mono

DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA PARA ANLISE DE

VIABILIDADE TCNICA -ECONMICA DA IMPLANTAO DE SISTEMAS DE

COGERAO.

Joo Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres

Projeto de Graduao apresentado ao Curso de

Engenharia Mecnica da Escola Politcnica da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessrios obteno do

ttulo 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 Mecnica

DEM/POLI/UFRJ


VIABILIDADE TCNICA -ECONMICA DA IMPLANTAO DE SISTEMAS DE

COGERAO.


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECNICA DA ESCOLA POLITCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECNICO.

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, Joo Pedro Magluf Mittidiero Rosa

Desenvolvimento de uma ferramenta para anlise de

viabilidade tcnica-econmica da implantao de sistemas de

cogerao/ Joo Pedro Magluf Mittidiero Rosa Fabres. Rio de

Janeiro: UFRJ/ Escola Politcnica, 2013.

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

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Projeto de Graduao UFRJ/ Escola Politcnica/ Curso de

Engenharia Mecnica, 2013.

Referncias Bibliogrficas: p. 91-92.

1. Cogerao. 2. Viabilidade tcnica-econmica. 3.

Aproveitamento de energia. 4. Turbina a gs. 5. Motor de combusto

interna. I. Almeida, Silvio Carlos Anibal de. II. Universidade Federal

do Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Curso de Engenharia Mecnica.

III. Ttulo.

iv

ronger,

richer, quicker, or smarter. Everything is within. Everything exists. Seek nothing outside

of yourself.

Miyamoto Musashi

v

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, Ludmila Magluf Rosa e Joo Luiz Mittidiero Fabres, por toda

ajuda, apoio e amor que me deram durante toda minha vida, sem os quais minha

formao no 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 so sempre recompensadas. Por

me ensinar a nunca desistir e sempre acreditar em meus sonhos. Que eles tenham a

certeza que meu maior orgulho de t-los como meus pais.

A Andressa Capella Correa, minha companheira durante esses 5 anos, por todo seu

amor durante esse perodo. Por toda sua cumplicidade, honestidade, companheirismo e

pacincia. Por ser um verdadeiro porto seguro nas horas difceis. Por ser um dos meus

maiores exemplos de dedicao e fora de vontade. Por fim, por ser a grande razo em

me fazer acreditar que ainda h pessoas de corao puro no mundo.

Aos meus amigos e colegas da engenharia mecnica por toda ajuda,

companheirismo e amizade durante esses 5 anos de curso. Pelas inmeras noites em

claro. Por me mostrarem que mesmo quando no parece haver uma sada, para tudo h

uma soluo.

A todos os meus amigos e tcnicos em minha carreira como atleta, por me

ensinarem que com disciplina e trabalho duro tudo possvel. Por me ensinarem a ter

pacincia e foco. Por me ensinarem a sempre estar mais preparado que ontem e menos

preparado que amanh.

Ao meu orientador, Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, por todas as

oportunidades oferecidas durante minha graduao. Pela oportunidade de realizar este

projeto e, principalmente, por toda sua ajuda, ateno e cooperao durante o projeto.

A toda equipe da GT2 Energia, por toda infraestrutura, apoio, motivao e

oportunidades durante esses dois ltimos anos. Em especial, agradeo a Gustavo R S

Pinto por toda pacincia, ensinamentos e dedicao.

Por fim, gostaria de agradecer a todo o povo brasileiro, que me permitiu estudar sem

custos em uma das melhores escolas de engenharia do pas. Espero poder retribuir o

favor gerando conhecimento que possa fazer com que o Brasil continue caminhando

para frente.

vi

Resumo do Projeto de Graduao apresentado Escola Politcnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Engenheiro Mecnico.


VIABILIDADE TCNICA E ECONMICA DA IMPLANTAO DE SISTEMAS

DE COGERAO.


Fevereiro/2014

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida, DSc

Curso: Engenharia Mecnica

O presente trabalho apresenta uma ferramenta computacional, COGENERA M12,

desenvolvida na plataforma MS Excel, e que propicia a anlise de viabilidade tcnica e

econmica da implantao de centrais de cogerao de energia.

