12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

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12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

COMPARAÇÃO ENTRE CICLO RANKINE ORGÂNICO SIMPLES E REGENERATIVO PARA RECUPERAÇÃO DE CALOR RESIDUAL DE BAIXA QUALIDADE EM UMA TURBINA A GÁS

Diego Luís Izidoro, Osvaldo José Venturini, José Carlos Escobar Palacio Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

Av. BPS, 1303, Pinheirinho, Itajubá – MG, Brasil

E-mails: diego.izidoro@unifei.edu.br; osvaldo@unifei.edu.br; jocescobar@unifei.edu.br

RESUMO

A busca por processos mais limpos e eficientes para geração de energia elétrica cresce a cada dia. As turbinas a gás são amplamente utilizadas em centrais térmicas devido a sua alta eficiência, principalmente quando empregada em plantas de ciclo combinado. No entanto, existem pontos no sistema onde há dissipação de calor, o que causa a redução na eficiência. Este trabalho apresenta uma comparação entre duas configurações do ciclo Rankine orgânico (ORC) que podem ser utilizadas para recuperar o calor residual de uma turbina a gás e convertê-lo em energia elétrica adicional. Para isso, a turbina a gás Siemens SGT6-5000F foi modelada. Em seguida, foram identificados e analisados os pontos onde há dissipação de calor. A partir desta análise foram propostas duas configurações de ORC (básico e regenerativo) utilizando diferentes fluidos de trabalho. Finalmente, as informações obtidas dos dois sistemas foram comparadas. Os resultados mostram que em ambos os casos é possível recuperar o calor residual de baixa qualidade e gerar mais eletricidade, mantendo o mesmo consumo de combustível, aumentando assim a eficiência e contribuindo na redução dos impactos ambientais. Além disso, a configuração com ORC regenerativo apresenta, na maioria dos casos, melhor custo benefício. PALAVRAS-CHAVE: ciclo Rankine orgânico, eficiência, recuperação de calor residual, turbina a gás. 1. INTRODUÇÃO

A queima de combustíveis fósseis, apontada como uma das principais causas do aquecimento global cresce a cada ano. Embora o homem seja o responsável pelos impactos ambientais relacionados a esta queima, ele pode também resolvê-los [1]. Uma das possibilidades de minimização desses impactos é a melhoria na eficiência dos processos industriais e de geração de eletricidade.

As usinas de ciclo combinado e de cogeração são exemplos de como é possível incrementar a eficiência térmica de um processo. Operando separadamente, as turbinas a gás e a vapor possuem eficiências médias em torno de 35 a 40%. A combinação destes sistemas para a geração de eletricidade a partir da queima de um único combustível pode alcançar eficiências de até 60% [2]. Apesar disto, usinas com ciclo combinado possuem pontos de dissipação de calor em todo o processo, os quais causam redução na eficiência.

Os Ciclos Orgânicos de Rankine (ORC) se apresentam como uma tecnologia capaz de produzir eletricidade a partir de fontes de energia (calor) de baixa qualidade, isto é, a partir de fluxos mássicos de fluidos a baixa temperatura e pressão [3]. Entre as vantagens no uso de sistemas ORC estão: melhor aproveitamento dos recursos energéticos, redução do porte dos sistemas, redução das emissões de poluentes e a possibilidade de redução do custo da energia gerada [5].

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A proposta deste trabalho é realizar uma avaliação técnico-econômica do potencial de geração de eletricidade a partir da recuperação do calor residual de fluidos a baixa temperatura e pressão em turbinas a gás, que são utilizadas em termelétricas de ciclo combinado. Como estudo de caso será analisada a turbina a gás Siemens SGT6-5000F (anteriormente denominada W501F). Serão comparadas duas configurações distintas de ORC para a recuperação de calor residual.

2. TURBINA A GÁS SIEMENS SGT6-5000F

A empresa Siemens introduziu oficialmente a turbina a gás série SGT6-5000F em 1993. Esta turbina é utilizada em ciclo simples, ciclo combinado e também em aplicações de recuperação de calor incluindo plantas com gaseificação integrada e cogeração. Os modelos atuais chegam a produzir 208 MW com 38,4% de eficiência no ciclo simples e mais de 300 MW em ciclo combinado com eficiência que chega a 57% [6].

