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O Gás Natural e a Geração Distribuída
Alternativas Tecnológicas para a Geração Distribuída
Sílvia Azucena Nebra Faculdade de Engenharia MecânicaUniversidade Estadual de Campinas
Geração distribuída
Cogeração
Sinônimos?
Não necessariamente vão juntas, mas deveriam...
O nascimento de um novo mercado
Há poucos anos um shopping precisava modernizar seu sistema de frio.
Considerou instalar uma unidade de co-geração, ou seja, gerar a eletricidade
usada localmente e produzir o frio com "máquinas de absorção", que usam o
calor do gerador como fonte de energia.
Temendo a reação da concessionária que o atende, decidiu abandonar este
caminho e instalou apenas a máquina de absorção para operar com o calor da
queima direta do gás.
Jayme Buarque de Hollanda é diretor geral do INEE - Instituto Nacional de Eficiência
Energética e diretor do Fórum de Cogeração e Geração Distribuída.
Fonte: Jornalista Vera Longuini - www.gasnet.com.br
Com isso, a conta de eletricidade, que seria de R$ 160 mil, caiu para R$ 84
mil. Como a despesa com gás é de R$ 35 mil, o custo mensal da energia
encolheu R$ 41mil.
Uma grande vantagem, pois o investimento na transformação para o frio
com gás foi inferior ao da alternativa elétrica convencional.
Mas as vantagens não terminam aí.
Como metade do valor da conta elétrica refere-se ao uso da energia nas
66 horas da ponta, o shopping deve, em breve, gerá-la localmente, pois a
despesa com diesel é de R$ 15 mil e a redução de custo compensa o
aluguel do gerador que aumenta muito a qualidade da energia que ele
precisa.
Jayme Buarque de Hollanda é diretor geral do INEE - Instituto Nacional de
Eficiência Energética e diretor do Fórum de Cogeração e Geração Distribuída.
Fonte: Jornalista Vera Longuini - www.gasnet.com.br
Desse fato, que me foi contado pelo gerente do tal shopping, é
possível tirar muitos ensinamentos e conclusões, ...
.... Distribuída, é em muitos casos a forma mais racional de se
produzir eletricidade. Não considerar estes fatos nos levará, de
novo, a soluções caras, improvisadas e discutíveis como a que
resultou na Cia. Brasileira de Energia Emergencial - CBEE....
Jayme Buarque de Hollanda é diretor geral do INEE - Instituto Nacional de Eficiência
Energética e diretor do Fórum de Cogeração e Geração Distribuída. Fonte: Jornalista
Vera Longuini - www.gasnet.com.br
Considerando somente o aspecto técnico:
A solução encontrada não é a melhor possível.
A geração de energia elétrica poderia ser feita com um motor a
gás (óleo Diesel é mais caro),
utilizando os rejeitos de calor do motor pode ser acionado parte
do sistema de refrigeração do shopping.
Sem dúvida teriam ainda mais vantagens...
Aliar cogeração com geração distribuída é uma Aliar cogeração com geração distribuída é uma
proposta inteligente que leva a importantes proposta inteligente que leva a importantes
vantagens técnicas , ambientais...e econômicas na vantagens técnicas , ambientais...e econômicas na
maior parte dos casos.maior parte dos casos.
Mais ainda do que cogeração: Mais ainda do que cogeração:
CASCATA TÉRMICA CASCATA TÉRMICA →→ Sistemas térmicos integrados Sistemas térmicos integrados
aspectos importantes da utilização da energia e o calor,
a serem aplicados em sistemas de cogeração:
os fluxos de calor devem ser utilizados em
temperaturas próximas daquelas em que foram gerados
em plantas térmicas deve trabalhar-se com o conceito
de “cascata térmica” , fazendo os fluxos de calor
atravessar intervalos de temperatura pequenos, em cada
seção do processo
Q = 0,5
Gás quente
W = 0,30
C = 1
água óleo
Cogeração com motor de 0,1 MW
Q = 0,4
Gás quente
W = 0,4
C = 1
água óleo
Cogeração com motor de 2 MW
geração com motores alternativos
Frações energéticas de um motor Diesel em função da carga – Motor Cummins KTA50 – 1220 kW
Fonte: Ricardo W. Cruz – Tese de Doutorado – Planejamento Energético – FEM UNICAMP - Março/2004
Ciclo de refrigeração por absorçãoO fluído de trabalho é uma solução, um dos componentes é o fluído resfriador e o outro é um meio de transporte:Amônia - águaÁgua – brometo de lítioÁgua – cloreto de lítioO refrigerante é “bombeado” da região de baixa pressão para a de alta pressão.O compressor é substituído pelo conjunto de absorvedor+gerador+bomba+válvula. Alta concentração de amônia: 1,2,3,4.A dissolução de amônia em água é exotérmica, mas a dissolução é mais alta quanto menor a temperatura.A solução é bombeada para o gerador, onde é aquecida por uma fonte externa. O vapor, em equilíbrio com a solução têm alto conteúdo de amônia. É ele que vai para o condensador.
