As características gerais de um sistema de aproveitamento de calor residual foram discutidas no capítulo 2, salientando-se a sua importância e dimensão, os processos industriais aos quais estão normalmente associados, os parâmetros chave do fluxo de calor residual e as temperaturas em que se enquadram e as tecnologias de conversão em energia eléctrica: ciclos termodinâmicos e processos directos.
Para a gama de temperaturas baixa-média os ciclos ORC e de Kalina demonstraram a sua utilidade com vantagem para o ORC, devido à sua menor complexidade. Nesta secção abordar-se-á especificamente o sistema ORC de aproveitamento de calor residual: o seu princípio de funcionamento e as suas idiossincrasias.
A transferência de calor do fluxo de calor residual (fonte quente) para o ciclo de potência pode ser feita de duas formas:
1. Exaustão de gases quentes-vapor/calor de processo e troca de fluxos de calor no mesmo permutador de calor (figura 23b)
2. Integração de um circuito de óleo entre o fluxo de exaustão e o fluido operante inflamável, por forma a evitar o contacto directo com a fonte a elevada temperatura, o que se torna bastante perigoso (figura 23a).
A escolha do equipamento de ORC depende, em primeira instância, da temperatura do fluxo de calor residual e da potência de saída desejada [115]. A título de exemplo, o equipamento tri-O-gen foi projectado para fontes quentes com temperaturas acima de 350 ºC e produz até 165 kW de energia eléctrica enquanto o PureCycle280 (Pratt &Whitney) produz até 250kW e é adequado para temperaturas inferiores a 150 ºC [116].
Apesar de ser possível encomendar aos fornecedores módulos ORC personalizados, a maior dificuldade reside na optimização do design e a integração da rede de permutadores de calor visando maximizar a eficiência de recuperação de calor. Uma breve lista das instalações ORC de aproveitamento de calor residual a nível mundial é apresentada na figura 24. As vantagens mais importantes destes sistemas são [117]:
Geração de energia no local (on-site)
Poupança de energia e consequente ganho para a empresa Baixos custos de operação e manutenção (O&M)
Redução na poluição (emissões de gases de estufa, poluição térmica)
Figura 24 - Pequena lista de instalações ORC de aproveitamento de calor residual
Esta tecnologia está a ser progressivamente adoptada para a eficiência energética, minimização do consumo de recursos fósseis e protecção ambiental nas mais variadíssimas áreas onde o calor residual se encontra disponível:
Centrais de potência [112, 117-120] Processos produtivos [121-123] Indústria automóvel [2, 4] Transporte marítimo [124], etc.
As três áreas de maior relevância serão analisadas de seguida: as indústrias cimenteira, naval e automóvel.
em países em vias de desenvolvimento, a produção está a aumentar progressivamente. Só a China produziu 1388 milhões de toneladas em 2008, o que contabilizou quase metade da produção mundial de cimento nesse ano [125].
O processo de fabrico de cimento é sobejamente conhecido [125-127] e a sua etapa crítica consiste na produção de clínquer que consome cerca de 80% da energia total. O clínquer é produzido através da queima de uma mistura de materiais, principalmente calcário, óxidos de silício, alumínio e óxidos de ferro.
Os gases de exaustão dos fornos saem a cerca de 300-350 ºC no caso de um pré-aquecedor a montante de 4 estágios ou a cerca de 200-300 ºC no caso de um pré-aquecedor de 5-6 estágios. O clínquer sai do forno a cerca de 1000 ºC e é arrefecido até aos 100-120 ºC com recurso a ar ambiente, gerando ar quente a cerca de 200-300 ºC. O ar quente e os gases de exaustão podem ser recuperados utilizando ORC de baixa temperatura [128].
Engin e Ari [129] realizaram uma auditoria energética de uma típica fábrica de cimento com a capacidade produtiva de 600 toneladas/dia e demonstraram que 40% do total de energia fornecida estava a ser perdido através de:
gases quentes de exaustão - 19,15% pilha de refrigeração - 5,61%
Envolvente do forno - 15,11%
Ao utilizar-se um ciclo de vapor de recuperação de calor, o calor de baixa temperatura dos fluxos de ar quente e de gases de escape, podem ser recuperados para produzir no local cerca de 1 MW de potência eléctrica, com um período de retorno da ordem dos 17 meses. Dependendo do tamanho da instalação, algumas dezenas de MW de potência podem ser geradas para suprir 10-20% das necessidades eléctricas e neste momento existe várias instalações a serem construídas, sobretudo no Japão, China e Índia. Os ORC's, que proporcionam elevada modularidade, baixo investimento e custos de operação e manutenção reduzidos em relação aos ciclos convencionais de vapor de Rankine, podem tornar-se a tecnologia de eleição para maximizar a eficiência energética da indústria cimenteira.
Indústria Naval
Um motor Diesel convencional converte 30-50% da energia química do combustível em energia mecânica para o sistema de propulsão do navio, sendo a restante perdida sob a forma de calor residual através dos sistemas de arrefecimento do motor e de escape. Schmid [130] investigou um motor naval, nomeadamente um Sulzer, modelo 12RT-flex96C, e conclui que a eficiência do motor era cerca de 49,3% e o resto da energia era perdida para a vizinhança por:
Gases de escape - 25,4%
Água de arrefecimento do motor - 14,1% Camisas de água do motor - 6,3% Óleo lubrificante - 4,3%
Os ORC's podem recuperar parte do calor residual e convertê-lo em energia adicional para serviços a bordo (iluminação, ar-condicionado, etc) e/ou como suplemento à propulsão. Se um sistema de recuperação de calor bem projectado for utilizado, a eficiência pode aumentar 12% e poupar 10 toneladas de combustível por dia. A Opcon, uma empresa sueca de tecnologias vocacionadas para a eficiência energética, anunciou recentemente que irá instalar um módulo ORC num navio [131]. A instalação tem como objectivo poupar 4-6% de combustível, o que traduzido para emissões gasosas, se reflecte numa diminuição da emissão de dióxido de carbono e dióxido de enxofre de cerca de 37.000 toneladas/ano e 150 toneladas/ano respectivamente.
Indústria Automóvel
Nas décadas de 1970 e 80 durante a crise petrolífera, os produtores automóveis estavam bastante empenhados em reduzir o consumo de combustível, devido à escalada de preços dos combustíveis e receio de embargos petrolíferos, que gerava um clima de instabilidade e incerteza neste sector. Mas logo após o fim da crise, a ideia foi colocada de parte.
consequentemente também das emissões gasosas foi ressuscitado e catapultado para as agendas dos produtores de automóveis, aliado também à consciencialização da opinião pública acerca das questões ecológicas, o que suscita um interesse por parte do mercado em adquirir veículos com um valor ecológico intrínseco, cujo conceito se encontra em voga neste momento.
A título ilustrativo, o balanço energético de um típico motor de ignição de 1,4 litros apresenta um rendimento termodinâmico de 15-32%, dependendo das condições de operação. O restante é rejeitado para o ambiente maioritariamente através do radiador e do sistema de escape, juntamente com outras perdas parasita (atrito, entre outras) [4].
Os ciclos de Rankine são vistos como uma promissora solução para recuperar o calor desperdiçado, com o intuito de providenciar conforto térmico ou geração de energia. O ORC pode proporcionar poupanças substanciais de combustível ao permitir a recuperação, não só do calor desperdiçado pelos gases de escape mas também o do circuito de arrefecimento do motor.
No próximo capítulo, será realizada uma análise mais aprofundada destes sistemas, ao se abordar as tecnologias de optimização energética dos veículos automóveis.