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Cap.8 - Energia de Combustíveis fósseis Combustíveis fósseis Gás Natural Óleo diesel Centrais térmicas a ciclo combinado (efic.=50%) - Sistemas isolados.

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1 Cap.8 - Energia de Combustíveis fósseis Combustíveis fósseis Gás Natural Óleo diesel Centrais térmicas a ciclo combinado (efic.=50%) - Sistemas isolados - Grupo geradores de emergência (efic.=30%) PCI = kcal/Nm 3 R = / 18,27 = 455 J/kg.K = / (455 x 293,15) = 0,759 kg/Nm 3 PCI = kJ/Nm 3 PCI = kJ/kg PCI = kcal/kg = 830 kg/m 3 PCI = kJ/kg

2 8.1 – Centrais térmicas a gás natural

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5 8.1.1 – Análise econômica de uma Central a Gás Natural Energia Química do Combustível Central Térmica Energia Elétrica Energia térmica Exemplo de balanço energético: Central de 100 MW (balanço anual) EE= MWh/ano (indisponibilidade = 5,0%) EE= 100 MW x 8760 h/ano 1 MWh = 10 6 J/s x s = 3, J EQC = 1, x 3, J (térmico)/ano EQC = 5,99 x 10 9 MJ (térmico)/ano Para eficiência = 50% => EQC = /0,50 MWh/ano EQC = MWh(térmico)/ano EQC = 5,99 x J (térmico)/ano QC 357 ton / dia QC 170 milhões Nm 3 / ano PCI = 46,5 MJ/kg => Gás Natural QC = kg/ano QC ton /mês QC 357 ton / dia QC 170 milhões Nm 3 / ano

6 Combustível Central Térmica Energia elétrica EE$= R$ 140,00 x MWh/ano EE$= R$ ,00 / ano Para um custo unitário de R$ 1.500,00 /kW Custo de Central = R$ 150 milhões FRC=0,149 para i=8% e n=10 anos Amortização = R$ 22,35 milhões /ano Amortização = R$ ,00/ano Custo de operação e manutenção = R$ 10,00 a R$ 20,00 / kW / mês C.O.M. = R$ ,00 / ano Restante = R$ ,00 /ano QC = Nm 3 /ano Combustível = R$ ,00 /ano Custo do combustível = R$ 0,31 / Nm 3 (máx.) Impostos = 10% do faturamento Impostos = R$ / ano Lucro = 15 % do faturamento Lucros = R$ / ano Total = R$ ,00 /ano

7 Preço = US$ 7,1 por milhão de BTU 1 BTU = 1,055 kJ => 10 6 BTU = 1,055 x 10 6 kJ Preço = US$ 7,1 / 1,055 x 10 6 kJ PCI = kJ/Nm 3 Preço = (7,1 / 1,055 x 10 6 ) x [US$/kJ] x [kJ/Nm 3 ] Preço = US$ 0,24 por Nm 3 Preço = R$ 0,40 por Nm 3

8 8.2 – Grupo gerador a Diesel - Sistemas isolados - Grupo geradores de emergência - Substituição em horário de ponta

9 Curva de carga de um sistema isolado = Potência % - tempo (h) Fator de capacidade = 0,546 % Potência instalada = 1 MW Energia total = 0,546 x 1 MW x 24 h / dia = 13,1 MWh FC = 13,1 / 24 = 0,546 %

10 8.2.1 – Análise econômica de uma Central a Diesel Energia Química do Combustível Central Térmica Energia Elétrica Energia térmica Exemplo de balanço energético: Central de 1 MW (balanço anual) EE= MWh/ano EE= 13,1 x 365 MWh/ano 1 MWh = 10 6 J/s x s = 3, J EQC = 1, x 3, J (térmico)/ano EQC = 5,72 x 10 7 MJ (térmico)/ano Para eficiência = 30% => EQC = / 0,30 MWh/ano EQC = MWh(térmico)/ano EQC = 5,72 x 10 7 MJ (térmico)/ano QC 3,72 ton / dia QC lit / dia PCI = 42,6 MJ/kg => Óleo Diesel QC = kg/ano QC 111,89 ton /mês QC 3,72 ton / dia QC lit / ano

11 Combustível Central Térmica Energia elétrica Para um custo unitário de R$ 1.400,00 /kW Custo de Central = R$ 1,4 milhões FRC=0,149 para i=8% e n=10 anos Amortização = R$ ,00 /ano Custo Combustível = R$ ,00 /ano QC = lit /ano Combustível = R$ ,00 /ano Custo do combustível = R$ 2,00 / lit. EE$= R$ 746,00 x MWh/ano EE$= R$ ,00 / ano Impostos = R$ 0,00 / ano Impostos = R$ 0 / ano Lucros = R$ 0,00 / ano Lucros = R$ 0 / ano Total = R$ ,00 /ano Custo de operação e manutenção = R$ 10,00 a R$ 20,00 / kW / mês C.O.M. = R$ ,00 / ano Total = R$ ,00 /ano Custo de geração R$ 745,00 / MWh

