Especificação e Análise de Viabilidade Técnica e Econômica de Sistemas de
Cogeração
Eduardo Azevedo Rodrigues, BSc.
Janardan Rohatg. PhD.
CTG - PPGEP, Universidade Federal de Pernambuco Campus Universitário, s/n, CTG - 5º Andar - 50.720-970 - Recife, PE e-mail: eazevedo@elogica.com.br
ABSTRACT: This paper presents a methodology to compare the cost of cogeneration and the traditional sources to attending electric power, heating and cooling demands. We have tried to investigate the equipment/tecnologies available to produce cogenerated power systens. Also, is analysed the operational strategies involved in order to maximise the return internal rate.
KEYWORDS: Cogeneration, Energy, Tecnology
RESUMO: O presente trabalho apresenta uma metodologia que permite especificar e comparar em termos energéticos e econômicos um sistema de cogeração e um sistema convencional para o atendimento de demandas frio, calor de processo e energia elétrica. Tentamos investigar tecnologias e equipamentos disponíveis para sistemas de cogeração. Também são analisadas estratégias operacionais para unidades de produção combinada de calor útil e potência elétrica são determinadas simultaneamente afim de maximizar a taxa interna de retorno.
INTRODUÇÃO
Com o aumento da competitividade provocada pela transformações da economia mundial, inovações tecnológicas e globalização dos mercados, ocorreram grandes processos de mudanças nas organizações, visando melhorar as condições de competitividade, lucratividade e qualidade dos produtos e serviços.
Com a crescente busca da melhoria da eficiência energética, tanto em nível do desempenho na geração como também no aproveitamento de disponibilidades residuais, a cogeração vem sendo apontada como uma efetiva alternativa de racionalização energética e econômica. Cogeração é a geração simultânea e de forma sequenciada de energia elétrica e térmica a partir do consumo de uma mesma fonte de combustível. Desse modo, por atender a ambas as demandas com o mesmo combustível, fazendo uso da energia necessariamente rejeitada pelo ciclo térmico de uma unidade de processo, reduz-se as perdas energéticas e os custos associados, inclusive o ambiental (Nogueira, 1996).
A diversidade de aplicações existentes impõe que para cada situação seja efetuada uma seleção criteriosa dos equipamentos e suas capacidades, a fim de atender as demandas elétricas e térmicas com máximo desempenho, disponibilidade e facilidade de manutenção, além de necessariamente atender os requisitos de economicidade. Considerando esses aspectos, as características de cada unidade devem ser analisadas técnica e economicamente, de forma comparativa.
ASPECTOS BÁSICOS SOBRE COGERAÇÃO
As tecnologias de cogeração são usualmente classificadas em dois grupos, de acordo com a ordem relativa de geração de potência e calor, do ponto do fluxo energético. Tem-se, assim, os ciclos bottoming e os ciclos topping.
Os sistemas que operam segundo os ciclos bottoming se baseiam primordialmente pela recuperação do calor rejeitado em altas temperaturas por processos industriais, que é utilizado para a geração de vapor, aquecimento direto ou para produção de frio. Já no caso dos sistemas que operam segundo os ciclos topping, fluxos de calor em temperaturas mais elevadas são utilizados prioritariamente na geração de eletricidade; a energia residual deste processo é que é destinada à geração térmica, na forma de calor, vapor para uso direto em processo ou geração de frio em sistemas de absorção ou compressão.
Os principais ciclos utilizados para configurações de centrais de cogeração são apresentados na figura 1:
• ciclo a vapor;
• ciclo a gás;
• ciclo combinado (em geral, gás-vapor);
• ciclo com motores de combustão interna.
ciclo Rankine
ciclo Brayton
ciclo Combinado
ar
água TG
CR TV
gases ar
TG água
LEGENDA
TG - turbina a gás TV - turbina a vapor CA - caldeira convencional CR - caldeira de recuperação
vapor eletricidade
CA TV
CA ciclo Rankine (bottoming)
(topping) TV
água
MC
MC - motor de combustão UP - unidade de processo UP
UP
UP
UP
ciclo com motor de combustão ar
UP água quente
água
. .
Figura 1- Ciclos térmicos em configurações básicas
Uma vez que esses sistemas devem ser associados em unidades de processo, que demandam em quantidades definidas diferentes formas de energia térmica e eletromecânica, faz-se necessário que se estabeleça os conceitos de paridade térmica e de paridade elétrica.
