Alternativas Tecnológicas
para a Geração Distribuída
O Gás Natural e a Geração Distribuída
Sílvia Azucena Nebra
Faculdade de Engenharia Mecânica
Universidade 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
-
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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.
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
geração com motores alternativos
C=1
W = 0,30
Gás
quente
água
óleo
Q = 0,5
Cogeração com motor de 0,1 MW
C=1
W = 0,4
Gás
quente
água
óleo
Cogeração com motor de 2 MW
Q = 0,4
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 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.
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
FONTE: WWW.COGERAR.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-SP
WWW.GASNET.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
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
 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.
Gás natural
3
CH 4  O2  CO2  2 H 2O
2
1 CO2  2 H 2O
Diesel
45
C 8 H 18  O2  18CO2  9 H 2O
2
2 CO2  1 H 2O
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
C=1
0,15
W = 0,3
Q = 0,5
0,05
0,65
Cogeração com turbina a gás
Cogeração: Ciclos a vapor
0,1
C=1
W = 0,2
cogeração
com turbina
de contrapressão
0,1
Q = 0,7
C=1
W = 0,2
Embora seja
possível, os
ciclos a vapor
não são os
mais
adequados para
uso com gás
natural,
somente em cocombustão
W = 0,1
cogeração
com turbina
de contrapressão
e condensação
Q = 0,3
0,3
C=1
0,15
W = 0,3
W = 0,1
0,05
0,65
Cogeração com ciclo combinado
Q = 0,4
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
FONTE: WWW.COGERAR.COM.BR
Resumo das características de Sistemas de cogeração
Critério
Turbina a
vapor
Turbina a gás Motor
Tamanho
500 kW –
(potência)
1000 MW
100 kW – 200 10 kW – 50
MW
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
Critério
Turbina a vapor
Turbina a gás
Motor
Combustível
Todo tipo
Líquidos e
gasosos
Líquidos e
gasosos
rejeitos
De boa
qualidade
Líquidos
pesados
Melhor
manutenção
Tempo de
partida
Cada 4000 horas Cada 4000
horas
alto
Qualidade da
Vapor 100 –
energia térmica 300°C
Calor latente
médio
Cada 800 horas
baixo
Gases 400 –
600°C
Gases 300–
500°C + água
Calor sensível 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
Turbina
Compressor
de Ar
1
Câmara de
Combustão
17
15
2
16
~
3
4
Reformador
Compressor
de Metano
7
14
8
5
13
12
11
Evaporador
Economizador
9
10
Gerador
6
Ar
Água
Vapor
Metano
Vapor + Metano
Gás de Síntese
Gases da Combustão
Produtos da Reforma
A Reforma consiste em fazer reagir o Gás Natural (metano) com água
num reformador a alta temperatura e com catalisador a base de Níquel.
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
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 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 / 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
Demandas do Sistema - 2001
2400
Demanda de Eletricidade do HCUnicamp
Demanda de
eletricidade(kW)
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
Horas
2800
Demanda de Vapor (kg/h)
500
Carga Térmica (TR´s)
450
400
350
300
250
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
200
1
3
5
7
9
11
13
Horas
15
17
19
21
23
1
3
5
7
9
11
13
Horas
15
17
19
21
23
Propostas apresentadas para o HC - UNICAMP
Caldeira
EMPRESA Máquina motora
recuperação
vapor saturado
2 x MCI Caterpillar
10 bar
IBERESE
S.A.
810 kWe (cada)
+/- 1300 kg/h
vapor saturado
3 x MCI Caterpillar
10 bar
810 kWe (cada)
+/- 2000 kg/h
TG Pratt & Whitney vapor saturado
ST-30
8 bar
3300 kWe (ISO)
6948 kg/h
UNIÃO
2350 kWe;
TG Pratt & Whitney vapor saturado
Engenharia
ST-40
8 bar
4000 kWe (ISO)
2951 kWe
2 x MCI
Koblitz
1750 kWe (cada)
Stemaq
TG GE PGT5
5000 kWe (ISO)
8154 kg/h
Chiller
absorção
1.730.000
Simples
efeito 250
TR's
2.381.000
Simples
efeito 380
TR's
4.067.980
duplo efeito
800 TR's
4.206.319
duplo efeito
800 TR's
vapor saturado
8 bar
3000 kg/h
vapor saturado
10 bar
12100 kg/h
Investimento
inicial (US$)
3.528.520,44
simples efeito
290 TR's
-------
5.848.858,17
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
Tempo de retorno do investimento
Investimentos em cogeração devem ser cuidadosamente avaliados.
Eficiência Térmica
Sistema de produção de vapor e energia elétrica:
Eficiência de primeira lei
da termodinâmica
Eficiência de segunda lei
da termodinâmica
W  Q

 comb PCI
m
T
W  Q  1  0 
T


 comb PCI
m
Outras definições de figuras de mérito
de ciclos de cogeração
Relação calor/trabalho
Rendimento elétrico:
Rendimento térmico:
W
RWC 
 c PCI
m
Q
RQC 
 c PCI
m
Poupança de combustível
C  C *  C 
W
W
W
RQW  
Q

Q
Q
 C
Índice de Poupança de combustível
IPC 
C
C *
 1
C
W
W
C *  vazão de combustível com geração separada

Q
Q
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. 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
2
1
4
3
5
11
16
15
14
Steam to
process
17
39
Air
24
25
46
9
Natural Gás
Dem. Water
8
6
28
7'
7
23
13
Return from
process
21
20
18
29
30
22
Blowdown
Tank
Água
Gás Natural
Ar
Vapor Saturado
Vapor Superaquecido
Gases de Combustão
32
31
19'
Blowdown
Heat Exchanger
33
Drain
19
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
Parâmetros calculados:
FUE 
potência  energia vapor
vazão combustivel x poder calorífico
ESI 
vazão combustivel x poder calorífico
potência
calor útil

 planta térmica
Parametro
caldeira
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:
Ee  Et / X
 Fc
Ec
Combustível Principal
Derivados de Petróleo,
Gás Natural e Carvão
Potência Instalada l
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
T
W  Q  1  0 
T


 comb PCI
m