A turbina é composta por um compressor de fluxo axial de 16 estágios, uma câmara de combustão com 16 conjuntos de queimadores (combustor), e uma turbina de reação com 4 estágios. Trata-se de uma máquina de fluxo simples e combustão interna, que opera conforme o ciclo Brayton. O ar atmosférico é conduzido para a entrada (sucção) do compressor onde é comprimido e forçado para o interior das câmaras de combustão. O combustível é misturado ao ar comprimido e queimado, liberando a energia química que é convertida em trabalho mecânico de rotação. Uma parte desta energia é usada para acionar o compressor [7].

3. CICLO RANKINE ORGÂNICO (ORC)

O Ciclo Rankine Orgânico é um ciclo Rankine no qual um fluido de trabalho orgânico é utilizado ao invés do

vapor d’água. [3]. Embora estudados desde a década de 1980, os Ciclos Rankine Orgânicos não se tornaram

populares até que a preocupação atual com a escassez dos combustíveis fósseis e com os problemas ambientais fez com que crescesse o interesse em sistemas de recuperação de energia de baixa qualidade [9]. Os ORC’s são normalmente empregados para gerar eletricidade por meio da recuperação de calor de baixa qualidade, com fontes de temperatura a partir de 80ºC [8].

O ORC utiliza um fluido de trabalho orgânico. Ele oferece vantagens em relação ao ciclo Rankine convencional com água, já que utiliza fontes de calor a baixas e médias temperaturas com alta eficiência. Por meio do ORC é possível recuperar calor a partir de várias fontes: energia solar e geotérmica, biomassa, calor residual industrial, etc. Isso é comprovado pelo grande número de sistemas instalados em plantas nos EUA, Canadá, Itália, Áustria, Alemanha, Holanda, Suécia e outros países [9].

Fluidos, baseados na curva de saturação de vapor do diagrama T-s, podem ser classificados em três grupos: (i) fluidos secos como n-pentano, benzeno e tolueno, com inclinação positiva; (ii) fluidos úmidos como água e amônia, com inclinação negativa; (iii) fluidos isentrópicos como R134a sem inclinação. Fluidos secos são os mais adequados para serem utilizados em ciclos Rankine orgânicos que utilizam fontes de calor de baixa qualidade [5]. A figura 1 apresenta a curva de saturação para os três tipos de fluidos.

Fig. 1: Diagramas Temperatura-entropia com as curvas de saturação típicas para (a) fluidos secos (b) fluidos úmidos e (c) fluidos isentrópicos [5].

Entre algumas vantagens do Ciclo Rankine Orgânico estão: adaptabilidade para diversos tipos de fontes de calor, tecnologia bem desenvolvida, baixa complexidade e baixa manutenção, possibilidade de utilização em pequena escala, sistema de geração distribuída, baixo investimento e baixo custo de manutenção e disponibilidade de mercado e fornecedores [10].

Similar ao ciclo Rankine simples, o ciclo Rankine orgânico básico consiste de quatro processos: aumento da pressão do fluido de trabalho por uma bomba, adição de calor em alta temperatura em um evaporador, expansão através de uma turbina e rejeição de calor a baixa temperatura em um condensador [5].

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Um sistema ORC básico consiste de um expansor (turbina), uma bomba de alimentação, um evaporador e um condensador. O ORC regenerativo, além destes equipamentos, um trocador de calor (regenerador) é utilizado aproveitar o calor do fluido que sai da turbina (expansor) para pré-aquecer o fluido que vai para o evaporador. Desta forma, há um incremento na eficiência.

O aproveitamento de calor de baixa qualidade é uma tarefa complexa. Vários aspectos devem ser levados em conta. A seleção do fluido de trabalho, por exemplo, deve ser cuidadosa e devem ser analisados o ODP (potencial de destruição da camada de ozônio), GWP (potencial de aquecimento global), inflamabilidade e toxidade do fluido [11].

4. MODELAMENTO DA TURBINA

A turbina Siemens SGT6-5000F foi modelada por meio do software GateCycleTM_{da General Electric (GE).}

Para o modelamento foram utilizados dados de turbinas em funcionamento em ciclo combinado da termelétrica Uruguaiana, situada no sul do Brasil. Cada equipamento que compõem a turbina foi modelado separadamente de acordo com os dados da tabela 1.

