Engenharia Gerencial
White Paper
Eng. José Luiz De Martini
Julho 2014 – revisão 01
[email protected]
A cogeração como alternativa aos desafios energéticos
A visão corrente de que o Brasil possui um dos maiores parques de energia hidrelétrica do
mundo, nos afasta de uma realidade um pouco distante disto.
Se de fato temos cerca de 70% de nossa energia produzida em plantas hidráulicas, temos uma
significativa parcela, da ordem de 15%, oriunda de plantas térmicas, carvão, petróleo ou gas.
Como estas plantas são de baixa eficiência, somadas as perdas em transmissão, transformação
e distribuição, as alternativas de geração distribuída serão sempre bem vistas, seja em termos
de custos, quanto em termos ambientais.
A geração distribuída, ou seja, as plantas localizadas junto aos pontos de consumo,
notadamente na condição de autoprodutor, podem representar alternativa econômica e
estratégica e neste aspecto as instalações de missão critica podem ser sim beneficiadas no
incremento da disponibilidade e confiabilidade.
As diretrizes do Uptime® apontam que a geração própria é a forma principal de suprimento,
ficando a ligação da Cia Concessionária como uma alternativa econômica. Da mesma forma,
uma solução com duas fontes independentes pode ser criada combinando-se plantas de
suprimento combinado, Concessionária, geração de substituição (Diesel) e Cogeração (gas
natural).
Instalações data centers Uptime geradores a gas cogeração chillers de absorção no-break UPS
Eletropaulo light geração de ponta geração distribuída microgeração José Luiz De Martini
Cummins Caterpillar
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Plantas para geração distribuída.
Em termos práticos, quando produzimos energia na própria instalação consumidora estaremos
falando de geração distribuída. São soluções, desde energia foto voltaica até grandes plantas
de cogeração.
As fontes não gerenciáveis como produção foto voltaica ou eólica (você pode não ter sol ou
vento), não são tratadas neste artigo.
Quando pensamos na geração distribuída de plena capacidade o foco esta na utilização de
combustíveis fosseis ou eventual renováveis como o etanol, este sem adequada viabilidade
econômica e mesmo técnica.
Assim trataremos de modelos utilizando o Gas Natural, disponível comercialmente em
distintas modalidades tarifarias, para aplicações em geração simples de energia e
especificamente para Cogeração. O óleo Diesel ainda é o combustível mais adequado para
geração de substituição ou backup.
Geração de ponta.
Como a energia em horário de ponta (usualmente, dias uteis das 17h30 as 20h30) é mais
onerosa, vários consumidores utilizam a capacidade de geração, seja existente, normalmente
Diesel, ou especifica para este fim, a gas natural ou Diesel ou ainda combinando ambos os
tipos de motores, propiciando uma alternativa econômica apenas, pois esta solução continua
sendo de baixa eficiência, não maior de 40%.
Cogeração.
A forma mais adequada de elevarmos o rendimento de uma planta é o aproveitamento do
rejeito térmico dos motogeradores na produção de outra utilidade, daí o termo cogeração,
que á a produção de mais de uma utilidade, utilizando o mesmo sistema e insumo
(combustível).
Uma planta de cogeração pode prover para instalações consumidoras, energia elétrica, calor
na forma de água quente ou vapor e ainda água gelada empregando chillers de absorção ou
mesmo, compressores centrífugos acionados por turbinas a vapor.
Como exemplo, podemos chegar até mesmo na produção de gás carbônico para plantas de
produção e engarrafamento de refrigerantes.
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Balanceando utilidades em Data Centres.
Excluindo-se as utilidades destinadas as áreas prediais, administrativas, apoio e conforto, o
grande consumo de energia em DC ocorre na alimentação e refrigeração das salas de
servidores.
Sem maiores detalhes, podemos atribuir a necessidade de aproximadamente 300 TR
(toneladas de refrigeração) para cada MW de energia entregue aos serviços.
Esta relação de consumo se ajusta perfeitamente para uma planta de cogeração, pois
empregando motogeradores a gas natural, recuperação de calor de jaqueta e reaquecimento
de água quente pelos gases de escapamento, associado a chillers de absorção, temos
praticamente a mesma relação em termos de produção de energia elétrica e frio.
Também em termos de investimento, motogeradores a gas natural entre 1200 a 2000 kW,
oferecem bom custo por kW. Chillers de absorção nestas condições não possuem grande
eficiência, mas resultam economicamente viáveis, por serem alimentados pelo rejeito térmico
dos motores.
Uso de turbogeradores.
A aplicação de turbinas, normalmente derivadas de projetos aeroespaciais, oferece condições
favoráveis para a recuperação de energia térmica. Normalmente possuem menor eficiência na
produção de energia elétrica, mas permitem em função da temperatura e concentração dos
gases de escape, eficiente recuperação de calor.
Comparando as soluções temos:
- motogeradores a gas natural eficiência elétrica da ordem de até 42% e produção de
vapor da ordem de 0,9 t/hora/MWe
- turbo gerador com rendimento elétrico da ordem de 32% e produção de vapor de até
2,5 t/hora de valor.
