DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA-ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO.

DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA-ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS DE

COGERAÇÃO.

João Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL FEVEREIRO DE 2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ

DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA-ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS DE

COGERAÇÃO.

João Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres

PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

__________________________________________________ Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc (Orientador)

__________________________________________________ Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, DSc

__________________________________________________ Prof. Fernando Pereira Duda, DSc

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL FEVEREIRO DE 2014

iii

Fabres, João Pedro Magluf Mittidiero Rosa

Desenvolvimento de uma ferramenta para análise de viabilidade técnica-econômica da implantação de sistemas de cogeração/ João Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2013.

XVI,103p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2013.

Referências Bibliográficas: p. 91-92.

1. Cogeração. 2. Viabilidade técnica-econômica. 3. Aproveitamento de energia. 4. Turbina a gás. 5. Motor de combustão interna. I. Almeida, Silvio Carlos Anibal de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Título.

iv

“There is nothing outside of yourself that can ever enable you to get better, stronger, richer, quicker, or smarter. Everything is within. Everything exists. Seek nothing outside of yourself. “

v

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Ludmila Magluf Rosa e João Luiz Mittidiero Fabres, por toda ajuda, apoio e amor que me deram durante toda minha vida, sem os quais minha formação não seria e a mesma. Por sempre confiarem em mim e me apoiar em minhas escolhas. Por sempre estarem do meu lado em todas as dificuldades que eu pudesse passar. Por me mostrar que a generosidade e bondade são sempre recompensadas. Por me ensinar a nunca desistir e sempre acreditar em meus sonhos. Que eles tenham a certeza que meu maior orgulho é de tê-los como meus pais.

A Andressa Capella Correa, minha companheira durante esses 5 anos, por todo seu amor durante esse período. Por toda sua cumplicidade, honestidade, companheirismo e paciência. Por ser um verdadeiro porto seguro nas horas difíceis. Por ser um dos meus maiores exemplos de dedicação e força de vontade. Por fim, por ser a grande razão em me fazer acreditar que ainda há pessoas de coração puro no mundo.

Aos meus amigos e colegas da engenharia mecânica por toda ajuda, companheirismo e amizade durante esses 5 anos de curso. Pelas inúmeras noites em claro. Por me mostrarem que mesmo quando não parece haver uma saída, para tudo há uma solução.

A todos os meus amigos e técnicos em minha carreira como atleta, por me ensinarem que com disciplina e trabalho duro tudo é possível. Por me ensinarem a ter paciência e foco. Por me ensinarem a sempre estar mais preparado que ontem e menos preparado que amanhã.

Ao meu orientador, Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, por todas as oportunidades oferecidas durante minha graduação. Pela oportunidade de realizar este projeto e, principalmente, por toda sua ajuda, atenção e cooperação durante o projeto.

A toda equipe da GT2 Energia, por toda infraestrutura, apoio, motivação e oportunidades durante esses dois últimos anos. Em especial, agradeço a Gustavo R S Pinto por toda paciência, ensinamentos e dedicação.

Por fim, gostaria de agradecer a todo o povo brasileiro, que me permitiu estudar sem custos em uma das melhores escolas de engenharia do país. Espero poder retribuir o favor gerando conhecimento que possa fazer com que o Brasil continue caminhando para frente.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS

DE COGERAÇÃO.

João Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres Fevereiro/2014

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc Curso: Engenharia Mecânica

O presente trabalho apresenta uma ferramenta computacional, COGENERA M12, desenvolvida na plataforma MS Excel, e que propicia a análise de viabilidade técnica e econômica da implantação de centrais de cogeração de energia.

Conhecidas as demandas elétrica e térmica da planta, a ferramenta calcula o consumo energético da planta original e sugere a tecnologia mais adequada para a implantação de cogeração. O programa dispõe também de um banco de dados de equipamentos para cogeração. A ferramenta possibilita que o usuário cadastre novos equipamentos no banco de dados. Para isso, basta que se conheçam os dados de potência nominal, eficiência, custo de instalação, custo de manutenção e potência térmica que pode ser retirada do equipamento.

Uma vez escolhido o equipamento, a ferramenta desenvolvida analisa o aproveitamento energético do sistema selecionado, comparando o desempenho dos equipamentos, o consumo de combustível e a energia gerada para atendimento das demandas, tanto para a planta com cogeração como da sem cogeração. Após realizar essa comparação, são avaliados os aspectos econômicos através da simulação de fluxos de caixa.

Por fim, são analisados três estudos de caso utilizando a ferramenta desenvolvida. Nos casos estudados, observou-se que o custo do gás natural é um dos fatores mais decisivos para o projeto de cogeração, e as elevadas tarifas do mercado brasileiro podem inviabilizar esse tipo de geração.

vii

Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

DEVELOPMENT OF A TOOL FOR TECHNICAL AND ECONOMIC FEASIBILITY ANALYSIS OF COGENERATION SYSTEMS IMPLEMENTATION.

João Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres February/2014

Advisor: Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc Course: Mechanical Engineering

This work presents a computational tool, COGENERA M12, developed in MS Excel platform, which enables the analysis of technical and economic feasibility of installing energy cogeneration plants.

Knowing the electrical and thermal demands of the plant, the tool calculates the energy consumption of the original plant and suggests the most appropriate technology for the implementation of a cogeneration system. The program also offers a database of equipments for cogeneration. The tool enables the user to register new equipment in the database. For this, it suffices to know the data of nominal power, efficiency, installation cost, maintenance cost and thermal power that can be removed from the equipment.

Once selected, the equipment, the developed tool analyzes the energy use of selected system by comparing the performance of equipment, fuel consumption and energy generated to meet the demands for both the plant with and without the cogeneration. After making this comparison, the economic aspects are evaluated by simulating cash flows.

Finally, three case studies using the developed tool are analyzed. In the cases studied, it was observed that the cost of natural gas is one of the most decisive factors for the cogeneration project, and high rates of the Brazilian market end up invalidating this type of generation.

viii

SUMÁRIO

2.2.2 MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA ... 9

2.2.3 MICROTURBINA ... 12

2.2.4 CHILLER DE ABSORÇÃO ... 13

2.3 ANÁLISE ECONÔMICA ... 15

2.3.1 FLUXO DE CAIXA ... 15

2.3.2 TEMPO DO PROJETO ... 16

2.3.3 MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DO FLUXO DE CAIXA ... 16

3 A FERRAMENTA DE ANÁLISE TÉCNICA-ECONOMICA ... 19

3.1 A ABA “ENTRADAS” ... 20

3.1.1 DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA ... 21

3.1.2 DEMANDA DE ENERGIA TÉRMICA ... 22

3.1.3 INFORMAÇÕES ADICIONAIS ... 25

3.1.4 SELEÇÃO DO EQUIPAMENTO ... 28

3.2 A ABA “DEMANDAS” ... 32

3.2.1 DEMANDA ELÉTRICA ... 33

3.2.2 DEMANDA DE VAPOR ... 35

ix

3.3 A ABA “ANÁLISE TÉCNICA” ... 40

3.4 A ABA “QUALIFICAÇÃO ANEEL” ... 46

3.5 A ABA “CUSTO COMBUSTÍVEL” ... 48

3.6 A ABA “CUSTO EE” ... 53

3.7 A ABA “ANÁLISE FINANCEIRA”... 56

3.7.1 CUSTOS DE AQUISIÇÃO ... 56

3.7.2 ANÁLISE ECONOMICA ... 58

3.8 A ABA “BANCO DE DADOS” ... 59

3.9 A ABA “RESULTADOS” ... 61

4 ESTUDOS DE CASO ... 68

4.1 Caso 1 – Fábrica de Papel ... 68

4.2 Caso 2 – Supermercado ... 72

4.3 Caso 3 – Hospital das clínicas ... 80

5 CONCLUSÕES ... 89

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 91

APÊNDICE A ... 93

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Participação dos sistemas de cogeração na matriz energética de diversos

países (IEA - International Energy Agency, 2008). ... 1

Figura 2 – Perspectiva da participação da cogeração na produção de energia de diversos países (IEA - International Energy Agency, 2008). ... 2