Tabela 1: Dados utilizados para o modelamento da turbina

COMPRESSOR

Entrada

Vazão mássica (kg/s) 449

Temperatura (°C) 15

Pressão (kPa) 101,325

Extração 01 (estágio 6) Vazão mássica (kg/s) 2,404

Pressão (kPa) 393

Pressão (kPa) 1151,42 Extração 04 Resfriamento do Rotor (estágio 16) Vazão mássica (kg/s) 38,165 Pressão (kPa) 1657,22 Temperatura (°C) 411 CÂMARA DE COMBUSTÃO Entrada de Combustível (Gás Natural) Pressão (kPa) 2757,90 Temperatura (°C) 135

Entrada de Ar Pressão (kPa) 1657,22

Saída Eficiência da Combustão (%) 98

Temperatura (°C) 1382,5

TURBINA (EXPANSOR)

Resfriamento do Rotor Temperatura do Ar (°C) 200 Saída

Eficiência do Gerador (%) 98

A partir destes dados, o foi realizada a modelagem. O modelo obtido é mostrado na figura 2. A partir do modelo finalizado, o programa calculou a potência líquida do sistema, a eficiência global e outros parâmetros importantes. Os resultados são mostrados na tabela 2.

No modelo, parte do ar que entra no compressor é extraída para promover o resfriamento da turbina. Ao todo são quatro extrações. O ar da extração 04 é utilizado para resfriar o rotor da turbina. No entanto, ao sair do compressor este ar não está na temperatura adequada para realizar o resfriamento. Assim, é necessário um trocador de calor para retirar parte da energia do fluxo e fazer com que o ar atinja a temperatura de 200 ºC.

Outro ponto que merece atenção é na saída da turbina. Os gases de exaustão saem à temperatura de 609 ºC, e, portanto com potencial de serem aproveitados para geração de energia elétrica adicional. Justamente por este motivo é que se utiliza o ciclo combinado. Os gases de exaustão são recuperados em uma caldeira gerando vapor, o qual é utilizado para geração de potência extra em turbinas a vapor. .

Assim, o ponto do sistema que apresenta potencial para integração de um ORC para geração de energia elétrica adicional é onde se encontra o trocador de calor. Portanto, propõe-se a substituição do trocador atual por outro que incorpore um ciclo adicional para recuperar o calor residual do ar de resfriamento da turbina.

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Fig. 2: Modelo da turbina – Obs.: O expansor foi dividido em duas partes devido a restrições do GateCycle Tabela 2: Informações obtidas do modelo da turbina

Potência Compressor (MW) 181,335 Potência Expansor (MW) 361,695 Potência Líquida (MW) 173,127 Consumo Combustível (kg/s) 10,50 Energia Rejeitada no Trocador de Calor (MW) 8,477 Eficiência do Sistema (%) 34,73

5. SELEÇÃO DO FLUIDO ORGÂNICO

O primeiro passo no dimensionamento de um ciclo Rankine orgânico é a escolha do fluido adequado. A seleção deve ser feita de acordo com os parâmetros disponíveis [4]. O fluido orgânico utilizado em um ORC tem fundamental importância por afetar a eficiência do sistema, o tamanho dos componentes, a estabilidade, segurança e impactos ambientais. [12]. Por isso, a maioria dos trabalhos foca na escolha adequada do fluido. A eficiência térmica é normalmente adequada como critério principal para avaliação de diferentes fluidos [13].

Neste trabalho, também foi seguido este critério para escolha do fluido de trabalho. O ponto de recuperação de energia será na saída da quarta extração do compressor. A fonte de calor residual é o ar a 411 ºC.

A tabela 3 mostra alguns fluidos e os limites práticos de temperatura e pressão que podem ser utilizados no ORC.

Quanto maior a razão de pressão no ciclo maior é a eficiência, assim é preferível adotar a pressão máxima de evaporação e a pressão mínima de condensação. No entanto, sempre existem restrições que não permitem que isto seja feito na prática [14].

Alguns trabalhos anteriores recomendam por questões de segurança e construtivas (entre outros fatores) que se utilize a pressão de evaporação dos fluidos na faixa de 2,0 MPa. Outros recomendam 2,5 MPa. Há ainda os que preferem trabalhar próximos à pressão crítica, adotando o ponto limite no qual o fluido na condição de vapor saturado não sofrerá condensação no expansor [12]. Pressões acima deste ponto poderão causar problemas no sistema. Esse critério é o mesmo adotado para os fluidos na tabela 3.

Com relação à pressão de condensação, na literatura é possível encontrar recomendações para que se adote no mínimo o valor de 5 kPa. No entanto, é sempre preferível que se trabalhe com valores iguais ou acima da pressão atmosférica para evitar a entrada de ar no sistema [12].

