Análise de Projeto de Cogeração Curso de Análise de Projeto de Energia Limpa Planta de Cogeração Foto cedida por: Warren Gretz, DOE/NREL PIX © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Objetivos • Revisar conceitos básicos de Sistemas de Cogeração • Ilustrar considerações básicas sobre a análise de projetos de Cogeração • Introdução ao Modelo de Projeto de Cogeração do RETScreen® © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. O que fornece um sistema de Cogeração ? • Eletricidade • Calor Edifícios Comunidades Processos Industriais Usina alimentada à Biomassa, USA …porém também… • Aumento da eficiência energética • Redução de resíduos e emissões • Redução de perdas por T&D • Uma oportunidade para utilizar Foto cedida por: Andrew Carlin, Tracy Operators/NREL PIX sistemas de energia distritais • Refrigeração © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Motivação para Sistema de Cogeração • Sistema de energia central traditional, é ineficiente Metade a dois terços da energia é perdida em calor Esse calor, de outra forma perdido, pode ser utilizado em processos industriais, aquecimento de água ou ambiente, refrigeração, etc. • Normalmente, eletricidade tem mais valor do que o calor Biomassa renovável geotérmica 1.024 Carvão 17.075 Óleo 3.215 Gás 8.384 Nuclear 7.777 Hidro 2.705 Planta de Energia para uso próprio 963 Perdas de conversão da produção térmica 24.726 Fornecimento total de energia primária para produção de eletricidade 40.180 Perdas na transmissão e distribuição 1.338 Produção bruta de eletricidade 15.454 Produção líquida de eletricidade 14.491 Adaptado de: World Alliance for Decentralized Energy Eletricidade fornecida a clientes 13.153 Indústria 5.683 Não indústria 7.470 © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. O Conceito da Cogeração • Produção simultânea de dois ou mais tipos de energia, a partir de • uma única fonte de energia. Uso do calor de exaustão de um equipamento de geração de eletricidade. Gas de Exaustão Eficiência da recuperação de calor (55/70) = 78,6% 15 unidades Calor Eficiência Total ((30+55)/100) = 85,0% 55 unidades Caldeira de Recuperação Carga térmica Calor + Exaustão Combustível 70 unidades 100 unidades Eletricidade 30 unid. Sistema de Energia Gerador Carga Elétrica © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Descrição da Cogeração Equipamentos & Tecnologias • Equipamento de Refrigeração Compressor Chiller de Absorção Bomba de calor, etc. • Equipamento de Calor Caldeira/Forno/Aquecedor Recuperação de calor residual Bomba de calor, etc. Turbina à Gas Foto cedida por: Rolls-Royce plc • Equipamento de Eletricidade Turbina a Gas Turbina à Gas de ciclo combinado Turbina à vapor Máquina alternativa Célula de combustível, etc. Equipamento de Refrigeração Foto cedida por: Urban Ziegler, NRCan © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Descrição da Cogeração (cont.) Tipos de Combustível • Combustíveis fósseis Gas natural Diesel (óleo tipo #2) Carvão, etc. • Combustíveis Renováveis Resíduos de madeira Gas de Lixo (LFG) Biogás Subprodutos agrícolas Bagaço Reflorestamentos, etc. • Energia Geotérmica • Hidrogênio, etc. Biomassa para Cogeração Foto cedida por: Warren Gretz, DOE/NREL Geiser Geotérmico Foto cedida por: Joel Renner, DOE/ NREL PIX © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Descrição da Cogeração (cont.) Aplicações • • • • Edifícios individuais Cogeração Prefeitura de Kitchener Comércio e Indústria Condomínios Sistemas de energia distritais (ex. comunidades) • Processos industriais Foto cedida por: Urban Ziegler, NRCan Cogeração de GFL para sistema de calefação distrital, Suécia Micro turbina em estufa Foto cedida por: Urban Ziegler, NRCan Foto cedida por: Urban Ziegler, NRCan © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Sistemas de Energia Distritais • O calor de uma planta de Cogeração pode ser distribuido para vários prédios vizinhos, para aquecimento e refrigeração Tubos de aço isolados são enterrados entre 0,6 e 0,8 m • Vantagens na comparação com sistemas independentes para cada prédio: Maior eficiência Controle de emissões em uma única planta Segurança Conforto Conveniência operacional Planta de Energia distrital Foto cedida por: SweHeat Rede de distrib. de água quente Foto cedida por: SweHeat • Custos iniciais normalmente mais altos © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Custos do Sistema de Cogeração • Grande variação de custos • Custos iniciais RETScreen tipo de equipamento de energia Equipamento para geração de eletricidade Equipamento de calefação Equipamento de refrigeração Interconexão elétrica Vias de acesso Rede de energia distrital Custo típico instalado ($/kW) Máquina à pistão 700 a 2.000 Turbina à gas 550 a 2.500 Turbina à gas – ciclo combinado 700 a 1.500 Turbina à vapor 500 a 1.500 Sistema geotérmico 1.800 a 2.100 Célula de combustível 4.000 a 7.700 Turbina eólica 1.000 a 3.000 Turbina hidráulica 550 a 4.500 Módulo fotovoltáico 8.000 a 12.000 Nota: Custo tipico instalado em dólares Canadenses $, base 1 de janeiro 2005. Taxa de câmbio aproximada à época: 1 CAD = 0,81 USD e 1 CAD = 0,62 EUR • Custos incidentes Combustível Operação e manutenção Reparo e reposição de equipamentos © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Considerações sobre projetos de Cogeração • Fornecimento de combustível por longo prazo e confiável • Investimentos devem ser mantidos sob contrôle • Necessita de “clientes” para calor e eletricidade Deve-se negociar a venda da eletricidade para a rede, caso não utilizada integralmente na planta • Normalmente a planta é dimensionada para a carga térmica de base (p.ex. Carga térmica mínima sob condiçoes normais de operação) Demanda térmica normalmente equivale a algo entre 100% e 200% da demanda elétrica. O calor pode ser utilizado para geração de frio através de chillers de absorção) • Risco associado à incerteza de custos futuros da eletricidade/gas natural © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Exemplo: Canadá Prédios Individuais • Prédios que necessitam de aquecimento, refrigeração e uma fonte confiável de eletricidade Hospitais, escolas, edifícios comerciais, prédios agrícolas, etc. Hospital, Ontario, Canada Foto cedida por: GE Jenbacher Máquina de pistão Foto cedida por: GE Jenbacher Caldeira de Recuperação de calor Foto cedida por: GE Jenbacher © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Exemplo: Suécia e EEUU Condomínios • Condomínios atendidos por uma central de calor e eletricidade Universidades, complexos comerciais, comunidades, hospitais, complexos industriais, etc. Sistema energético distrital Planta de energia distrital Turbina utilizada em MIT, Cambridge, Mass. EEUU Foto cedida por: SweHeat © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Exemplo: Brasil Processos Industriais Bagaço para calor de processo em Usina, Brasill • Indústrias com demandas altas e constantes de calor e refrigeração, são bons candidatos à Cogeração Combustível Combustor Turbina à gás Compressor Carga elétrica Gerador Foto cedida por: Ralph Overend/ NREL Pix Gás de exaustão Ar Combustível – duto de alimentação Caldeira de recuperação • Também é o caso de vapor Turbina à vapor Porta de extração Água de alimentação Gerador Porta de contrapressão Carga térmica Carga térmica Carga elétrica empresas que produzem resíduos que podem ser utilizados para gerar calor e eletricidade Condensador © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Examplo: Canadá e Suécia Gás de aterro sanitário • • Aterros sanitários produzem metano à medida em que ocorre a decomposição da matéria orgânica Que pode ser usado como combustível para refrigeração, calor ou projetos de eletricidade Ciclo de Coleta do Gás do Aterro Sanitário Produção de Vapor Processo Sistema de tubos para coleta do Gás Compressor Resfriador /secador Filtro Produção de Energia Tocha Foto cedida por: Gaz Metropolitan Cogeração com GFL para sistema de calefação distrital, Suécia Foto cedida por: Urban Ziegler, NRCan © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Modelo de Projeto de Cogeração RETScreen ® • Análise global de produção de energia, custo do ciclo