As usinas combinadas de calor e energia geram calor e eletricidade ao mesmo tempo. Isso resolve dois problemas domésticos. O estado também está promovendo um aquecimento moderno e ecológico. Mas para quem vale a pena uma unidade combinada de calor e energia? Em nosso guia, explicamos como funciona, requisitos de instalação e custos.
Calor e central elétrica combinados como aquecimento: as coisas mais importantes à primeira vista
- Uma usina combinada de calor e energia gera simultaneamente eletricidade e calor de acordo com o princípio da combinação de calor e energia, após o qual o calor da produção de eletricidade flui para o circuito de aquecimento. Por esse motivo, a eficiência do sistema gira em torno de 90%. Para efeito de comparação: uma usina elétrica a gás média chega a cerca de 40%.
- Os sistemas compactos são compostos por um acionamento (motor, turbina ou célula a combustível), um gerador e um trocador de calor.
- As usinas combinadas de calor e energia podem ser operadas a gás, óleo, pellets de madeira ou carvão, dependendo da tecnologia instalada. Com biogás ou madeira como combustível, você pode trabalhar totalmente neutro em CO2.
- Dependendo do tamanho e do desempenho, os sistemas combinados de aquecimento e energia são divididos em unidades nano, micro, mini e combinadas padrão de aquecimento e energia. Nano usinas combinadas de calor e energia também são econômicas para as famílias.
- Se uma estação de energia térmica do tipo bloco vale a pena depende de sua utilização de capacidade. Para além do longo tempo de execução, o preço da electricidade do operador da rede é também determinante para um curto período de amortização.
- O Escritório Federal de Economia e Controle (BAFA) apóia a instalação de usinas combinadas de calor e energia com concessões fixas e sobretaxas sobre a tarifa de eletricidade. O Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) e alguns estados federais também oferecem incentivos financeiros e empréstimos baratos.
Como funciona uma usina combinada de calor e energia?
Uma usina combinada de calor e energia é um sistema que gera eletricidade e calor. Ele usa o princípio da combinação de calor e energia, segundo o qual a energia mecânica de um motor (potência) é usada para gerar eletricidade e seus gases quentes de exaustão fornecem calor. Isso significa que as usinas de calor e energia combinadas alcançam altos níveis de eficiência de 90% e acima. A energia gerada consiste em uma média de um terço de eletricidade e dois terços de calor. No entanto, esses números variam dependendo do sistema e do design. A tecnologia de uma unidade combinada de calor e energia se encaixa em uma caixa que tem aproximadamente o tamanho de uma geladeira. O nome central térmica do tipo bloco é derivado das dimensões compactas.
Algumas usinas de carvão e gás também usam energia e calor combinados. Em 2017, sua participação na geração líquida de eletricidade na Alemanha foi de 21 por cento. Porém, em uma grande usina, os dutos transportam o calor até o local de consumo, uma vez que áreas residenciais e comerciais ficam distantes. As perdas são inevitáveis ao longo do caminho. A especialidade das usinas termelétricas em bloco é que tanto a eletricidade quanto o calor são gerados local e descentralizadamente. Isso aumenta sua eficiência consideravelmente em comparação com sistemas centralizados.
Devido às suas baixas perdas e à possibilidade de operá-las com biocombustíveis, as usinas combinadas de calor e energia são um pilar da transição energética. O governo federal vem promovendo proprietários de usinas termelétricas em bloco com diferentes modelos de remuneração desde 2000. Nos últimos anos, o número das chamadas nano e micro unidades combinadas de calor e energia no mercado aumentou. Os sistemas com uma potência de até 15 quilowatts também valem a pena para consumidores privados sob certas condições.
O processo em resumo
Uma usina combinada de calor e energia funciona através da seguinte sequência:
- Um motor a gás, diesel ou a vapor aciona um gerador com a ajuda de um eixo. As usinas maiores combinadas de calor e energia também usam turbinas a gás em vez de motores. O gás é comprimido e atinge altas temperaturas. O gás quente então aciona turbinas menores, que transferem a energia mecânica para um gerador.