Conhecidas as demandas eltrica e trmica da planta, a ferramenta calcula o

consumo energtico da planta original e sugere a tecnologia mais adequada para a

implantao de cogerao. O programa dispe tambm de um banco de dados de

equipamentos para cogerao. A ferramenta possibilita que o usurio cadastre novos

equipamentos no banco de dados. Para isso, basta que se conheam os dados de

potncia nominal, eficincia, custo de instalao, custo de manuteno e potncia

trmica que pode ser retirada do equipamento.

Uma vez escolhido o equipamento, a ferramenta desenvolvida analisa o

aproveitamento energtico do sistema selecionado, comparando o desempenho dos

equipamentos, o consumo de combustvel e a energia gerada para atendimento das

demandas, tanto para a planta com cogerao como da sem cogerao. Aps realizar

essa comparao, so avaliados os aspectos econmicos atravs da simulao de fluxos

de caixa.

Por fim, so analisados trs estudos de caso utilizando a ferramenta desenvolvida.

Nos casos estudados, observou-se que o custo do gs natural um dos fatores mais

decisivos para o projeto de cogerao, e as elevadas tarifas do mercado brasileiro podem

inviabilizar esse tipo de gerao.

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.


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

SUMRIO

1 INTRODUO ............................................................................................................ 1

1.1 OBJETIVOS .............................................................................................. 3

1.2 ORGANIZAO DO TRABALHO ......................................................... 3

2 FUNDAMENTOS TERICOS ................................................................................... 4

2.1 COGERAO ........................................................................................... 4

2.2 TECNOLOGIAS DA COGERAO ....................................................... 7

2.2.1 TURBINA A GS .............................................................................. 7

2.2.2 MOTOR DE COMBUSTO INTERNA ........................................... 9

2.2.3 MICROTURBINA ............................................................................ 12

2.2.4 CHILLER DE ABSORO ............................................................. 13

2.3 ANLISE ECONMICA ....................................................................... 15

2.3.1 FLUXO DE CAIXA ......................................................................... 15

2.3.2 TEMPO DO PROJETO .................................................................... 16

2.3.3 MTODOS DE AVALIAO DO FLUXO DE CAIXA ............... 16

3 A FERRAMENTA DE ANLISE TCNICA -ECONOMICA .............................. 19

3.1 ............................................................................ 20

3.1.1 DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA ......................................... 21

3.1.2 DEMANDA DE ENERGIA TRMICA .......................................... 22

3.1.3 INFORMAES ADICIONAIS ...................................................... 25

3.1.4 SELEO DO EQUIPAMENTO .................................................... 28

3.2 .......................................................................... 32

3.2.1 DEMANDA ELTRICA .................................................................. 33

3.2.2 DEMANDA DE VAPOR ................................................................ 35

3.2.3 DEMANDA TRMICA TOTAL .................................................... 37

ix

3.3 ............................................................. 40

3.4 ..................................................... 46

3.5 ...................................................... 48

3.6 .............................................................................. 53

3.7 ....................................................... 56

3.7.1 CUSTOS DE AQUISIO .............................................................. 56

3.7.2 ANLISE ECONOMICA ................................................................ 58

3.8 .............................................................. 59

3.9 ....................................................................... 61

4 ESTUDOS DE CASO ................................................................................................. 68

4.1 Caso 1 Fbrica de Papel ........................................................................ 68

4.2 Caso 2 Supermercado ............................................................................ 72

4.3 Caso 3 Hospital das clnicas .................................................................. 80

5 CONCLUSES ........................................................................................................... 89

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 91

APNDICE A .............................................................................................................. 93

APNDICE B ............................................................................................................... 99

x

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Participao dos sistemas de cogerao na matriz energtica de diversos

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

Figura 2 Perspectiva da participao da cogerao na produo de energia de diversos

pases (IEA - International Energy Agency, 2008). ......................................................... 2

Figura 3 Comparao entre o aproveitamento de energia das tecnologias

convencionais e da cogerao (BRANDO, 2004). ........................................................ 4

Figura 4 Exemplo de sistema de cogerao dimensionado para paridade trmica na

demanda base. ................................................................................................................... 6

