Alternativas Tecnológicas para a Geração Distribuída

Apresentação em tema: "Alternativas Tecnológicas para a Geração Distribuída"— Transcrição da apresentação:

1 Alternativas Tecnológicas para a Geração Distribuída
O Gás Natural e a Geração Distribuída Sílvia Azucena Nebra Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Estadual de Campinas

2 Geração distribuída Cogeração Sinônimos?
Não necessariamente vão juntas, mas deveriam...

3 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

4 Mas as vantagens não terminam aí.
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

5 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

6 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 proposta inteligente que leva a importantes vantagens técnicas , ambientais...e econômicas na maior parte dos casos.

7 Mais ainda do que cogeração:
CASCATA TÉRMICA → 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

8 geração com motores alternativos
Nas figuras são mostradas duas possíveis distribuições de uso de energia em sistemas de cogeração com motores de combustão interna. No caso de motores de menor porte (primeira figura, à esquerda), da energia que entra com o combustível, 30% vá para produção de energia elétrica e 50% para energia térmica. Esta energia térmica normalmente provém dos gases quentes que saem do motor, assim como da água de arrefecimento do mesmo, mais rara é a utilização da energia térmica do óleo. No sistema com motor de maior porte 9abaixo, à direita) é produzida proporcionalmente mais energia elétrica, 40%, e menos energia térmica, 40%.

9 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

10 Ciclo de refrigeração por absorção
O fluído de trabalho é uma solução, um dos componentes é o fluído resfriador e o outro é um meio de transporte: Amônia - água Água – brometo de lítio Água – cloreto de lítio O 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.

11                                                                                                                                                                                                                         FONTE:

12 FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR

13 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-SP 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: TR Energia consumida pelo shopping: MWH/Ano Início de operação: julho/2004 FONTE:

14 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

15 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

16 Vantagens ambientais da cogeração e do gás natural
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. Gás natural Diesel

17 FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR

18 Na figura é mostrado um sistema de cogeração com turbina a gás consistente numa turbina a gás e uma caldeira de recuperação. A distribuição esperável de aproveitamento da energia é como indicado, 30% é utilizado na produção de energia elétrica, 50% na produção de vapor para processo e 20% é perdido, sendo 5% na turbina a gás e 15% na caldeira de recuperação. O valor maior na caldeira de recuperação se deve a que neste valor estão computados os gases quentes de escape da caldeira.

19 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 Nestas duas figuras são apresentadas duas opções de sistemas de cogeração com vapor. A figura de cima à esquerda exemplifica um sistema de cogeração com vapor com somente uma turbina de contrapressão, como normalmente as pressões praticadas são mais baixas e não há condensação, e eficiência de geração de energia elétrica será de somente 20%, mas boa parte da energia restante, 70%, pode ser aproveitada no processo fabril. A perda é de 10 %. Na figura embaixo à direita, mostra um sistema a vapor com uma caldeira e duas turbinas, destas turbinas, a primeira delas é de contrapressão e a segunda é de condensação. O aproveitamento da energia é neste caso distribuído como mostra o desenho, % é utilizado na produção de energia elétrica, 30% na produção de calor para processo, e % é perdido, 10% na caldeira e 30% no sistema de condensação do vapor proveniente da segunda turbina.

20 A primeira figura à esquerda mostra um sistema combinado de geração de energia elétrica, consistente numa turbina a gás, caldeira de recuperação e turbina a vapor. Ele não é um sistema de cogeração em sentido estrito, já que é gerada somente energia elétrica, não há outro aproveitamento da energia. A distribuição da utilização da energia consiste em 30% de potência elétrica gerada na turbina a gás, mais 15% de potência gerada na turbina a vapor (45 % total), o restante, 55% é perdido, 5 % na turbina a vapor, 15% na caldeira de recuperação e 35% no sistema de condensação do vapor. O sistema embaixo à direita mostra um sistema do mesmo tipo do anterior, mas em lugar de uma turbina a vapor de condensação, este sistema possui uma turbina de contrapressão, o que permite aproveitar o vapor de baixa pressão numa planta industrial, por exemplo. A distribuição do uso de energia será agora diferente, a energia elétrica gerada é algo menor, 40% do total que entra, mas há um aproveitamento melhor, já que se dispõe de 40% de energia térmica, com perdas de somente 5% na turbina a gás e 15 % na caldeira de recuperação.