- O gerador produz eletricidade. É consumido em casa ou na empresa ou flui para a rede elétrica pública.
- Um trocador de calor transfere o calor do gás de exaustão para a água de aquecimento.
- A água de resfriamento do motor e o óleo quente do motor também liberam calor para a água de aquecimento por meio de um trocador de calor.
Construção de uma usina combinada de calor e energia
O tipo de aquecimento consiste nos seguintes elementos:
- Motor
Os motores mais comuns para usinas combinadas de calor e energia são os motores a gás, diesel, vapor e Stirling. Cada tipo de motor tem vantagens e desvantagens. Os motores a gasolina movidos a gás são considerados eficientes e duráveis, mas requerem manutenção regular. Os motores a diesel têm a melhor eficiência, mas são mais caros do que os motores a gasolina. No caso dos motores Stirling, ao contrário dos motores Otto e diesel, o calor é fornecido de fora. Eles podem ser operados com madeira ou pellets e, portanto, são particularmente ecológicos e requerem pouca manutenção. No entanto, a eficiência elétrica é inferior à dos motores a gasolina. - Turbina a gás (como alternativa ao motor)
Um compressor comprime o ar ambiente a uma alta pressão. A mistura ar-gás queima em uma câmara de combustão e atinge altas temperaturas. O gás quente move o gerador. Por causa dos altos custos, uma turbina a gás só vale a pena para usinas maiores combinadas de calor e energia. - Célula a combustível (como alternativa ao motor)
Nas células a combustível, o hidrogênio e o oxigênio reagem durante o que é conhecido como combustão a frio. Ao fazer isso, eles geram eletricidade e calor. As usinas combinadas de calor e energia com acionamento por célula de combustível representam uma tecnologia relativamente nova. Por trabalharem de forma neutra em relação ao CO2, estão se espalhando cada vez mais, especialmente em nano e micro usinas combinadas de calor e energia. - Gerador
O gerador para gerar eletricidade pode ser síncrono e assíncrono. Ele gera corrente alternada trifásica e geralmente é conectado ao sistema de baixa tensão do prédio. Os proprietários de uma central térmica do tipo bloco usam a eletricidade eles próprios ou fornecem-na à rede pública. No segundo caso, recebem uma remuneração do operador de rede e uma sobretaxa fixa adicional ao abrigo da Lei Combined Heat and Power.
Como funciona uma unidade de energia e calor motorizada.
- Trocador de
calor O trocador de calor tem a função de transferir o calor dos gases de escapamento, da água de resfriamento do motor e do óleo do motor para a água de serviço no circuito de aquecimento. Os trocadores de calor mais comumente usados incluem trocadores de calor de casco e tubo e trocadores de calor de placas. - Controle
O controle permite que os operadores de uma planta combinada de calor e energia configurem vários parâmetros. Entre outras coisas, você o usa para definir o modo de operação. As modernas usinas combinadas de calor e energia podem ser controladas por meio de um aplicativo no laptop ou até mesmo no smartphone. - Caldeira de
pico de carga A caldeira de pico de carga não pertence à central térmica do tipo bloco. No entanto, a operação ocorre em paralelo se necessário para cobrir as cargas de pico no consumo de aquecimento. O dimensionamento de uma usina térmica do tipo bloco de acordo com as cargas de pico não faz sentido econômico, pois o número de horas de operação permaneceria muito baixo. Uma usina combinada de calor e energia que cubra a carga básica é muito mais eficiente. Todos os tipos de caldeiras, como caldeiras de condensação a gás e óleo, são adequados como complemento da unidade combinada de calor e energia. - Armazenamento
intermediário O armazenamento intermediário não é obrigatório em uma usina combinada de calor e energia, mas faz sentido do ponto de vista econômico, especialmente para consumidores privados, já que o consumo de água quente varia fortemente ao longo do dia. O recipiente contém água de aquecimento e é usado para armazenar o excesso de calor. Se o sistema não puder atender à demanda durante os picos de carga, a água quente flui para o circuito de aquecimento. Para uma unidade combinada de calor e energia com uma potência de 50 quilowatts, o armazenamento buffer é idealmente de 3.000 litros, para uma unidade nano combinada de calor e energia em uma casa de família, 1.000 litros geralmente são suficientes.