12 Cap. 11 – Eficiência Energética Eficiência energética Iluminação Uso de inversores de frequência em Compressores, bombas e ventiladores Redução até 20% - Troca de lâmpadas => Redução = 15% Motores elétricos - Alta eficiência => Redução = 10% Isolamento Térmico - Novos materiais => Redução = 10% =>

13 11.1 – Co-geração Em poucas palavras, co-geração é a ampliação de uma instalação existente de geração de vapor para processo, visando a geração de energia elétrica em ciclo fechado. Perdas Caldeira Vapor Combustível Perdas Processo Industrial Retorno do condensado

14 Caldeira a lenha T = 85 % Vapor Lenha P TL = kWP TV = kW PCI = Mcal/mst m L = 8,73 mst/h P PC = kW h = kJ/kg m V = 7,74 kg/s m V = 27,8 t/h Perdas Fluxo energético da caldeira Geração de vapor

15 Análise da geração de vapor Caldeira a lenha Lenha Vapor Processo Gases da combustão 1 Bomba dágua 2 3 Água fria Diagrama T-h da geração de vapor e processo: 1 2 T h 174 o C 3 8 [kgf/cm 2 ]

16 Proposição para a geração de vapor Caldeira Turbina e gerador Lenha Processo Bomba de água Vapor Gases da combustão Água fria 4 E.Elétrica Diagrama T-h da co-geração 1 3 T 253 o C 4 42 [kgf/cm 2 ] 386 o C 2 h

17 Gerador: kVA Turbina a vapor: pressão de entrada: 42 kgf/cm 2 pressão de saída: 6 kgf/cm 2 temperatura de entrada: C Caldeira: Capacidade: 30 t/h Pressão de 12 kgf/cm 2 para 42 kgf/cm 2 Exemplo de planta de co-geração

18 Condições termodinâmicas na turbina a vapor Turbina a vaporEntradaSaída (isoentrópica)Saída Pressão absoluta4,2 MPa0,68 MPa Temperatura420 0 C181,5 0 C221,4 0 C Entalpia3.257 KJ/kg2.804 KJ/kg2.871 KJ/kg Entropia6,812 KJ/kg.K 6,954 KJ/kg.K Consumo de vapor na turbina à 80% da capacidade Turbina a vapor Diferença de entalpia do vapor386 KJ/kg Potência de eixo2.842 kW Rendimento mecânico95 % Potência térmica2.991,5 kW Vazão de vapor7,74 kg/s Vazão de vapor27,9 ton/h

19 A geração média mensal em co-geração considerando regime permanente de funcionamento à 80 % da capacidade será de 2,7 MW vezes 720 horas, ou seja, MWh por mês. Exemplo de planta de co-geração

20 O acréscimo em comparação com a situação inicial é de somente R$28.000,00/mês ou seja, a diferença entre o consumo de lenha ( mst/ano equivalente a mst/mês) multiplicado pelo valor do mst de lenha (R$24,00). Nestas condições, considerando apenas o acréscimo das despesas com o combustível (lenha), tem-se o custo da energia gerada estimado em R$ 14,40 por MWh. Exemplo de planta de co-geração

21 11.2 – Tri-geração O conceito de tri-geração envolve a geração de energia elétrica, vapor (calor) e frio em um sistema. Existe também a possibilidade de utilização de ciclos de refrigeração por absorção para o aproveitamento de fluxos de gases quentes (com temperaturas da ordem de 100 a C), como os fluxos dos gases de combustão de caldeiras, gerando efeito frigorífico em evaporadores.

22 Fluxo energético da caldeira com ciclo de absorção Caldeira a lenha T = 85 % Vapor Lenha P TL = kW = Mcal/h P TV = kW = Mcal/h PCI = Mcal/mst m L = 10,33 mst/h h = kJ/kg m V = 7,74 kg/s Perdas Ciclo de absorção P TCA = kW = Mcal/h Q EVA = kW = Mcal/h Atmosfera Q = Mcal/h Tri-geração

23 11.3 – Inversores de frequência Técnico Inversores de frequência Sistema de bombeamento Sistema de refrigeração Econômico Análise de viabilidade Geral Potencial de redução de consumo de energia elétrica

24 Potencial de redução de custos Dentro do setor industrial mais da metade do consumo de energia elétrica é devido ao uso de motores elétricos, acionando diversos tipos de máquinas : Bombas hidráulicas, ventiladores, trituradores, misturadores, compressores, máquinas ferramentas e etc..