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
Iguatemi Energia S/A
Salvador/BA
Central de co-geração: 8,6 MW/10,75 MVA
Combustível: Gás Natural
Cliente: Iguatemi Energia / Shopping Iguatemi
Geração de frio: 3.600 TR
Energia consumida pelo shopping: 56.416 MWH/Ano
Início de operação: julho/2004
FONTE: WWW.KOBLITZ.COM.BR
O BNDES destinou R$ 19
milhões a Iguatemi Energia
S/A (IENSA),
O investimento total da
empresa no projeto soma R$
28 milhões
Fonte: Revista CREA-SPWWW.GASNET.COM.BR
ULBRA - Universidade Luterana do Brasil (Canoas, RS)
Recentemente, foi instalada na universidade uma planta de cogeração
de 4,4 MW, com quatro motores VHP L7042GSI da Waukesha
acionados a gás natural.
O sistema fornece simultaneamente energia elétrica, água quente,
água gelada e vapor, alcançando uma eficiência global superior a 75%.
A Planta da ULBRA foi o primeiro projeto da STEMAC como
Produtor Independente de Energia (PIE).
Pelos próximos 15 anos, a STEMAC será responsável por toda a
operação e manutenção do sistema de cogeração, sendo remunerada
pela Universidade com base no consumo de eletricidade, água gelada,
vapor e água quente.
Fonte: Waukesha Power Connection Plus, Dezembro 2002, Volume 3, Número 5
Após este período, a planta de energia se tornará propriedade da
Universidade mediante um contrato de BOOT (Built, Own, Operate and
Transfer).
O investimento total para construção do complexo de cogeração foi
em torno de US$ 6,5 milhões.
O Produtor independente de Energie (PIE), além de manter 1,1 MW
contratados com a rede concessionária para back-up do sistema,
dispõe de diversos grupos geradores diesel distribuídos pelo
campus.
A universidade planeja ser totalmente auto-suficiente, e poderá
vender energia excedente aos seus vizinhos, gerando uma economia
de cerca de 10% sobre as tarifas da concessionária de energia.
Fonte: Waukesha Power Connection Plus, Dezembro 2002, Volume 3, Número 5
Vantagens ambientais da cogeração e do gás natural
OHCOOCH 2224 22
3
OHCOOHC 222188 9182
45
Gás natural
Diesel
OHCO 22 2 1
OHCO 22 1 2
Ao ser aproveitada quase integralmente a energia do combustível, na
cogeração haverá menor emissão de CO2 para obter os mesmos produtos:
energia elétrica, vapor, efeito refrigerante, etc.
O gás natural emite comparativamente menos CO2 que outros
combustíveis.
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
W = 0,3
Q = 0,5
0,15C = 1
0,650,05
Cogeração com turbina a gás
C = 1
0,1
cogeraçãocom turbina de contrapressão
W = 0,2
Q = 0,7 C = 1
0,1
cogeraçãocom turbina de contrapressãoe condensação
W = 0,2
Q = 0,3
W = 0,1
0,3
Cogeração: Ciclos a vapor
Embora seja possível, os ciclos a vapor não são os mais adequados para uso com gás natural, somente em co-combustão
W = 0,3
0,15C = 1
0,650,05
Cogeração com ciclo combinado
W = 0,1
Q = 0,4
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
Critério Turbina a vapor
Turbina a gás Motor
Tamanho
(potência)
500 kW –
1000 MW
100 kW – 200 MW
10 kW – 50 MW
Melhor tamanho
> 10 MW 2 MW – 260 MW
< 10 MW
RWC = W/C 0,1 – 0,2 0,2 – 0,4 0,3 – 0,4
RQC = Q/C 0,5 – 0,8 0,4 – 0,7 0,4 – 0,5
Q/W < 0,3 0,4 – 1, 0 0,5 – 2,0
IPC 0,1 – 0,25 0,2 – 0,4 0,15 – 0,30
Resumo das características de Sistemas de cogeração
Critério Turbina a vapor Turbina a gás Motor
Combustível Todo tipo Líquidos e gasosos
Líquidos e gasosos
Melhor rejeitos De boa qualidade
Líquidos pesados
manutenção Cada 4000 horas Cada 4000 horas
Cada 800 horas
Tempo de partida
alto médio baixo
Qualidade da energia térmica
Vapor 100 – 300°C
Calor latente
Gases 400 – 600°C
Calor sensível
Gases 300– 500°C + água quente
Calor sensível
Carga parcial Bom comportamento
Baixa eficiência
Bom comportamento
Período de construção
2- 3 anos 0,75 a 2 anos 0,75 a 2 anos
Vida útil 25 – 35 anos 15- 20 anos 15 – 25 anos
TRIGERAÇÃO A PARTIR DO GÁS NATURAL: ELETRICIDADE, VAPOR
PARA PROCESSO E PRODUTOS QUÍMICOS
Lourenço Gobira Alves
Silvia Azucena Nebra
Departamento de Energia
Faculdade de Engenharia Mecânica
Universidade Estadual de Campinas
Apresentação no Congresso Gás Brasil - 2003
Melhor aproveitamento do Gás Natural
Produção de Eletricidade aliada a duas commodities: Vapor para processo e Gás de Síntese.
