Conversão de Motores Diesel para Combustíveis Indutores de Menores Emissões
Jorge Mendonça e Costa
Consultor da Cogen Portugal / Prof. Coordenador (ISEL)
Conteúdo
1. Motivação
2. Funcionamento e aspectos construtivos de motores Diesel
3. Caracterização das emissões de motores de combustão interna
4. Combustíveis com menor impacto ambiental
5. Levantamento do parque de Motores Diesel existente
6. Tipificação das unidades passíveis de conversão
7. Levantamento das diferentes tecnologias utilizadas na conversão de motores Diesel
8. Análise económica da conversão de motores
9. Simulador 10. Conclusões
Motivação Fonte: WÄRTSILÄ
1. Parque importante de motores Diesel longe do termo de vida útil;
2. Equipamento, na maior parte dos casos, já
amortizado;
3. Impacte ambiental e custo associado;
4. Equipamento com rendimento térmico elevado.
Componentes de um motor Diesel colectores de escape
injector
câmara de combustão
êmbolo
camisa
admissão de ar
biela
cabeça do motor
alimentação de combustível
circuito de refrigeração
câmara de pleno
árvore de cames
cambota
bloco do motor
cárter
Fonte: WÄRTSILÄ
bomba de injecção
Emissões em Motores Alternativos (Diesel e Otto) 1.
Dióxido de carbono (CO2)
2.
Monóxido de Carbono (CO)
3.
Óxidos de Azoto (NOx)
4.
Óxidos de Enxofre (SOx)
5.
Compostos orgânicos voláteis (COV)
6.
Partículas
O Decreto‐Lei nº 78/2004 de 3 de Abril “estabelece o regime da prevenção e controlo das emissões de poluentes para a atmosfera, fixando os princípios, objectivos e instrumentos apropriados à garantia da protecção do recurso natural ar, bem como as medidas, procedimentos e obrigações dos operadores das instalações abrangidas”.
A Portaria 677/2009 de 23 de Junho fixa os Valores Limite de Emissão (VLE) aplicáveis às instalações de combustão abrangidas pelo Decreto‐Lei 78/2004, nomeadamente no que concerne a motores de combustão interna (motores alternativos).
Emissões de Óxidos de Azoto (expresso como NO2 em mg/Nm3
para um teor de O2 de 15%)
Potência Térmica (MWth)
Combustíveis Líquidos
N ≥ 750 rpm
N < 750 rpm
Motores de ciclo Diesel
Pth ≥ 50 MWth
400 (440)
450 (495)
20 MWth ≤ Pth < 1500 (1650)
1650 (1815)
50 MWth
Pth < 20 MWth
1750 (1925)
1900 (2090)
Motores de ciclo Otto
Pth ≥ 20 MWth
500 (550)
500 (550)
Pth < 20 MWth
500 (550)
500 (550)
Combustíveis Gasosos
(*) 150 (165)
(*) 500 (550)
(*) 500 (550)
300 (330)
350 (385)
(*) Considerando queima dual em modo combustível gasoso
Valores em parêntesis – valores majorados em 10% para o caso de motores de combustão interna integrados em centrais de cogeração (nº 1 do art.º 6º da Portaria 677/2009 de 23 de Junho)
φ = (F / A) (F / A)esteq.
Emissões em Motores Alternativos (Diesel e Otto) Ciclo Otto
Fonte: Heywood, J.B, “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw Hill, 1988
Ciclo Diesel
Medidas de mitigação (combustão estratificada) Fonte: Wärtsilä Engine Technology
SCR – Selective Catalytic Reduction
Fonte: Wärtsilä
Características do gás natural distribuído em Portugal
Gás Natural (Portugal)
Constituinte
Metano (CH4)
Etano (C2H6)
Propano (C3H8)
i – Butano (C4H10)
n – Butano (C4H10)
i – Pentano (C5H12)
n – Pentano (C5H12)
n – Hexano (C6H14)
Azoto (N2)
Dióxido de Carbono (CO2)
Σ
Massa molar (kg/kmol)
Massa volúmica (kg/m3(n))
Densidade relativa
Poder calorífico superior
Poder calorífico inferior
Índice de Wobbe (c/ base pcs)
Gasoduto Magreb
mol (%)
87,885
8,056
1,378
0,108
0,158
0,022
0,018
0,020
1,088
1,266
99,999
18,192
0,8141
0,6297
MJ/m3 (n)
42,47
38,39
53,52
Terminal de SINES
mol (%)
92,215
4,841
2,111
0,360
0,381
0,018
0,003
0,000
0,071
0,000
100,000
17,646
0,7897
0,6107
MJ/m3 (n)
43,21
39,05
55,30
Levantamento do parque existente 1. Realizadas 28 visitas a instalações com motores Diesel;
2. Elaboração de uma ficha de especificações para recolha de informação;
3. Salvaguarda de informação sensível (i.e. identificação da instalação);
Conteúdo das fichas de especificações 1. Identificação da Instalação
• Localização geográfica e caracterização do local, incluindo temperatura média ambiente;
• Sector empresarial;
• Potência instalada;
• Ano de arranque.
