gás
Faixa de capacidade típica: 1 a 300 MW
Eficiência somente elétrica: 24-36%
Eficiência da cogeração: 65-71%
As turbinas a gás tornam-se viáveis para aplicações de cogeração quando o projeto é grande o suficiente para justificar alguns megawatts de capacidade. Eles são particularmente úteis quando os processos industriais requerem grandes quantidades de calor, uma vez que a exaustão de alta temperatura da turbina pode ser usada diretamente. Idealmente, deveria haver uma procura constante de calor e electricidade, uma vez que a eficiência de uma turbina a gás diminui drasticamente em condições de carga parcial.
Embora as turbinas a gás estejam normalmente associadas a geração da eletricidadetambém são utilizados na propulsão de veículos e no acionamento de equipamentos como compressores e bombas.
Turbinas a vapor
Faixa de capacidade típica: 100 kW a 250 MW
Eficiência somente elétrica: 5-7%
Eficiência da cogeração: 80%
As turbinas a vapor são mais adequadas para aplicações de cogeração onde a carga de aquecimento é significativamente maior que a carga elétrica. Ao contrário dos motores alternativos e das turbinas a gás, as turbinas a vapor não são expostas diretamente à combustão do combustível – ela ocorre separadamente em uma caldeira.
Os sistemas CHP com turbinas a vapor são comumente usados quando existe uma fonte de combustível barato, como cavacos de madeira e outras formas de biomassa. Essas turbinas não sofrem perda drástica de eficiência em carga parcial, oferecendo operação flexível.
Microturbinas
Faixa de capacidade típica: 30 a 330 kW
Eficiência somente elétrica: 25-29%
Eficiência da cogeração: 64-72%
As microturbinas destinam-se a aplicações de menor escala do que as turbinas convencionais a gás e a vapor. Apresentam design modular ideal para edifícios com ampliações planejadas, sistemas de energia distribuída e microrredes. Tal como as turbinas a gás convencionais, as microturbinas destinam-se a aplicações onde a sua produção total pode ser utilizada continuamente, uma vez que a sua eficiência em carga parcial é fraca.
Células de Combustível
Faixa de capacidade típica: 5 kW a 2,8 MW
Eficiência somente elétrica: 38-42%
Eficiência da cogeração: 62-75%
As células de combustível têm uma diferença fundamental em relação às tecnologias CHP mencionadas anteriormente: não há combustão e o combustível sofre uma reação química direta para produzir calor e eletricidade. Como resultado, a exaustão das células de combustível é composta principalmente de dióxido de carbono, livre de mais compostos nocivos como óxidos de nitrogênio, compostos orgânicos voláteis e o mortal monóxido de carbono.
As células de combustível oferecem operação flexível, experimentando apenas uma pequena perda de eficiência sob carga parcial. Eles também são mais silenciosos do que outras opções de CHP, uma vez que não possuem máquinas rotativas.
Observações Finais
Grandes propriedades com uma procura constante de electricidade e calor podem reduzir as suas despesas energéticas através da utilização combinada de calor e energia (CHP). No entanto, o primeiro passo deve ser uma auditoria energética, que forneça uma visão clara do consumo de energia do edifício. Com base nestes dados, é possível determinar se o CHP é viável, selecionando a configuração de sistema mais adequada, se for o caso.