Combustível para aquecimento
Os seguintes combustíveis são usados em uma estação de energia térmica do tipo bloco, dependendo da tecnologia de acionamento:
- Gás natural, incluindo gás líquido
- Biogás de fazendas
- Óleo de aquecimento
- Óleo vegetal, como óleo de colza ou óleo de palma (apenas para determinados motores a diesel)
- Pellets de madeira (apenas para motores Stirling e a vapor)
- Lascas de madeira / gás de madeira (apenas para grandes usinas combinadas de calor e energia)
- Carvão duro ou linhita
Os pellets de madeira são uma forma ecológica de operar usinas combinadas de calor e energia.
Classificação de usinas combinadas de calor e energia de acordo com o desempenho
A tabela a seguir fornece uma visão geral dos tipos de unidades combinadas de calor e energia:
|
designação |
poder |
usar |
tecnologia |
|---|---|---|---|
|
Nano |
Até cerca de 2,5 |
Casas unifamiliares |
Motor Stirling, motor a vapor, |
|
Centrais térmicas do |
2,5 a 15 |
Edifícios de apartamentos |
Motor Stirling , motor a diesel e a gás, células de combustível |
|
Mini |
15 a 50 |
Pequenas empresas de manufatura, |
Motor a gasolina, motor a vapor, |
|
Unidades de cogeração |
50 a 250 |
Grandes fábricas, |
Turbinas a gás, motores a diesel e a |
interpretação
As usinas combinadas de calor e energia podem ser projetadas com eletricidade ou calor. Na primeira variante, a produção de eletricidade é decisiva. No entanto, como os sistemas produzem mais calor do que eletricidade e há falta de armazenamento de calor, grande parte do calor permanece sem uso. É por isso que a maioria das usinas combinadas de calor e energia são dimensionadas de acordo com a demanda de calor.
Distribuição e futuro das usinas combinadas de calor e energia
A maioria dos componentes de uma unidade combinada de calor e energia não são invenções novas. O motor Stirling existe desde 1816. Os geradores também produzem energia elétrica desde a segunda metade do século XIX. O princípio da combinação de calor e energia também é conhecido há muito tempo. Já em 1902, as turbinas a vapor geravam eletricidade na usina de aquecimento distrital Beelitz-Heilstätten, enquanto o calor do vapor aquecia o prédio.
No entanto, durante muito tempo não houve como reduzir o tamanho da tecnologia para que os sistemas compactos de geração privada de energia valessem a pena. As primeiras unidades combinadas de aquecimento e energia chegaram ao mercado em meados da década de 1980. Em 2000, a primeira versão da Lei Combinada de Calor e Energia entrou em vigor. Pela primeira vez, concedeu subsídios para proprietários de unidades combinadas de calor e energia. Ajustes foram feitos em 2009 e 2016.
A Dinamarca desempenha um papel importante na instalação de usinas combinadas de calor e energia em toda a Europa. Já em 2005, 50% da energia gerada ali vinha de usinas combinadas de calor e energia.
Também na Alemanha, o número de unidades de cogeração para uso privado aumentou nos últimos anos. No entanto, este tipo de aquecimento ainda não é dos mais comuns. Existem razões principalmente históricas para isso. Em particular, a geração descentralizada de energia só ganhou velocidade na virada do milênio, graças à Lei de Fontes de Energia Renovável. No contexto da transição energética, as usinas combinadas de calor e energia provavelmente também desempenharão um papel cada vez mais importante.
Requisitos para instalar o aquecimento
- Se você deseja instalar uma unidade combinada de calor e energia, a temperatura de retorno do seu sistema de aquecimento deve ser inferior a 70 graus Celsius. Se for mais alto, o trocador de calor não pode mais dissipar completamente o calor do motor. Nesse caso, o sistema funciona de maneira não econômica. Se o motor ficar muito quente, o sistema também desliga.