Figura 5 Exemplos de sistemas de cogerao com paridade eltrica. ........................... 7

Figura 6 Esquema de um ciclo de cogerao com turbina a gs (COELHO, 2001). .... 8

Figura 7 Diagrama de energia para uma planta tpica de cogerao com turbina a gs

(COELHO, 2001). ............................................................................................................ 9

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

Figura 9 Comparao entre um sistema de gerao de pura eletricidade e de

cogerao, com motor de combusto interna (NOGUERIA, 2004). .............................. 11

Figura 10 Comparao do balano de energia entre um sistema de gerao de pura

eletricidade e de cogerao, utilizando motor de combusto interna (NOGUERIA,

2004). .............................................................................................................................. 11

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

Figura 12 Esquema de um chiller de absoro (BRANDO, 2004)........................... 14

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

........................................................................................................................................ 17

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

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

Figura 16 Consumo energtico de sistemas de refrigerao (ANDREOS, 2013). ...... 27

Figura 17 Lista suspensa para seleo do equipamento. ............................................. 31

Figura 18 Lista suspensa para seleo do combustvel de queima suplementar. ........ 32

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

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

Figura 21 Lista suspensa para selecionara unidade de insero da demanda de vapor.

........................................................................................................................................ 36
file:///C:/Users/Joo%20Pedro/Desktop/Projeto%20Final_v5.docx%23_Toc379295628

xi

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

pela planilha. ................................................................................................................... 39

Figura 23 Exemplo de curva de demanda trmica total no fim de semana, gerada pela

planilha. .......................................................................................................................... 39

Figura 24 Lista suspensa para seleo das fontes de recuperao da energia trmica. 41

Figura 25 Fatores Fc% e X requisitos para a qualificao (ANEEL, 2006). ............ 47

Figura 26 Comparao do custo anual com combustvel. ........................................... 53

Figura 27 Lista suspensa para seleo da demanda contratado no caso de no

pendncia. ....................................................................................................................... 54

Figura 28 Comparao dos custos da energia eltrica consumida na planta, .............. 56

Figura 29 ................................................................. 60

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

Figura 31 Relatrio comparativo apresentando os resultados do projeto de cogerao.

........................................................................................................................................ 62

Figura 32 Custos tpicos de sistemas de refrigerao (ANDREOS, 2013). ................ 64

Figura 33 Comparao entre as demandas eltricas e a potncia gerada pelo

equipamento. .................................................................................................................. 65

Figura 34 Comparao entre a demanda trmica nos dias de semana e o calor

recuperado do equipamento. ........................................................................................... 66

Figura 35 Comparao entre a demanda trmica nos fins de semana e o calor

recuperado do equipamento. ........................................................................................... 66

Figura 36 Comparao dos custos de operao da planta sem e com cogerao. ....... 67

Figura 37 Relatrio com os resultados da simulao para o caso da Fabrica de Papel.

........................................................................................................................................ 71

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

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

Figura 40 Curva de demanda trmica dirio para o caso do supermercado. ............... 74

Figura 41 Comparao das demandas eltricas e da potncia instalada no caso do

supermercado. ................................................................................................................. 77

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

Figura 43 Comparao entre a demanda trmica diria e o calor til recuperado para o

caso do supermercado. .................................................................................................... 79

Figura 44 - Relatrio com os resultados da simulao para o caso do supermercado. .. 80

Figura 45 Curva de demanda eltrica no caso do hospital. ......................................... 81

xii

Figura 46 Curva de consumo eltrico no caso do hospital. ......................................... 81

Figura 47 Curva de demanda trmica diria no caso do hospital. ............................... 82

Figura 48 Dados calculados para auxiliar a seleo do equipamento. ........................ 84

Figura 49 Comparao entre as demandas eltricas e a potncia gerada pelo

equipamento no caso do hospital. ................................................................................... 87

Figura 50 Comparao entre a demanda trmica nos fins de semana e o calor

recuperado do equipamento no caso do hospital. ........................................................... 87

Figura 51 Reajustes na tarifa de gs natural do segmento de cogerao, COMGS

(ANDREOS, 2013). ........................................................................................................ 88

xiii

NDICE DE TABELAS

Tabela 1 Tabela de dados sobre demanda eltrica da planta sem cogerao. ............. 21

