Ar condicionado a absorção e Central modular de co-geração de energia

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Ar condicionado a absorção e Central

modular de co-geração de energia

Opções Competitivas na Gestão

Energética

Eng./Arq. Marco Tulio Starling de Vasconcellos IX CONBRAVA – 23 de Setembro de 2005

Tópicos da Apresentação

• Chillers a absorção

- Conceitos de funcionamento

- Evolução

- Comparativos econômicos

• Co-geração de energia

- Vantagens

- Estudo de caso

• Centrais Modulares de Co-geração

- Vantagens

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Chillers a absorção

Conceitos de funcionamento

- Chiller é alimentado por calor (Queima direta de

combustível, vapor d´água, água quente ou gases de

exaustão).

- Princípio básico é trabalhar com vácuo, onde o

refrigerante evapora a cerca de 4ºC.

- O refrigerante é a água (100% ecológico).

- Solução absorvedora (Brometo de lítio) –

altamente higroscópica e alto ponto de evaporação.

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Variações de modelos de chillers

- Duplo ou simples estágio.

- Somente refrigeração, aquecimento e água quente.

- Chillers alimentados a gases de exaustão sem

necessidade de caldeiras de recuperação.

- Chillers com múltiplas fontes de alimentação

simultaneamente.

Evolução dos chillers a absorção

- Desenvolveu até meados do século XX, simultaneamente com chillers elétricos.

- Grandes fabricantes concentraram no desenvolvimento de chillers elétricos (custo inferior).

- Retorno de desenvolvimento de tecnologias a absorção na Ásia nos anos 80 e 90.

- Eliminação ou redução dos riscos com cristalização, perda de vácuo e congelamento de tubos de cobre.

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COP – Coeficiente de Performance

Quantidade de frio gerado (kW) para cada unidade

de energia (calor) fornecida (kW).

COP em carga máxima e COP IPLV

COP IPLV (ARI Standard 560) é um padrão

internacional que considera:

1% do tempo funcionando com 100% da carga

42% do tempo funcionando com 75% da carga

45% do tempo funcionando com 50% da carga

12% do tempo funcionando com 25% da carga

Evolução do COP

• Em meados do século XX, os índices COP dos chillers de queima direta variavam entre 0,6 e 0,8.

• Chillers de queima direta duplo estágio atuais possuem COP carga máxima entre 1,0 e 1,1.

•Chillers de alta eficiência chegam a 1,4 em carga máxima e 1,6 (IPLV).

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Velhos paradigmas quebrados sobre

chillers a absorção

• Possuem baixo rendimento.

• Baixa confiabilidade, devido principalmente a:

- Cristalização

- Congelamento de tubos

- Perda de vácuo

• Pouca disponibilidade de gás natural.

• Alto custo do combustível.

• Poucos “cases” reais de sucesso no mundo.

Comparativos econômicos entre

chillers elétrico e a absorção

Considerações

• Chiller de 1.000 TR .

• Tempo de operação = 15h/dia e 365dias/ano.

• Fator médio de carga = 0,58 (condição ARI)

Variáveis

• Eficiência do chiller elétrico.

• Eficiência do chiller a absorção.

• Custo médio do kWh elétrico.

• Custo médio do Nm3 de gás natural.

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Situações 1 e 2

Situação 1 -

Custo de energia elétrica = R$ 0,25/kWh

a)

Chiller elétrico (0,80 kW/TR):

1.000TR x 0,80kW/TR x 15h x 365d x 0,58 x R$0,25/kWh = R$ 635.100,00/ano (R$ 0,20/TRh).

b)

Chiller elétrico (0,65 kW/TR):

1.000TR x 0,65kW/TR x 15h x 365d x 0,58 x R$ 0,25/kWh = R$ 516.019,00/ano (R$ 0,163/TRh).

Situação 2 -

Custo de energia elétrica = R$ 0,32/kWh

a)

R$ 812.928,00/ano (R$ 0,256/TRh).

b)

R$ 660.504,00/ano (R$ 0,208/TRh).

