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APOSTILA DE CO-GERAÇÃO
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Kléber Rios Fartaria
1 APOSTILA DE CO-GERAÇÃO Notas de aula de Co-geração do Curso de Engenharia de Equipamentos Professor: Newton Paterman Brasil Edição de agosto de 2005
2 ÍNDICE I)Introdução 1)Conceituação 3 2)Histórico 3 3)Vantagens da co-geração 4 II)Plantas 1)Tecnologia 5 2)Combustíveis 8 III)Equipamentos e ciclos térmicos 1)Turbina e motor a gás natural 11 2)Compressor de gás 13 3)Caldeira de recuperação 13 4)Gerador de água gelada 14 5)Painel de sincronismo e paralelismo 17 6)Turbinas a vapor 18 IV)Viabilidade 1)Aplicabilidade do ponto de vista técnico 20 2)Exemplos de aplicação 21 3)A co-geração e o meio ambiente 24 4)Análise econômica 25 5)Condições favoráveis à co-geração 29 6)Estudo de caso 29 ANEXO 1: Sistemas de potência a vapor* ANEXO 2: Sistemas de potência a gás* ANEXO 3: Co-geração com turbina a vapor* ANEXO 4: Tabela de densidades e poderes caloríficos superiores e inferiores do BEN * trechos de apostilas da NEST/EFEI/FUPAI 2
3 I)Introdução 1) Conceituação Apesar dos enormes investimentos do setor elétrico na infra-estrutura de suprimento, sempre se verificou a busca pela auto-suficiência por alguns consumidores de eletricidade. Há indústrias que possuem subprodutos combustíveis de baixo valor, ou poluentes, e que aproveitam tudo o que podem ao extrair-lhes a energia. É o caso do bagaço de cana no setor de açúcar e álcool, do licor negro no de papel e celulose, do resíduo asfáltico no de refino de petróleo, etc. A geração de energia elétrica quando encontrada junto aos centros de carga ou dentro dos próprios, como é o caso da auto-produção, conhecida como geração distribuída, só se tornou competitiva com a concentração em grandes usinas, na medida em que a tecnologia se desenvolveu no sentido de aumentar a eficiência das máquinas acionadoras dos geradores elétricos (COBAS, 2001). A co-geração é uma solução de engenharia, aplicável para determinados usuários de energia, que pode, em condições que mostraremos a seguir, viabilizar economicamente a auto-produção de energia. Melhor definida na língua inglesa como CHP (combined heat and power), a co-geração é usualmente entendida como a geração simultânea, e combinada, de energia térmica e energia elétrica ou mecânica, a partir de uma mesma fonte. A vantagem principal, e inicial, é o maior aproveitamento da energia contida na fonte, reduzindo consideravelmente os custos de produção da energia nas duas formas citadas. A figura 1 a seguir mostra de forma esquemática esse entendimento. COMBUSTÍVEL SISTEMA DE CO-GERAÇÃO ENERGIA ELETRICA ENERGIA TÉRMICA Figura 1 Co-geração de energia Nesse trabalho nos concentramos na co-geração a partir do gás natural, mas um estudo mais amplo desse assunto nos mostraria o uso da co-geração de diversas outras formas. Porém, o conceito permanece o mesmo: minimizar custos aproveitando ao máximo o conteúdo energético de uma fonte, seja ela gás, óleo, lenha, bagaço de cana, resíduos combustíveis em geral etc. 2) Histórico A energia elétrica entrou inicialmente no cotidiano das indústrias na forma de autoprodução. A tração animal ou humana foi substituída na era industrial (século XIX) pela máquina a vapor d água, que permitiu o uso simultâneo deste fluido energético para processos de aquecimento e para acionamento mecânico. A energia mecânica já era 3