2. Especificações da Instalação
• Quantidade de Motores Diesel instalados;
• Marca e modelo;
• Potência unitária dos grupos geradores;
• Sistemas de recuperação de calor (tipo, potência térmica, temperaturas de escape, circuitos de água de baixa e alta temperatura, etc.).
3. Dados operacionais
• Número total de grupos geradores em funcionamento;
• Regime de funcionamento;
• Produção média anual de electricidade no período 2005‐
2010;
• Tipo de fuelóleo consumido e consumo médio anual no período 2005‐2010;
• Emissões médias (NOx, SOx, Partículas);
• Manutenção dos grupos geradores.
4. Diversos
• Disponibilidade de gás natural no local e características de fornecimento;
• Potencial de consumo adicional de energia térmica (vapor, água quente, gases quentes).
5. Outra informação relevante.
Ficha de especificações (layout típico)
Fichas de especificações (Resumo)
Nº 1
2
3
4
6
7
8
9
10
11
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
26
27
28
5
12
25
8
DISTRITO
PORTO
LISBOA
SANTARÉM
BRAGA SETÚBAL
SETÚBAL
PORTO
AVEIRO
BRAGA
BRAGA
BRAGA
BRAGA
AVEIRO
AVEIRO
AVEIRO
PORTO
AVEIRO
BRAGA
AVEIRO
BRAGA
V. CASTELO
VISEU
LISBOA
LISBOA
SANTARÉM
BRAGA
PORTO
PORTO
SETÚBAL
VISEU
COIMBRA
PORTO
LISBOA
PORTO
SANTAREM
CONCELHO
SANTO TIRSO
ALENQUER
ALMEIRIM
FAMALICÃO
BARREIRO
MONTIJO
S. TIRSO
V. CAMBRA
GUIMARÃES
GUIMARÃES
GUIMARÃES
BARCELOS
OVAR
ESTARREJA
ESTARREJA
AMARANTE
ANADIA
GUIMARÃES
S. M. FEIRA
GUIMARÃES
BARROSELAS
NELAS
T. VEDRAS
T. VEDRAS
TORRES NOVAS
GUIMARÃES
MATOSINHOS
MATOSINHOS
PAPEIS INAPA, SA (2)
MANGUALDE
O. HOSPITAL
S. TIRSO
V. F. XIRA
V. CONDE
ALCANENA
Sector Act.
TÊXTIL
CERÂMICA
ALIMENTAR
TÊXTIL
ALIMENTAR
CORTIÇA
TÊXTIL
EMBALAGENS
TÊXTIL
TÊXTIL
TÊXTIL
TÊXTIL
ALIMENTAR
QUIMICA
QUIMICA
SERVIÇOS
CERÂMICA
TÊXTIL
PAPEL
TÊXTIL
CERÂMICA
MADEIRA
ALIMENTAR
ALIMENTAR
ALIMENTAR
TÊXTIL
MADEIRA
MADEIRA
PAPEL
MADEIRA
MADEIRA
TÊXTIL
VIDRO
TÊXTIL
CORTUMES
MARCA
KRUPP‐MAK
SULZER
MAN ‐ B&W
Man
WÄRTSILÄ
KRUPP‐MAK
SULZER
KRUPP‐MAK
WÄRTSILÄ
WÄRTSILÄ
KRUPP‐MAK
KRUPP‐MAK
SULZER
WÄRTSILÄ
MITSUBISHI
WÄRTSILÄ
WÄRTSILÄ
SULZER
MAN (BAZIN)
WÄRTSILÄ
WÄRTSILÄ
WÄRTSILÄ
SULZER
MAN
MAN
SULZER
SULZER
SULZER
SULZER
WÄRTSILÄ
WÄRTSILÄ
SULZER
WÄRTSILÄ
KRUPP‐MAK
MAN
MODELO
12M453C
8ZAL40S
9L32/40
9L32/41
W18V32D
9M32
6ZAL40S
12M453C
W18V32D
W16V32D
6M32
12M453C
12ZAL40S
W9R32D
18KU30
W16V32D
W16V32D
6ZAL40S
8L40/45
W18V32D
W12V32D
W18V32D
6ZAL40S
8L32/40
9L32/40
6ZAL40S
8ZAL40S
16ZAL40S
12ZAV40S
W18V32D
W16V32D
6ZAL40S
W18V32D
12M453C
7L32/40
Nº CILIND.
