Impacto do custo do GN no
preço médio do Kwh e
aumento de competitividade
da co-geração qualificada.
Eng./Arq. Marco Tulio Starling de Vasconcellos Clima Rio– 23 de Maio de 2006
Tópicos da Apresentação
• Gás natural na matriz energética brasileira
• Gás da Bolívia e reservas nacionais
• Geradores de energia e chillers a absorção
• Co-geração de energia
• Impacto do custo do GN no preço do kWh
• Estudo de caso
Gás Natural na matriz energética brasileira
• Consumo atual é de cerca de 42 milhões m3 por dia.
Sendo:
60% para Indústrias
25% para Automóveis
15% para Residências e Comércios
• A previsão é que este consumo continue aumentando
nos próximos anos.
• Durante o último apagão foram construídas diversas
usinas termo-elétricas que são as primeiras alternativas
de back up no caso de falta de energia hidro-elétrica.
Gás da Bolívia e reservas nacionais
• Gasoduto - capacidade total 30 MMm3/dia, atualmente transporta 26 milhões.
• Projeto – nova linha com capacidade para mais 15 MMm3/dia. • A Petrobrás anunciou que até 2008 conseguirá aumentar a
capacidade de produção nacional em 24 milhões de m3 por dia. • Bacia de Santos deve produzir cerca de 30 MMm3/dia.
• Está se investindo na ligação das redes de gás no Brasil, que dentro de pouco tempo já estará interligada de Fortaleza até Porto Alegre. • Até hoje, a Petrobrás só explorou cerca de 3% da área do território
Porque dependência transitória
• Petrobrás possui contrato “take or pay” de
30MMm3/dia
com Bolívia.
• Só utiliza 26MMm3/dia
• Petrobrás já paga mais do que consome
• Antes da instabilidade atual a situação desincentivava
investimentos na exploração nacional de GN
• Apenas 5% dos investimentos da Petrobrás se
destinam ao GN, 95% ao petróleo
• Só a bacia de Campos reinjeta nos poços ou queima
15 MMm3/dia.
Médio prazo –Bolívia dependerá mais do
Brasil
• GN sem gasoduto não tem valor
• Brasil é o grande mercado da America Latina
• Bolívia não saída para o pacífico e nem gasoduto para atravessar os Andes
• Gás de Campos está a menos de 200km (15 MMm3/dia) • Gás do ES – Produção pode aumentar rapidamente
• Gás de Santos – 30 MMm3/dia
• Gás nordeste – Poços em terra e no mar – Haverá interligação com o sudeste
Geradores de energia a GN
• Os grupos moto-geradores alimentados a GN
disponíveis no mercado, apresentam um consumo entre
0,25 e 0,32 m3 de GN por kWh.
• Os custos com operação e manutenção giram em torno
de R$0,045/kWh gerados.
• Não são solução apenas para emergência ou horário de
ponta.
• Já possuem várias plantas em operação no Brasil.
• Possuem modernos acessórios para interligação e
paralelismo com a rede local.
• Permite geração no ponto de consumo, eliminando
gastos com transmissão e distribuição.
Balanço térmico médio de um gerador
• Energia elétrica gerada = 35%
• Calores rejeitado:
- Nos gases de exaustão = 30%
- Na água da camisa e AC = 30%
- Radiação e outros não aproveitáveis = 5%
• Co-geração – Aproveitamento de 85% da energia com
produção de eletricidade, água gelada, água quente,
vapor e CO2(gaseificação de refrigerantes, estufas,
etc).
