aspectos técnicos e económicos na escolha dum sistema de...

Sistemas de CogeraçãoAplicação em Edifícios

(2007-2008)L. Roriz

Equipamentos Térmicos (2007-2008) – L. Roriz

Necessidades energéticasNecessidades energéticas

• As necessidades energéticas variam com o tipo de edifício, e dentro dos edifícios de serviços podem apresentar intensidades global e temporal variável.

• As soluções existentes para a obtenção do arrefecimento ambiente, aquecimento ambiente e de águas sanitárias são bastante variadas. O tipo (ou tipos) de energia necessária depende da solução escolhida.

Num sistema de cogeração, a razão electricidade / calor é fixa e depende do sistema


Que sistema utilizar?Que sistema utilizar?• arrefecimento ambiente

– sistemas frigoríficos de compressão de vapor, com compressor accionado por motor eléctrico ou de combustão interna , arrefecimento evaporativo

• aquecimento ambiente ou de águas sanitárias – caldeiras eléctricas ou de combustível (produção

de vapor ou de águas quentes), sistemas de bomba de calor de compressão de vapor, com compressor accionado por motor eléctrico, apoio solar térmico, uso de calor de rejeição

A actual regulamentação obriga ao uso de energias renováveis.


CCurvas de carga nos edifícosurvas de carga nos edifícos

• O tipo de edifício influencia a curva de carga total (somatório de todas as energias).

• A solução usada num edifício influencia a curva de carga do combustível e da electricidade.

• O dimensionamento do(s) sistema(s) instalado(s) e a existência ou não de acumulação (de frio ou de calor) influenciam as curvas de carga.

A curva de carga (diagrama de carga horário) é função das necessidades energéticasNum sistema de cogeração, a razão electricidade / calor é fixa

Não existe correspondência entre: quantidades de electricidade e calor produzidas e respectivas necessidades


Curvas de carga horáriaCurvas de carga horária

Valores médios horários (mensais)

Valores horários (idêntico dia util)

Curvas de carga médias não permitem determinar a razão electricidade / calor


Calor e electricidadeCalor e electricidade

• Curvas de carga horária, usando valores diários ou valores médios mensais são distintas.

• A curva de carga varia com a estação do ano.• Nos diferentes meses duma estação, a curva de carga

mensal apresenta um andamento semelhante.• Na maioria dos edifícios, as curvas de carga dos dias

úteis, sábados e domingos são distintas.

As curvas de carga variam consoante o funcionamento do edifício

As razões electricidade / calor, produzida e necessária, não são idênticas


Sistema de cogeração: Sistema de cogeração: qual o melhor?qual o melhor?

•Propriedade Motor a gás

Turbina a gás

Pilha PAFC

Eficiencia eléctrica 34-42 26-32 36-45

Eficiencia a carga parcial + - ++

Arranque - paragem + - +/-

Emissões + + ++

Produção de vapor 60-65 70-80 55-60

Produção de água quente 85-90 80-85 80-85

Horas entre grande reparações 36000 40000 40000*

*máximo valor demonstrado

Necessidades de calor a temperatura mais elevada reduzem a eficiência total


Sistema de cogeração:Sistema de cogeração:

que escolher?• Potência mínima a instalar

• turbina a gás: < 100 kWe• motores de combustão: ≈ 100 kWe • pilhas de combustível: < 10 kWe

• Tipo de combustível• Gás Natural (GN)• Ar propanado, biogás

• Rentabilidade• Custos de condução / manutenção

Cogeração por turbina a vapor não é aplicável em edifícios

Instalações com potência da ordem de MWe não são aplicáveis em edifícios


Não correspondência entre:Não correspondência entre:

produção e uso• a instalação produz calor em excesso:

• calor tem que ser dissipado ou introduzido num sistema de acumulação

• a instalação produz electricidade em excesso:• electricidade tem que ser injectada na rede

• a instalação opera em regime de carga parcial:• sistema de cogeração não funciona nas condições óptimas, com

variações de carga e redução da eficiência• A instalação não produz calor suficiente:

• tem que ser usado calor produzido por sistema de apoio (caldeira) ou existente num sistema de acumulação

• A instalação não produz electricidade suficiente:• necessário consumir electricidade da rede


Equipamento adicionalEquipamento adicional• excesso de produção de calor:

• introdução de torre de arrefecimento• insuficiência de calor produzido:

• introdução duma caldeira de apoio• uso de colectores solares com acumulação, se a

temperatura necessária para a fonte de calor for reduzida

• excesso de produção de electricidade• introdução do sistema de interface para garantir a

injecção de electricidade na rede de acordo com a legislação em vigor

O acréscimo de equipamento necessário traduz-se por:► acréscimo do investimento inicial► acréscimo do custo associado à condução dos equipamentos

(combustível - caldeira, electricidade – bombagem)


A cogeração é:A cogeração é:

• Eficiente: possui eficiências nominais entre 55% e 90%, dependendo da aplicação e do sistema (se o calor for efectivamente aproveitado).

