Cap.8 - Energia de Combustíveis fósseis

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1 Cap.8 - Energia de Combustíveis fósseis
PCI = kcal/Nm3 R = / 18,27 = 455 J/kg.K = / (455 x 293,15) = 0,759 kg/Nm3 PCI = kJ/Nm3 PCI = kJ/kg Gás Natural Centrais térmicas a ciclo combinado (efic.=50%) Combustíveis fósseis PCI = kcal/kg = 830 kg/m3 PCI = kJ/kg Óleo diesel - Sistemas isolados - Grupo geradores de emergência (efic.=30%)

2 8.1 – Centrais térmicas a gás natural

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5 Exemplo de balanço energético: Central de 100 MW (balanço anual)
8.1.1 – Análise econômica de uma Central a Gás Natural 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 = 106 J/s x s = 3,6 109 J EQC = 1, x 3,6 109 J (térmico)/ano EQC = 5,99 x 109 MJ (térmico)/ano Para eficiência = 50% => EQC = /0,50 MWh/ano EQC = MWh(térmico)/ano EQC = 5,99 x 1015 J (térmico)/ano Energia Química do Combustível Energia Elétrica Central Térmica QC  357 ton / dia QC  170 milhões Nm3 / ano PCI = 46,5 MJ/kg => Gás Natural QC = kg/ano QC  ton /mês Energia térmica

6 Central Térmica Combustível Energia elétrica
EE$= R$ 140,00 x MWh/ano EE$= R$ ,00 / ano Restante = R$ ,00 /ano QC = Nm3 /ano Combustível = R$ ,00 /ano Custo do combustível = R$ 0,31 / Nm3 (máx.) Central Térmica Combustível Energia elétrica 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 Impostos = 10% do faturamento Impostos = R$ / ano Lucro = 15 % do faturamento Lucros = R$ / 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

7 Preço = US$ 7,1 por milhão de BTU
1 BTU = 1,055 kJ => 106 BTU = 1,055 x 106 kJ Preço = US$ 7,1 / 1,055 x 106 kJ PCI = kJ/Nm3 Preço = (7,1 / 1,055 x 106) x [US$/kJ] x [kJ/Nm3] Preço = US$ 0,24 por Nm3 Preço = R$ 0,40 por Nm3

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

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

10 Exemplo de balanço energético: Central de 1 MW (balanço anual)
8.2.1 – Análise econômica de uma Central a Diesel Exemplo de balanço energético: Central de 1 MW (balanço anual) 1 MWh = 106 J/s x s = 3,6 109 J EQC = 1, x 3,6 109 J (térmico)/ano EQC = 5,72 x 107 MJ (térmico)/ano Para eficiência = 30% => EQC = / 0,30 MWh/ano EQC = MWh(térmico)/ano EE= MWh/ano EE= 13,1 x 365 MWh/ano Energia Química do Combustível Energia Elétrica Central Térmica QC  3,72 ton / dia QC  lit / dia PCI = 42,6 MJ/kg => Óleo Diesel QC = kg/ano QC  111,89 ton /mês QC  lit / ano Energia térmica

11 Central Térmica Combustível Energia elétrica
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 Combustível = R$ ,00 /ano QC = lit /ano Combustível = R$ ,00 /ano Custo do combustível = R$ 2,00 / lit. Central Térmica Combustível 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 Amortização = 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
Iluminação - Troca de lâmpadas => Redução = 15% Motores elétricos - Alta eficiência => Redução = 10% Eficiência energética Isolamento Térmico - Novos materiais => Redução = 10% Uso de inversores de frequência em Compressores , bombas e ventiladores Redução até 20% =>

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 Processo Industrial Retorno do condensado

14 Fluxo energético da caldeira
Geração de vapor Fluxo energético da caldeira PPC = kW Perdas h = kJ/kg mV = 7,74 kg/s mV = 27,8 t/h  PCI = Mcal/mst mL = 8,73 mst/h  Caldeira a lenha Vapor Lenha T = 85 % PTL = kW PTV = kW