- Outro requisito é uma conexão com o gasoduto local se um motor a gás acionar o gerador. No entanto, algumas centrais térmicas do tipo bloco também podem funcionar com gás líquido.
- Ao instalar uma usina combinada de calor e energia, dois medidores de eletricidade adicionais são necessários. Enquanto o primeiro mede a eletricidade gerada, o segundo registra a proporção que flui para a rede pública. Isso é importante, entre outras coisas, para que você receba uma tarifa feed-in da operadora da rede.
Você pode solicitar medidores de eletricidade adicionais para sua unidade combinada de calor e energia com sua operadora de rede.
Eficiência e áreas de aplicação de uma usina combinada de calor e energia
As usinas combinadas de calor e energia são usadas em residências unifamiliares e multifamiliares, empresas e instalações públicas, como escolas e piscinas. Como o período de amortização diminui com o tamanho do sistema, sistemas com uma produção de 50 quilowatts ou mais são instalados em muitos hospitais, prédios de escritórios e escolas.
Em princípio, uma usina combinada de calor e energia atinge um maior grau de eficiência do que todos os outros tipos de aquecimento devido à combinação de geração de calor e eletricidade. Se você olhar apenas para a geração de energia, a eficiência elétrica está entre 25 e 40 por cento. No entanto, uma usina combinada de calor e energia usa apenas parte da energia para produzir eletricidade. Folhas de dados e estatísticas indicam, portanto, a eficiência geral.
As usinas combinadas de calor e energia geram eletricidade com muito mais eficiência do que as usinas convencionais de carvão ou gás. Uma central térmica média atinge uma eficiência de 45 a 50 por cento. 50 a 55 por cento da energia é perdida na forma de calor. Outras perdas energéticas de 3 a 6 por cento surgem do transporte de eletricidade.
As usinas termelétricas a carvão e a gás com calor e energia combinados alcançam eficiências gerais de 86 por cento e acima. No entanto, 10 a 15 por cento do calor recuperado é perdido nos dutos longos.
O gráfico abaixo mostra por que a combinação de geração de eletricidade e calor é tão eficiente. Com 100 unidades de energia, no exemplo com uma central térmica do tipo bloco, obtém-se 36 unidades de eletricidade e 51 unidades de calor. Para a mesma quantidade de eletricidade, você teria que calcular 80 unidades de energia com uma usina convencional com uma eficiência de 45%. Um sistema de aquecimento a gás descentralizado com uma eficiência de 84% requer 60 unidades adicionais de energia para o aquecimento. O total é de 140 unidades de energia. Graças à unidade combinada de calor e energia, você economiza 40% de energia neste exemplo.
Uma usina combinada de calor e energia usa a energia de forma otimizada com perdas mínimas.
Do ponto de vista ecológico, uma central térmica do tipo bloco pode ser operada totalmente neutra em CO2 ou com baixo teor de CO2 se forem usados combustíveis como biodiesel, biogás ou pellets de madeira. Mesmo quando operada com combustíveis fósseis, uma usina combinada de calor e energia é ecologicamente correta devido ao seu alto nível de eficiência.
Quando vale a pena uma usina combinada de calor e energia? Comparação com outros aquecedores
No que diz respeito aos sistemas de aquecimento convencionais, como aquecimento a gás, a eficiência de uma unidade combinada de calor e energia é apenas ligeiramente maior à primeira vista. As caldeiras modernas alcançam uma eficiência de 90 por cento ou mais. Apenas em termos de aquecimento, as unidades combinadas de calor e energia não são necessariamente mais eficientes. A vantagem é que eles também produzem eletricidade barata ao mesmo tempo. Os proprietários economizam custos usando eletricidade mais barata.
Se uma compra vale a pena para você ou não, depende do seu consumo de calor e eletricidade. Devido aos custos de aquisição mais elevados em comparação com uma caldeira convencional, as centrais térmicas do tipo bloco são particularmente úteis para residências e instalações que têm uma demanda de calor constante durante todo o ano. Uma unidade de micro ou minicogeração deve estar em operação por pelo menos 5.000 horas por ano para funcionar economicamente.