Diz-se que uma central de cogeração opera em paridade térmica quando é projetada para atender integralmente as necessidades térmicas da unidade de processo, garantindo ou não o suprimento das
demandas eletromecânicas do mesmo; caso atenda com excedentes, estes podem ser comercializados com a concessionária local e se houver déficit, a energia é dela adquirida.
Quando a central de cogeração é projetada de modo a atender integralmente às necessidades eletromecânicas da unidade de processo, independentemente das demandas térmicas, diz-se que opera em paridade elétrica; nesses casos, pode haver excedentes de energia térmica (vapor, frio, calor), as quais devem ser vendidas caso haja mercado consumidor para as mesmas, como ocorre nos países de climas mais frios, ou eliminadas para a atmosfera; nessa situação, caso haja um déficit nas demandas térmicas, deve estar previsto no projeto o acionamento de sistemas auxiliares para garantir o suprimento.
Os arranjos mais comumente empregados em empreendimentos de cogeração de pequeno porte são os seguintes sistemas topping cycle:
• Sistemas com motor alternativo de combustão interna: aplicam-se em configurações com demanda inferior a 1MW (Instituto nacional de Tecnologia, 1995) e que não necessitem de altas temperaturas para o processo térmico – gases de exaustão entre 340 C e 460 C e aproveitamento do fluxo de refrigeração de 70 C a 80 C (Cicchi, 1992)
• Sistema com turbina a gás: aplicam-se a uma faixa mais abrangente de potência a atendem a temperaturas de processo térmico mais elevadas.
Sistemas de refrigeração por absorção podem ser utilizados associados a um dos sistemas anteriores, convertendo a energia térmica recuperada no processo em água gelada.
ANTECEDENTES
Diversos autores têm se ocupado do desenvolvimento de modelos que auxiliem no projeto de centrais de cogeração; Balestieri e Correia, 1997, analisa modelos que de alguma forma acrescentaram, em publicações recentes, novas visões a essa questão.
Somasundaram et al., 1987, implementaram um código computacional para o modelagem de centrais de cogeração que utiliza os seguintes dados de entrada:
• curvas de demanda térmica da unidade de processo;
• curvas de demanda elétrica da unidade de processo;
• tipo de ciclo pretendido para central cogeradora;
• regime de operação da central cogeradora;
• eficiência das caldeiras que se pretende utilizar na central;
• custos de combustível e manutenção.
Com essas informações, o modelo de simulação obtém de arquivos de dados a configuração mais eficiente para o ciclo escolhido e estima a quantidade de vapor e de eletricidade gerados, o consumo específico de combustível, o benefício líquido e o tempo de retorno (payback).
O modelo desenvolvido por Balestieri, 1994, se baseia em redes de grafos generalizados (figura 2) associadas a um modelo multiobjetivo interativo; a partir desse modelo, desenvolvido em duas etapas, é possível estruturar um número suficientemente grande de possibilidades para a análise comparativa de configurações destinadas à cogeração, com base em parâmetros técnicos e econômicos.
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45 CD
MP BP
Figura 2 - Rede de grafos para análise final
A etapa inicial (figura 3) elimina as rotas correspondentes às máquinas térmicas que não correspondem a soluções que possam conduzir à maximização ou minimização das funções objetivas estabelecidas; na etapa final, discretizam-se os equipamentos (caldeiras, turbinas a gás associadas a caldeiras de recuperação e turbinas a vapor) conforme o esquema geral apresentado na figura 4.
início
-curvas de carga anuais -custos anualizados -cond. termodinâmicas
-fatores de emissão MODELO
MULTIOBJETIVO
CONFIGURAÇÃO BÁSICA (CICLO)
-curvas de carga mensais -fatores de emissão -custos anualizados -condições termodinâmicas
TIPO - CAPACIDADE - QUANTIDADE DE MÁQUINAS
Figura 3 - Algoritmo multiobjetivo
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43 25
45 39
38 condensação
baixa pressão média pressão alta pressão
Figura 4- Modelo geral para projeto de centrais de cogeração
O presente desenvolvimento propõe a utilização combinada dos modelos de Balestiere e de Nogueira, acrescidos de uma abordagem de engenharia econômica voltada a identificar a viabilidade econômica em termos do confronto da taxa interna de retorno e da taxa mínima de
atratividade, submetendo a alternativa de projeto mais viável a uma análise de sensibilidade em função da variação de parâmetros críticos.