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Tabela 3: Limites práticos para fluidos de trabalho em ORC [14] Fluido Teva máxima (°C) Peva máxima (MPa) Pcond mínima (kPa) Tcond mínima (°C) Dodecano 381 1,723 5,1 121 Decano 337 1,896 5,1 85 Nonano 314 2,059 5 65 Tolueno 307 3,576 5,1 31 Octano 287 2,2 5 44 Benzeno 274 4,067 12,7 25 Ciclohexano 272 3,665 13 25 Heptano 258 2,41 6,1 25 Hexano 226 2,68 20,2 25 Isohexano 216 2,682 28,2 25 Acetona 213 3,379 30,7 25 Pentano 186 2,865 68,3 25 Isopentano 177 2,887 91,8 25 6. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para a análise apresentada neste trabalho, foram consideradas duas configurações de ORC: básico e regenerativo. Foram analisados todos os fluidos da tabela 3.

6.1 Análise Técnica

Para a análise técnica foi definido que o fluido orgânico deve sair do evaporador como vapor saturado. Como os fluidos selecionados (tabela 3) são do tipo seco, não haverá problemas de condensação dentro do expansor. O esquema das duas configurações do ORC são mostrados na figura 3. Não foram consideradas perdas de pressão no sistema. A efetividade para o condensador e o evaporador foi considerada 80% e a eficiência isentrópica da bomba e do expansor, 90% e 70%, respectivamente. Para a eficiência do gerador foi considerado 95%.

A partir destes dados foi utilizado o Coolprop, uma biblioteca de propriedades termofísicas de diversos fluidos [15]. Basicamente foram realizadas duas análises. Na primeira foi considerado ORC básico e na segunda ORC regenerativo. Em ambos os casos foi utilizada a pressão de condensação mínima de cada fluido, encontrada na tabela 4, para diferentes pressões de evaporação. A figura 4 mostra o valor de eficiência para diferentes fluidos para a configuração básica do ORC.

Fig. 3: Esquemas do ORC básico (a) e do ORC regenerativo (b)

A utilização de ORC regenerativo se justifica quando a temperatura do fluido na saída da turbina (expansor) é suficientemente alta em relação a temperatura de saída da bomba. Dessa forma, parte do calor que seria rejeitado no condensador é aproveitado para pré-aquecer o fluido que vai passar pelo evaporador. A figura 5 mostra a diferença de temperatura dos fluidos entre a saída da turbina e a saída da bomba para o ORC básico.

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Fig. 4: Eficiência do ORC básico para os fluidos analisados para diferentes pressões de evaporação Na primeira análise (ORC básico), benzeno e tolueno alcançaram eficiências máximas de 17%. Isto representa uma geração adicional de 1,44 MW e um acréscimo na eficiência global de 0,29%. A figura 5 mostra os valores de eficiência para a segunda análise, onde foi considerado ORC regenerativo. O tolueno alcança uma eficiência de 20,7%, a maior eficiência entre os fluidos analisados. Isto representa uma geração adicional de 1,72 MW e um acréscimo na eficiência global de 0,35%. Também significa uma redução no consumo de combustível de 1,0% (economia de aproximadamente 9 toneladas de gás natural por dia) e redução nas emissões de CO2 em

torno de 24 toneladas por dia.

Fig. 5: Eficiência do ORC regenerativo para os fluidos analisados para diferentes pressões de evaporação 6.2 Análise Econômica

Para a análise econômica, foram calculados os custos dos equipamentos tendo em conta as situações de maior eficiência encontradas na análise técnica. A tabela 4 mostra as equações utilizadas para os cálculos destes custos. Os custos dos trocadores de calor do sistema (evaporador, condensador e regenerador) são função da área de troca de calor do equipamento. Pare este cálculo é utilizado o método da média logarítmica de temperaturas (MLDT) [16]. Para o cálculo dos custos da bomba e do expansor foi utilizado a potência bruta (em kW). Para os equipamentos auxiliares, tubulações e demais acessórios, foi estimado um custo de 10% em relação ao valor total dos componentes principais do sistema inclusos na tabela 4.

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Tabela 4: Fórmulas para os cálculos de custo do ORC [16]

Equipamento Custo (US$)

Trocadores de Calor 718x(Área)0,8

Expansor 5375x(Potência)0,7

Bomba 1367x(Potência)0,8

Aplicando estas fórmulas para o tolueno, chega-se a um custo de 1,28 milhão de dólares para a configuração básica e 1,31 milhão de dólares para a configuração regenerativa (apenas os equipamentos). A diferença entre os valores é pequena pois ocorre apenas a adição do regenerador no sistema, que não é um equipamento caro.