Situações 3 e 4

Situação 3 -

Custo do gás natural = R$ 0,60/Nm3

a)

Chiller absorção (COP = 1,1):

1 / (1,1 x 8.600 kcal/h / 3.024 kcal/TRh) = 0,32 Nm3/TRh 1.000TR x 0,32Nm3/TRh x 15h x 365d x 0,58 x R$0,60/Nm3 = R$ 609.696,00/ano (R$0,19/TRh).

b)

Chiller absorção (COP = 1,6):

1 / (1,6 x 8.600 kcal/h / 3.024 kcal/TRh) = 0,22 Nm3/TRh 1.000TR x 0,22Nm3/TRh x 15h x 365d x 0,58 x R$ 0,60/Nm3 = R$ 419.166,00/ano (R$ 0,13/TRh).

Situação 4

- Custo do gás natural = R$ 0,70/Nm3

a) R$ 711.312,00/ano (R$ 0,224/TRh). b) R$ 489.027,00/ano (R$ 0,154/TRh).

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0,1540 489.027,00 R$ 0,70/Nm3 GN Absorção COP=1,6 b 0,2240 711.312,00 R$ 0,70/Nm3 GN Absorção COP=1,1 a Situação 4 0,1320 419.166,00 R$ 0,60/Nm3 GN Absorção COP=1,6 b 0,1920 609.696,00 R$ 0,60/Nm3 GN Absorção COP=1,1 a Situação 3 0,2080 660.504,00 R$ 0,32/kWh Elétrico 0,65kW/TR b 0,2560 812.928,00 R$ 0,32/kWh Elétrico 0,80kW/TR a Situação 2 0,1625 516.019,00 R$ 0,25/kWh Elétrico 0,65kW/TR b 0,2000 635.100,00 R$ 0,25/kWh Elétrico 0,80kW/TR a Situação 1 R$/TRh Total (R$) Gasto Anual Energia Chiller

Co-geração de energia

Vantagens

- Produz-se gratuitamente frio e calor, utilizando-se dos rejeitos térmicos de grupos moto-geradores.

- A co-geração eleva o aproveitamento da fonte energética, de cerca de 35 a 40% (geração simples) para aproximadamente 90%. - Geração distribuída reduz perdas e riscos nas linhas de

transmissão e distribuição.

- Reduz riscos de apagões, contribuindo para a qualidade da matriz energética brasileira.

- Reduz necessidade de investimentos em novas hidrelétricas, sendo opção mais ecologicamente correta.

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Eficiência na co-geração

•

A eficiência de um grupo moto-gerador varia de modelo para modelo, e gira entre 3,0 e 3,8kWh por Nm3 de gás natural. • A eficiência na produção de frio e calor por co-geração, também varia por modelos de geradores, de acordo os dados de calores rejeitados.

• A produção gratuita de frio por co-geração em chillers a absorção varia entre 20 e 40TRh para cada 100kWh produzidos. •A produção gratuita de água quente por co-geração através de trocadores de calor irá substituir aproximadamente 145kW de resistências para cada 100kW de geração instalada.

Principais modelos de produção de

água gelada por co-geração

• Uso da água quente de resfriamento das camisas do

moto-geradores.

• Uso da água quente de resfriamento das camisas do

moto-geradores, reaquecidas em trocadores de calor pelos

gases de exaustão dos motores.

• Uso de vapor produzido em caldeiras de recuperação

alimentadas pelos gases de exaustão dos moto-geradores.

• Uso direto de gases de exaustão alimentando o chiller a

absorção.

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Vantagens do uso de gases de

exaustão diretamente no chiller

• Gases de exaustão com temperatura superior a 400ºC podem alimentar chillers de duplo estágio, com COP (carga máxima)=1,39, contra COP=0,75 de chillers simples estágio, que seriam utilizados nos outros casos.

• A situação onde se consegue maior produção gratuita de frio (até 40TR/100kW) é a que utiliza água quente dos motores e gases de exaustão diretamente no chiller.

• Redução de espaço em centrais de co-geração, pois se eliminam circuitos hidráulicos, bombas, caldeiras de recuperação e trocadores de calor.

