Cap 8 Energia de Combustveis fsseis PCI 8

Cap. 8 - Energia de Combustíveis fósseis PCI = 8. 450 kcal/Nm 3 PCI = 35. 321 k. J/Nm 3 Gás Natural Combustíveis fósseis Centrais térmicas a ciclo combinado (efic. =50%) R = 8. 314 / 18, 27 = 455 J/kg. K = 101. 325 / (455 x 293, 15) = 0, 759 kg/Nm 3 Óleo diesel - Sistemas isolados - Grupo geradores de emergência (efic. =30%) PCI = 46. 536 k. J/kg PCI = 10. 200 kcal/kg PCI = 42. 636 k. J/kg = 830 kg/m 3

8. 1 – Centrais térmicas a gás natural

8. 1. 1 – Análise econômica de uma Central a Gás Natural Exemplo de balanço energético: Central de 100 MW (balanço anual) EQC = 5, 99 x 1015 J (térmico)/ano EE= 100 MW x 8760 h/ano Energia Química do Combustível Energia Elétrica Central Térmica QC 357 ton / dia QC 170 milhões Nm 3 / ano Energia térmica EE= 832. 200 MWh/ano Para eficiência = 50% (indisponibilidade = 5, 0%) => EQC = 832. 200/0, 50 MWh/ano EQC = 1. 664. 400 MWh(térmico)/ano 1 MWh = 106 J/s x 3. 600 s = 3, 6 109 J EQC = 1, 66 106 x 3, 6 109 J (térmico)/ano EQC = 5, 99 x 109 MJ (térmico)/ano PCI = 46, 5 MJ/kg => Gás Natural QC = 128. 817. 204 kg/ano QC 10. 735 ton /mês QC 357 ton / dia QC 170 milhões Nm 3 / ano

EE$= R$ 116. 500. 000, 00 / ano Combustível = R$ 53. 025. 000, 00 /ano Central Térmica Combustível Energia elétrica Amortização = R$ 22. 350. 000, 00/ano Lucros = R$ 17. 475. 000 / ano Impostos = R$ 11. 650. 000 / ano C. O. M. = R$ 12. 000, 00 / ano Total = R$ 63. 475. 000, 00 /ano EE$= R$ 140, 00 x 832. 200 MWh/ano EE$= R$ 116. 500. 000, 00 / ano Para um custo unitário de R$ 1. 500, 00 /k. W Custo de Central = R$ 150 milhões FRC=0, 149 para i=8% e n=10 anos Amortização = R$ 22, 35 milhões /ano Custo de operação e manutenção = R$ 10, 00 a R$ 20, 00 / k. W / mês Impostos = 10% do faturamento Lucro = 15 % do faturamento C. O. M. = R$ 12. 000, 00 / ano Impostos = R$ 11. 650. 000 / ano Lucros = R$ 17. 475. 000 / ano Total = R$ 63. 475. 000, 00 /ano Restante = R$ 53. 025. 000, 00 /ano QC = 170. 000 Nm 3 /ano Custo do combustível = R$ 0, 31 / Nm 3 (máx. )

Preço = US$ 7, 1 por milhão de BTU 1 BTU = 1, 055 k. J => 106 BTU = 1, 055 x 106 k. J Preço = US$ 7, 1 / 1, 055 x 106 k. J PCI = 35. 321 k. J/Nm 3 Preço = (7, 1 / 1, 055 x 106) x 35. 321 [US$/k. J] x [k. J/Nm 3] Preço = US$ 0, 24 por Nm 3 Preço = R$ 0, 40 por Nm 3

8. 2 – Grupo gerador a Diesel - Sistemas isolados - Grupo geradores de emergência - Substituição em horário de ponta

Curva de carga de um sistema isolado = Potência % - tempo (h) Fator de capacidade = 0, 546 % Potência instalada = 1 MW Energia total = 0, 546 x 1 MW x 24 h / dia = 13, 1 MWh FC = 13, 1 / 24 = 0, 546 %