Figura 3 – Comparação entre o aproveitamento de energia das tecnologias convencionais e da cogeração (BRANDÃO, 2004). ... 4

Figura 4 – Exemplo de sistema de cogeração dimensionado para paridade térmica na demanda base. ... 6

Figura 5 – Exemplos de sistemas de cogeração com paridade elétrica. ... 7

Figura 6 – Esquema de um ciclo de cogeração com turbina a gás (COELHO, 2001). .... 8

Figura 7 – Diagrama de energia para uma planta típica de cogeração com turbina a gás (COELHO, 2001). ... 9

Figura 8 – O ciclo dos motores 4 tempos. ... 10

Figura 9 – Comparação entre um sistema de geração de pura eletricidade e de cogeração, com motor de combustão interna (NOGUERIA, 2004). ... 11

Figura 10 – Comparação do balanço de energia entre um sistema de geração de pura eletricidade e de cogeração, utilizando motor de combustão interna (NOGUERIA, 2004). ... 11

Figura 11 – Esquema de cogeração utilizando uma microturbina (DE BONA, 2006). . 13

Figura 12 – Esquema de um chiller de absorção (BRANDÃO, 2004)... 14

Figura 13 – Ciclo de vida do investimento de um sistema energético (COELHO, 2001). ... 17

Figura 14 - Tela de abertura da planilha COGENERA M12. ... 20

Figura 15 – Código de cores utilizado para os dados da planilha. ... 20

Figura 16 – Consumo energético de sistemas de refrigeração (ANDREOS, 2013). ... 27

Figura 17 – Lista suspensa para seleção do equipamento. ... 31

Figura 18 – Lista suspensa para seleção do combustível de queima suplementar. ... 32

Figura 19 – Exemplo de curva da demanda elétrica da planta gerada pela planilha. ... 34

Figura 20 – Exemplo de curva do consumo mensal de energia elétrica da planta. ... 34

Figura 21 – Lista suspensa para selecionara unidade de inserção da demanda de vapor. ... 36

xi

Figura 22 – Exemplo de curva de demanda térmica total nos dias de semana, gerada

pela planilha. ... 39

Figura 23 – Exemplo de curva de demanda térmica total no fim de semana, gerada pela planilha. ... 39

Figura 24 – Lista suspensa para seleção das fontes de recuperação da energia térmica. 41 Figura 25 – Fatores Fc% e X – requisitos para a qualificação (ANEEL, 2006). ... 47

Figura 26 – Comparação do custo anual com combustível. ... 53

Figura 27 – Lista suspensa para seleção da demanda contratado no caso de não pendência. ... 54

Figura 28 – Comparação dos custos da energia elétrica consumida na planta, ... 56

Figura 29 – Parte da aba “Banco de Dados”. ... 60

Figura 30 – Janela de cadastramento de equipamentos no banco de dados. ... 61

Figura 31 – Relatório comparativo apresentando os resultados do projeto de cogeração. ... 62

Figura 32 – Custos típicos de sistemas de refrigeração (ANDREOS, 2013). ... 64

Figura 33 – Comparação entre as demandas elétricas e a potência gerada pelo equipamento. ... 65

Figura 34 – Comparação entre a demanda térmica nos dias de semana e o calor recuperado do equipamento. ... 66

Figura 35 – Comparação entre a demanda térmica nos fins de semana e o calor recuperado do equipamento. ... 66

Figura 36 – Comparação dos custos de operação da planta sem e com cogeração. ... 67

Figura 37 – Relatório com os resultados da simulação para o caso da Fabrica de Papel. ... 71

Figura 38 – Curva de demanda elétrica para o caso do supermercado... 73

Figura 39 – Curva de consumo de energia elétrica para o caso do supermercado. ... 73

Figura 40 – Curva de demanda térmica diário para o caso do supermercado. ... 74

Figura 41 – Comparação das demandas elétricas e da potência instalada no caso do supermercado. ... 77

Figura 42 – Balanço de energia da planta no caso do supermercado. ... 78

Figura 43 – Comparação entre a demanda térmica diária e o calor útil recuperado para o caso do supermercado. ... 79

Figura 44 - Relatório com os resultados da simulação para o caso do supermercado. .. 80

xii

Figura 46 – Curva de consumo elétrico no caso do hospital. ... 81 Figura 47 – Curva de demanda térmica diária no caso do hospital. ... 82 Figura 48 – Dados calculados para auxiliar a seleção do equipamento. ... 84 Figura 49 – Comparação entre as demandas elétricas e a potência gerada pelo equipamento no caso do hospital. ... 87 Figura 50 – Comparação entre a demanda térmica nos fins de semana e o calor recuperado do equipamento no caso do hospital. ... 87 Figura 51 – Reajustes na tarifa de gás natural do segmento de cogeração, COMGÁS (ANDREOS, 2013). ... 88

xiii

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Tabela de dados sobre demanda elétrica da planta sem cogeração. ... 21

Tabela 2 – Tabela de dados sobre a demanda térmica da planta sem cogeração. ... 23

Tabela 3 – Tabela de inserção do horário de funcionamento da instalação. ... 24

Tabela 4 – Tabela de informações adicionais ... 26

Tabela 5 – Tabela para inserção dos objetivos da cogeração. ... 28

Tabela 6 – Tabela de inserção de interesse de revenda de energia elétrica. ... 28

Tabela 7 – Tabela de seleção de equipamento para cogeração. ... 29

Tabela 8 – Faixas típicas para razão elétrico-térmica... 30

Tabela 9 – Tabela para inserção da curva de demanda elétrica da planta. ... 33

Tabela 10 – Exemplo de tabela gerada com os parâmetros de entrada da parte elétrica.35 Tabela 11 – Tabela de inserção da demanda de vapor da planta. ... 36

Tabela 12 – Tabela de apresentação da demanda térmica total. ... 38

Tabela 13 – Exemplo de tabela gerada com os parâmetros de entrada da parte térmica. ... 40

Tabela 14 – Cálculo do consumo específico de gás natural pelo equipamento. ... 40

Tabela 15 – Balanço de energia no equipamento. ... 41

Tabela 16 – Análise da energia gerada na cogeração ... 42

Tabela 17 – Indicadores do desempenho termodinâmico da cogeração. ... 44

Tabela 18 – Verificação de qualificação da cogeração pela ANEEL. ... 48

Tabela 19 – Cálculo do consumo de combustível na cogeração ... 48

Tabela 20 – Cálculo da tarifa do gás natural canalizado para o segmento cogeração. ... 50

Tabela 21 – Cálculo da tarifa do gás natural canalizado para o segmento industrial. .... 51

Tabela 22 – Cálculo da tarifa do gás natural canalizado para o segmento comercial. ... 51