25 O consumo de energia elétrica pelos motores é proporcional às cargas mecânicas das máquinas acionadas. A carga mecânica de uma máquina é, em geral, proporcional ao cubo da rotação desta máquina. Potencial de redução de custos

26 Instalação de bombeamento Potencial de redução de custos Bomba e Motor Válvula Medidor de vazão Controlador

27 Instalação de bombeamento controle de vazão por fechamento de válvula Bomba e Motor Curva da bomba (em rotação constante) H H-total Vazão Válvula Curva do sistema hidráulico (válvula 100% ) Q 100 Curva do sistema hidráulico (válvula 50% ) Q 50

28 Perdas no motor Perdas na bomba Perdas na válvula Potência útil que produz escoamento Potência elétrica fornecida Controle por fechamento de válvula (bomba em rotação constante) Percentual da vazão PotênciaPotência

29 Em geral, pode-se aplicar a análise para vários sistemas: Instalações de bombeamento: > Água de caldeira (geração de vapor e ciclos) > Produtos líquidos em processos químicos > Sistemas de resfriamento com água ou outros líquidos Instalações de ventilação: > Ar para caldeira (geração de vapor e ciclos) > Sistemas de exaustão > Sistemas de ar-condicionado

30 Inversores de Frequência 50 cm 1 CV 3 CV 7 CV

31 Inversores de Frequência Fonte CA Frequência e Tensão Constante Retificador Tensão CC Constante ou Variável Inversor Regulador Referência de Rotação da Carga Motor Potência CA Frequência e Tensão Variável Diagrama de blocos simplificado

32 Inversores de Frequência Sinal de Entrada 0 a 10 Vcc = Rotação 3~ Controlador

33 Instalação de bombeamento controle de vazão por rotação do motor elétrico Bomba e Motor Curva da bomba (em rotação 100%) H H-total Vazão Válvula Curva do sistema hidráulico (válvula 100% - on-off ) Q 100 Q 50 Curva da bomba (em rotação 50%)

34 Percentual da vazão PotênciaPotência Controle de vazão por rotação do motor / bomba Redução de Potência Potência útil que produz escoamento Perdas no motor, na bomba e no inversor. Potência elétrica em rotação variável Potência elétrica em rotação constante

35 Controle de vazão por rotação do motor / bomba Percentual da vazão PotênciaPotência Observa-se do gráfico que: Quanto maior for o tempo em que a bomba opere em condições de vazões abaixo da capacidade máxima, maior será a quantidade de energia possível de ser reduzida, através do uso de inversor de frequência.

36 Sistemas de Refrigeração: Potencial de redução de custos > Câmaras frigoríficas > Ar-condicionado

37 Câmara Frigorífica Produtos Evaporador Condensador Válvula Motor Elétrico Compressor Ciclo Frigorífico Sensor Sistema de Controle Atuador

38 Ciclo Frigorífico

39 Fluidos Refrigerantes: Amônia, R304 e outros T s Diagrama T-s

40 Diagrama de Blocos do Sistema TRTR TCTC E ControleControle Compressor e Circuito Frigorífico Distúrbio Térmico do Ambiente T AMB Câmara e Produto Q EVAP Q AMB InversorInversor Sinal Erro : E = T

41 Tipos de Controle : 1) ON - OFF * Se T > 2 0 C => = 1790 RPM ** Se T = 0 Vantagens : Facilmente implementado ( termostato ) Barato Desvantagens : Partidas bruscas (maior consumo de energia) Menor vida útil do compressor (fadiga de material)

42 2) PID ( Proporcional - Integral - Derivativo ) : O sinal atuante é obtido a partir do sinal erro através da soma de três parcelas : i) E K - proporcional ao sinal erro ; ii) E I - proporcional a integral do sinal erro ; iii) E D - proporcional a derivada do sinal erro. 3) Potencial : O sinal atuante é obtido do sinal erro pela equação: En = Kc T - 1 Tipos de Controle :

43 Simulação Numérica: Produto: Carne Cp = KJ / kg.K Massa = kg Fluido refrigerante : Amônia n = 1,297 Compressor :Volume = 1 litro = 0,001 m 3 Relação de espaço morto = 4 % Rotação = 1790 RPM Obs: Quando o PRODUTO atinge a temperatura de 2 0 C coloca-se na câmara nova carga de kg.

44 Temperatura do Produto dias 0C0C Controle PID 26 cargas em 7 dias

45 Temperatura do Produto Controle On-Off 23 cargas em 7 dias dias 0C0C

46 Temperatura do Produto Controle Potencial 21 cargas em 7 dias dias 0C0C

47 Consumo de Energia Potencial : 1,8 MWh / 21 cargas = 85,7 kWh / carga dias MWh PID : 2,8 MWh / 26 cargas = 107,7 kWh / carga On-Off : 2,3 MWh / 23 cargas = 100,0 kWh / carga

48 Consumo de Energia Global (kWh) : On-Off = 100 % Potencial = 78,3 % PID = 121,7 % Específico (kWh/kg) : On-Off = 100 % Potencial = 85,7 % PID = 107,7 %

49 Redução de consumo (7 dias) = 2,3 – 1,8 = 0,5 MWh Redução de consumo mensal = kWh = 2 MWh Redução de custo mensal = 2. R$ 100,00 = R$ 200,00 Análise simplificada de viabilidade Custo do conversor e instalação de 20 CV = R$ 8.000,00 Tempo de retorno = 8.000/200 = 40 meses = 3,3 anos

50 Para avaliar corretamente a possibilidade de redução de consumo, e o seu grau de viabilidade (tempo de retorno, TIR e etc.) é necessário conhecer os regimes de funcionamento do sistema. É possivel obter redução significativa do consumo de energia implementando equipamentos de controle de rotação de motores elétricos


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