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 = 8.450 kcal/Nm3

RTp R = 8.314 / 18,27 = 455 J/kg.K

= 101.325 / (455 x 293,15)= 0,759 kg/Nm3

PCI = 35.321 kJ/Nm3

PCI = 46.536 kJ/kg

PCI = 10.200 kcal/kg

= 830 kg/m3

PCI = 42.636 kJ/kg

8.1 – Centrais térmicas a gás natural

8.1.1 – Análise econômica de uma Central a Gás Natural

EnergiaQuímica doCombustível

CentralTérmica

EnergiaElétrica

Energiatérmica

Exemplo de balanço energético: Central de 100 MW (balanço anual)

EE= 832.200 MWh/ano (indisponibilidade = 5,0%)

EE= 100 MW x 8760 h/ano

1 MWh = 106 J/s x 3.600 s = 3,6 109 J

EQC = 1,66 106 x 3,6 109 J (térmico)/ano

EQC = 5,99 x 109 MJ (térmico)/ano

Para eficiência = 50% => EQC = 832.200/0,50 MWh/ano

EQC = 1.664.400 MWh(térmico)/ano

EQC = 5,99 x 1015 J (térmico)/ano

QC 357 ton / dia

QC 170 milhões Nm3 / ano

PCI = 46,5 MJ/kg => Gás Natural

QC = 128.817.204 kg/ano QC 10.735 ton /mês QC 357 ton / dia

QC 170 milhões Nm3 / ano

Combustível CentralTérmica

Energiaelétrica

EE$= R$ 140,00 x 832.200 MWh/ano EE$= R$ 116.500.000,00 / ano

EE$= R$ 116.500.000,00 / 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$ 22.350.000,00/ano

Custo de operação e manutenção = R$ 10,00 a R$ 20,00 / kW / mês

C.O.M. = R$ 12.000.000,00 / ano

C.O.M. = R$ 12.000.000,00 / ano

Restante = R$ 53.025.000,00 /ano QC = 170.000.000 Nm3 /ano

Combustível = R$ 53.025.000,00 /ano

Custo do combustível = R$ 0,31 / Nm3 (máx.)

Impostos = 10% do faturamento Impostos = R$ 11.650.000 / ano

Impostos = R$ 11.650.000 / ano

Lucro = 15 % do faturamento Lucros = R$ 17.475.000 / ano

Lucros = R$ 17.475.000 / ano

Total = R$ 63.475.000,00 /ano

Total = R$ 63.475.000,00 /ano

Preço = US$ 7,1 por milhão de BTU1 BTU = 1,055 kJ => 106 BTU = 1,055 x 106 kJ

Preço = US$ 7,1 / 1,055 x 106 kJPCI = 35.321 kJ/Nm3

Preço = (7,1 / 1,055 x 106) x 35.321 [US$/kJ] x [kJ/Nm3]Preço = US$ 0,24 por Nm3

Preço = R$ 0,40 por Nm3

8.2 – Grupo gerador a Diesel

- Sistemas isolados- Grupo geradores de emergência- Substituição em horário de ponta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

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 %

8.2.1 – Análise econômica de uma Central a Diesel

EnergiaQuímica doCombustível

CentralTérmica

EnergiaElétrica

Energiatérmica

Exemplo de balanço energético: Central de 1 MW (balanço anual)

EE= 4.781 MWh/ano

EE= 13,1 x 365 MWh/ano

1 MWh = 106 J/s x 3.600 s = 3,6 109 J

EQC = 1,59 104 x 3,6 109 J (térmico)/ano

EQC = 5,72 x 107 MJ (térmico)/ano

Para eficiência = 30% => EQC = 4.781 / 0,30 MWh/ano

EQC = 15.938 MWh(térmico)/ano

EQC = 5,72 x 107 MJ (térmico)/ano

QC 3,72 ton / dia

QC 4.493 lit / dia

PCI = 42,6 MJ/kg => Óleo Diesel

QC = 1.342.723 kg/ano QC 111,89 ton /mês QC 3,72 ton / dia

QC 1.617.738 lit / ano

Combustível CentralTérmica

Energiaelétrica

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$ 208.600,00 /ano

Amortização = R$ 208.600,00/ano

Custo Combustível = R$ 3.235.477,00 /anoQC = 1.617.738 lit /ano

Combustível = R$ 3.235.477,00 /ano

Custo do combustível = R$ 2,00 / lit.

EE$= R$ 746,00 x 4.781 MWh/ano EE$= R$ 3.566.626,00 / ano

EE$= R$ 3.566.626,00 / ano

Impostos = R$ 0,00 / ano

Impostos = R$ 0 / ano

Lucros = R$ 0,00 / ano

Lucros = R$ 0 / ano

Total = R$ 3.564.077,00 /ano

Custo de operação e manutenção = R$ 10,00 a R$ 20,00 / kW / mês

C.O.M. = R$ 120.000,00 / ano

C.O.M. = R$ 120.000,00 / ano

Total = R$ 3.564.077,00 /ano Custo de geração R$ 745,00 / MWh

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%

IsolamentoTérmico

- Novos materiais => Redução = 10%

=>

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 VaporCombustível

Perdas 

ProcessoIndustrial

Retorno do condensado

Caldeira a lenha

T = 85 %

VaporLenha

PTL = 23.446 kW PTV = 19.930 kW

PCI = 2.312 Mcal/mst

mL = 8,73 mst/h 

PPC = 3.516 kWh = 2.575 kJ/kgmV = 7,74 kg/smV = 27,8 t/h 

Perdas 

Fluxo energético da caldeira

Geração de vapor

Análise da geração de vapor

Caldeira a lenha

Lenha Vapor

Processo

Gases da combustão

1Bombad’água

2

3

Água fria

Diagrama T-h da geração de vapor e processo:

1

2

T

h

174 oC

3

8 [kgf/cm2]

Proposição para a geração de vapor

Caldeira Turbina e gerador

Lenha

Processo

Bombade água

Vapor

Gases da combustão

1

2

3

Água fria

4

E.Elétrica

Diagrama T-h da co-geração

13

T

253 oC

4

42 [kgf/cm2]

386 oC2

h

Gerador: 3.750 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/hPressão de 12 kgf/cm2 para 42

kgf/cm2

Exemplo de planta de co-geração

Condições termodinâmicas na turbina a vapor

Turbina a vapor EntradaSaída

(isoentrópica)Saída

Pressão absoluta

4,2 MPa 0,68 MPa 0,68 MPaTemperatura 420 0C 181,5 0C 221,4 0C

Entalpia 3.257 KJ/kg 2.804 KJ/kg 2.871 KJ/kgEntropia 6,812 KJ/kg.K 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

Vazão de vapor 27,9 ton/h

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, 1.944 MWh por mês.

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 (14.000 mst/ano equivalente a 1.167 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

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.

Fluxo energético da caldeira com ciclo de absorção

Caldeira a lenha

T = 85 %

VaporLenha

PTL = 27.719 kW= 23.875 Mcal/h 

PTV = 23.561 kW

= 20.294 Mcal/h

PCI = 2.312 Mcal/mst

mL = 10,33 mst/h h = 3.044 kJ/kgmV = 7,74 kg/s

Perdas

Ciclo de absorção

PTCA = 2.079 kW= 1.790 Mcal/h

QEVA = 1.455 kW= 1.253 Mcal/h

AtmosferaQ = 3.043 Mcal/h

Tri-geração

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

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 ..

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

Instalação de bombeamento

Potencial de redução de custos

Bomba e Motor

Válvula

Medidor de vazão

Controlador

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% )

Q100

Curva do sistema hidráulico(válvula 50% )

Q50

Perdas no motorPerdas na bombaPerdas na válvulaPotência útil que produz escoamento

Potência elétrica fornecida

Controle por fechamento de válvula (bomba em rotação constante)

Percentual da vazão

Potência

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

Inversores de Frequência

50 cm

1 CV

3 CV

7 CV

Inversores de Frequência

Fonte CA

Frequência e Tensão

Constante

RetificadorTensão CC

Constante ou Variável

Inversor

Regulador

Referência de Rotação da Carga

MotorPotência CA

Frequência e Tensão Variável

Diagrama de blocos simplificado

Inversores de Frequência

Sinal de Entrada

0 a 10 Vcc

= Rotação

3~Controlador

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 )

Q100Q50

Curva da bomba(em rotação 50%)

Percentual da vazão

Potência

Controle de vazão por rotação do motor / bomba

Redução de PotênciaPotência útil que produz escoamento

Perdas no motor, na bomba e no inversor.

Potência elétrica em rotação variável

Potência elétrica em rotação constante

Controle de vazão por rotação do motor / bomba

Percentual da vazão

Potência

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.

Sistemas de Refrigeração:

Potencial de redução de custos

> Câmaras frigoríficas

> Ar-condicionado

Câmara Frigorífic

a

Produtos

Evaporador

Condensador

Válvula

MotorElétrico

Compressor

Ciclo Frigorífico

Sensor

Sistema de

Controle

Atuador

Ciclo Frigorífico

EVAPQ

CONDQ

m

COMPWPROD

Q

PT

AMBQ

Ciclo Frigorífico

1

4 3

2

Fluidos Refrigerantes:

Amônia , R304

e outros

1

2

4

3

T

s

Diagrama T-s

0

35

-10

45

Diagrama de Blocos do Sistema

+-

-+

TR TCE

Controle

Compressor

e

Circuito

Frigorífico

Distúrbio Térmico do Ambiente

TAMB

Câmara

e

Produto

QEVAP

QAMB

Inversor

Sinal Erro :

E = T

Tipos de Controle :

1) ON - OFF

* Se T > 2 0C => = 1790 RPM

** Se T < -2 0C => = 0 Vantagens :

• Facilmente implementado ( termostato )

• Barato

Desvantagens :

• Partidas bruscas (maior consumo de energia)

• Menor vida útil do compressor (fadiga de material)

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 T - 1

Tipos de Controle :

Simulação Numérica:

Produto: Carne Cp = 1.965 KJ / kg.K

Massa = 15.000 kg

Fluido refrigerante : Amônia

n = 1,297

Compressor : Volume = 1 litro = 0,001 m3

Relação de espaço morto = 4 %

Rotação = 1790 RPMObs: Quando o PRODUTO atinge a temperatura de 2 0C coloca-se na câmara nova carga de 15.000 kg.

Temperatura do Produto

dias

0C

Controle PID26 cargas em 7 dias

Temperatura do Produto Controle On-Off

23 cargas em 7 dias

dias

0C

Temperatura do Produto Controle Potencial

21 cargas em 7 dias

dias

0C

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

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 %

Redução de consumo (7 dias) = 2,3 – 1,8 = 0,5 MWh

Redução de consumo mensal = 4 . 500 kWh

= 2 MWhRedução 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

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