8. 2. 1 – Análise econômica de uma Central a Diesel Exemplo de balanço energético: Central de 1 MW (balanço anual) EQC = 5, 72 x 107 MJ (térmico)/ano EE= 13, 1 x 365 MWh/ano Energia Química do Combustível Central Térmica Energia Elétrica QC 3, 72 ton / dia QC 4. 493 lit / dia Energia térmica QC 1. 617. 738 lit / ano EE= 4. 781 MWh/ano Para eficiência = 30% => EQC = 4. 781 / 0, 30 MWh/ano EQC = 15. 938 MWh(térmico)/ano 1 MWh = 106 J/s x 3. 600 s = 3, 6 109 J EQC = 1, 59 104 x 3, 6 109 J (térmico)/ano EQC = 5, 72 x 107 MJ (térmico)/ano PCI = 42, 6 MJ/kg => Óleo Diesel QC = 1. 342. 723 kg/ano QC 111, 89 ton /mês QC 3, 72 ton / dia

EE$= R$ 3. 566. 626, 00 / ano Combustível = R$ 3. 235. 477, 00 /ano Central Térmica Combustível Energia elétrica Amortização = R$ 208. 600, 00/ano Lucros = R$ 0 / ano Impostos = R$ 0 / ano C. O. M. = R$ 120. 000, 00 / ano Total = R$ 3. 564. 077, 00 /ano Custo do combustível = R$ 2, 00 / lit. QC = 1. 617. 738 lit /ano Custo Combustível = R$ 3. 235. 477, 00 /ano Para um custo unitário de R$ 1. 400, 00 /k. W Custo de Central = R$ 1, 4 milhões FRC=0, 149 para i=8% e n=10 anos Amortização = R$ 208. 600, 00 /ano Custo de operação e manutenção = R$ 10, 00 a R$ 20, 00 / k. W / mês C. O. M. = R$ 120. 000, 00 / ano Custo de geração R$ 745, 00 / MWh Total = R$ 3. 564. 077, 00 /ano Lucros = R$ 0, 00 / ano Impostos = R$ 0, 00 / ano EE$= R$ 746, 00 x 4. 781 MWh/ano EE$= R$ 3. 566. 626, 00 / ano

Cap. 11 – Eficiência Energética Iluminação - Troca de lâmpadas => Redução = 15% Motores elétricos Eficiência energética Isolamento Térmico - Alta eficiência => Redução = 10% - Novos materiais => Redução = 10% Uso de inversores de frequência em => Redução até 20% Compressores , bombas e ventiladores

11. 1 – Co-geração Em poucas palavras, co-geração é a ampliação de uma instalação existente de geração de vapor para processo, visando a geração de energia elétrica em ciclo fechado. Perdas Combustível Caldeira Perdas Vapor Processo Industrial Retorno do condensado

Geração de vapor Fluxo energético da caldeira PPC = 3. 516 k. W Perdas PCI = 2. 312 Mcal/mst m. L = 8, 73 mst/h Lenha Caldeira a lenha h = 2. 575 k. J/kg m. V = 7, 74 kg/s m. V = 27, 8 t/h Vapor T = 85 % PTL = 23. 446 k. W PTV = 19. 930 k. W

Análise da geração de vapor Gases da combustão Caldeira a lenha Lenha 2 Vapor Diagrama T-h da geração de vapor e processo: T 1 Bomba d’água Processo 3 Água fria 8 [kgf/cm 2] 174 o. C 1 2 3 h

Proposição para a geração de vapor Diagrama T-h da co-geração Gases da combustão T Caldeira Lenha 386 o. C 2 253 o. C 42 [kgf/cm 2] Bomba de água Processo 4 Água fria 3 1 1 4 h Turbina e gerador 2 Vapor 3 E. Elétrica

Exemplo de planta de co-geração Gerador: 3. 750 k. VA Turbina a vapor: pressão de entrada: 42 kgf/cm 2 pressão de saída: 6 kgf/cm 2 temperatura de entrada: 420 0 C Caldeira: Capacidade: 30 t/h Pressão de 12 kgf/cm 2 para 42 kgf/cm 2

Condições termodinâmicas na turbina a vapor Turbina a vapor Pressão absoluta Temperatura Entalpia Entropia Entrada 4, 2 MPa 420 0 C 3. 257 KJ/kg 6, 812 KJ/kg. K Saída (isoentrópica) 0, 68 MPa 181, 5 0 C 2. 804 KJ/kg 6, 812 KJ/kg. K Saída 0, 68 MPa 221, 4 0 C 2. 871 KJ/kg 6, 954 KJ/kg. K Consumo de vapor na turbina à 80% da capacidade Turbina a vapor Diferença de entalpia do vapor 386 KJ/kg Potência de eixo 2. 842 k. W Rendimento mecânico 95 % Potência “térmica” 2. 991, 5 k. W Vazão de vapor 7, 74 kg/s Vazão de vapor 27, 9 ton/h

Exemplo de planta de co-geração A geração média mensal em co-geração considerando regime permanente de funcionamento à 80 % da capacidade será de 2, 7 MW vezes 720 horas, ou seja, 1. 944 MWh por mês.