Mediante o gás de síntese se produz hidrogênio, metanol, acetileno.
Cogeração sem necessidade de equipamentos adicionais num ciclo de alta eficiência energética.
Redução de Custos
Representação Esquemática
TurbinaGerador
Câmara de Combustão
Reformador
Evaporador Economizador
78
13
12
109
5
6
1 2
15
34
11
14
Compressor de Ar
Compressor de Metano
ArÁguaVaporMetanoVapor + MetanoGás de SínteseGases da Combustão
~
1716
Produtos da Reforma
1 CH4 + 2 H2O 1 CH4 + 2 CO + 3 CO2 + 4 H2 + 5 H2O
Entra a mistura de Gás e Vapor de proporção determinada
Entram: Metano, 1
Vapor, 2
Saem: Metano Residual, 1
Monóxido de Carbono, 2
Dióxido de Carbono, 3
Hidrogênio, 4
Vapor, 5
A Reforma consiste em fazer reagir o Gás Natural (metano) com água num reformador a alta temperatura e com catalisador a base de Níquel.
Resultados da planta com Cogeração
A planta pode operar extraindo 10% do total de Gás que sai do Reformador e 20% do Vapor produzido no Evaporador.
Com este nível de produção de Gás de Síntese e Vapor a planta produz 5,45kWh de energia elétrica por kg de Gás Natural.
Projeto: Economia de Energia e Cogeração na UNICAMPÓrgão centralizador: Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético
(NIPE) - UNICAMP.
Órgão financiador : FINEP (CT-Infra), Primeira fase: Dezembro/2001 a
Fevereiro/2002. Segunda fase: Dezembro / 2002 a Dezembro / 2004.
Coordenador: Prof. Dr. Luis Augusto Cortez .
Cogeração com Gás Natural: Metodologia de Seleção e Avaliação
Econômica para um Hospital
Raúl Gonzales, Silvia A. Nebra, Arnaldo C. Walter
IV Congresso Brasileiro de Planejamento Energético
15 a 16 de Março, 2004 , Itajubá, MG, Brasil.
Denílson Espírito Santo, Rodrigo M. Leme
Demanda de Eletricidade do HC-Unicamp
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Horas
De
ma
nd
a d
e
ele
tric
ida
de
(kW
)
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Horas
Dem
and
a d
e V
apo
r (k
g/h
)
Demandas do Sistema - 2001
200
250
300
350
400
450
500
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Horas
Car
ga
Tér
mic
a (T
R´s
)
EMPRESA Máquina motora Caldeira
recuperação Chiller
absorção Investimento inicial (US$)
2 x MCI Caterpillar vapor saturado
10 bar 1.730.000
IBERESE S.A. 810 kWe (cada) +/- 1300 kg/h
Simples efeito 250
TR's
3 x MCI Caterpillar vapor saturado
10 bar 2.381.000
810 kWe (cada) +/- 2000 kg/h
Simples efeito 380
TR's
TG Pratt & Whitney
ST-30 vapor saturado
8 bar 4.067.980
3300 kWe (ISO) 6948 kg/h duplo efeito
800 TR's UNIÃO 2350 kWe;
Engenharia TG Pratt & Whitney
ST-40 vapor saturado
8 bar 4.206.319
4000 kWe (ISO) 8154 kg/h duplo efeito
800 TR's 2951 kWe
2 x MCI vapor saturado
8 bar 3.528.520,44
Koblitz 1750 kWe (cada) 3000 kg/h simples efeito
290 TR's
TG GE PGT5 vapor saturado
10 bar ------- 5.848.858,17 Stemaq 5000 kWe (ISO) 12100 kg/h
Propostas apresentadas para o HC - UNICAMP
Avaliação econômica: condições
Foi considerada tarifa A4 de energia elétrica.
Considerou-se que o excesso de energia podia ser absorvido pela
UNICAMP.
No caso em que o vapor gerado não fosse suficiente, ele seria gerado
pelo sistema atualmente em uso.
Se a demanda de água gelada não pudesse ser atendida pelo sistema
de absorção, o resfriamento faltante seria atendido pelo sistema
compressão atual (por compressão).