4 obtida de quedas d água e do vento através de moinhos, onde os processos de aquecimento utilizavam outros meios que não o vapor. Como exemplo temos os engenhos de café, cujos grãos eram secados em grandes pátios submetidos ao calor do Sol e depois moídos em pilões movimentados por alavancas e roldanas ligadas a correias, tudo acionado por grandes rodas d água, aproveitando o represamento de algum riacho da fazenda. O mesmo ocorre ainda nas salinas em que o vento ajuda o calor do Sol a evaporar a água, separando fisicamente os sais minerais, ao mesmo tempo em que move os moinhos acionadores das bombas, que movimentam a água retirada do mar. Voltando à máquina a vapor, que fazia papel semelhante ao da roda d água dos engenhos de café, a distribuição da energia mecânica, via eixos, roldanas e correias, pode ser substituída pela distribuição de energia elétrica, produzida num gerador central acionado pela máquina a vapor, e levada a motores elétricos por meio de cabos. Da forma descrita podemos perceber que a co-geração já era um conceito energético nas empresas antes do advento das companhias de fornecimento de eletricidade. Se utilizarmos turbina ou motor a gás para acionar um gerador elétrico, os gases quentes provenientes da descarga desses equipamentos podem ser utilizados para gerar vapor através de uma caldeira de recuperação. 3) Vantagens da co-geração A co-geração apresenta diversos aspectos que atraem as empresas para esta alternativa. A primeira que vem à tona é quanto à redução de custos operacionais. Em muitas empresas a participação do custo de energia no custo final do produto pode ser muito grande e a possibilidade de aumentar a eficiência no aproveitamento da energia adquirida é sempre atraente. Outro ponto de grande importância está na confiabilidade. Um sistema de cogeração é, na prática, um sistema de auto-produção de energia elétrica, obtida de equipamentos reconhecidamente confiáveis e de combustíveis cujo fornecimento não está tão sujeito aos tipos de interrupções que, em certos lugares, ocorrem no suprimento de energia elétrica. No momento atual em que o setor elétrico sofre os efeitos de um período de poucos investimentos na geração e na transmissão e, portanto, com tendências de déficit de geração e problemas de transporte, a co-geração, como geração distribuída, se apresenta com grande atratividade tanto para os consumidores quanto para a sociedade em geral. Vários anos de experiência do autor deste trabalho, em contato com clientes de distribuidoras estaduais de gás canalizado, permitiram observar que algumas empresas, mesmo não obtendo resultados representativos na redução dos seus custos, e às vezes até os aumentando, recorrem à co-geração a gás natural buscando beneficiar sua imagem junto ao mercado, mostrando-se como uma empresa moderna tecnologicamente e preocupada com conservação de energia e com o meio ambiente. Um consumidor de energia elétrica dificilmente terá escala suficiente para produzir sua própria energia elétrica a um custo menor do que o da energia oferecida pela empresa concessionária. O preço da aquisição de combustível fóssil adicionado ao custo de capital necessário para transformá-lo em energia útil leva a um custo do MWh gerado bem maior do que o que se apresenta na sua conta mensal da distribuidora local, a menos que esse consumidor tenha possibilidades de obter combustível (ou aproveitamento hídrico) a baixo custo, como é o caso do setor sucroalcooleiro, ou do segmento de papel e celulose, entre outros. Hoje a decisão de implantar co-geração é uma decisão de risco. A análise de viabilidade passou a ser uma análise de risco, e não uma análise técnico-econômica, 4