Exemplo de planta de co-geração O acréscimo em comparação com a situação inicial é de somente R$28. 000, 00/mês ou seja, a diferença entre o consumo de lenha (14. 000 mst/ano equivalente a 1. 167 mst/mês) multiplicado pelo valor do mst de lenha (R$24, 00). Nestas condições, considerando apenas o acréscimo das despesas com o combustível (lenha), tem-se o custo da energia gerada estimado em R$ 14, 40 por MWh.

11. 2 – Tri-geração Existe também a possibilidade de utilização de ciclos de refrigeração por absorção para o aproveitamento de fluxos de gases quentes (com temperaturas da ordem de 100 a 150 0 C), como os fluxos dos gases de combustão de caldeiras, gerando efeito frigorífico em evaporadores. O conceito de tri-geração envolve a geração de energia elétrica, vapor (calor) e frio em um sistema.

Tri-geração Fluxo energético da caldeira com ciclo de absorção Atmosfera Q = 3. 043 Mcal/h PTCA = 2. 079 k. W = 1. 790 Mcal/h Ciclo de absorção QEVA = 1. 455 k. W = 1. 253 Mcal/h Perdas PCI = 2. 312 Mcal/mst m. L = 10, 33 mst/h Lenha Caldeira a lenha Vapor h = 3. 044 k. J/kg m. V = 7, 74 kg/s T = 85 % PTL = 27. 719 k. W = 23. 875 Mcal/h PTV = 23. 561 k. W = 20. 294 Mcal/h

11. 3 – Inversores de frequência • Geral Potencial de redução de consumo de energia elétrica • Técnico § Inversores de frequência § Sistema de bombeamento § Sistema de refrigeração • Econômico § Análise de viabilidade

Potencial de redução de custos Dentro do setor industrial mais da metade do consumo de energia elétrica é devido ao uso de motores elétricos, acionando diversos tipos de máquinas : Bombas hidráulicas, ventiladores, trituradores, misturadores, compressores, máquinas ferramentas e etc. .

Potencial de redução de custos O consumo de energia elétrica pelos motores é proporcional às cargas mecânicas das máquinas acionadas. A carga mecânica de uma máquina é, em geral, proporcional ao cubo da rotação desta máquina.

Potencial de redução de custos Instalação de bombeamento Medidor de vazão Controlador Válvula Bomba e Motor

Instalação de bombeamento controle de vazão por fechamento de válvula Curva do sistema hidráulico (válvula 50% ) H-total Curva do sistema hidráulico (válvula 100% ) Curva da bomba (em rotação constante) H Válvula Q 50 Q 100 Vazão Bomba e Motor

Controle por fechamento de válvula (bomba em rotação constante) P o t ê n c i a Potência elétrica fornecida Perdas no motor Perdas na bomba Perdas na válvula Potência útil que produz escoamento Percentual da vazão

Em geral, pode-se aplicar a análise para vários sistemas: Instalações de bombeamento: > Água de caldeira (geração de vapor e ciclos) > Produtos líquidos em processos químicos > Sistemas de resfriamento com água ou outros líquidos Instalações de ventilação: > Ar para caldeira (geração de vapor e ciclos) > Sistemas de exaustão > Sistemas de ar-condicionado

Inversores de Frequência 50 cm 1 CV 3 CV 7 CV

Inversores de Frequência Diagrama de blocos simplificado Referência de Rotação da Carga Regulador Fonte CA Frequência e Tensão Constante Retificador Tensão CC Constante ou Variável Inversor Potência CA Frequência e Tensão Variável Motor