Tabela 23 – Cálculo da tarifa do gás natural canalizado para o segmento residencial. .. 52

Tabela 24 – Cálculo da Tarifa do óleo combustível. ... 52

Tabela 25 – Tabela de comparação da tarifa de combustível. ... 53

Tabela 26 – Comparação do consumo de energia elétrica. ... 54

Tabela 27 – Comparação das tarifas de energia elétrica. ... 55

Tabela 28 – Tabela com os custos de aquisição da planta analisada. ... 57

Tabela 29 – Custos Complementares da instalação da planta. ... 57

Tabela 30 – Análise Financeira do projeto de cogeração. ... 58

xiv

Tabela 32 – Dados de demanda térmica da Fabrica de Papel. ... 69

Tabela 33 – Seleção do equipamento no caso da Fabrica de Papel. ... 70

Tabela 34 – Comparação dos resultados da planilha com os obtidos por SOUZA (2011), para o caso da Fabrica de Papel. ... 72

Tabela 35 – Entradas de demanda elétrica do supermercado ... 74

Tabela 36 – Entradas da demanda térmica do supermercado. ... 75

Tabela 37 – Seleção do equipamento no caso do supermercado. ... 76

Tabela 38 – Entradas de demanda elétrica no caso do hospital... 82

Tabela 39 – Entradas de demanda térmica no caso do hospital. ... 83

Tabela 40 – Venda de energia excedente no caso do hospital... 83

Tabela 41 – Exemplos de resultados obtidos com turbinas a gás para o caso do hospital. ... 85

Tabela 42 – Comparação dos resultados obtidos para o caso do hospital com diferentes motores. ... 85

xv

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos Latinos

C Consumo específico de combustível (m³/kWh)

Caldeira Tot

C , Consumo de energia da caldeira (kWh)

P máx

D _, Demanda elétrica máxima na ponta (kW)

FP máx

D _, Demanda elétrica máxima fora da ponta (kW)

term máx

D _, Demanda térmica máxima (kW)

P med

D , Demanda elétrica média na ponta (kW)

FP med

D , Demanda elétrica média fora da ponta (kW)

term med

D , Demanda térmica média (kW)

refri

D Demanda de refrigeração (kW)

térmica

D Demanda térmica da caldeira (kW)

t

D Total de despesas (R$)

DS CAG

E _, Energia consumida pela CAG dias de semana (kWh)

FS CAG

E , Energia consumida pela CAG fins de semana (kWh)

DS Caldeira

E , Energia consumida pela caldeira dias de semana (kWh)

FS Caldeira

E , Energia consumida pela caldeira fins de semana (kWh)

P

E Energia consumida na ponta (kWh)

FP

E Energia consumida fora da ponta (kWh)

equip

F Fator de utilização do equipamento (%)

cald

FC Fator de carga da caldeira (%)

P

FC Fator de carga na ponta (%)

FP

FC Fator de carga fora da ponta (%)

Term

FC Fator de carga térmico (%)

fri

xvi

h entalpia (kJ/kg)

func

h Horas de funcionamento da planta (hrs)

i taxa de retorno (%)

0

I Investimento inicial (R$)

m Vazão mássica (kg/s)

n Tempo de projeto (anos)

cald

P Pressão da caldeira (bar)

equip

P Potência do equipamento (kW)

CC

Q Calor total proveniente da combustão (kW)

útil

Q Calor útil recuperado para cogeração (kW)

RPC Razão elétrico-térmica da planta (-)

t

R Receita total (R$)

T Temperatura (ºC)

VPL Valor presente líquido (R$)

comp

W Trabalho demandado pelo compressor (kW)

tg

W Trabalho gerado pela turbina a gás (kW)

liq

W Trabalho líquido gerado (kW)

Símbolos Gregos

term

 Eficiência térmica do ciclo (%)

caldeira

 Eficiência da caldeira (%)

1

1 Introdução

Desde a crise do petróleo na década de 70, as nações passaram a buscar alternativas que possibilitassem a utilização dos recursos energéticos de maneira mais sustentável. Com isso, os projetos de engenharia passaram a dar cada vez mais importância às questões relacionadas com a eficiência energética, que contribui para a redução do consumo de recursos não renováveis e, também, dos impactos ambientais provenientes dos resíduos industriais.

Os sistemas de cogeração de energia (CHP – combined heat and power) se inserem nesse contexto de forma a garantir uma utilização mais eficiente dos recursos energéticos. Isto é feito a partir do conceito de geração combinada de energia elétrica, sob a forma de eletricidade, e energia térmica, sob a forma de calor útil (BALESTIERI, 2002).

Em 2007, a IEA (International Energy Agency) elaborou um relatório, que coletou dados de diversos países, com o objetivo de avaliar a participação de cada país na geração de energia através da cogeração (IEA - International Energy Agency, 2008). Os resultados deste relatório mostraram que a capacidade instalada em cogeração, a nível mundial, correspondia a apenas 9% da capacidade mundial de produção de energia.

A Figura 1 apresenta um dos resultados obtidos pela IEA (2008), que mostra a participação da cogeração na matriz energética de diversos países.

Figura 1 – Participação dos sistemas de cogeração na matriz energética de diversos países (IEA - International Energy Agency, 2008).

2

A partir da Figura 1, é possível observar que o país onde a cogeração tem a maior parcela de participação na matriz energética é a Dinamarca, onde cerca de 52% de sua energia é gerada por cogeração. No outro extremo, o Brasil foi o país analisado que mostrou possuir menor participação da cogeração em sua matriz energética, correspondendo a 2% da produção total de energia.

No Brasil, o setor energético é baseado em uma forte produção hidroelétrica e, portanto, encontra-se ainda em atraso no que diz respeito ao aproveitamento das soluções por cogeração. Ainda são escassos os estudos sobre o verdadeiro potencial do país na aplicação de centrais de cogeração. Contudo, o grande avanço do Brasil nos estudos com biocombustíveis implica em um forte potencial de cogeração (IEA - International Energy Agency, 2008). Como pode ser observado na Figura 2, espera-se que até 2030 a participação da cogeração na matriz energética brasileira suba de 2% para 17%, ultrapassando países como França, México e Japão.

Figura 2 – Perspectiva da participação da cogeração na produção de energia de diversos países (IEA - International Energy Agency, 2008).

Com isso, existe um interesse cada vez maior no desenvolvimento de ferramentas capazes de realizar análises de sistemas de cogeração, a fim de avaliar a viabilidade de implantação destas soluções, tentando sempre alcançar maiores eficiências energéticas a menores custos.

3

1.1

Objetivos

O principal objetivo deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de uma ferramenta computacional, em plataforma Microsoft Excel, capaz de avaliar fatores técnicos e econômicos envolvidos no projeto de sistemas de cogeração de energia, em indústrias que ainda não utilizam essa tecnologia. Esta ferramenta visa simular a implantação de centrais de cogeração em plantas de todo tipo de porte, e propiciar ao usuário uma análise da viabilidade, tanto técnica quanto econômica, da instalação de um sistema de cogeração em seu empreendimento.

1.2 Organização do trabalho

Esta seção faz um breve resumo do que é apresentado em cada capítulo do texto. Além deste primeiro capítulo, introdutório, este texto possui mais quatro capítulos.

No segundo capítulo, são apresentados conceitos fundamentais sobre a cogeração de energia, além das tecnologias e equipamentos utilizados para a cogeração. Além disso, também são apresentados conceitos sobre a análise econômica envolvida em um projeto de cogeração.