5 como era antes. A possibilidade de um projeto como este dar certo está mais ligada a cálculos dos custos da não confiabilidade do suprimento tradicional, e a mecanismos de mitigação (hedges) de riscos associados a preços de combustíveis e de energia elétrica. Por outro lado, os modelos de análise de viabilidade deixam de ser determinísticos e passam a possuir variáveis probabilísticas, refletindo as diversas incertezas envolvidas no projeto de co-geração. II)Plantas 1) Tecnologia As plantas de co-geração mais comuns são concebidas com caldeira e turbina a vapor, utilizando o ciclo termodinâmico de Rankine. Na figura 2 o combustível, fonte de toda a energia produzida pela planta, é introduzido para queima numa caldeira e o vapor gerado, de alta pressão, é levado a uma turbina a vapor, de contrapressão ou de condensação com extração, que aciona o gerador elétrico. Água de alimentação combustível CALDEIRA Vapor de alta pressão TURBINA A VAPOR G Energia elétrica Vapor para processo condensado Figura 2 Co-geração com ciclo de Rankine O vapor que sai da turbina é utilizado para atender à demanda de energia térmica do consumidor. Uma vantagem dessa concepção é a possibilidade de uso de elenco de diferentes combustíveis, tais como gás, lenha, carvão, bagaço de cana, cascas de arroz, óleo combustível, resíduos orgânicos em geral, etc. Os sistemas de potência a vapor estão mais detalhados no ANEXO 1 desta apostila. Por outro lado, o projeto conceitual que apresenta mais eficiência é o da turbina ou motor a gás associados a uma caldeira de recuperação. 5
6 Gás natural Turbina ou Motor a gás G Energia elétrica Gases quentes->> Água de alimentação caldeira de recuperação Vapor para processo Figura 3 Co-geração com turbina ou motor Na figura 3, o combustível é queimado na câmara de combustão de uma turbina ou detonado nos cilindros de um motor a pistões, que acionam o gerador. Os gases de combustão, quentes, rejeitados pelas máquinas (turbina ou motor) são então conduzidos a um equipamento de recuperação do calor, que utiliza o calor sensível deste sopro quente para gerar vapor. Por exemplo, uma turbina a gás natural descarrega grande quantidade de ar com cerca de 2% de dióxido de carbono, a 500 ºC ou mais, e esse "sopro quente" pode produzir vapor saturado seco de 10 atm de pressão a 180ºC. Com isso, o aproveitamento da energia contida no gás natural pode chegar a 80%, enquanto que gerando apenas energia elétrica ficaria em torno de 30%. Dependendo das necessidades energéticas do cliente, existem diversas configurações possíveis além das mostradas nas figuras acima. Nas figuras 4, 5 e 6 a seguir mostramos algumas delas. 6
7 Compressor de ar turbina G Câmara de combustão <<Gases quentes Gás natural caldeira de recuperação vapor Energia elétrica Turbina a vapor G Vapor para processo condensado Figura 4 Co-geração com ciclo combinado para consumidores com baixo consumo de vapor Gás natural Motor a gás G Energia elétrica Água de arrefecimento do motor \/\/\/\/\ /\/\/\/\/ <<Gases quentes Vapor para lavanderia e cocção Água de alimentação da caldeira caldeira de recuperação vapor Sistema de absorção Água gelada para refrigeração ambiental Figura 5 Configuração possível para o setor de serviços (hotéis, hospitais, shopping centers e aeroportos) 7
8 turbina G Energia elétrica Gás natural "sopro" quente Spray dryer Figura 6 Configuração típica de uma planta de cerâmica branca No capitulo III, mais à frente, apresentamos detalhes sobre os equipamentos e subsistemas mais importantes na composição dos sistemas de co-geração. Esses detalhes nos interessam na medida em que nos ajudam a compreender os aspectos econômicos envolvidos na escolha dos componentes e da configuração na fase de projeto conceitual, bem como fatores operacionais que influenciam os resultados (e possíveis benefícios) que o sistema implementado deverá apresentar ao longo da sua vida útil. No capítulo IV, de análise econômica, essas informações serão úteis. 