• Reduz investimentos com infra-estrutura inicial, reduzindo áreas e pés direito.

Estudo de caso

Considerando um projeto que possua as seguintes demandas de eletricidade e ar condicionado:

• Eletricidade – 3.000kW – 24 h/dia – 365dias/ano – Fator médio de consumo = 0,4.

• Ar condicionado – 1.000TR – 15h/dia – 365dias/ano – Fator médio de carga = 0,58.

Comparativo entre 3 situações:

1- Compra de energia elétrica das concessionárias para demanda de eletricidade e AC, a R$0,25/kWh.

2- Compra de energia elétrica das concessionárias para demanda de eletricidade e AC, a R$0,32/kWh.

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Situação 1

Custo de energia elétrica = R$ 0,25/kWh

Energia elétrica:

3.000kW x 24h x 365 dias x 0,40 x R$ 0,25/kWh = R$ 2.628.000,00/ano

Ar condicionado:

a)

Chiller elétrico (0,80 kW/TR):

b)

Chiller elétrico (0,65 kW/TR):

Situação 2

Custo de energia elétrica = R$ 0,32/kWh

Energia elétrica:

3.000kW x 24h x 365 dias x 0,40 x R$ 0,32/kWh = R$ 3.363.840,00/ano

Ar condicionado:

a)

Chiller elétrico (0,80 kW/TR):

b)

Chiller elétrico (0,65 kW/TR):

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Situação 3

Considerando:

• 35TR/100kW (co-geração), temos 1.050TR para os

3.000kW gerados (100% AC gratuito).

• R$ 0,03/kWh gerado de manutenção.

• Eficiência do gerador = 3,8kWh/Nm3 de GN.

Geração de energia elétrica:

a)

Custo do gás natural = R$ 0,60/Nm3:

3.000kW x 24h x 365dias x 0,4 x (R$ 0,60/Nm3 x 3,8 kWh/Nm3 +R$ 0,03/kWh) = R$ 1.975.149,00/ano.

b)

Custo do gás natural = R$ 0,70/Nm3:

3.000kW x 24h x 365dias x 0,4 x (R$ 0,70/Nm3 x 3,8 kWh/Nm3 +R$ 0,03/kWh) = R$ 2.251.781,00/ano. 1.975.149,00 R$ 0,60/Nm3 GN 100% co-geração a Situação 3 4.024.344,00 R$ 0,32/kWh Elétrico 0,65kW/TR b 4.176.768,00 R$ 0,32/kWh Elétrico 0,80kW/TR a Situação 2 3.144.019,00 R$ 0,25/kWh Elétrico 0,65kW/TR b 3.263.100,00 R$ 0,25/kWh Elétrico 0,80kW/TR a Situação 1 Total (R$) Gasto Anual Energia Chiller

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Plantas mistas de co-geração

• As plantas de co-geração podem precisar de

complemento de produção de água gelada. Este

complemento pode ser feito com queima direta ou com

chillers elétricos.

• O mesmo ocorre com o back up para os chillers.

• No caso em que se optar por complemento e/ou back up

com queima direta, existem chillers que podem ser

alimentados ao mesmo tempo por queima direta, gases de

exaustão e água quente.

Centrais modulares de co-geração

Vantagens:

• Já são disponíveis centrais modulares de 40kW a 2MW.

• São fornecidas em containers com isolamento acústico.

• Não utilizam área útil de construção.

• Oferecem todo o pacote da planta (gerador, chiller,

torres, bombas, tubulações, automação,

isolamentos,etc).

• Concentra a responsabilidade de toda a planta em

apenas um fornecedor.

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Considerações finais

• Desenvolvimento e crescimento do setor.

• Geração distribuída – Nova política energética nacional. • Crescimento uniforme e seguro da matriz energética brasileira. • Reduções de custos operacionais.

• Quando as fontes de energias se tornam escassas, a única opção é usar energia em processos de maior eficiência.

• Necessidade de se comparar os equipamentos e fazer estudo para cada caso, utilizando todas as opções de mercado.