Porque energia elétrica vai aumentar
• Custo de geração atual é reduzido – energia antiga e investimentos já amortizados
• Demanda no Brasil vai aumentar
• Aumento de produção hidrelétrica demanda prazo de 6 a 10 anos • Novas usinas hidrelétricas serão longe dos pontos de consumo,
gerando altos custos de transmissão
• Exigências ambientais aumentam custos destes investimentos • Térmicas atuais não se viabilizam com os custos atuais da
energia
• Brasil precisará operar térmicas para atender as demandas
• Para evitar novo apagão em 2008, deverá haver, a partir de 2007, aumento de tarifa de energia elétrica para frear a demanda
Co-geração – A melhor alternativa
• Toda expansão de geração no Brasil, dependerá da geração térmica
• Geração térmica aproveita apenas 40% da energia do combustível
• Co-geração aproveita acima de 80%
• Maior rendimento = menor custo do kWh
• Se não podemos evitar aumento de demanda, teremos que aumentar a eficiência
• Grandes térmicas não tem como vender frio ou calor
• Co-geração deve ser instalada junto a demanda de frio e calor • Hoje co-geração já se viabiliza, quando a eletricidade aumentar,
a competitividade da co-geração aumentará ainda mais
• O que for viável para a UTE (eficiência de 40%) será melhor ainda para co-geração
A valorização da eficiência
• Energia barata – leva consumidor a priorizar menor custo inicial • Energia cara – leva consumidor a priorizar maior eficiência e
menor custo operacional
• Custo inicial de chiller a absorção – R$1.600,00/TR
• Vida útil = 20 anos – 12h/dia (com menor custo operacional) • Chiller 01 – Eficiência 0,36m3/TR
0,36 x 12 x 365 x 20 x R$0,80 = R$25.229,00/TR • Chiller 02 – Eficiência 0,26m3/TR
0,26 x 12 x 365 x 20 x R$0,80 = R$18.221,00/TR
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) –
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.
- Grandes fabricantes americanos concentraram no desenvolvimento de chillers elétricos (energia elétrica barata e farta).
- 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.
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).
Chiller elétrico X absorção
Variáveis
• Eficiência do chiller elétrico.
• Eficiência do chiller a absorção.
• Custo médio do kWh elétrico.
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.
Eficiência na co-geração
•
A eficiência de um grupo moto-gerador varia de acordo com fabricante e potência, 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 potência elétrica.
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.
• Necessidade de se comparar os equipamentos e fazer
estudo para cada caso, utilizando todas as opções de
mercado.
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 para centrais de cogeração, pois se elimina
circuitos hidráulicos, bombas, caldeiras de recuperação e trocadores de calor.
• Reduz investimentos com infra-estrutura inicial, reduzindo áreas e pé direito.
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 a
absorção.
• 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.
Impacto do preço do GN no custo do kWh
Geradores
• Consumo - 0,25 a 0,32 m3 de GN por kWh produzidos (cosiderando poder calorífico do GN = 8.600 kcal/m3).
• Aumento de R$0,10 no custo do m3 de GN, leva a aumento de R$0,025 e R$0,032.
• Energia elétrica das concessionárias dependerão de geração térmica e portanto também devem aumentar.
Impacto do preço do GN no custo do TRh
Chillers
• Os chillers a absorção alimentados a GN disponíveis no mercado, apresentam um consumo entre 0,26 e 0,40 m3 de GN por TRh produzidos (cosiderando poder calorífico do GN = 8.600 kcal/m3). • Os chillers elétricos de alta eficiência possuem eficiência entre 0,55 e
0,65 kWh/TRh.
• Considerando custo do kWh = R$0,35 e o do GN = R$0,70/m3, temos que o preço do TRh variará entre:
- R$0,18 e R$0,28 nos chillers a absorção - R$0,19 e R$0,23nos chillers elétricos
• Logo, em muitos casos, somente chillers a absorção de alta eficiência podem competir com chillers elétricos de alta eficiência.