2)Combustíveis utilizados Conforme já citado, a co-geração se apresenta como forma de aproveitamento máximo do conteúdo energético tanto de combustíveis do tipo fóssil como dos do tipo biomassa. Os combustíveis fósseis mais comuns são: - sólidos: carvão, turfa - líquidos: derivados de petróleo tais como gasolina, óleo combustível, óleo diesel, querosene - gasosos: gás natural, gás de refinaria, gás de coqueria etc. O carvão pode dar origem a gás por gaseificação. Os combustíveis biomassa mais comuns são: - sólidos: lenha, bagaço de cana, casca de arroz, cavaco de madeira etc. - líquidos: biodiesel, álcool, licor negro (resíduo da produção de celulose) etc. - gasosos: resultantes da decomposição de lixo orgânico ou esgoto sanitário, ou da gaseificação do bagaço de cana. 8
9 As caldeiras geradoras de vapor para co-geração podem ser fabricadas para utilizar praticamente qualquer combustível. Porém as turbinas e os motores a pistões exigem combustíveis mais puros e fluídos. Nesse caso pode-se utilizar gases, óleo diesel, gasolina, querosene de aviação, e, em último caso, o óleo combustível. Atualmente o combustível que reúne as melhores condições comerciais e de qualidade (energética e ambiental) é o gás natural. Se o século XIX foi o do carvão e o século XX foi o do petróleo, na era industrial, o século XXI deverá ser o do gás natural. Na tabela 1 abaixo o gás natural é comparado com outros combustíveis quanto a conteúdo energético e nos gráficos das figuras 7a, 7b e 7c se pode perceber claramente a superioridade do gás natural quanto aos níveis de emissões de poluentes. No ANEXO 4 mostramos uma tabela com dados energéticos de todos os combustíveis considerados no Balanço Energético Nacional (BEN). FONTES ENERGÉTICAS Tabela 1 Volume Equivalente de GN (m 3 ) m 3 de Fonte deslocada Volume Equivalente de GN (m 3 ) ton de Fonte Deslocada Óleo Cru Lenha Catada Lenha Óleo Diesel Óleo Gasolina GLP Nafta Carvão Vegetal Álcool Hidratado Metanol Fonte:www.gasnet.com.br
10 Figura 7a - níveis de emissões de dióxido de carbono Fonte:www.gasnet.com.br Figura 7b níveis de emissões de dióxido de enxofre e de óxidos de nitrogênio Fonte:www.gasnet.com.br 10
11 Figura 7c níveis de emissões de hidrocarbonetos (não queimados), CO e particulados Fonte:www.gasnet.com.br III)Equipamentos e ciclos térmicos 1)Turbina e motor a gás Trata-se aqui do que é considerado o principal equipamento de um sistema de cogeração. Tanto a turbina (figura 8) quanto o motor a gás (figura 9) têm basicamente a mesma função: transformar a energia proveniente da combustão em energia mecânica. Esta será em seguida aproveitada para acionamento de um gerador elétrico, ou de um compressor ou qualquer outra máquina que exija um acionador. Outra semelhança entre os dois acionadores é a produção de grande quantidade de energia térmica. No caso da turbina a gás, essa energia térmica se apresenta totalmente em forma de gases de combustão na descarga, gases esses constituídos principalmente de ar e de CO 2. No motor a gás, a energia térmica produzida se apresenta nos gases de descarga e na água de arrefecimento, além de uma quantidade menor no retorno do óleo lubrificante. Numa turbina a gás, de toda a energia disponível no combustível obtém-se entre 22 e 35% de energia elétrica nos bornes do gerador acionado, enquanto que num motor a gás a faixa é um pouco maior, podendo-se obter até cerca de 40% em energia elétrica em 11