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA DO PROJETO
A idéia central deste trabalho foi a de criar uma metodologia analítica, tendo como suporte as equações termodinâmicas relativas aos ciclos contemplados e funções baseadas em Engenharia Econômica. Este metodologia é composta de quatro fases :
Na primeira fase, a partir de valores correspondentes à demanda elétrica e térmica da unidade de processo e com estes dados o código calcula a razão entre a potência e o calor do processo necessários, determinando dessa forma em primeira aproximação os ciclos mais recomendados para se iniciar a análise, com maior eficiência, através de comparações com um arquivo de dados.
Na segunda fase, usando como argumentos os valores de custos operacionais, o valor pago pela concessionária para a energia fornecida e custos de investimento para cada configuração é identificada a melhor alternativa proposta, utilizando o método do Valor Atual Líquido (VAL) com séries uniformes (Kaplan,1983), calculado para cada configuração.
Na terceira fase, é realizado o estudo de viabilidade econômica da melhor alternativa proposta, utilizando o método da Taxa Interna de Retorno (TIR) e comparando-a com a taxa mínima de atratividade do setor.
Na Quarta fase são levantadas as variáveis que interferem no custo do empreendimento e estas são utilizadas para submeter o projeto a uma análise de sensibilidade.
ESTUDO DE CASO
Com o intuito de demonstrar o método com um caso prático, será apresentado um estudo de caso para aplicação de um sistema de cogeração em uma indústria têxtil.
CENÁRIO DE REFERÊNCIA
Condições locais:Altitude: nível do mar;
Temperatura: 24ºC a 40ºC.
Dados do combustível:
Poder calorífico: PCI=8.460 Kcal/m3; Pressão: 1,0 Kgf/cm2.
Demanda Requerida:
Elétrica: ~ 2.800 KW;
Térmico: vapor 1.500 kg/h a 8,5 kgf/cm2. Tarifas Base (com ICMS):
Eletricidade: R$ 87,54/MWh (A4; horo-sazonal Azul; FC 81%);
Gás Natural: R$ 0,1117/m3.
Índices Financeiros:
Taxa de Juros: 12% a.a.;
Taxa de Câmbio: R$ 1,75/US$.
Regime de Operação: 24 horas/dia e 365 dias/ano.
Com o custo dos equipamentos e admitindo-se custos de mão de obra de instalação, de hidráulica, transporte, entre outros, obteve-se o custo global de implantação do projeto e desta forma calculou- se o custo instalado por kWh líquido produzido. Estes custos são estimados em dólares, uma vez que quase a totalidade dos equipamentos empregados em sistemas de cogeração são provenientes de fora do país, estando portanto, sujeitos a variação cambial.
Com base no consumo de combustível utilizado na produção do vapor, na quantidade de vapor e do custo de eletricidade que deixará de ser comprado da concessionária, foram obtidos os custos totais com insumos energéticos da planta industrial.
A variação desses números gera um grande número de resultados, entretanto a variação de alguns parâmetros revelam situações mais importantes já que os mesmos não são completamente definidos, são incertezas do sistema ou variam com o ponto de vista do investidor.
AVALIAÇÃO DAS ALTERNATIVAS
De acordo com os trabalhos desenvolvidos por Ito et all. (1987), pode-se notar que o desempenho e as disponibilidades de energia elétrica e de calor útil seguem uma parametrização linear (figura 5).
Essa parametrização pode ser ajustada baseada em dados dos fabricantes, cujas variáveis a serem consideradas são a potência, o calor útil e o consumo de combustível em condições nominais.
Consumo Combustível Qmax
Emax
Qmin Emin
MW
Calor
Potência
Xvazio Xnom
Figura 5- Parametrização de acionadores primários para sistemas de cogeração
Assim foram selecionados três configurações para atender às demandas do cliente. Para auferir maior confiabilidade e flexibilidade ao conjunto, foram definidos sistemas compostos por módulos de 900, 1.100 e/ou 1.400 KW combinados em paralelo. Tais proposições além de garantirem a possibilidade de operação com potência parcial e atenderem a diversas modulações de carga, oferecem a vantagem de poder adicionar posteriormente outras unidades quando o aumento de demanda for requerido.