O terceiro capítulo apresenta toda metodologia referente ao desenvolvimento da ferramenta computacional. É apresentada toda a memória de cálculo utilizada no programa e também como deve ser feita a inserção de dados por parte do usuário.

O quarto capítulo apresenta os estudos de caso realizados com a ferramenta. Foram realizados três estudos de caso com características distintas, de forma a avaliar a flexibilidade do programa. No primeiro estudo de caso é feita uma validação da planilha, com base na comparação dos resultados com trabalhos anteriores. Em cada estudo de caso é apresentada a inserção dos dados de entrada no programa e uma análise dos resultados encontrados.

No quinto capítulo é feita a conclusão do trabalho, onde é avaliada a eficácia do programa desenvolvido e analisadas as implicações dos resultados encontrados no uso da cogeração a longo prazo no Brasil.

4

2 Fundamentos Teóricos

Neste capítulo apresentam-se os conceitos básicos da cogeração e das tecnologias envolvidas. Ao final do capítulo também são apresentados conceitos referentes à análise econômica adotada no estudo.

2.1

Cogeração

O conceito de cogeração pode ser definido como a produção simultânea e sequencial de duas ou mais utilidades – calor de processo e potência mecânica e(ou) elétrica – a partir da energia disponibilizada por um ou mais combustíveis (CONSELHO MUNDIAL DE ENERGIA, 2001).

A inserção da cogeração no mercado produtivo se dá devido ao seu melhor aproveitamento de energia primária, se comparado à produção de uma central convencional, onde a geração de energia elétrica e térmica são independentes. A Figura 3 ilustra o melhor aproveitamento de energia por parte da central de cogeração comparada a uma central convencional.

Figura 3 – Comparação entre o aproveitamento de energia das tecnologias convencionais e da cogeração (BRANDÃO, 2004).

5

Os sistemas de cogeração são normalmente classificados de acordo com a sequência de utilização de sua energia e com o projeto de operação adotado. Em relação à sequência de uso da energia existem duas configurações básicas do sistema:

 Ciclo Topping: Neste sistema, a energia da combustão é utilizada primeiramente para geração de eletricidade, sendo a energia térmica um subproduto do ciclo;

 Ciclo Bottoming: Neste sistema, é priorizado o suprimento da demanda térmica para um processo industrial, sendo a geração de eletricidade o resultado da recuperação de calor de um processo que ocorre em temperaturas mais elevadas.

Além disso, os sistemas de cogeração podem ser classificados de acordo com o projeto de operação, cuja seleção é específica para cada situação, dependendo da estratégia que será adotada pelo empreendedor. Desse modo, existem quatro modos de operação para o projeto de um sistema de cogeração (SEMAE, 2011):

 Operação em paridade térmica: Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é projetado para ser capaz de produzir os requerimentos térmicos em cada período de tempo considerado, de maneira que o calor é o produto principal e a eletricidade é um subproduto da cogeração. O sistema deve ser conectado a rede da concessionária, de modo a propiciar a venda de eletricidade excedente ou a compra de eletricidade adicional para os casos de

déficit, dependendo dos perfis de demandas do estabelecimento e das

condições operacionais. Um exemplo de sistema de cogeração dimensionado para paridade térmica é mostrado na Figura 4;

 Operação em paridade elétrica: Nesse modo de operação, o sistema é projetado para ser capaz de produzir os requerimentos elétricos em cada período de tempo considerado, de maneira que a eletricidade é o produto principal e o calor é um subproduto da cogeração. Se o calor produzido for insuficiente para satisfazer as necessidades da planta, um sistema auxiliar deve ser acionado para produzir a diferença. Um exemplo de sistema de cogeração dimensionado para paridade térmica é mostrado na Figura 5;

 Operação econômica: Esse modo de operação consiste em deixar o sistema de cogeração operando de acordo com fatores econômicos. Dessa forma, o

6

sistema opera nas opções de suprir parte, totalidade ou ainda produzir excedente de demanda elétrica, conforme a eletricidade é adquirida ou vendida sob uma tarifa mais alta. Assim, o empresário cogerador pode optar pela compra de eletricidade da concessionária para completar seu suprimento, ou se for o caso, vender o excedente. A planta deve utilizar um equipamento suplementar para satisfazer parte ou a totalidade de sua demanda térmica quando necessário, dependendo das condições operacionais da planta de cogeração;

 Operação em cargas parciais: Nesse modo de operação, o sistema é subdimensionado em relação aos seus requerimentos de eletricidade e calor, atendendo cargas parciais destas modalidades de energia. Assim, deve-se comprar parte da eletricidade da concessionária, para suprir as demandas elétricas, e utilizar equipamento suplementar para completar as necessidades de calor.

Figura 4 – Exemplo de sistema de cogeração dimensionado para paridade térmica na demanda base.

7

Figura 5 – Exemplos de sistemas de cogeração com paridade elétrica.

2.2 Tecnologias de Cogeração

O componente básico de uma instalação de cogeração é o equipamento que produz a eletricidade e a energia térmica. Este equipamento caracteriza a central de cogeração. O segundo componente mais importante é o aparelho que produz frio, utilizando a energia térmica do processo de cogeração (chiller de absorção).

As tecnologias de cogeração apresentadas neste trabalho são:

 Turbina a Gás;

 Motor de combustão interna;

 Microturbinas;

 Chiller de Absorção.

2.2.1 Turbina a Gás

Um sistema de cogeração com turbina a gás é mostrado na Figura 6. Em uma turbina a gás, o ar atmosférico tem sua pressão elevada pelo compressor (processo 1-2), em seguida é direcionado para a câmara de combustão, onde ocorre a queima do combustível (processo 2-3). Os produtos da combustão são expandidos na turbina (processo 3-4), gerando trabalho de eixo. A compressão é realizada utilizando parte do

Capacidade do sistema de cogeração

0 100 200 300 400 500 600 1 3 5 7 9 _{11 13 15 17 19 21 23} hora do dia el et ri ci d ad e (k W e)

demanda cogeração na base cogeração meia carga cogeração para pico

8

trabalho gerado na turbina. A potência líquida (W ) gerada pela turbina é, portanto, _liq

dada pela equação (2.1):

comp tg

liq W W

W     (2.1)

A eficiência térmica da turbina a gás pode ser definida pela equação (2.2):

CC liq term Q W     (2.2)

Figura 6 – Esquema de um ciclo de cogeração com turbina a gás (COELHO, 2001). Em sistemas de cogeração, a recuperação do calor proveniente dos gases de exaustão da turbina é feita através da utilização de uma caldeira de recuperação de calor, capaz de produzir água quente ou vapor, como pode ser visto na Figura 6. A eficiência global do ciclo de cogeração com turbina a gás pode ser definido pela equação (2.3): CC útil liq term Q Q W    _   (2.3)

A Figura 7 apresenta um balanço de energia típico para um ciclo de cogeração com turbina a gás (COELHO, 2001). Observa-se que a eficiência térmica da turbina a gás,

9

equação (2.2), foi de 36,5%. Porém, a eficiência global do ciclo, equação (2.3), atingiu 86% ao se incluir o calor útil recuperado dos gases de exaustão.

Figura 7 – Diagrama de energia para uma planta típica de cogeração com turbina a gás (COELHO, 2001).

