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