Inversores de Frequência w = Rotação 3~ Controlador Sinal de Entrada 0 a 10 Vcc

Instalação de bombeamento H-total controle de vazão por rotação do motor elétrico Curva da bomba (em rotação 50%) Curva do sistema hidráulico (válvula 100% - on-off ) Curva da bomba (em rotação 100%) H Válvula Q 50 Q 100 Vazão Bomba e Motor

Controle de vazão por rotação do motor / bomba Potência elétrica em rotação constante Potência elétrica em rotação variável P o t ê n c i a Perdas no motor, na bomba e no inversor. Redução de Potência útil que produz escoamento Percentual da vazão

Controle de vazão por rotação do motor / bomba Observa-se do gráfico que: P o t ê n c i a Quanto maior for o tempo em que a bomba opere em condições de vazões abaixo da capacidade máxima, maior será a quantidade de energia possível de ser reduzida, através do uso de inversor de frequência. Percentual da vazão

Potencial de redução de custos Sistemas de Refrigeração: > Câmaras frigoríficas > Ar-condicionado

Ciclo Frigorífico Condensador Válvula Evaporador Câmara Frigorífica Sensor Produtos Compressor Motor Elétrico Atuador Sistema de Controle

Ciclo Frigorífico

Ciclo Frigorífico T 4 Diagrama T-s 3 2 1 2 3 45 35 0 4 -10 1 s Fluidos Refrigerantes: Amônia , R 304 e outros

Diagrama de Blocos do Sistema TR + - I C n o v n e E t r r s o o l r e TAMB Compressor w e QEVAP Circuito Frigorífico Câmara - QAMB + e TC Produto Sinal Erro : Distúrbio Térmico do Ambiente E = T

Tipos de Controle : 1) ON - OFF * Se T > 2 0 C => w = 1790 RPM ** Se T < -2 0 C => w = 0 Vantagens : • Facilmente implementado ( termostato ) • Barato Desvantagens : • Partidas bruscas (maior consumo de energia) • Menor vida útil do compressor (fadiga de material)

Tipos de Controle : 2) PID ( Proporcional - Integral - Derivativo ) : O sinal atuante é obtido a partir do sinal erro através da soma de três parcelas : i) EK - proporcional ao sinal erro ; ii) EI - proporcional a integral do sinal erro ; iii) ED - proporcional a derivada do sinal erro. 3) Potencial : O sinal atuante é obtido do sinal erro pela equação: En = Kc T - 1

Simulação Numérica: Fluido refrigerante : Amônia n = 1, 297 Produto: Carne Cp = 1. 965 KJ / kg. K Massa = 15. 000 kg Compressor : Volume = 1 litro = 0, 001 m 3 Relação de espaço morto = 4 % Rotação = 1790 RPM Obs: Quando o PRODUTO atinge a temperatura de 2 0 C coloca-se na câmara nova carga de 15. 000 kg.

Temperatura do Produto Controle PID 0 C 26 cargas em 7 dias

Temperatura do Produto Controle On-Off 0 C 23 cargas em 7 dias

Temperatura do Produto Controle Potencial 0 C 21 cargas em 7 dias

Consumo de Energia PID : 2, 8 MWh / 26 cargas = 107, 7 k. Wh / carga On-Off : 2, 3 MWh / 23 cargas = 100, 0 k. Wh / carga MWh Potencial : 1, 8 MWh / 21 cargas = 85, 7 k. Wh / carga dias

Consumo de Energia Global (k. Wh) : On-Off = 100 % Potencial = 78, 3 % PID = 121, 7 % Específico (k. Wh/kg) : On-Off = 100 % Potencial = 85, 7 % PID = 107, 7 %

Análise simplificada de viabilidade Redução de consumo (7 dias) = 2, 3 – 1, 8 = 0, 5 MWh Redução de consumo mensal = 4. 500 k. Wh = 2 MWh Redução de custo mensal = 2. R$ 100, 00 = R$ 200, 00 Custo do conversor e instalação de 20 CV = R$ 8. 000, 00 Tempo de retorno = 8. 000/200 = 40 meses = 3, 3 anos

É possivel obter redução significativa do consumo de energia implementando equipamentos de controle de rotação de motores elétricos Para avaliar corretamente a possibilidade de redução de consumo, e o seu grau de viabilidade (tempo de retorno, TIR e etc. ) é necessário conhecer os regimes de funcionamento do sistema.