A operação com turbinas a gás é bastante elástica em relação aos regimes de carga, com vantagens para cogeração por possuir baixo custo de instalação, baixo custo de manutenção, altas temperaturas de exaustão e alcançam boas eficiências globais (COELHO, 2001).

2.2.2 Motor de combustão interna

Os motores de combustão interna se apresentam como uma excelente opção para aplicação em sistemas de cogeração de pequeno e médio porte, para prédios comerciais, hospitais e supermercados (BARJA, 2006)

Existem basicamente dois tipos de motores que são empregados em plantas de cogeração – ciclo Otto e ciclo Diesel. A diferença entre os dois esta no modo de queima. No ciclo Otto, o motor aspira uma pré-mistura de ar e combustível e a queima é iniciada por uma centelha. No ciclo Diesel, a combustão é iniciada por auto-ignição, onde o

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combustível não resiste as altas pressões e temperaturas causadas pela compressão. No ciclo Diesel, a combustão se propaga por meio de difusão.

Os motores de combustão interna trabalham em ciclo aberto, utilizando o ar como fluido de trabalho. O funcionamento do motor se da pela seguinte forma: o ar é

admitido mediante sucção provocada pelo deslocamento de um pistão sobre um êmbolo, no qual é adicionado o combustível. Em seguida, a mistura de ar e combustível é

comprimida e ocorre a conversão de energia química do combustível em energia térmica. Neste ponto, a temperatura e a pressão são elevadas forçando o deslocamento do pistão à sua posição inicial, onde é gerado trabalho mecânico. O pistão esta

conectado a um eixo de manivelas, fazendo a conversão do movimento alternativo em rotativo. O funcionamento dos motores de combustão interna é ilustrado na Figura 8.

Figura 8 – O ciclo dos motores 4 tempos.

Nos sistemas de cogeração, os gases de exaustão podem ser utilizados diretamente em processos térmicos, ou indiretamente, através de uma caldeira de recuperação de calor. A Figura 9 compara duas plantas que utilizam motores de combustão interna, sendo uma de geração de pura eletricidade e outra de cogeração. A Figura 10 apresenta os balanços térmicos das duas plantas (NOGUERIA, 2004).

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Figura 9 – Comparação entre um sistema de geração de pura eletricidade e de cogeração, com motor de combustão interna (NOGUERIA, 2004).

Figura 10 – Comparação do balanço de energia entre um sistema de geração de pura eletricidade e de cogeração, utilizando motor de combustão interna

(NOGUERIA, 2004).

A partir da Figura 10 é possível observar que, em comparação entre os dois

sistemas, para uma mesma quantidade de combustível consumida, o sistema de geração de pura eletricidade trabalha com uma eficiência de 35%, resultando em um total de 65% de perdas. Ao se utilizar o calor residual com o processo de cogeração agregado, a eficiência elétrica se mantém inalterada, porém, as perdas totais diminuem para 25% devido à utilização do calor em um processo industrial, totalizando uma eficiência global de 75%. O calor pode ser recuperado de um motor de combustão interna de quatro formas: a partir dos gases de exaustão, do óleo de lubrificação, da água de refrigeração do motor e da refrigeração do turbo-compressor.

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2.2.3 Microturbina

O termo “microturbina” refere-se, em geral, a um sistema de dimensões relativamente reduzidas, composto por compressor, câmara de combustão, turbina e gerador elétrico, com uma potência elétrica total disponível inferior a 250 kW (EPA, 2008).

A maioria das microturbinas existentes no mercado tem como função principal produzir eletricidade, podendo funcionar em sistemas de cogeração utilizando equipamento adicional. Contudo, existem microturbinas próprias para aplicações de cogeração (EPA, 2008).

As microturbinas são, em sua maioria, turbinas a gás com apenas um estágio de expansão. Seu funcionamento é similar ao da turbina a gás. O ar é admitido e conduzido ao compressor onde sua pressão é elevada. Em seguida, o ar pressurizado segue para a câmara de combustão onde ocorre a queima do combustível. O calor liberado na combustão eleva a temperatura da mistura ar-combustível e consequentemente sua pressão. Os gases de exaustão são, então, expandidos em uma turbina gerando trabalho de eixo, onde parte do trabalho é utilizada para acionar o compressor e parte aciona o gerador.

O rendimento térmico de uma microturbina é da ordem de 30%, mas em sistemas de cogeração o rendimento global do sistema pode chegar a mais de 80% (DE BONA, 2006). Na aplicação de microturbinas em cogeração, utiliza-se um trocador de calor para aproveitar a energia térmica provinda dos gases de exaustão. Com o objetivo de aumentar o rendimento térmico da microturbina, é comum que um recuperador de calor seja integrado ao sistema para aproveitar o calor proveniente dos gases de escape para aquecer o ar antes de entrar na câmara de combustão (DE BONA, 2006). A Figura 11 mostra um sistema de cogeração com microturbina.

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Figura 11 – Esquema de cogeração utilizando uma microturbina (DE BONA, 2006).

2.2.4 Chiller de absorção

Assim como nos chillers que funcionam segundo o ciclo de compressão de vapor, os chillers de absorção também utilizam o fenômeno da retirada de calor de um ambiente, no qual se provoca a expansão de um fluido. A diferença está no princípio de funcionamento, que no ciclo de compressão é físico e no de absorção é físico-químico.

A expansão realizada seria da água ao penetrar em uma câmara contendo uma solução concentrada de um sal que tenha alta afinidade com a água, como o brometo de lítio. A absorção pela solução concentrada da água que entra, mantém uma baixa pressão na câmara, que propicia a expansão e, consequentemente, a retirada de calor de um fluido aquecido que circule em uma serpentina instalada em seu interior. A solução fica menos concentrada (diluída) e é retirada para outro compartimento, no qual é aquecida pela fonte de calor, e vaporiza a água. Com isso, a solução torna-se novamente concentrada, retornando à câmara de expansão, a qual receberá novamente a água resultante da condensação do vapor produzido. A fonte quente que alimenta um chiller de absorção pode ser dada por meio de queima direta de combustível, ou por meio de queima indireta, sendo alimentado por vapor, água quente ou gases de exaustão. Um esquema de um chiller de absorção pode ser visto na Figura 12.

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Figura 12 – Esquema de um chiller de absorção (BRANDÃO, 2004).

As vantagens dos chillers de absorção sobre os chiller de compressão são (BRANDÃO, 2004):

 Consumo elétrico muito baixo;

 Níveis reduzidos de ruído e vibração;

 Ausência de emissões de substâncias nocivas para a camada de ozônio. Quando é projetado um sistema de cogeração para uma instalação de utilidades que inclui o fornecimento de refrigeração para o ambiente, existe uma preferencia em optar por um chiller de absorção, em substituição ao tradicional chiller de compressão (BRASIL, 2005). O sistema de refrigeração por absorção tem como principal virtude o fato de depender muito pouco de energia elétrica (BRANDÃO, 2004). Apesar de possuir uma eficiência menor do que o chiller de compressão, o sistema de absorção viabiliza a cogeração na medida em que desloca para a parcela de demanda térmica o que seria uma demanda elétrica (BRASIL, 2005).

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2.3 Análise Econômica

A implantação de um sistema de cogeração que economize fontes energéticas não garante ao investidor benefícios econômicos. Dessa forma, os custos associados ao uso da cogeração devem ser relativamente menores aos custos de atendimento das demandas de maneira convencional para que esta opção se constitua em uma vantagem.