de vida e redução das emissões de gases de efeito estufa Refrigeração, calor, eletricidade e todas as suas possíveis combinações Turbinas à Gás ou à vapor, máquinas à pistão , células de combustível, caldeiras, compressores, etc… Vasta gama de combustíveis, desde combustíveis fósseis até biomassa e geotérmica Variedade de estratégias de operação Ferramenta de gás de aterro sanitário Sistemas de energia distritais • Também incluem: Múltiplos idiomas, seletor de unidades, e ferramentas do usuário © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Modelo de Projeto de ® Cogeração RETScreen • Aplicável para vários tipos de projetos Apenas Calor Apenas eletricidade Apenas refrigeração Combinação de calor e eletricidade Combinação de refrigeração e eletricidade Combinação de calor e refrigeração Combinação de refrigeração, calor e eletricidade Combustível Sistema de calor Calor Calor Carga calor Calor Recuperado Sistema de resfriamento Frio Carga resfriamento Eletricidade Combustível Sistema de Energia Eletricidade Carga elétrica © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Modelo de Projeto de Cogeração RETScreen - Sistemas de Calor ® Carga (kW) Carga de ponta de calor Carga intermediária de calor Carga de base de calor jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Meses calor eletricidade resfriamento © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Modelo de Projeto de Cogeração RETScreen - Sistema Refrigeração Carga (kW) ® Pico de carga resfriamento Carga de base resfriamento jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Meses calor eletricidade resfriamento © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Modelo de Projeto de Cogeração RETScreen - Sistemas Elétricos Carga (kW) ® Carga de pico eletricidade Carga intermediária eletricidade Carga de base eletricidade jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Meses calor eletricidade resfriamento © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. RETScreen ® Cálculo de Energia Cogeração Estimar carga e demanda: • Projeto de calor • Projeto de resfriamento • Projeto de eletricidade Definir características dos equipamentos Calcular a energia utilizada e o consumo de combustível correspondente Ver e-Livrotexto Análise de Projeto Energia Limpa: RETScreen® Engenharia e Casos Capítulo de Análise de Projeto de Calor e Eletricidade Fluxograma simplificado do Modelo de Cogeração de energia © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Exemplo Validação do Modelo de Projeto de Cogeração RETScreen® • Validação geral por consultor independente (FVB Energy Inc.) e diversos testadores beta de indústrias, distribuidoras, governos e acadêmicos • Comparado com diversos outros modelos e/ou dados medidos, com resultados excelentes (p.ex. Cálculos da eficiência de turbinas comparados com software de simulação de processo da GE chamado GateCycle) Comparação do Cálculo da Eficiência da Turbina à Vapor Teste 1 Vazão de Entrada, P, T Kpph/psia/F 50/1000/750 2 50/1000/545 50/60/293 0 80% 2.396 2.404 3 50/450/457 50/60/293 0 80% 1.805 1.827 4 50/450/457 50/14,7/212 0 81% 2.913 2.915 Kpph = 1.000 lbs/hr Vazão de Saída Vazão de Eficiência GateCycle P, T Extração, Pot. Saída (MW) Kpph/psia/F P, T Kpph/psia/ 40/14/210 10/60/293 80% 3.896 RETScreen Cogeração Pot. Saída (MW) 3.883 © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Conclusões • Sistemas de Cogeração usam de forma eficiente o calor que seria perdido • RETScreen calcula as curvas de demanda e consumo, energia fornecida e consumo de combustível para várias combinações de calor, refrigeração e/ou eletricidade, utilizando dados mínimos de entrada • RETScreen fornece valores representativos de economia para estudos de viabilidade preliminares © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005. Perguntas? Módulo de Análise de Projeto de Cogeração ® RETScreen International Curso de Análise de Projeto de Energia Limpa Para informações adicionais, favor visitar o Website do RETScreen em www.retscreen.net © Ministério de Recursos Naturais do Canadá 2001 – 2005.