12
8
6
12
18
16
12
18
18
6
8
18
36
6
8
6
16
16
500
18
16
8
18
12
7
RPM
600
500
750
750
750
600
500
600
750
750
600
600
500
750
750
750
750
500
600
750
750
750
500
750
750
500
500
500
500
750
750
500
750
600
750
RPM
600
500
750
750
750
600
500
600
750
750
600
600
500
750
750
750
750
500
600
750
750
750
500
750
750
500
500
500
500
750
750
500
750
600
750
TPF
1
1
1
1
1
1
1
1
TP
TP
1
1
DATA ARRANQUE
1994
1994
1998
1998
1997
1998
1995
1994
1994
1993
1997
1996
1996
1994
1994
1997
1997
1996
1996
1996
1997
1994
1994
1996
1997
1994
1994
1999
1997
1993
1992
1993
1993
1995
1996
UNID. INST.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
POT. E. UNIT. [MWe]
4,24
5,63
3,82
3,82
6,51
4,17
4,18
4,24
6,51
5,70
2,76
4,24
8,29
3,26
5,65
5,78
4,20
4,18
5,23
6,51
4,27
6,51
4,60
3,40
3,82
4,18
5,58
11,15
8,64
6,33
6,16
4,18
6,51
4,24
3,07
POT. GLOBAL [MWe]
4,24
5,63
3,82
3,82
6,51
4,17
4,18
4,24
6,51
5,70
5,53
4,24
8,29
6,52
5,65
5,78
4,20
4,18
5,23
6,51
4,27
13,02
4,60
3,40
3,82
4,18
5,58
11,15
8,64
6,33
6,16
4,18
6,51
4,24
3,07
Unidades Diesel para conversão e/ ou substituição completa por novas unidades a gás
Tipo de Unidade
Número
Wärtsila 32
10
MAK 32/40
9
Sulzer
8
MAN L32/40
n/d
Pielstick
2
Mitsubishi
1
• Motor Dual‐Fuel – Pode funcionar à sua máxima carga com quantidades diminutas de combustível líquido para promover a ignição da carga do cilindro. O combustível líquido, gasóleo (GO) ou fuelóleo pesado (HFO), assegura menos de 15% da energia necessária por ciclo e os restantes 85% da energia necessária provém do gás natural;
• Motor Bi‐Fuel – A energia por ciclo proveniente do gás é da ordem dos 65% enquanto os restantes 35% da energia necessária provém do combustível líquido (i.e. GO ou HFO).
HFO – Heavy Fuel Oil
Poluentes nos gases de escape de um motor a operar em modo Diesel e modo Dual‐Fuel (66% Gás natural+34% HFO)
Modo de Operação
COV (g/kWh)
NOx (g/kWh)
PM10 (g/kWh)
100% Diesel
9,517x10‐2
4,636
2,583x10‐1
66% Gás Natural + 34% HFO
4,215x10‐1
3,916
1,632x10‐1
Análise Económica da Conversão de Motores Diesel 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Potência eléctrica da instalação em kW;
Consumo específico da instalação g/kWh;
Número de horas de funcionamento por ano;
Preço do combustível HFO em €/kg;
Preço do combustível gasoso em €/Nm3;
Taxa de substituição de HFO por Gás Natural em %;
Custo da conversão;
Custos de manutenção.