• Ambientalmente correcta: as emissões são muito reduzidas em motores e turbinas a GN e quase nulas nas pilhas de combustível (motor a diesel não é utilizado em edifícios).

• Reduz substancialmente o consumo de energia primária e a poluição associada, se comparada com produção separada de electricidade e de calor (centrais clássicas + caldeiras).

E em que condições é a cogeração aplicável em edifícios?Necessário considerar a trigeração (uso de chillers de absorção)


Aplicabilidade da cogeraçãoAplicabilidade da cogeração

Directiva 2002/91/CE de 16 de Dezembro de 2002 relativa ao desempenho energético dos edifícios impõe:

• Nos edifícios novos com uma área útil total superior a 10000 m2 deve ser estudada a viabilidade técnica, ambiental e económica da cogeração,

É necessário analizar: o tipo de utilização do edifício

existência ou não de aquecimento ambiente e águas quentes sanitáriasexistência ou não de arrefecimento ambiente

as fontes energéticas utilizadassó electricidade ou electricidade + combustíveis

abastecimento de electricidade em baixa ou média tensãocurvas de carga (horárias) de electricidade

Atenção aos valores de venda:BT - Portaria 764/2002 e DL 68/2002MT – Portaria 58/2002 e DL 538/1999 Rendimento Eléctrico Equivalente >0,55Rendimento Eléctrico Equivalente >0,55


Decidir do interesse do sistemaDecidir do interesse do sistema

Custo do kWh produzido e da rede + potência de base (noite):Qual o número de horas diárias de funcionamento da instalação?

Dimensionar de acordo com as necessidades de calor? Ou com as necessidades de electricidade?

Qual a potência aconselhável para o sistema de cogeração?

Como repartir produção de calor (caldeira, cogerador) e de frio (compressão de vapor, absorção)?

Edifícios existentes: Introduzir cogeração ou manter o tipo de equipamentos?

É rentável o funcionamento em que periodos do dia?(custo do kWhe produzido vs custo do kWh da rede)


Sistemas de frigoríficos de absorçãoSistemas de frigoríficos de absorção

Calor

Electricidade

Frio (climatização) Calor (climatização, AQS)


Sistemas de frigoríficos de absorçãoSistemas de frigoríficos de absorção

Característica H2O-NH3 LiBr-H2O LiBr-H2OEfeito Simples Simples DuploPot. frigorífica (kW) 20 - 2500 300 - 5000 300 – 5000EER 0.6 - 0.7 0.5 - 0.6 0.9 - 1.1Temp. gerador (ºC) 120 - 132 120 - 132 150 – 170Custo equipam. (€/ton*) 1250 - 1750 870 - 920 930 - 980

* 1 ton ref. ~ 3.5 kW


Regras simplesRegras simples(chiller de absorção)(chiller de absorção)

• Uma unidade de efeito duplo é aproximadamente 30% mais cara que uma de efeito simples com a mesma potência.

• Uma unidade utilizando água quente é aproximadamente 25% mais cara que uma utilzando vapor com a mesma potência.

• A capacidade frigorífica num chiller de compressão de vapor pode ser facilmente ajustada mas num chiller de absorção não pode sofrer grande alteração.

• O EER dum chiller de absorção é quase constante até ao máximo de 60% da capacidade nominal.

• Chillers de efeito simples a H2O-NH3 e LiBr-H2O tem um desempenho semelhante.

• A manutenção curativa é quase impossível em chillers de absorção e em geral o equipamento terá que ser enviado para a fábrica para reparação, enquanto que com chillers de compressão de vapor a maioria das reparações pode ser efectuada no local.


Ter presente (I)Ter presente (I)

• Nos edifícios é a trigeração que pode ter interesse (apenas o uso de calor não é suficiente para ser económico introduzir um sistema de cogeração) e a climatização deve cobrir toda ou quase toda a área do edfiício.

• O correcto dimensionamento dum sistema de trigeração deve ter em atenção a curva de carga eléctrica horária.

• Considerar valores médios mensais ou anuais, aumenta o erro da análise e conduz a uma solução com período de amortização inferior ao real.

• Deve ser efectuado um estudo de sensibilidade ao custo do combustível e da electricidade.