15 Diagrama T-h da geração
Análise da geração de vapor Caldeira a lenha Lenha Vapor Processo Gases da combustão 1 Bomba d’água 2 3 Água fria Diagrama T-h da geração de vapor e processo: 1 2 T h 174 oC 3 8 [kgf/cm2]

16 Proposição para a geração de vapor
Diagrama T-h da co-geração 1 3 T 253 oC 4 42 [kgf/cm2] 386 oC 2 h Caldeira Turbina e gerador Lenha Processo Bomba de água Vapor Gases da combustão 1 2 3 Água fria 4 E.Elétrica

17 Exemplo de planta de co-geração
Gerador: kVA Turbina a vapor: pressão de entrada: 42 kgf/cm2 pressão de saída: 6 kgf/cm2 temperatura de entrada: 420 0C Caldeira: Capacidade: 30 t/h Pressão de 12 kgf/cm2 para 42 kgf/cm2

18 Condições termodinâmicas na turbina a vapor
Entrada Saída (isoentrópica) Saída Pressão absoluta 4,2 MPa 0,68 MPa Temperatura 420 0C 181,5 0C 221,4 0C Entalpia 3.257 KJ/kg 2.804 KJ/kg 2.871 KJ/kg Entropia 6,812 KJ/kg.K 6,954 KJ/kg.K Consumo de vapor na turbina à 80% da capacidade Turbina a vapor Diferença de entalpia do vapor 386 KJ/kg Potência de eixo 2.842 kW Rendimento mecânico 95 % Potência “térmica” 2.991,5 kW Vazão de vapor 7,74 kg/s 27,9 ton/h

19 Exemplo de planta de co-geração
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.

20 Exemplo de planta de co-geração
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.

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 150 0C), como os fluxos dos gases de combustão de caldeiras, gerando efeito frigorífico em evaporadores.

22 Fluxo energético da caldeira com ciclo de absorção
Tri-geração Fluxo energético da caldeira com ciclo de absorção Caldeira a lenha T = 85 % Vapor Lenha PTL = kW = Mcal/h  PTV = kW = Mcal/h PCI = Mcal/mst mL = 10,33 mst/h h = kJ/kg mV = 7,74 kg/s Perdas Ciclo de absorção PTCA = kW = Mcal/h QEVA = kW = Mcal/h Atmosfera Q = Mcal/h

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

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 Potencial de redução de custos
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.

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

27 Instalação de bombeamento controle de vazão por fechamento de válvula
Curva do sistema hidráulico (válvula 50% ) Q50 Bomba e Motor Curva da bomba (em rotação constante) H H-total Vazão Válvula Curva do sistema hidráulico (válvula 100% ) Q100

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

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 Diagrama de blocos simplificado
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

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

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 Q50 Curva da bomba (em rotação 50%) Válvula Curva do sistema hidráulico (válvula 100% - on-off ) Q100

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

35 por rotação do motor / bomba
Controle de vazão por rotação do motor / bomba 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. Po tência Percentual da vazão

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

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

38 Ciclo Frigorífico

39 Fluidos Refrigerantes:
Ciclo Frigorífico 4 3 1 2 4 3 T s Diagrama T-s 35 -10 45 2 1 Fluidos Refrigerantes: Amônia , R304 e outros

40 Diagrama de Blocos do Sistema
+ - TR TC E w Controle Compressor e Circuito Frigorífico Distúrbio Térmico do Ambiente TAMB Câmara Produto QEVAP QAMB Inversor Sinal Erro : E = DT

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

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

43 Simulação Numérica: Fluido refrigerante : Amônia n = 1,297
Produto: Carne Cp = KJ / kg.K Massa = kg Compressor : Volume = 1 litro = 0,001 m3 Relação de espaço morto = 4 % Rotação = 1790 RPM Obs: Quando o PRODUTO atinge a temperatura de 2 0C coloca-se na câmara nova carga de kg.

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

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

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

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

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 Análise simplificada de viabilidade
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 Custo do conversor e instalação de 20 CV = R$ 8.000,00 Tempo de retorno = 8.000/200 = 40 meses = 3,3 anos

50 É possivel obter redução significativa do consumo de energia implementando equipamentos de controle de rotação de motores elétricos 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.