12 potências em que a turbina não alcança 30%. Nesse aspecto se verifica, portanto, uma vocação maior do motor a gás para um perfil de demanda de energia em que prepondera a demanda elétrica. Por outro lado, não há no mercado motores a gás acima de 5 MW, pois, pela sua concepção mecânica, suas dimensões trazem dificuldades físicas para o projeto. Já no caso das turbinas, existem desde pequenas potências como 600 kw até as grandes, de 300 MW. A turbina leva vantagem do ponto de vista térmico na medida em que quase toda a energia disponibilizada pela queima do gás e não transformada em energia mecânica é descarregada nos gases, em maior temperatura do que nos motores a gás, pois uma das principais funções do ar é refrigerar o equipamento. Nelas, a temperatura dos gases exaustos fica na faixa de 450 a 900 C, sendo que nos motores ela fica entre 300 e 500 C. Por outro lado, os motores disponibilizam energia térmica em boa parte na água de arrefecimento, que nem sempre pode ser totalmente aproveitada, pois exige permutador de calor em vista da possibilidade de contaminação. Este fator reduz o rendimento, pois ela não se situa numa faixa de temperatura alta (em torno de 100 C). GÁS ηgeração ~ 98% AR COMPRESSOR térmico ~ 70% elétrico ~ 25% (~ 5 MW) perdas ~ 5% CÂMARA DE COMBUSTÃO TURBINA ~ GERADOR ELÉTRICO EXAUSTÃO 450 a 900ºC Figura 8 Turbina a gás A turbina costuma apresentar um preço de aquisição maior do que o motor, para a mesma potência, entretanto, o maior nível de vibração no motor, pela sua concepção, pode requerer maiores investimentos na estrutura civil da planta. Em resumo, os dois têm vantagens e desvantagens, e para cada caso estudado deve-se avaliar a conveniência de se optar por um ou por outro. 12
13 AR trocador de calor de óleo lubrificante T in ~ 40 C GÁS MOTOR T out ~ 48 C ηtérmico ~ 30% ηelétrico ~ 40% ~ ηgeração ~ 98% Trocador de calor de água de arrefecimento T in ~ 79 C T in ~ 93 C GERADOR ELÉTRICO Exaustão para caldeira 300 a 500ºC Figura 9 Motor a gás Uma vantagem importante do motor sobre a turbina é que os gases de exaustão do primeiro contêm grande porcentual de dióxido de carbono, ao contrário da turbina, cujo potencial deste gás fica em torno de 2%, devido ao excesso de ar para sua refrigeração. Isso torna o motor atrativo em empresas que utilizam esse gás inerte, como é o caso da indústria de refrigerantes. No ANEXO 2, desta apostila, os sistemas de potência a gás (ou diesel) estão mais detalhados. 2)Compressor de gás A necessidade de um compressor para o gás a ser utilizado no sistema de cogeração depende basicamente de dois fatores: a pressão de fornecimento pela distribuidora de gás e o tipo de acionador. As turbinas costumam exigir maior pressão para o gás, na faixa de 15 a 20 kg/cm². Já os motores funcionam bem com baixas pressões do gás, na faixa de 4 a 8 kg/cm². De qualquer forma, esse é um aspecto que precisa ser considerado na fase de avaliação econômica do projeto, pois um compressor para o gás pode ter peso razoável no cálculo do investimento, frente a outros equipamentos. 3)Caldeira de recuperação É o equipamento destinado a aproveitar o calor do exausto, da turbina ou do motor a gás, para gerar vapor (figura 10). Os gases quentes são conduzidos da descarga do 13
14 acionador para a caldeira por duto e entre os dois equipamentos precisa ser instalada uma válvula diverter que é na realidade um damper e um desvio para uma chaminé (de by pass) que permitem controlar a massa de gases destinada à caldeira ou, eventualmente, à uma operação exclusiva do gerador, sem a caldeira. Os gases quentes atravessam a caldeira, envolvendo as serpentinas de água que se vaporiza e, neste estado, sobe para o tubulão superior do qual é extraído para nova passagem por serpentinas internas, visando torná-lo seco ou até superaquecido, e finalmente sair para utilização. A caldeira de recuperação se caracteriza por ter a transferência do calor realizada principalmente através de convecção. Entretanto, é possível aumentar a eficiência da geração de vapor instalando caldeira de recuperação com maçaricos para queima adicional, o que introduz um maior nível de radiação na transferência do calor. As caldeiras de recuperação sem queima adicional costumam apresentar uma eficiência entre 70 e 80%, e com queima adicional pode passar de 90%. Essa