• Regulamentação nacional (DL 79/2006), em cumprimento de Directiva Comunitária, impõe estudo de viabilidade da cogeração nos muito grandes edifícios de serviços.


Exemplos: edifícios de serviçosExemplos: edifícios de serviços

6.9830017954001 motor a GN, 2 UPARs a LiBrElectricity: 7,902,900Diesel: 6,782,000Hotel

7.9810012096001 motor a GN, 2 UPARs a LiBrElectricity: 7,656,400 Comercial

Grécia

4.933135240001 motor a GN, 1 UPAR a LiBrElectricity: 860,160 Fuel oil: 3,429,000Hospital

4.016686407001 motor a GN, 1 UPAR a LiBrElect: 3,316,230GN: 526,000 Comercial

Italia

4.4598414598003 motores a GN, 1 UPAR a LiBrElect: 10,070,000GN: 13,240,000 Hospital

17.7 (8.3)61792330001 turbina a GN, 1 UPAR a LiBrElect: 4,220,000 GLP: 4,100,000Hotel

Portugal

4.914,34439580002 motores a GN, 1 UPAR a LiBrElect: 29,398,000 GN: 25,875,000Aeroporto

5.2870920830001 motor a GN, 1 UPAR a LiBrElect: 14,640,000 GN: 6,586,000 Hospital

27.810397920001 motor a GN, 1 UPAR a LiBrElect: 1,593,000GN: 881,000 Hotel

Espanha

Retorno(anos)

Poupançaen. primaria

(MWh/a)

Invest.(Euro)SistemaConsumo actual

(kWh/ano)EdificioPais

Fonte: Trigemed


Caso estudo: hotel de 5 estrelasCaso estudo: hotel de 5 estrelas

A razão média entre os consumos diários de electricidade e total de energia é aproximadamente 0,45



Considera-se que devem ser substituídos:

um dos chillers uma das caldeiras



• A trigeneração é implementada mantendo em funcionamento 1 dos 2 chillers e 1 das 2 caldeiras existentes (solução convencional 1/2).

• As variações horárias das necessidades de calor para o sistema de absorção tornam o uso da turbina a gás como a escolha acertada.

• Considerou-se uma eficiência da turbina a gás de 29%, a eficiência para alta temperatura (água quente) de 26% e para baixa temperatura (água refrigerada) de 32%, o que corresponde a uma eficiência global de 87%.

• Chiller: sistema LiBr-H2O de efeito simples.


Resultados (estimativa)Resultados (estimativa)

• Como não existe a utilização da trigeração durante o inverno (não existe necessidade de arrefecimento ambiente), a turbina a gás não está a trabalhar durante este período, pelo que não há produção de electricidade no inverno.

• Esta concepção para a operação do sistema resulta num uso reduzido do sistema de trigeneração (3055 horas/ano).

• A eficiência anual do sistema de trigeneração é de 47%.• Tempo de retorno: 8,3 anos considerando apenas as despesas de

manutenção (1).• As poupanças anuais de SO2, NOx, CO2 e partículas são 18894,

6383, 2431281 and 1021 kg, respectivamente.

(1) Situação concordando com o método de cálculo do tempo de retorno do RSECENão aplicando este princípio o tempo de retorno é de 17,7 anos


Potencial de implementaçãoPotencial de implementação• O tempo de retorno não obriga à realização duma reabilitação

energética ao abrigo da nova regulamentação (RSECE):– Artº 32º: São de implementação obrigatória todas as medidas de

eficiência energética que tenham um período de retorno simples < 8 anos, incluindo como custos elegíveis os correspondentes a um eventual financiamento bancário da execução das medidas.

– Período de retorno = C / P– C - custo adicional do investimento: diferença entre o custo

inicial da solução base e o da solução mais eficiente.– P - poupança anual resultante da aplicação da alternativa mais

eficiente com base em simulações anuais.


Ter presente (II)Ter presente (II)

• A instalação dum sistema de cogeração em edifícios com consumo anual semelhante pode apresentar tempos de retorno muito distintos.

• Num elevado número de edifícios a introdução dum sistema de trigeração em substituição do sistema existente pode não ser rentável.

• Dos diferentes tipos de edifícios, os que apresentam à partida um potencial para a introdução de sistema de trigeração são os hoteis, hospitais e alguns edifícios especiais (aeroportos, centros comerciais, p.e.).

• A actual relação entre o custo do GN e da electricidade, o uso de chillers de compressão de vapor com condensador arrefecido a água de elevada eficiência, o recurso a chillers de recuperaçãototal ou parcial, a reduzida necessidade de calor são penalizantes para a introdução de sistemas de trigeração.

aspectos técnicos e económicos na escolha dum sistema de...

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