CO - Aula 01 - Origens e Definições
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Cogeração
Aula 01 - Origens e definições
Guaratinguetá, primavera 2014
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
"JÚLIO DE MESQUITA FILHO"
Campus de Guaratinguetá, Departamento de Energia
Prof. José Alexandre Matelli
Definição
• Geração simultânea de energia eletro-mecânica e energia térmica útil a partir do mesmo combustível, através da recuperação do calor residual de sua combustão;
Prof. José Alexandre Matelli 2 Unesp/FEG/DEN - Cogeração
Aplicação convencional
Caldeira (η = 17/20)
Moto-gerador (η = 1/3)
Qu = 800 kJ
W = 1000 kJ
941.2 kJ
3000 kJ
η = 0.457
Prof. José Alexandre Matelli 3 Unesp/FEG/DEN - Cogeração
Aplicação com cogeração
Moto-gerador (η = 1/3) W = 1000 kJ 3000 kJ
η = 0.6 Qg = 1000 kJ
Qa = 1000 kJ
Caldeira de recuperação
(η = 4/5)
Qu = 800 kJ
Qe = 200 kJ
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Origens
• Originária dos sistemas de elevação de carga a partir de gases quentes (smokejacks): – Registros alemães do século XIV;
– Emprego na Itália e Alemanha no século XVI;
– 1685: o inglês John Evelyn tinha um em casa havia mais de
100 anos;
– 1758: Benjamin Franklin sugeriu uso no verão a partir da ventilação natural de chaminés.
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Registros antigos
http://www.ambrosiana.it/ita/ca_sfoglia.asp?sala=&pagina=22
Leonardo da Vinci, 1452-1519. Il Codice Atlantico della Biblioteca
Ambrosiana di Milano. Foglio 21-recto.
bottoming Prof. José Alexandre Matelli 6 Unesp/FEG/DEN - Cogeração
Desenvolvimento moderno
• 1870: Máquinas a vapor de eixo alternativo acopladas a geradores em áreas de grande densidade populacional;
– Favoreceria o aquecimento de ambientes;
– Impulso para a difusão da tecnologia;
• 1909: apenas 150 sistemas de aquecimento de ambientes nos EUA;
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Século XX
• Décadas de 20-30: desenvolvimento de sistemas de calefação de ambientes no norte da Europa, União Soviética e países do bloco comunista;
• Pós-guerra: cresce significativamente o número de centrais de cogeração;
• Em outras regiões, a difusão da tecnologia foi lenta;
• Década de 70: crise do petróleo e resistência de grupos ambientais à energia nuclear trazem grande impulso à cogeração.
• Décadas de 80-90: consolidação da cogeração através de regulamentação governamental (por exemplo, o PURPA nos EUA); Prof. José Alexandre Matelli 8 Unesp/FEG/DEN - Cogeração
Evolução do preço do petróleo
UD
S/b
arri
l
Jun/2008: 138.54 USD/barril; Hoje: 116 USD/barril.
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No Brasil • Setor elétrico brasileiro fortemente hídrico, aliado à pouca
necessidade de aquecimento de ambientes, não proporcionava um cenário propício para a cogeração;
• Historicamente, a implantação de sistemas de cogeração eram restritas a aplicações muito específicas, como refinarias e plataformas de petróleo;
• O choque do petróleo, na década de 70, mudou este cenário: – Necessidade de se utilizar a energia de modo mais racional (conservação de
energia): sistemas de cogeração se viabilizaram nas indústrias alimentícias, de papel e celulose, siderúrgicas e outras
– Introdução do álcool combustível (Pró-álcool): cogeração nas usinas sucroalcooleiras, hoje o setor mais intensivo em cogeração no Brasil
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No Brasil, hoje
• Disponibilidade de gás natural impulsionou novas aplicações, como no setor terciário (hotéis, centros comerciais, hospitais etc);
• A Aneel estabelece os requisitos para a qualificação de centrais termelétricas cogeradoras de energia na Resolução Normativa 235, de 14 de novembro de 2006.
• Principais barreiras:
– Energia elétrica ainda apresenta baixo custo;
– Equipamentos importados;
– Necessidade de ar-condicionado;
– Riscos elevados;
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Configuração topping
• O calor residual do processo de geração de energia eletromecânica é recuperado para geração de calor útil
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Configuração bottoming
• O calor residual do processo de geração de energia térmica útil é recuperado para geração de energia eletromecânica
da Vinci Prof. José Alexandre Matelli 13 Unesp/FEG/DEN - Cogeração
Perfis de demanda
hora
Dem
and
a (k
W)
Energia elétrica
Energia térmica
Energia térmica útil: vapor, água gelada, água quente, ar quente etc
Qual delas um sistema de cogeração deve atender prioritariamente?
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Estratégias de operação
• Paridade elétrica: – Em qualquer instante, a potência elétrica gerada é
igual à potência elétrica demandada; • Se a energia térmica cogerada for maior que a energia
térmica demandada, o excedente é rejeitado para o ambiente (ou termoacumulado, quando aplicável);
• Se a energia térmica cogerada for menor que a energia térmica demandada, um gerador térmico auxiliar complementa a demanda.
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Estratégias de operação
• Paridade térmica:
– Em qualquer instante, a potência térmica gerada é igual à potência térmica demandada;
• Se a energia elétrica cogerada for maior que a energia elétrica demandada, o excedente é vendido para a rede;
• Se a energia elétrica cogerada for menor que a energia elétrica demandada, o complemento é adquirido da rede.
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Exemplo
10 MPa 500 °C 3375 kJ/kg 1
2
processo
0.5MPa 210 °C 2875 kJ/kg
10
15
kg/s
3000
6000
kW
demanda de vapor
demanda elétrica
Determinar a potência elétrica e a vazão de vapor nos regimes de paridade elétrica e térmica.
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