Também foi calculado o Custo Nivelado de Energia (LCOE). Este custo é definido como o valor do investimento ao longo de toda a vida útil da planta dividido pelo valor acumulado de energia gerada este investimento [17].

O LCOE pode ser calculado a partir de (1) e (2):

(1) (2)

Em (1), Iacorresponde ao investimento anual, O&Marepresenta o custo anual com operação e manutenção e

Ea corresponde à energia líquida anual gerada. Em (2), Itotal corresponde ao investimento total do sistema

(equipamentos e instalação), i representa a taxa de juros sobre o valor do investimento e L é o tempo de vida útil do sistema em anos [16]. Para o cálculo do LCOE, o investimento total (Itotal) é igual ao custo dos equipamentos

com acréscimo de 15% referentes a custos de instalação e engenharia. O custo anual de manutenção e operação foi considerado igual a 5% do custo dos equipamentos. Por fim, para o cálculo do investimento anual foi definido uma vida útil (L) de 20 anos para o sistema considerando 6000 horas de operação anuais. Foram consideradas diferentes taxas de juros para os dois cenários do tolueno (ORC básico e regenerativo). O resultado desta análise pode ser visto na figura 6.

Fig. 6: LCOE para diferentes taxas de juros para um ORC trabalhando com tolueno

Na figura 6 nota-se que o LCOE para o ORC regenerativo é menor comparado ao ORC básico. Isto ocorre porque apesar de um pouco mais caro, trabalhando com tolueno o ORC regenerativo gera 19 % a mais de energia elétrica adicional (cerca de 280 kW).

Em ambos os casos, o LCOE é menor em comparação com outros sistemas similares. Um ORC geotérmico, por exemplo, apresenta um valor de LCOE em torno de 200 US$/MWh [16].

7. CONCLUSÕES

Este trabalho apresenta uma avaliação técnica e econômica do potencial de geração adicional de energia elétrica utilizando o ciclo Rankine orgânico em um sistema de uma turbina a gás. Diferentes fluidos de trabalho foram analisados de acordo com o critério de eficiência para dois tipos de configuração do ciclo (básico e regenerativo). Os resultados mostram que para a maioria dos fluidos a melhor opção é a configuração com regenerador, devido as diferenças entre as temperaturas de saída do expansor e da saída da bomba serem altas. Utilizando ORC regenerativo, é possível recuperar até 20,7% do calor residual utilizando tolueno como fluido de

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trabalho, promovendo um aumento de 1,72 MW de potência gerada pelo sistema e incremento de 0,35 % na eficiência global a um custo de 20 US$/kWh para uma taxa de juros de 12%. Além disso, a integração de ORC promove uma redução de 1,0 % no consumo de combustível e diminuição na emissão de CO2em torno de 24

toneladas por dia.

É importante ressaltar que existem outras configurações de ORC e também de ciclo Kalina que podem ser aplicadas na recuperação de calor e atingir eficiências ainda maiores. Também pode se trabalhar com o superaquecimento do vapor. Além disso, há outros pontos no ciclo combinado onde também pode haver recuperação de calor residual.

Portanto, este artigo mostra que a tecnologia ORC é adequada para produzir eletricidade adicional utilizando o calor residual de baixa qualidade com alta eficiência e baixo custo.

8. AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer ao CNPq, à FAPEMIG e à CAPES pelo apoio financeiro. 9. REFERÊNCIAS

1. IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, Geneva, Switzerland, 104 pp., 2007.

2. Lora, E. E. S., Nascimento, M. A. R., Geração Termelétrica – Planejamento, Projeto e Operação, vol. 2, Ed. Interciências, Rio de Janeiro, 2004.

3. Schuster, A.; Karellas, S.; Kakaras, E.; Spliethoff, H. Energetic and Economic Investigation of Organic Rankine Cycle Applications, Applied Thermal Engineering, vol. 29, 1809-1817, 2009.

4. Karellas, S., Schuster, A, Supercritical Fluid Parameters in Organic Rankine Cycle Applications, International Journal of Thermodynamics, vol. 11, no 3, pp. 101-108, 2008.

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8. Mohamed, K. M.; Bettle, M. C.; Gerber, A. G.; Hall, J. W.Optimization Study of Large-Scale Low-Grade Energy Recovery from Conventional Rankine Cycle Power Plants, International Journal of Energy Resources, vol 34, pp. 1071-1087, 2010.

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15. Bell, I. H; Wronski, J.; Quoilin, S.; Lemort, V. Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp. Industrial \& Engineering Chemistry Research, vol. 53 (6), pp. 2498--2508, 2014.

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