Caso comparativo
• Shopping center
• Horário de funcionamento = 12h/dia e 365dias/ano
• Fator de carga médio = 0,70
• Demanda elétrica = 2.500 kW, sendo:
500 kW na CAG – 750 TR
(0,66kW/TR)2.000 kW (demais usos)
• Consumo de energia elétrica = 638.750 kWh/mês, sendo:
HP = 159.687 kWh/mês
Opção 1 – Tarifa Azul A4
(Base Cemig Mai/06)
• Demanda HP = R$ 56,73/kW = R$141.825,00/mês
• Demanda HFP = R$16,74/kW = R$41.850,00/mês
• Consumo HP = R$0,31/kWh = R$49.503,00/mês
• Consumo HFP = R$0,19/kWh = R$91.022,00/mês
• Valor total com energia elétrica = R$324.200,00/mês
• R$0,51/kWh
Opção 2 – Tarifa Verde A4
(Base Cemig Mai/06)
• Demanda HP = R$16,74/kW = R$41.850,00/mês
• Consumo HP = R$1,31/kWh = R$209.190,00/mês
• Consumo HFP = R$0,19/kWh = R$30.341,00/mês
• Valor total com energia elétrica = R$281.381,00/mês
• R$0,44/kWh
Opção 3 – Geração de energia HP com GN
• Considerando:
Poder calorífico do GN = 8.600 kcal/h
Consumo do gerador = 0,29 m3/kWh
Custo de manutenção = R$0,045/kWh
• Consumo de GN = 46.309 m3/mês
• Custo do m3
(base Gasmig Mai/06)= R$0,76/m3.
• Valor total com GN = R$42.381,00/mês
• Valor total com energia HFP = R$132.872,00/mês
• Valor total com energia = R$175.253,00/mês
Opção 4 – Geração Integral de energia com GN
• Considerando:
Poder calorífico do GN = 8.600 kcal/h
Consumo do gerador = 0,29 m3/kWh
Custo de manutenção = R$0,045/kWh
• Consumo de GN = 185.238 m3/mês
• Custo do m3
(base Gasmig Mai/06)= R$0,76/m3.
• Valor total com energia = R$169.525,00/mês
(R$0,26/kWh)
Opção 5 – Co-Geração Integral de energia com
GN e chiller a absorção alimentado a água
• Considerando:
COP do chiller (água quente) = 0,75
Calor rejeitado nos geradores com potencial de aproveitamento = 50% do Input (25% na água quente e 25% nos gases de exaustão) Ao se transferir a energia dos gases de exaustão para a água
teremos 50% da energia de Input na água para alimentar um chiller a absorção.
• Ao se produzir 2.000 kW, teremos um potencial de geração de AG por co-geração do shopping = 609 TR
(2000kW / 0,35 x 0,50 x 0,75) x 860 / 3.024 = 609 TR
Logo precisaremos complementar 141 TR com AC elétrico ou QD. • Valor total com energia = R$140.911,00/mês
Opção 6 – Co-Geração Integral de energia com
GN e chiller absorção alimentado a água e GE
• Considerando:
COP do chiller (água quente) = 0,75
COP do chiller (gases de exaustão) = 1,39
Calor rejeitado nos geradores com potencial de aproveitamento = 50% do Input (25% na água quente e 25% nos gases de exaustão) • Ao se produzir 2.000 kW, teremos um potencial de geração de AG
por co-geração do shopping = 870 TR
AQ = (2000kW / 0,35 x 0,25 x 0,75) x 860 / 3.024 = 305 TR GE = (2000kW / 0,35 x 0,25 x 1,39) x 860 / 3.024 = 565 TR
Logo o potencial de geração de AG por co-geração é maior que a demanda, não havendo necessidade de complementar com AC elétrico ou QD.
Balanço térmico médio de um gerador no
caso do shopping do exemplo
• Energia elétrica gerada = 35%
Logo para se produzir 2.000 kWh, preciso fornecer ao gerador 5.714 kWh (571 m3 de GN – 8.600 kcal/m3)
• Calores rejeitado aproveitáveis:
- Na água quente = 1.429 kW x 0,75 = 1.072 kW = 305 TR - Nos gases de exaustão = 25% = 1.429 kW
- COP = 0,75 (caldeira de recuperação) = 305 TR - COP = 1,30 (direto GE no chiller) = 565 TR
• Concluímos que ao se utilizar os gases de exaustão diretamente no chiller, consegue-se produzir 85% mais água gelada, com a energia deste GE, do que se utilizasse caldeira de recuperação. • Esta diferença pode ser o fator determinante para se viabilizar ou