Outros fatores que influenciam a eficiência de uma usina combinada de calor e energia são os custos de investimento, a tecnologia, os preços atuais para eletricidade e combustíveis da rede e mudanças nos programas de subsídios. Se você pretende instalar uma unidade combinada de calor e energia, recomendamos aconselhamento profissional independente. O consultor de energia fará um cálculo de comparação com você que leva todos os parâmetros em consideração.
Dica: compare a eficiência e os custos da unidade combinada de calor e energia com outros tipos de aquecimento em nossa visão geral do aquecimento compacto.
Custo de uma usina combinada de calor e energia
Os custos de uma usina térmica do tipo bloco variam dependendo do tamanho do sistema e da tecnologia instalada. Para uma usina nano combinada de calor e energia, eles começam em 15.000 euros. Para uma unidade de micro-cogeração, você deve esperar 20.000 a 25.000 euros. Não é apenas o preço de compra que é decisivo. A ligação à rede de gás e eletricidade e acessórios como o armazenamento tampão custam também vários milhares de euros.
Além dos custos de investimento, você também deve considerar os custos de manutenção ao calcular a lucratividade de uma unidade combinada de calor e energia. Para usinas térmicas do tipo nano e micro-bloco, custam entre 500 e 1.000 euros ou 3 centavos por quilowatt-hora de eletricidade gerada por ano. Os fabricantes de usinas combinadas de calor e energia geralmente oferecem contratos de manutenção completos.
Os custos operacionais de uma usina combinada de calor e energia dependem do combustível. Com uma unidade nano combinada de energia e calor movida a gás natural, o consumo é semelhante ao de um sistema de aquecimento a gás convencional, dependendo das suas necessidades. Adicionado a isso estão os custos operacionais da caldeira de pico de carga.
Regulamentos legais e financiamento
A versão atual da Lei Combinada de Calor e Energia de 2016 regula a promoção de usinas combinadas de calor e energia Inclui tanto as subvenções fixas para a instalação como a remuneração da eletricidade gerada pelo aquecimento.
Pequenas centrais térmicas do tipo bloco com uma produção de até 20 quilowatts (produção elétrica) recebem um subsídio escalonado do BAFA. Por exemplo, um sistema de 10 quilowatts custa 3.400 euros. As usinas combinadas de calor e energia particularmente eficientes com um segundo trocador de calor de gás de exaustão para utilizar o valor calorífico recebem um adicional de 25% do subsídio básico. O estado recompensa os sistemas com alta eficiência elétrica com 60% do subsídio básico.
Dica:Envie o pedido de financiamento para sua unidade combinada de aquecimento e energia até 31 de dezembro de 2020, pois este programa de financiamento irá expirar no final do ano!
O Kreditanstalt für Wiederaufbau também apóia a compra de usinas combinadas de calor e energia. Com os programas 271 e 281 para grandes centrais térmicas do tipo bloco e 270 para pequenos sistemas, concede empréstimos com taxas de juros favoráveis e anos sem reembolso que também podem cobrir os custos totais de aquisição. O programa 433 pode ser usado para minissistemas com acionamento por célula de combustível. A concessão é de até 28.200 euros por célula de combustível.
Além de pagamentos únicos e empréstimos a juros baixos no momento da compra, a Lei Combinada de Calor e Energia também fornece subsídios durante todo o tempo de operação da unidade combinada de energia e calor. Além da remuneração do operador da rede, os proprietários recebem um bônus adicional pela eletricidade fornecida à rede pública. Dependendo da produção elétrica do sistema, varia de 8 centavos por quilowatt-hora para sistemas de até 50 quilowatts de saída a 4,4 centavos por quilowatt-hora para grandes centrais combinadas de calor e energia com uma produção de mais de 250 quilowatts. A concessão é limitada a um determinado período. Com unidades de minicogeração de até 50 quilowatts, é 60.000 horas completas de uso.
