Cap.8 - Energia de Combustíveis fósseis

1. Cap.8 - Energia de Combustíveis fósseis PCI = 8.450 kcal/Nm3 PCI = 35.321 kJ/Nm3 R = 8.314 / 18,27 = 455 J/kg.K = 101.325 / (455 x 293,15) = 0,759 kg/Nm3 PCI = 46.536 kJ/kg PCI = 10.200 kcal/kg PCI = 42.636 kJ/kg = 830 kg/m3 Gás Natural Centrais térmicas a ciclo combinado (efic.=50%) Combustíveis fósseis Óleo diesel - Sistemas isolados - Grupo geradores de emergência (efic.=30%)

2. 8.1 – Centrais térmicas a gás natural

5. EQC = 5,99 x 1015 J (térmico)/ano EE= 100 MW x 8760 h/ano QC  357 ton / dia QC  170 milhões Nm3 / ano EE= 832.200 MWh/ano (indisponibilidade = 5,0%) Para eficiência = 50%=> 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  170 milhões Nm3 / ano QC  10.735 ton /mês QC  357 ton / dia 8.1.1 – Análise econômica de uma Central a Gás Natural Exemplo de balanço energético: Central de 100 MW (balanço anual) Energia Química do Combustível Energia Elétrica Central Térmica Energia térmica

6. EE$= R$ 116.500.000,00 / ano Combustível = R$ 53.025.000,00 /ano Amortização = R$ 22.350.000,00/ano Lucros = R$ 17.475.000 / ano Impostos = R$ 11.650.000 / ano C.O.M. = R$ 12.000.000,00 / ano Total = R$ 63.475.000,00 /ano EE$= R$ 116.500.000,00 / ano EE$= R$ 140,00 x 832.200 MWh/ano Custo de Central = R$ 150 milhões Para um custo unitário de R$ 1.500,00 /kW Amortização = R$ 22,35 milhões /ano FRC=0,149 para i=8% e n=10 anos C.O.M. = R$ 12.000.000,00 / ano Custo de operação e manutenção = R$ 10,00 a R$ 20,00 / kW / mês Impostos = R$ 11.650.000 / ano Impostos = 10% do faturamento Lucros = R$ 17.475.000 / ano Lucro = 15 % do faturamento Total = R$ 63.475.000,00 /ano QC = 170.000.000 Nm3 /ano Restante = R$ 53.025.000,00 /ano Custo do combustível = R$ 0,31 / Nm3 (máx.) Central Térmica Energia elétrica Combustível

7. Preço = (7,1 / 1,055 x 106) x 35.321 [US$/kJ] x [kJ/Nm3] Preço = US$ 0,24 por Nm3 Preço = R$ 0,40 por Nm3 Preço = US$ 7,1 por milhão de BTU 1 BTU = 1,055 kJ => 106 BTU = 1,055 x 106 kJ Preço = US$ 7,1 / 1,055 x 106 kJ PCI = 35.321 kJ/Nm3

8. 8.2 – Grupo gerador a Diesel • - Sistemas isolados • Grupo geradores de emergência • Substituição em horário de ponta

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

10. EQC = 5,72 x 107 MJ (térmico)/ano EE= 13,1 x 365 MWh/ano QC  3,72 ton / dia QC  4.493 lit / dia 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 8.2.1 – Análise econômica de uma Central a Diesel Exemplo de balanço energético: Central de 1 MW (balanço anual) Energia Química do Combustível Energia Elétrica Central Térmica Energia térmica

11. EE$= R$ 3.566.626,00 / ano Combustível = R$ 3.235.477,00 /ano 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 Custo de Central = R$ 1,4 milhões Para um custo unitário de R$ 1.400,00 /kW Amortização = R$ 208.600,00 /ano FRC=0,149 para i=8% e n=10 anos Custo de operação e manutenção = R$ 10,00 a R$ 20,00 / kW / 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$= R$ 3.566.626,00 / ano EE$= R$ 746,00 x 4.781 MWh/ano Central Térmica Energia elétrica Combustível

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

13. 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  Perdas  Processo Industrial Caldeira Vapor Combustível Retorno do condensado

14. Geração de vapor Fluxo energético da caldeira PPC = 3.516 kW Perdas h = 2.575 kJ/kg mV = 7,74 kg/s mV = 27,8 t/h PCI= 2.312 Mcal/mst mL = 8,73 mst/h  Caldeira a lenha Vapor Lenha T = 85 % PTL = 23.446 kW PTV = 19.930 kW