Casos de estudo considerados na conversão de Motores Diesel 1. Conversão integral de um motor Diesel para motor a gás (ciclo Otto);
2. Conversão de um motor Diesel para queima dual‐
fuel, mantendo a possibilidade de queima de fuelóleo pesado.
Fonte: MAN
TecnoVeritas
Conversão de Motores Diesel ‐ Dados de input
• Propriedades dos combustíveis: Despacho 17313/2008 do Diário da República 2ª série, nº 122 de 26 de Junho. • Consumo específico: Com base nos rendimentos eléctricos típicos dos motores Diesel instalados em Portugal (ηe = 40 a 45%) é possível determinar o “heat rate” (taxa de calor) e com base no poder calorífico inferior do combustível utilizado obtém‐
se o consumo específico do motor expresso em g/kWh.
Conversão de Motores Diesel ‐ Dados de input
• Rendimento da cogeração:
Rendimento típico da geração de calor alternativa ‐ ηt = 85 a 95%, baseado no pci do combustível;
Valorização de energia térmica ‐ a produção de energia é
realizada a partir de gás natural com um preço idêntico ao que será utilizado no motor após conversão;
Aumento do rendimento da cogeração ‐ melhor aproveitamento do calor dos gases de escape do motor (ponto de orvalho dos fumos mais baixo);
Caudal típico de gases de escape – 1 a 2 kg/s/MW;
Calor específico dos gases de escape – 1,1 a 1,2 kJ/kg.°C
Conversão de Motores Diesel ‐ Dados de input
• Consumo de óleo lubrificante:
Consumo de óleo lubrificante ‐ 1,2g/kWh;
É possível contabilizar uma diminuição de 50% no consumo de óleo após conversão;
Assumiu‐se que o preço do lubrificante ascende a 2€ / kg.
• Custos de manutenção:
Motor Diesel ‐ 0,011 a 0,012 €/kWh;
Motor a gás ou dual fuel ‐ 0,008 a 0,009 €/kWh.
Conversão de Motores Diesel ‐ Dados de input
• Tarifa de energia eléctrica:
Simulador de cálculo da tarifa de energia eléctrica Decreto‐
Lei nº 313/2001 de 10 de Dezembro e respectivas Portarias (i.e. Portarias 57, 58, 59, 60/2002 de 15 de Janeiro) www.cogenportugal.com;
Valor médio de venda de energia eléctrica à rede ‐ 110 €/MWh
• Preço do fuelóleo e gás natural:
Fuelóleo ‐ 52€/kg (46,14 €/MWh);
Gás natural ‐ 40 €/MWh.
Conversão de Motores Diesel ‐ Dados de input
• Factores de emissão* e valorização do CO2:
Fuelóleo ‐ 77 kg CO2e/GJ (278,28 g CO2e/kWh);
Gás natural ‐ 64,1 kg CO2e/GJ (230,76 g CO2e/kWh);
Valorização do CO2 – 20 €/t CO2.
* Despacho 17313/2008 do Diário da República 2ª série, nº 122 de 26 de Junho. Custos de Conversão de Motores Diesel
• Diesel – Ciclo Otto (100% GN) – 250 a 350 €/kW (Wärtsilä);
• Diesel – Dual‐fuel (95% GN + 5% gasóleo) – 190 a 300 €/kW (MAN);
• Diesel – Dual‐fuel (95% GN + 5% gasóleo / 100% HFO) – 400 €/kW (Wärtsilä);
• Diesel – Bi‐fuel (70% GN + 30% HFO) – 80 a 100 €/kW (TecnoVeritas).
Conversão Integral: Motor Diesel ‐ Motor a gás (ciclo Otto)
TIR Projecto
27,96%
Conversão de um motor Diesel para motor Bi‐Fuel
TIR Projecto
89,88%
Conclusões
• Existência de um parque interessante de motores Diesel com potencial de transformação para gás natural e/ou gás natural + fuelóleo; • Contenção de custos de investimento propiciando recurso a capitais próprios num momento em que o acesso ao crédito está estrangulado;
• Impacte ambiental favorável e futura diminuição dos custos com aquisição de licenças de emissão de CO2;
• Manutenção em funcionamento de equipamento que se encontra ainda longe do término da sua vida útil;
• Dinamização de um mercado de transformação de motores com players nacionais.