Contudo, não basta apenas que estes custos sejam menores. É preciso considerar, também, o peso que os investimentos de aquisição dos sistemas de cogeração têm em um projeto. Dessa forma, é preciso ir além da questão da análise de eficiência energética, e analisar os aspectos financeiros e, com isso, verificar a viabilidade do projeto. Para isso, existem métodos usuais, que são aplicados na ferramenta desenvolvida.

2.3.1 Fluxo de caixa

O fluxo de caixa é um instrumento de contabilidade que considera as entradas e saídas de recursos financeiros (SOUZA, 2011). Em um projeto de cogeração, é considerada como entrada a redução anual de custos proveniente da implantação da central de cogeração. As saídas consideradas são impostos, amortizações de dívidas e juros de financiamento.

Os impostos considerados são:

 Imposto de renda (IR);

 Alíquota de 34% incidente sobre o lucro;

 PIS e COFINS que juntos somam uma alíquota de 9,25% (SOUZA, 2011). As outras saídas do fluxo de caixa são os investimentos em aquisição da planta e as parcelas da dívida de financiamento, caso este seja contratado. A parte da parcela relacionada ao pagamento de juros deve ser descontada da entrada de caixa antes do imposto de renda incidir, diminuindo o valor devido.

Além disso, também deve ser considerada a depreciação. A depreciação é um benefício fiscal que contabiliza o desgaste de um bem devido ao uso ao longo do tempo. O valor da depreciação contábil é calculado como o valor total do bem dividido por uma quantidade de anos determinada pela Receita Federal. Essa quantidade de anos varia de acordo com a natureza do bem. No caso de máquinas e equipamentos esse tempo é de 10 anos (SOUZA, 2011), portanto, a cada ano o bem deprecia 10% de seu valor total.

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O pagamento de juros e a depreciação da planta são abatidos do lucro da empresa antes da cobrança do IR incidir, resultando no lucro antes do imposto de renda (LAIR).

Em seguida, o pagamento de amortizações de dívidas deve ser descontado do fluxo de caixa, já que o pagamento de amortizações não pode ser deduzido no LAIR, pois esse valor de amortização refere-se a um capital previamente tomado e que produziu riqueza ao tomador (SOUZA, 2011).

Assim, o fluxo de caixa acumulado é dado pela soma dos valores dos fluxos de caixa anuais do tempo do projeto, corrigidos anualmente. A taxa escolhida para esse reajuste foi equivalente a 80% da taxa Selic (SOUZA, 2011). O uso da correção faz com que, quando o fluxo de caixa é positivo, o mesmo será investido e renderá dividendos. Contudo, as taxas reais de aplicação de capital não são necessariamente igual à taxa Selic, portanto, foi considerado um valor de 80% sobre a taxa Selic como forma de considerar essa defasagem e o pagamento de impostos (SOUZA, 2011).

2.3.2 Tempo do Projeto

O tempo do projeto também é um fato que deve ser considerado na análise econômica de um projeto. O tempo do projeto pode ser definido como o período máximo que o empreendedor considera aceitável para recuperar o valor investido no projeto.

Para a seleção adequada de qual será o tempo do projeto, a empresa deve levar em consideração a vida útil dos equipamentos e o investimento inicial realizado. Valores mais baixos de investimento inicial e de vida útil exigem um menor tempo de retorno, enquanto que investimentos de grande porte e equipamentos de longa vida útil, aceitam tempos maiores para retorno do capital investido.

2.3.3 Métodos de avaliação do fluxo de caixa

A análise econômica de um projeto é realizada através de três métodos:

 Método do Valor Presenta Líquido (VPL);

 Método da taxa interna de retorno (TIR);

 Método do Pay-back.

Estes métodos se baseiam na comparação dos valores de cada um dos fluxos de caixa futuros com o valor do fluxo de caixa inicial, ocorrido no primeiro período.

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2.3.3.1 Método do valor presente líquido

O método do valor presente líquido (VPL) é uma técnica de análise de fluxo de caixa, que é calculado a partir da diferença entre a receita e as despesas da empresa, do investimento inicial, e de uma taxa, chamada de taxa mínima de atratividade (TMA), que representa a menor taxa de valorização do capital a qual a empresa aceita aplicá-lo, e deve ser sempre ajustada ao risco do empreendimento. Assim, o VPL é calculado conforme a equação (2.4): 0 1 (1 ) I TMA D R VPL n t t t t    



Se o valor do VPL for negativo, o projeto deve ser rejeitado, se o valor do VPL for positivo, tem-se um argumento para aceitar o projeto (SOUZA, 2011). A utilização desta técnica divide o fluxo em duas fases: período de construção e período de operação, como pode ser visto na Figura 13 (COELHO, 2001).

Figura 13 – Ciclo de vida do investimento de um sistema energético (COELHO, 2001).

2.3.3.2 Método da taxa interna de retorno

A taxa interna de retorno (TIR) é a taxa, i, que iguala o valor presente de um ou mais equipamentos, com o valor de um ou mais recebimentos do caixa. Em outras palavras, o TIR iguala as entradas com as saídas do caixa. A equação (2.5) mostra como é realizado o cálculo do TIR:

0 1 (1 ) I i D R n t t t t   



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Se o valor do TIR for menor que o custo de capital ajustado ao risco, ou seja, se o TIR for menor que o TMA rejeita-se o projeto. Caso o valor do TIR seja maior que TMA tem-se um argumento para aceitar o projeto.

2.3.3.3 Método do Pay-back

O método do Pay-back determina o tempo decorrido até que o valor do investimento realizado no projeto seja recuperado pelo empreendedor. Este talvez seja o método mais importante na analise de viabilidade econômica de um projeto (BRANDÃO, 2004). Se o valor do Pay-back for menor que o tempo do projeto, tem-se um argumento para aceitar o projeto. Caso o valor do pay-back, em anos, supere o tempo do projeto, pode-se rejeitar o projeto.

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3 A ferramenta de análise técnica-econômica

Com o intuito de facilitar a análise de viabilidade de um sistema de cogeração, foi desenvolvida a ferramenta computacional COGENERA M12. A planilha COGENERA M12 foi elaborada em plataforma Microsoft Excel. O software foi escolhido para desenvolver a ferramenta por ser tratar de uma plataforma capaz de desenvolver análises complexas de forma simples, além de possuir uma interface amigável ao usuário.

A ferramenta desenvolvida possui nove abas. Estas abas são:

 “Entradas”;  “Demandas”;  “Análise Técnica”;  “Qualificação ANEEL”;  “Custo combustível”  “Custo EE”;  “Análise Financeira”;  “Banco de dados”;  “Resultados”.

Na entrada de dados, o usuário deve inserir os dados de demanda de energia, tanto elétrica quanto térmica, e outras informações relevantes para a análise: tipo de combustível utilizado nas caldeiras (gás natural ou óleo combustível), poder calorífico do combustível, preço, etc. Após essa etapa, o usuário deverá selecionar, a partir do banco de dados do programa, os equipamentos que deseja analisar para utilização no projeto de cogeração. A partir dos dados de entradas inseridos pelo o usuário, é gerado um relatório com o resultado da análise do projeto da cogeração para a planta. O resultado apresenta ao usuário informações sobre o desempenho energético da planta selecionada, além de realizar a comparação dos custos de operação da planta com e sem cogeração indicando a economia operacional da utilização da cogeração. Ao final do relatório, também são apresentados resultados dos métodos de avaliação de fluxo de caixa, que indicam informações sobre o retorno do investimento realizado.