O espaço requerido para instalações com turbogeradores é bem mais reduzido do que com
motogeradores, porém há outros fatores a serem considerados:
- Em termos de custo de aquisição, só é valido compararmos soluções com turbinas acima de 5
MW. Existem aplicações de micro turbinas desenvolvidas especificamente para aplicações de
missão critica, com UPS integradas, mas de reduzida experiência de mercado.
- Turbinas devem operar de forma continua. Seria adequado para Data Centres (operação
24x7), porém como no balanço térmico, se considerarmos apenas as demandas elétricas e de
frio, não haveria como aproveitar a capacidade de produção de ar condicionado, salvo se na
mesma planta existirem consumidores para todo o produto da cogeração.
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Como aplicar uma planta de cogeração em um Data Center.
A primeira condição que deve ser seguida é o fato da instalação ser especificamente projetada
com este recurso, ou seja, não devemos simplesmente interpor um sistema de cogeração na
entrada de energia e desenvolver o restante do projeto como se não houvesse a planta de
cogeração.
Isto é mandatório, pois devemos extrair deste investimento todas as vantagens econômicas e
técnicas, valorizando o investimento com incremento da robustez e confiabilidade da planta.
Alias sempre falamos em confiabilidade e disponibilidade, mas nem sempre nos atemos a
robustez da instalação, ou seja, sua capacidade em suportar desafios impostos por fenômenos
de toda ordem, previsíveis em projeto ou não.
A titulo de exemplo para tornar este artigo mais claro, vamos simular um Data Center, com os
seguintes parâmetros simplificados:
- Energia para servidores – 800 a 900 kW.
- Demanda de refrigeração – 300 TR
- Capacidade de energia na entrada da planta – 1800 kW.
Assim o projeto convencional iria conter:
- Suprimento da concessionária em tensão primaria, com demanda contratada de 1800 kW,
suprimento pleno ponta e fora de ponta.
- Geração própria Diesel, digamos com dois motogeradores de 1850 kW, com manobras em
transição aberta e interrupção do suprimento quando do corte da concessionária.
- Dois UPS de 900 a 1000 kW
- Ar condicionado, expansão direta ou indireta (com água gelada) da ordem de 350 TR.
Numa opção com cogeração o mesmo projeto teria:
- Suprimento da concessionária em tensão primaria, com demanda contratada de 1800 kW,
suprimento balanceado de acordo com as condições tarifarias.
- Geração própria Diesel com um motogerador de 1850 kW, apenas como backup e retaguarda
do sistema.
- Os mesmos Dois UPS de 900 a 1000 kW
- Um conjunto de cogeração com motogerador de 1400 kW e chiller de absorção de 350 TR
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- Ar condicionado expansão indireta. (com água gelada).
- Chiller elétrico de backup de 350 TR.
Analisando este modelo poderíamos concluir que estaríamos introduzindo novos
componentes com vantagem operacional e retorno financeiro baseado apenas na operação
em horário de ponta.
Ou seja, o que determinará a adoção desta opção como solução é um conjunto de fatores:
- Disponibilidade de energia da concessionária de elétrica, pois muitas vezes esta
disponibilidade tem grandes custo e prazos de instalação longo, por exemplo, se for necessária
a construção de subestação transformadora de alta tensão.
- Disponibilidade com confiabilidade de Gas natural e eventual aporte financeiro de apoio ao
projeto pela distribuidora de Gas.
- Relação entre as tarifas e tributos no fornecimento de energia elétrica e gas natural, além da
disponibilidade e custo de água para condensação.
- Possibilidade de contratação e operação da planta em regime conhecido como B.O.T, onde
uma empresa especialista monta, aluga e opera a usina, com transferência dos ativos ao
contratante ao final do contrato, este de longa duração, por exemplo 15 anos.
- Necessidade operacional quanto a uma planta mais confiável e robusta.
- Inserção da planta em um complexo que permita o melhor aproveitamento da cogeração,
além dos limites do data Center em si.
Conclusão
Nosso objetivo foi apresentar um modelo tecnicamente viável de utilização de sistema de
geração de distribuída como alternativa à deficiências de fornecimento de energia elétrica e
que seja economicamente possível em situações mandatórias.
Nestas condições concluímos pela viabilidade do modelo, principalmente em regiões onde as
tarifas de energia elétrica sejam mais onerosas.
Também se estabelecidos valores pelas vantagens técnica obtidas pode-se considerar a opção
deste modelo no planejamento de uma nova planta de suporte a um data Center ou demais
consumidores que demandem soluções de missão critica.
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Autor
Eng. José Luiz De Martini
Engenheiro Eletricista, Titular da Engenharia Gerencial SS Ltda, desenvolvedor de
soluções para Instalações de Alto desempenho e confiabilidade para sistemas de
missão critica e aplicações especiais de sistemas de energia.
- E-mail: [email protected] - www.cspi.com.br