21 FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR

22 FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR

23 Resumo das características de Sistemas de cogeração
Este quadro e o do slide que segue reflete as características, vantagens e desvantagens dos diferentes sistemas, segundo uma série de critérios. Sistema com turbina a vapor: como já mencionado é mais adequado nos casos em que se requer uma maior quantidade de energia térmica em relação à energia elétrica. Estes sistemas têm condições de competir com os de turbina a gás em sistemas de maior porte, acima de 5 MW, e que tenham uma demanda térmica ainda maior, W/Q < 1/3. Sendo que esta última condição não é indispensável, já que é possível realizar a condensação parcial do vapor produzido, utilizando turbinas de contrapressão – condensação. Neste caso seria introduzida uma extração de vapor para processo, antes do último estágio, de condensação. Sua aplicação mais óbvia é em indústrias de processo, açucareira, papeleira, químicas, agroalimentares, etc.; sendo ainda mais vantajoso no caso em que funcione com os próprios rejeitos dessas indústrias, como pode acontecer em todos os casos antes mencionados. Típicamente são utilizados em sistemas industriais que possuem grandes redes de vapor. Cogeração com turbina a gás: se encontram no mercado turbinas a gás que variam de 30 kW (microturbinas) até 250 MW. Os gases de escape a alta temperatura podem ser utilizados diretamente para aquecimento ou secagem ou na produção de vapor em caldeiras de recuperação. Na análise de custos deve ser levado em conta que seu custo de instalação por MW é menor que o dos sistemas a vapor, mas o combustível consumido é mais nobre e portanto mais caro. Além disso, um fator importante é a diminuição do seu rendimento com o funcionamento a carga parcial, o que não as faz adequadas para sistemas com grande variação na demanda de energia elétrica.

24 Cogeração com motores alternativos: os motores de combustão interna têm a seu favor o seu elevado rendimento elétrico, seu bom comportamento a cargas parciais e em operação intermitente, e a ampla gama de potências em oferta no mercado (10 kW até 30 MW). Sua maior desvantagem é a dificuldade maior no aproveitamento da energia térmica residual, que se apresenta dividida entre os gases de escape e a água de arrefecimento. Isto limita sua utilidade à produção de água quente e vapor de baixa pressão. Os sistemas de cogeração com motores apresentam uma relação W/Q que varia entre 0,75 e 1,5. Seu campo natural de aplicação são os setores residencial e comercial, e nas indústrias com alta demanda de energia elétrica e demanda baixa de calor residual, de preferência, em fluídos a baixa temperatura.

25 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

26 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

27 Representação Esquemática
Turbina Compressor de Ar ~ Gerador Câmara de Combustão 3 1 2 4 16 17 15 Reformador Ar Água Vapor Metano Vapor + Metano Gás de Síntese Gases da Combustão Compressor de Metano 14 8 5 7 13 12 11 Evaporador Economizador 10 9 6

28 Produtos da Reforma A Reforma consiste em fazer reagir o Gás Natural (metano) com água num reformador a alta temperatura e com catalisador a base de Níquel. 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, a1 Vapor, a2 Saem: Metano Residual, b1 Monóxido de Carbono, b2 Dióxido de Carbono, b3 Hidrogênio, b4 Vapor, b5

29 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.

30 Projeto: Economia de Energia e Cogeração na UNICAMP
Órgão 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

31 Demandas do Sistema

32 Propostas apresentadas para o HC - UNICAMP

33 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

34 Tempo de retorno do investimento
Investimentos em cogeração devem ser cuidadosamente avaliados.

35 Eficiência Térmica Sistema de produção de vapor e energia elétrica:
Eficiência de primeira lei da termodinâmica Eficiência de segunda lei da termodinâmica Acima são indicadas duas definições clássicas de eficiência de primeira e segunda lei de sistemas de cogeração. Na eficiência de primeira lei, também denominada eficiência energética, são somados no numerador a potência e o calor de processo produzidos. O denominador representa a energia entregue pelo combustível. Na eficiência de segunda lei aparecem no numerador a energia elétrica/mecânica somada à exergia ou disponibilidade do fluxo de calor para processo, no denominador aparece a exergia do combustível. Como pode ver-se na terceira equação, a exergia do calor para processo pode ser calculada na base da temperatura do fluído portador da energia (gases quentes, vapor ou fluído térmico) e a temperatura ambiente (em graus Kelvin), e no caso do combustível, a sua exergia pode ser calculada por um fator (próximo da unidade) que multiplica o poder calorífico inferior. Na avaliação de sistemas de cogeração a segunda lei da termodinâmica, com o conceito de exergia, constitui-se numa poderosa ferramenta de análise, já que permite levar em conta a qualidade térmica do fluxo, além do seu valor energético.