eficiência cai se a caldeira estiver suja, carecendo de uma parada para manutenção, se ela tiver tempo de vida elevado, ou se os gases quentes tiverem uma temperatura insuficiente. A turbina, nesse caso, tem vantagem sobre o motor. GASES PARA ATMOSFERA ÁGUA - 25ºC Exaustão motor ou turbina η ~ 80% NOVA η ~ 70% USADA vapor ~ 10 bar Figura 10 Caldeira de Recuperação de Calor 4)Gerador de água gelada Os sistemas de refrigeração usualmente encontrados podem ser usados para conforto ambiental (ar condicionado) ou para conservação de alimentos (frigoríficos). No primeiro caso, de sistema central, tem-se usado circuitos de água gelada, que normalmente é resfriada a cerca de 5 C num sistema de compressão (figura 11). Neste sistema um gás, usualmente o freón, é comprimido num compressor acionado por motor elétrico e expandido numa câmara na qual ele retira o calor nessa expansão. No interior 14
15 dessa câmara estão as serpentinas por onde circula a água que retorna do circuito após passar por uma torre de refrigeração (a água ou a ar). A água gelada sai do resfriador, e vai para o circuito no qual atravessa as colméias dos radiadores externamente às quais passa o ar da ventilação forçada dos ambientes a refrigerar (fan coils). O chiller de absorção (figura 12) também utiliza o fenômeno da retirada de calor de um ambiente no qual se provoca a expansão de um fluido. A diferença está no processo, que no chiller de compressão é físico e no de absorção é físico-químico. A expansão, num dos diversos tipos existentes, seria da água ao penetrar numa câmara contendo solução concentrada de um sal, como o brometo de lítio, que apresenta alta afinidade com água. A absorção pela solução concentrada da água que entra, mantém uma baixa pressão na câmara, que propicia a expansão e, conseqüentemente, a retirada de calor de um fluido aquecido que circule numa serpentina instalada no seu interior. A solução agora menos concentrada é retirada para outro compartimento no qual é aquecida (pela fonte de calor que é o input de energia) vaporizando a água e se tornando novamente concentrada, retornando à câmara de expansão, a qual receberá novamente a água resultante da condensação do vapor produzido nesse aquecimento. Quando se concebe um sistema de co-geração para uma instalação de utilidades que inclui fornecimento de refrigeração ambiental, há uma preferência em optar por uma chiller de absorção, em substituição ao tradicional chiller por compressão, descrito acima. Isso por que, enquanto este último se apresenta como carga elétrica, o outro (de absorção) é carga térmica, visto que este equipamento é suprido por vapor, gases quentes ou água quente. Na realidade, o sistema por absorção tem como principal virtude o fato de depender pouco de energia elétrica. Em certos casos, ele independe totalmente, em sistema pequenos, como geladeira doméstica (muito usada no interior, onde é precária a eletrificação, consumindo GLP ou querosene). Apesar de ter uma eficiência menor do que o convencional por compressor, o sistema de absorção viabiliza o de cogeração na medida em que desloca para a parcela de demanda térmica o que seria uma demanda elétrica, melhorando o balanço termoelétrico. O efeito de refrigeração (coeficiente de eficácia) de um sistema por absorção é cerca de quatro vezes menor do que o de um sistema por compressor. Cada TR (tonelada de refrigeração) demandada pelo ambiente faz um sistema por compressores exigir cerca de 0,9 kw do acionador. Se for utilizado um sistema de absorção, a demanda equivalente sobe para 3,5 kw. Porém, como o sistema de absorção consome uma energia que seria desperdiçada caso não houvesse co-geração, essa diferença se compensa. Em termos de custo, o chiller de absorção é um pouco mais caro do que o de compressão. Entretanto, o sistema de refrigeração ambiental como um todo, tirando o chiller, é praticamente o mesmo para os dois tipos. No final, a diferença entre uma alternativa e outra acaba pesando pouco na decisão. 15
