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

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1 O Gás Natural e a Geração Distribuída Alternativas Tecnológicas para 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 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

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+válvul a. 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:

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13 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: 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

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 Gás natural Diesel Ao ser aproveitada quase integralmente a energia do combustível, na cogeração haverá menor emissão de CO 2 para obter os mesmos produtos: energia elétrica, vapor, efeito refrigerante, etc. O gás natural emite comparativamente menos CO 2 que outros combustíveis.

17 FONTE:

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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

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23 Resumo das características de Sistemas de cogeração

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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 Gerador Câmara de Combustão Reformador Evaporador Economizador Compressor de Ar Compressor de Metano Ar Água Vapor Metano Vapor + Metano Gás de Síntese Gases da Combustão ~ 17 16

28 Produtos da Reforma 1 CH H 2 O 1 CH CO + 3 CO H H 2 O 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.

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 / 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

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

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 , (**) 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

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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 ) 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. 5 o 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 n o 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:

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