Foram consideradas as despesas de operação e manutenção, e foram
consideradas as receitas por compra de energia evitada.
Dados de Junho / 2002
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15
Custo de Gas Natural (US$/m³)
IB-1
IB-2
UN-1
UN-2
KO-1
ST-1
Tempo de retorno do investimento
Investimentos em cogeração devem ser cuidadosamente avaliados.
Eficiência Térmica
PCImQW
comb
Sistema de produção de vapor e energia elétrica:
Eficiência de primeira lei da termodinâmica
Eficiência de segunda lei da termodinâmica
PCIm
TTQW
comb
1 0
Outras definições de figuras de méritode ciclos de cogeração
Relação calor/trabalho
QW
RQW
Rendimento elétrico:
PCImW
RWCc
Rendimento térmico:
PCImQ
RQCc
Poupança de combustível
CQW
CCCQW
*
Índice de Poupança de combustível
QW
* QWC
C
CIPC
1
separada geração com lcombustíve de azãovC*
AVALiAÇÃO TERMOECONÕMICA DE UM SISTEMA DE COGERAÇÃO
COM TURBINA A GÁS
Flávio Guarinello Jr Silvia A. NebraDep. de Energia - Faculdade de Eng. Mecânica - UNICAMP
Sérgio A. A. G.CerqueiraDep. de Mecânica- FUNREI
(*) Guarinello Júnior, Flávio, Cerqueira, Sérgio, A A G and Nebra, Silvia A. ; "Thermoeconomic Evaluation of a Gas Turbine Cogeneration System"; Energy Conversion and Management, V.41, p. 1191-1200, 2000.
(**) Flávio Fernando Guarinelo Júnior, “ Avaliação Termoeconômica de um Sistema de Cogeração Proposto para um Pólo Industrial”, FEM, UNICAMP, 8 de Setembro de 1997.
OBJETIVOS
Foi analisada uma proposta de um sistema de cogeração a ser instalado no distrito industrial em Cabo (Pernambuco) numa planta da Refinações de Milho Brasil. Foi realizada uma análise termodinâmica, aplicando a primeira e segunda lei. Foram determinados os custos monetários do sistema, utilizando a teoria do custo exergético.
Dados do Sistema Turbina a gás + caldeira de recuperação Turbina: General Electric LM-2500 PE
Aeroderivativa Turbina p/acionar compressor
Turbina de potência Caldeira de recuperação: dois níveis de pressão Tem: desaereador, tanque "flash", atemperador Demanda interna de energia elétrica: 5 MW
Duas condições de operação:
Básica, com a turbina a "full" , sem injeção de vaporProdução de vapor: 37,8 t/h a 320C Com queima suplementar: + 6,1 t/h Total: 43,9 t/h
STIG: com injeção de vapor na câmara de combustãoVapor suplementar p/consumo na turbina: 19,1 t/h
Parâmetros calculados:
caloríficopoder x lcombustive vazão
vaporenergiapotênciaFUE
caldeiratérmica
potênciacaloríficopoder x lcombustive vazão
útilcalor
ESI
planta
Parametro STIG Simple
Eficiência de Geração Elétrica (o) 0.28 0.31
Eficiência Térmica Caldeira HRSG 0.71 0.84
Fator de Utilização de Energia 0.72 0.84
Índice de poupança de energia (ESI) 0.81 0.71
Relação Potência/Calor (PHR) (KJ/kWh) 0.64 0.56
Custos estimados do sistema (em dólares - 1999)
Turbina: $ 10,2 milhões
Gerador: $ 2,09 milhões
Equipamentos auxiliares: $0,3 milhões
Caldeira: $1,663 milhões
Construção: $ 5,512 milhões
de manutenção: 2% do custo de capital
Critério proposto pela ANEEL em audiência pública No. 004/1999
Art. 5o As centrais de cogeração, para fins de enquadramento
na modalidade de “cogeração qualificada” deverão satisfazer
aos seguintes requisitos:
I – estar regularizadas perante a Agência Nacional de Energia
Elétrica – ANEEL, atendendo ao disposto na Resolução ANEEL
no 112, de 18 de maio de 1999 e legislação específica.
II – possuir potência elétrica instalada maior ou igual a 1 MW e
menor ou igual a 50 MW.
III–atender aos requisitos mínimos de racionalidade energética,
observando-se a fórmula seguinte:
Combustível Principal
Potência Instalada l Derivados de Petróleo, Gás Natural e Carvão
Demais Fontes
X Fc X Fc
Maior ou igual a 1 MW e inferior ou igual a 5 MW
2,67 0,35 2,67 0,32
Maior que 5 MW e inferior ou igual a 20 MW
2,29 0,41 2,29 0,37
Maior que 20 MW e inferior ou igual a 50 MW
2,00 0,47 2,00 0,42
FcEc
X/EtEe
PCIm
TTQW
comb
1 0