36 Outras definições de figuras de mérito de ciclos de cogeração
Relação calor/trabalho Rendimento elétrico: Rendimento térmico: Poupança de combustível Índice de Poupança de combustível Como já discutido, a relação calor/trabalho de um sistema de cogeração define seu perfil. Os rendimentos elétrico e térmico se explicam por si só. Neste tipo de sistemas é interessante o cálculo feito mediante as equações ao pé, relativas á poupança de combustível. Nestas equações, o sistema de cogeração é comparado a dois sistemas tradicionais, um que produz somente energia elétrica, e outro que produz somente energia térmica. As eficiências destes dois sistemas são escolhidas adequadamente para facilitar a comparação. Pode ser adotado para o sistema térmico de produção de energia elétrica pode ser adotado um valor bom, algo conservador, de 40 % e para o sistema de energia térmica pode ser adotada uma eficiência de uma caldeira do mesmo combustível, se for gás natural, pode ser alta, da ordem de 90 %. O índice de poupança compara a poupança de combustível com o combustível que seria gasto utilizando os dois sistemas separados.

37 AVALiAÇÃO TERMOECONÕMICA DE UM SISTEMA DE COGERAÇÃO COM TURBINA A GÁS
Flávio Guarinello Jr Silvia A. Nebra Dep. de Energia - Faculdade de Eng. Mecânica - UNICAMP Sérgio A. A. G.Cerqueira Dep. 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 , 2000. (**)  Flávio Fernando Guarinelo Júnior, “ Avaliação Termoeconômica de um Sistema de Cogeração Proposto para um Pólo Industrial”, FEM, UNICAMP, 8 de Setembro de 1997.

38 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.

39 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

40 No esquema acima está representado um projeto de um sistema real de cogeração (*) (**) estudado por Guarinello Júnior et al. Ele consiste numa turbina a gás e uma caldeira de recuperação que produz vapor para processo e também um excedente de vapor para ser re - injetado na câmara de combustão da turbina.

41 Duas condições de operação:
Básica, com a turbina a "full" , sem injeção de vapor Produção de vapor: 37,8 t/h a 320C Com queima suplementar: + 6,1 t/h Total: 43,9 t/h STIG: com injeção de vapor na câmara de combustão Vapor suplementar p/consumo na turbina: 19,1 t/h

42 Parâmetros calculados:

43 ·       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

44 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: O critério detalhado acima foi objeto de uma audiência pública da Agência Nacional de Energia Elétrica. Tinha como objetivo definir padrões para o credenciamento de unidades cogeradoras. Uma unidade cogeradora devia ser credenciada segundo estes padrões para poder comercializar a energia elétrica produzida. Pretendia abranger a faixa de produção de 1 a 50 MW. Além disso pretendia monitorar o funcionamento eficiente destas unidades, segundo padrões que veremos a continuação. Tenho informações que o Eng. Fabiano da Rosa Carvalho trabalhou na elaboração destes critérios, com alguns colegas dos que não registrei o nome. Infelizmente, não tenho notícias que esta proposta tenha sido transformada numa regulamentação que esteja em aplicação atualmente. Aparentemente, ficou como proposta apenas.

45 Acima é mostrada a equação básica pela qual era proposto calcular a eficiência do sistema de cogeração. Cada um dos termos dela é definido a seguir: Ec = Energia disponibilizada pelo combustível ou combustíveis nos últimos doze meses, calculada em MWh, com base no poder calorífico inferior dos combustíveis utilizados; Ee = Energia eletromecânica, resultante do somatório de trabalho e energia elétrica gerados nos últimos doze meses, em MWh; Et = Energia térmica utilizada, resultante do somatório do calor consumido no processo industrial nos últimos doze meses, em MWh; X, fator de ponderação. Fc ,fator de cogeração. Valores de X e Fc são definidos pela tabela abaixo da equação. Comparando a equação proposta pela ANEEL e a definição de eficiência pela segunda lei, observamos similaridades. O fator X seria similar à inversa do fator de Carnot, sendo que o valor 2 corresponde a uma eficiência de Carnot de 50%, o 2,67 a 37,5%. O fator Fc seria a própria eficiência de segunda lei, se consideramos que a exergia do combustível é muito próxima do seu poder calorífico inferior (PCI). Também se observa, pelos valores da tabela, que são algo privilegiadas as biomassas e outras fontes alternativas, caso em que são aceitas eficiências algo menores (fator Fc menor).