15. Diagrama T-h da geração de vapor e processo: T Gases da combustão 2 Caldeira a lenha Lenha Vapor 1 8 [kgf/cm2] Bomba d’água 174 oC 2 Processo 3 1 3 Água fria h Análise da geração de vapor

16. Diagrama T-h da co-geração T Gases da combustão 386 oC 2 Turbina e gerador Caldeira 2 Lenha Vapor E.Elétrica 253 oC 1 42 [kgf/cm2] Processo 3 4 Bomba de água 3 1 Água fria 4 h Proposição para a geração de vapor

17. Exemplo de planta de co-geração Gerador: 3.750 kVA Turbina a vapor: pressão de entrada: 42 kgf/cm2 pressão de saída: 6 kgf/cm2 temperatura de entrada: 420 0C Caldeira: Capacidade: 30 t/h Pressão de 12 kgf/cm2para 42 kgf/cm2

18. Turbina a vapor Entrada Saída (isoentrópica) Saída Pressão absoluta 4,2 MPa 0,68 MPa 0,68 MPa Temperatura 420 0C 181,5 0C 221,4 0C Consumo de vapor na turbina à 80% da capacidade Entalpia 3.257 KJ/kg 2.804 KJ/kg 2.871 KJ/kg Entropia 6,812 KJ/kg.K 6,812 KJ/kg.K 6,954 KJ/kg.K Turbina a vapor Diferença de entalpia do vapor 386 KJ/kg Potência de eixo 2.842 kW Rendimento mecânico 95 % Potência “térmica” 2.991,5 kW Vazão de vapor 7,74 kg/s Vazão de vapor 27,9 ton/h Condições termodinâmicas na turbina a vapor

19. 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.

20. 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.

21. 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 0C), 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.

22. Fluxo energético da caldeira com ciclo de absorção Atmosfera Q = 3.043 Mcal/h PTCA = 2.079 kW = 1.790 Mcal/h Ciclo de absorção QEVA = 1.455 kW = 1.253 Mcal/h Perdas PCI= 2.312 Mcal/mst mL = 10,33 mst/h h = 3.044 kJ/kg mV = 7,74 kg/s Caldeira a lenha Vapor Lenha T = 85 % PTL = 27.719 kW = 23.875 Mcal/h  PTV = 23.561 kW = 20.294 Mcal/h Tri-geração

23. 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

24. 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 ..

25. 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.

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

27. Curva do sistema hidráulico (válvula 50% ) H-total Curva do sistema hidráulico (válvula 100% ) Curva da bomba (em rotação constante) Válvula H Q100 Q50 Bomba e Motor Vazão Instalação de bombeamento controle de vazão por fechamento de válvula

28. Potência elétrica fornecida Perdas no motor Perdas na bomba Perdas na válvula Potência útil que produz escoamento Controle por fechamento de válvula (bombaem rotação constante) Po tência Percentual da vazão

29. 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

30. Inversores de Frequência 50 cm 1 CV 3 CV 7 CV

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

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

33. H-total Curva da bomba (em rotação 50%) Curva do sistema hidráulico (válvula 100% - on-off ) Curva da bomba (em rotação 100%) H Válvula Q100 Q50 Bomba e Motor Vazão Instalação de bombeamento controle de vazão por rotação do motor elétrico

34. Controle de vazão por rotação do motor / bomba Potência elétrica em rotação constante Po tência Potência elétrica em rotação variável Perdas no motor, na bomba e no inversor. Redução de Potência Potência útil que produz escoamento Percentual da vazão

35. Observa-se do gráfico que: 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. Controle de vazão por rotação do motor / bomba Po tência Percentual da vazão

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

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

38. Ciclo Frigorífico

39. T Diagrama T-s 2 3 45 35 0 1 -10 4 s Ciclo Frigorífico 4 3 2 1 Fluidos Refrigerantes: Amônia , R304 e outros

40. Inversor Controle Compressor e Circuito Frigorífico Câmara e Produto w TR - QEVAP TC E + - + QAMB Sinal Erro : E = DT TAMB Distúrbio Térmico do Ambiente Diagrama de Blocos do Sistema

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

42. 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 pelaequação: En = Kc DT - 1

43. 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 m3 Relação de espaço morto = 4 % Rotação = 1790 RPM Obs: Quando o PRODUTO atinge a temperatura de 2 0C coloca-se na câmara nova carga de 15.000 kg.

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

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

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

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

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

49. Análise simplificada de viabilidade Redução de consumo (7 dias) = 2,3 – 1,8 = 0,5 MWh Redução de consumo mensal = 4 . 500 kWh = 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

50. 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.