Nos itens seguintes serão descritas mais detalhadamente as principais abas da ferramenta COGENERA M12. A Figura 14 apresenta a aba de apresentação da planilha.

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3.1 A aba “Entradas”

A aba “Entradas” é utilizada para o usuário inserir os dados de entrada que serão utilizados pelo resto da planilha. É nesta aba que o usuário deve fornecer todas as informações necessárias para a análise do projeto de cogeração na planta. Além disso, nesta aba, o usuário também deve selecionar o(s) equipamento(s) responsável pela geração de energia elétrica e reaproveitamento de energia térmica rejeitada. Dessa forma, a inserção dos dados de entrada nesta aba é realizada em cinco etapas:

 Demanda de energia elétrica;

 Demanda de energia térmica;

 Informações adicionais;

 Seleção do equipamento.

A inserção de dados pelo usuário na planilha é dada seguindo o código de cores apresentado na Figura 15.

Figura 15 – Código de cores utilizado para os dados da planilha. Figura 14 - Tela de abertura da planilha COGENERA M12.

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3.1.1 Demanda de Energia Elétrica

As primeiras informações solicitadas na aba “Entradas” são as demandas de energia elétrica da planta que se deseja analisar. Assim, para que o usuário possa utilizar a ferramenta, este deve possuir os dados de potência contratada em horário de ponta, potência contratada fora de ponta e seus respectivos fatores de carga, como pode ser observado na Tabela 1

Tabela 1 – Tabela de dados sobre demanda elétrica da planta sem cogeração.

O fator de carga (FC) pode ser definido como a razão entre a demanda média (Dmed)

e a demanda máxima (Dmáx) da unidade consumidora ocorridas no mesmo intervalo de

tempo especificado (ANEEL, 2010). Portanto, os fatores de carga elétricos para os horários de ponta e fora de ponta podem ser dados, respectivamente, pela equação (3.1) e equação (3.2). P máx P med P D D FC , , 

As definições para os horários de ponta e fora de ponta são dadas pela concessionária fornecedora de energia elétrica. De modo geral, é considerado horário de ponta um período de três horas entre 17 h e 21 h durante os dias úteis. No horário de ponta a tarifa da energia elétrica é mais cara (SOUZA, 2011). Consequentemente, o horário fora de ponta diz respeito às horas do dia que estão fora do período de ponta, horários em que a tarifa é menor.

DEMANDA ELÉTRICA

Potência contratada de Ponta [kW] 1.700

Potência contratada Fora de Ponta [kW] 2.100

Fator de Carga na Ponta 86%

Fator de Carga Fora da Ponta 87%

Consumo de Energia Elétrica na Ponta [kWh/ano] 1.105.272

Consumo de energia Elétrica Fora da ponta [kWh/ano] 14.404.068

Consumo total de energia elétrica [kWh/ano] 15.509.340

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Após a inserção dos dados de demanda contratada e fator de carga para os horários de ponta e fora de ponta, a planilha calcula o consumo de energia elétrica tanto para os horários de ponta quanto para fora de ponta. Os cálculos do consumo de energia elétrica na ponta (CP) e fora da ponta (CFP) são realizados de acordo com a equação (3.3) e a

equação (3.4), respectivamente. horasPonta FC D E_P  _P _P

Outro dado importante que deve ser inserido pelo usuário é a seleção do tipo de tarifa elétrica que é cobrada para a empresa sendo analisada. Esse dado é importante, pois será utilizado no cálculo do custo anual da energia elétrica para a planta sem cogeração, que será mais detalhadamente apresentado em seção posterior.

3.1.2 Demanda de Energia Térmica

Além das demandas de energia elétrica, as demandas de energia térmica são de grande importância na análise de viabilidade de um projeto de cogeração. As demandas térmicas avaliadas são de três tipos:

 Vapor;

 Frio (água gelada);

 Outras formas de calor.

Os dados sobre a energia térmica da planta sem cogeração são apresentados na Tabela 2, onde o usuário deverá fornecer os dados de demanda térmica da caldeira, que deve incluir vapor e outras formas de calor, para os dias de semana e para os fins de semana. Da mesma forma, devem ser fornecidos os dados de demanda por água gelada nos dias de semana e no fim de semana Essa diferenciação entre demandas nos dias de semana e nos fins de semana é feita para flexibilizar a análise, para o caso de uma instalação que modifique sua produção durante os fins de semana. Todas as demandas térmicas da planta devem ser inseridas em kW.

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Tabela 2 – Tabela de dados sobre a demanda térmica da planta sem cogeração. DEMANDA TÉRMICA (sem Cogeração)

Demanda térmica da caldeira nos dias de semana [kW] 1.000,0

Demanda térmica da caldeira no fim de semana [kW] 1.000,0

Demanda térmica para refrigeração nos dias de semana [kW] 904,0

Demanda térmica para refrigeração no fim de semana [kW] 904,0

Fator de Carga Térmico da caldeira nos dias de semana 83%

Fator de Carga Térmico da caldeira no fim de semana 83%

Fator de Carga térmico de refrigeração nos dias de semana 83%

Fator de Carga térmico de refrigeração no fim de semana 83%

Tarifa de Combustível Industrial

Consumo de energia térmica da CAG nos dias de semana [kWh/ano] 4.700.005

Consumo de energia térmica da CAG no fim de semana [kWh/ano] 1.872.799

Consumo de energia térmica da caldeira nos dias de semana [kWh/ano] 5.199.120

Consumo de energia térmica da caldeira no fim de semana [kWh/ano] 2.071.680

Consumo Total de energia térmica na Caldeira [kWh/ano] 7.270.800

Consumo total de energia térmica [kWh/ano] 13.843.603

Consumo anual de combustível sem cogeração [m³] 730.296,7

Além das demandas térmicas, o usuário também devera inserir os valores do fator de carga térmico da caldeira e da demanda de água gelada, ambos para os dias de semana e fins de semana. O cálculo dos fatores de carga térmico é feito analogamente ao cálculo realizado para o fator de carga da demanda elétrica da instalação, como mostra a

equação (3.5). A utilização do fator de carga térmico é importante já que nem sempre os processos que demandam calor funcionam de forma constante ao longo do dia. Assim, para que o consumo de combustível da planta não seja superdimensionado é necessário que o fator de carga térmico seja levado em conta no cálculo da energia térmica.

term máx term med Term D D FC , ,  (3.5)

Nesta etapa, também deve ser inserido o tipo de tarifa de combustível que é cobrada na instalação original. Se a caldeira da planta original trabalha com queima de gás natural, deve ser selecionada a tarifa para consumo de gás natural que é cobrada da empresa. As opções de tarifa são as seguintes:

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 Comercial

 Residencial

 Óleo combustível

 Não Compra combustível

Em seguida a planilha realiza os cálculos dos consumos de energia térmica, tanto para as centrais de água gelada (CAG) quanto para a caldeira, como pode ser observado na Tabela 2. São considerados 261 dias de semana no ano e 104 dias de fim de semana. Assim a equação (3.6) apresenta o cálculo para consumo de energia térmica da CAG nos dias de semana e a equação (3.7) apresenta o cálculo para o consumo de energia térmica da CAG nos fins de semana. Da mesma forma, o consumo de energia térmica da caldeira nos dias de semana e fins de semana pode ser calculado, respectivamente, pela equação (3.8) e equação (3.9).