16 COMPRESSOR RESFRIADOR M T = 12ºC H2O DOS FAN COILS CONDENSADOR T = 5ºC H2O M PARA FAN COILS TORRE DE RESFRIAMENTO Figura 11 Sistema de refrigeração ambiental com chiller de compressão < RETORNO 12º C PARA FAN COILS 7º C fonte quente: -vapor -água quente -calor -queima direta SOLUÇÃO DE LiBr DILUÍDA SOLUÇÃO DE LiBr CONCENTRADA Figura 12 Chiller de absorção 16
17 5)Painel de sincronismo e paralelismo A co-geração de energia é uma forma de auto-produção de eletricidade com aproveitamento da energia térmica. Entretanto, não é uma boa prática ficar desconectado totalmente da fonte original, visto que já existe toda uma instalação, da concessionária e do usuário, que não deve ser desprezada. Além disso, o sistema de co-geração pode parar, seja por falha eventual seja por parada programada para manutenção. Por isso, é preciso prever um back-up, que seria o aproveitamento da instalação existente (figura 13), para receber energia elétrica da concessionária, instalando-se um painel para manter sincronizadas as duas fontes (gerador e barramento de entrada da energia comprada) para substituição eventual ou planejada sem interrupção, além de um contrato específico que estabelecesse as tarifas adequadas para a nova situação. Existe um tipo de tarifa, na maioria das concessionárias, que atende a essa forma de contrato que é a Tarifa de Emergência. Por ser esta hoje considerada alta, pode-se também negociar a DSR (demanda suplementar reserva, ver cap. IV tópico 4.3) compondo as tarifas normais e de emergência. Ou seja, se for de interesse da concessionária, pode-se contratar o fornecimento para paralisações inesperadas pela tarifa de emergência, e a parada programada pela tarifa normal. Hoje, pela nova regulamentação do setor elétrico, o auto-produtor qualificado como co-gerador pode adquirir a energia no mercado e contratar com a concessionária local apenas o uso do sistema de distribuição, com tarifas reguladas e com um fator de desconto para utilização em até doze vezes por ano. 1 Quanto ao painel de sincronismo, ele pode pesar mais na formação do custo do investimento, se for o sistema concebido com a utilização de mais de um acionador para aumentar a confiabilidade e, conseqüentemente, reduzir o custo da DSR. Será preciso avaliar se vale à pena reduzir o investimento mas aumentar o custo operacional. 1 res. Aneel 371/1999). 17
18 LT 69 kv 13,8 kv Subestação abaixadora PAINEL DE SINCRONISMO/ PARALELISMO CARGAS ELÉTRICAS MOTOR OU TURBINA A GÁS GERADOR 13,8 kv CARGA DE REFRIGERAÇÃO GÁS COMPRESSOR (se for p/turbina) exausto CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO CHILLER DE ABSORÇÃO CALDEIRA CONVENCIONAL (RESERVA) Vapor s.s. Figura 13 - Painel de sincronismo e paralelismo num sistema de co-geração 6)Turbinas a vapor Sua aplicação maior é em sistemas de co-geração bottoming ou em ciclo combinado. O princípio de funcionamento é similar ao da turbina a gás, só que o vapor, superaquecido, já entra na turbina com a energia que precisa para acionar os rotores (figura 14). O vapor pode ser retirado ainda com pressão e temperatura para ser utilizado no processo, ou no estado chamado "exausto", em que está saturado e pronto para entregar seu calor latente e se tornar líquido (água) no condensador. Uma importante vantagem da turbina a vapor, quando comparada com a turbina a gás, é a sua baixa necessidade de manutenção, pois recebe um fluido em temperatura não muito alta e limpo e, se este for sempre seco e a turbina tiver manutenções preventivas freqüentes e manutenção preditiva 2, sua vida útil pode ser de várias décadas. 2 Manutenção sob condição, ou seja, decidida em função de inspeção prévia. 18