Todas as alternativas consideradas levaram em consideração a economia de combustível e o nível de emissão de poluentes, de modo a garantir sua conformidade com os requisitos ambientais para áreas urbanas.
Acionador 1 Acionador 2 Acionador 3
Modelo VHP 5900GL VHP 7100 GL 8L-AT27GL
Potência Contínua (kW) 900 1.100 1.400
Produção de Vapor (kg/h) 454 785 707
Consumo GN (Nm3/h) 277 340 384
Tabela 1 –Acionadores selecionados
Configuração 1 Configuração 2 Configuração 3 Configuração 3 X Acionador 1 2 X Acionador 3 2 X Acionador 1
1 X Acionador 2
Potência Contínua (kW) 2.700 2.800 2.900
Produção de Vapor (kg/h) 1.362 1.414 1.693
Consumo GN (Nm3/h) 831 768 894
Tabela 2 – Configuração dos acionadores propostos
A definição da melhor alternativa de configuração é obtida por intermédio da seguinte indicador:
((CC – CP) X E + (CVC – CVP) X V) / VI Onde:
CC = Custo da energia adquirida da concessionária (R$/MWh);
CP = Custo da energia gerada no Projeto (R$/MWh);
CVC = Custo do vapor produzido em caldeiras (R$/ton);
CVP = Custo do vapor produzido no Projeto (R$/ton);
E = Energia consumida (MWh);
V = Vapor consumido (ton);
VI = Valor do Investimento no projeto de cogeração.
No presente estudo, a alternativa que apresentou melhor desempenho foi a configuração 1.
ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA
Os métodos de engenharia econômica, sugeridos para efeito de avaliação de méritos de alternativas para investimento apresentam, como principal característica, o reconhecimento da variação do valor
do dinheiro no tempo (CEMIG, 1991). Este fato evidencia a necessidade de se utilizar uma taxa de juros para a realização da análise.
Por definição, a taxa interna de retorno de um projeto é a taxa de juros para a qual o valor presente das receitas torna-se igual ao dos desembolsos. Isto significa dizer que a TIR é a taxa que torna o valor dos lucros futuros equivalente ao dos gastos realizados com o projeto, caracterizando, dessa forma, a taxa de remuneração do capital investido.
A determinação da taxa interna de retorno não encerra, porém, a questão da aceitação ou rejeição de um projeto, já que esta, por si só, não fornece os elementos necessários à tomada de decisão. Ë preciso compará-la com um valor de referência. Somente serão passíveis de aceitação, sob o ponto de vista econômico, aqueles projetos que ofereçam um retorno superior ao custo do capital e que remunere o custo da oportunidade do investidor – a Taxa Mínima de Atratividade.
Na presente avaliação, a viabilidade econômica do projeto de cogeração foi constatada confrontando-se a taxa mínima de atratividade – 12 % – e a Taxa Interna de Retorno (TIR) do investimento – 15,85% – o que sugere a viabilidade do mesmo..
ANÁLISE DE SENSIBILIDADE
Ainda dentro da análise econômica, foram realizados estudos paramétricos afim de avaliar a sensibilidade da mudança de cenários de custo dos combustíveis, das tarifas de energia elétrica, da taxa de juros e da taxa cambial frente a uma dada configuração. Tal análise é oportuna pois permite analisar como se comporta os valores da taxa interna de retorno frente a variações do cenário de referência.
5
10 15 20 25
0 10 20 30
-30 -20 -10
Tarifa do G N Taxa Cam bio
Tarifa de Energia
Varia ção do Parâm etro (%)
TIR (%)
Taxa Mínima de Atratividade
Figura 6 – Análise de Sensibilidade
CONCLUSÕES
O método utilizado no presente trabalho para especificação de sistemas de cogeração pode representar um efetivo auxílio na tomada de decisão no campo da produção combinada de calor útil e energia eletromecânica, onde as necessidades a serem atendidas são definidas pelos perfis de demandas de calor, frio e eletricidade conhecidos ‘a priori’. O modelo determina a capacidade do sistema de cogeração de forma ótima, pela consideração simultânea de uma estratégia operacional, que apresente como resultado final a melhor configuração para o atendimento do processo. O
método proposto efetua a priorização da viabilidade segundo indicadores econômicos consagrados como valor atual líquido e taxa interna de retorno.
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