261

, Re ,DS  func refri friDS  CAG h D FC

E (3.6)

104

, Re ,FS  func refri friFS  CAG h D FC

E

261

, ,DS  func térmica  caldDS  Caldeira h D FC

E

104

, ,FS  func térmica caldFS  Caldeira h D FC

E

Onde hfunc é a quantidade de horas de funcionamento da planta por dia. Este dado é

coletado inserindo os horários de início e término da produção na planta conforme é apresentado na Tabela 3.

Tabela 3 – Tabela de inserção do horário de funcionamento da instalação.

Horário de funcionamento

Início [hr] 0

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Por fim, a Tabela 2 apresenta o cálculo realizado para o consumo anual de combustível da instalação sem cogeração. O consumo de combustível pela instalação é calculado segundo a equação (3.10).

caldeira comb Caldeira Tot comb m kJ PCI h s kWh C m C     ³] / [ ] / [ 3600 ] [ ³] [ ,

Onde PCIcomb é o poder calorífico inferior do combustível que é queimado na

caldeira, e o parâmetro _caldeira, é o rendimento térmico da caldeira, inserido pelo usuário no quadro de “Informações Adicionais” que será mais bem detalhado em seção a seguir.

3.1.3 Informações Adicionais

O quadro de informações adicionais tem como função receber outras informações do usuário, além das demandas, que sejam importantes para o desenvolvimento dos cálculos na planilha. A vantagem de esse quadro estar localizado na aba “Entradas” é que o usuário não precisa buscar na planilha onde deve inserir valores de entrada. Com a utilização do quadro de “Informações Adicionais” o usuário insere todas as entradas necessárias ao programa numa mesma aba “Entradas”. A Tabela 4 apresenta as informações adicionais fornecidas pelo usuário.

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Tabela 4 – Tabela de informações adicionais

INFORMAÇÕES ADICIONAIS

Cotação do dólar [R$] 2,33

Eficiência da caldeira 91%

Chiller da planta sem cogeração Chiller Elétrico Alternativo

Consumo de energia CAG antiga [kW/TR] 1,1

Consumo de energia CAG nova [kW/TR] 0,03

PCS do gás natural [kcal/m³] 9.400

PCI do gás natural [kcal/m³] 8.560

PCI do óleo combustível [kcal/m³] 9.300.000

Preço do óleo combustível [R$/m³] 1.750,0

A partir da Tabela 4, observa-se que a primeira informação que deve ser inserida pelo usuário é a cotação do dólar. Esse valor será utilizado no cálculo do custo de instalação dos equipamentos para a cogeração. Em seguida, deve ser fornecido o valor da eficiência da caldeira, necessário para o cálculo do consumo de combustível apresentado na equação (3.10). No caso de a demanda de água gelada estar sendo analisada, é importante que o usuário selecione o tipo de CAG presente na instalação sem cogeração. As opções disponíveis para análise são:

 Chiller Elétrico Alternativo

 Chiller Elétrico Centrífugo

 Chiller Elétrico Scroll

 Chiller Elétrico Parafuso

 Split

 Aparelho de Janela

Em seguida, a planilha coleta em seu banco de dados o consumo específico de energia elétrica do chiller da planta sem cogeração e compara com o consumo específico de um chiller de absorção utilizado para cogeração. A Figura 16 mostra valores típicos para o consumo energético de diferentes tipos de chiller apresentados por (ANDREOS, 2013). Esses valores são utilizados no banco de dados da planilha.

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Figura 16 – Consumo energético de sistemas de refrigeração (ANDREOS, 2013).

O usuário também deve fornecer os valores de PCI e PCS para o gás natural. O PCI será utilizado no cálculo do consumo de gás natural pelo equipamento responsável pela cogeração. O PCI do óleo combustível deve ser informado para o cálculo do consumo de óleo combustível na caldeira. Também é necessária a inserção do preço do óleo combustível.

O usuário também deve inserir que tipo de energia se deseja obter com a cogeração. Há três opções disponíveis: Eletricidade, Calor e Frio. Assim o usuário possui três possibilidades diferentes de cogeração que devem ser selecionadas conforme a Tabela 5:

 Eletricidade + Calor (vapor e/ou outras formas de calor);

 Eletricidade + Frio (água gelada);

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Tabela 5 – Tabela para inserção dos objetivos da cogeração.

OBJETIVOS DA COGERAÇÃO

Energia Elétrica Sim

Vapor (Calor) Sim

Água Gelada (Frio) Não

Por fim, o usuário deve indicar se, no caso de excedente de energia por parte da cogeração, este gostaria de optar pela opção de venda desse excedente. A venda do excedente deve ser negociada diretamente com a concessionária de distribuição ou de transmissão, dependendo do ponto em que a planta esteja conectada à rede (SOUZA, 2011). O usuário também deve informar o preço específico de revenda. A Tabela 6 apresenta essa opção do usuário.

Tabela 6 – Tabela de inserção de interesse de revenda de energia elétrica.

VENDA DE ENERGIA ELÉTRICA

Deseja vender energia elétrica excedente? Sim

Preço para venda de energia elétrica [R$/kWh] 0,16

3.1.4 Seleção do Equipamento

Além da inserção dos dados de entrada, na aba “Entradas” é também realizada a seleção do equipamento responsável pela cogeração, que será simulado. A Tabela 7 mostra a etapa de seleção de equipamentos da aba “Entradas”. Dentre os equipamentos disponíveis para se realizar a cogeração estão três tipos:

 Motores a combustão interna a gás;

 Turbinas a gás;

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Tabela 7 – Tabela de seleção de equipamento para cogeração.

SELEÇÃO DO EQUIPAMENTO

Relação Elétrico-térmica da planta 1,10

Equipamentos Recomendados

Motor de Combustão Interna

Turbina a gás Recomendado

Microturbina

Turbina a Vapor

Geração Elétrica com cogeração

Demanda Elétrica a ser gerada fora da ponta [kW] 1.815

Demanda Elétrica a ser gerada na ponta [kW] 1.415

Consumo de Energia Elétrica a ser suprido fora da ponta [kWh] 12.448.763

Consumo de Energia Elétrica a ser suprido na ponta [kWh] 919.932

Consumo Total de Energia Elétrica a ser suprido [kWh] 13.368.695

Equipamento Selecionado Motor GE J420 GS 1.4MW

Potência do Equipamento selecionado [kW] 1.426

Quantidade de equipamentos 1

Potência Instalada [kW] 1.426

Fator de carga do equipamento 85%

Queima adicional

Necessidade de queima adicional na caldeira Sim

Demanda térmica adicional a ser suprida [kW] 261

Combustível para queima adicional na caldeira Gás natural

Equipamentos auxiliares

Dimensão do Chiller de Absorção [TR] 321

A fim de auxiliar o usuário na seleção do equipamento para cogeração é realizado, na Tabela 7, um sistema de recomendação de equipamentos baseados na razão elétrico-térmica da planta. A razão elétrico-elétrico-térmica (RPC) pode ser definida como a razão entre a potência total que deve ser produzida pelo equipamento e o calor útil que pode ser retirado para cogeração (RAMOS, 2008). A equação (3.11) calcula a RPC demanda pela planta sem cogeração.

térmica elétrica

D D