19 VAPOR SUPERAQUECIDO VAPOR PARA PROCESSO VAPOR PARA PROCESSO CONDENSADO (a) (b) (c) figura 14 a- turbina de contrapressão b- turbina de condensação c- turbina de condensação com extração No ANEXO 3 (Co-geração com turbinas a vapor) esse tópico está mais detalhado. 19
20 IV)Viabilidade 1) Aplicabilidade do ponto de vista técnico Em princípio, a co-geração é aplicável a qualquer instalação na qual se necessita das duas formas de energia citadas anteriormente: energia elétrica e energia térmica. A demanda térmica pode ser calor direto ( sopro quente), vapor, água quente, óleo quente e refrigeração. Esta última pode ser obtida a partir da energia elétrica, e nesse caso se traduz em demanda elétrica. Porém a co-geração traz de volta o sistema de refrigeração por absorção, que gera água gelada a partir de uma fonte quente, mais usado em lugares que não dispõem de eletricidade. Traz de volta no sentido de que por ser a co-geração uma alternativa de auto-produção em instalações nas quais existe grande demanda térmica em relação à demanda elétrica, a substituição do sistema de refrigeração com compressores, acionados por motores elétricos, por sistemas de refrigeração por absorção alimentados por vapor, água quente, sopro quente ou queima direta, favorece o balanço termelétrico desejável para viabilizar economicamente a co-geração. Para a alternativa de co-geração encontrar aspectos que a viabilizem tecnicamente é conveniente que o cliente tenha demanda de energia térmica (vapor, calor ou frio) pelo menos duas vezes maior do que a equivalente de energia elétrica. Essa relação pode mudar um pouco mas, por exemplo, uma fábrica que consome cerca de 5 MW de energia elétrica e cerca de 15 toneladas por hora de vapor estaria numa posição muito favorável para adotar co-geração 3. Isso ocorre porque a relação entre energia elétrica e energia térmica geradas via turbina ou motor se mantém aproximadamente constante e elas precisam ser aproveitadas ao máximo para garantir a alta eficiência do sistema. Entretanto o uso de queima suplementar na caldeira ou de chillers elétricos pode ajudar a ajustar a relação de demandas (elétrica e térmica) do cliente à relação entre as potências térmica e elétrica co-geradas. Outro fator que deve ser levado em conta na avaliação técnica da aplicabilidade de um sistema de co-geração é a temperatura do sopro quente a ser aproveitado. Se a opção for a configuração em que se gera inicialmente energia elétrica por um acionador a combustão, a temperatura dos gases exaustos pode chegar a 450º C, no caso de motores, ou a 550 o C no caso das turbinas. Isso limita a aplicação dessa alternativa, que se tornaria inadequada para temperaturas muito acima dessa faixa, como é o caso, por exemplo, da indústria de vidro, em que a temperatura do processo está acima de 1000 o Celsius. Já o setor de cerâmica branca, que possui secador para a pasta obtida pela mistura dos componentes minerais (argilas, saibro etc.) em base d'água, tem implementado co-geração com turbinas a gás natural nos países de grande tradição e importância no mercado mundial desse produto, como é o caso da Espanha e da Itália, exatamente porque as temperaturas dos processos de secagem (nos chamados spray dryers ou atomizers), normalmente por queima direta de gás, e o excesso de ar são muito próximos dos encontrados nos gases de descargas das turbinas, permitindo o total aproveitamento destes ao mesmo tempo que é gerada toda a energia elétrica demandada pela planta (BARONCINI e CHIARINI, 1995). 3 Se o vapor for de 10 bar saturado seco, o consumo de 15 t/h equivale a aproximadamente 11 MWth (megawatts térmicos). 20