Tabela 2 Tabela de dados sobre a demanda trmica da planta sem cogerao. .......... 23

Tabela 3 Tabela de insero do horrio de funcionamento da instalao. .................. 24

Tabela 4 Tabela de informaes adicionais ................................................................. 26

Tabela 5 Tabela para insero dos objetivos da cogerao. ........................................ 28

Tabela 6 Tabela de insero de interesse de revenda de energia eltrica. ................... 28

Tabela 7 Tabela de seleo de equipamento para cogerao. ..................................... 29

Tabela 8 Faixas tpicas para razo eltrico-trmica..................................................... 30

Tabela 9 Tabela para insero da curva de demanda eltrica da planta. ..................... 33

Tabela 10 Exemplo de tabela gerada com os parmetros de entrada da parte eltrica.35

Tabela 11 Tabela de insero da demanda de vapor da planta. ................................... 36

Tabela 12 Tabela de apresentao da demanda trmica total. ..................................... 38

Tabela 13 Exemplo de tabela gerada com os parmetros de entrada da parte trmica.

........................................................................................................................................ 40

Tabela 14 Clculo do consumo especfico de gs natural pelo equipamento. ............ 40

Tabela 15 Balano de energia no equipamento. .......................................................... 41

Tabela 16 Anlise da energia gerada na cogerao ..................................................... 42

Tabela 17 Indicadores do desempenho termodinmico da cogerao. ....................... 44

Tabela 18 Verificao de qualificao da cogerao pela ANEEL. ............................ 48

Tabela 19 Clculo do consumo de combustvel na cogerao .................................... 48

Tabela 20 Clculo da tarifa do gs natural canalizado para o segmento cogerao. ... 50

Tabela 21 Clculo da tarifa do gs natural canalizado para o segmento industrial. .... 51

Tabela 22 Clculo da tarifa do gs natural canalizado para o segmento comercial. ... 51

Tabela 23 Clculo da tarifa do gs natural canalizado para o segmento residencial. .. 52

Tabela 24 Clculo da Tarifa do leo combustvel. ...................................................... 52

Tabela 25 Tabela de comparao da tarifa de combustvel. ........................................ 53

Tabela 26 Comparao do consumo de energia eltrica. ............................................ 54

Tabela 27 Comparao das tarifas de energia eltrica. ............................................... 55

Tabela 28 Tabela com os custos de aquisio da planta analisada. ............................. 57

Tabela 29 Custos Complementares da instalao da planta. ....................................... 57

Tabela 30 Anlise Financeira do projeto de cogerao. .............................................. 58

Tabela 31 Dados de demanda eltrica da Fabrica de Papel. ........................................ 69

xiv

Tabela 32 Dados de demanda trmica da Fabrica de Papel. ....................................... 69

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

Tabela 34 Comparao dos resultados da planilha com os obtidos por SOUZA (2011),

para o caso da Fabrica de Papel. ..................................................................................... 72

Tabela 35 Entradas de demanda eltrica do supermercado ......................................... 74

Tabela 36 Entradas da demanda trmica do supermercado. ........................................ 75

Tabela 37 Seleo do equipamento no caso do supermercado. ................................... 76

Tabela 38 Entradas de demanda eltrica no caso do hospital...................................... 82

Tabela 39 Entradas de demanda trmica 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 gs para o caso do hospital.

........................................................................................................................................ 85

Tabela 42 Comparao dos resultados obtidos para o caso do hospital com diferentes

motores. .......................................................................................................................... 85

xv

LISTA DE SMBOLOS

Smbolos Latinos

combC Consumo de combustvel (m)

espC Consumo especfico de combustvel (m/kWh)

CaldeiraTotC , Consumo de energia da caldeira (kWh)

PmxD , Demanda eltrica mxima na ponta (kW)

FPmxD , Demanda eltrica mxima fora da ponta (kW)

termmxD , Demanda trmica mxima (kW)

PmedD , Demanda eltrica mdia na ponta (kW)

FPmedD , Demanda eltrica mdia fora da ponta (kW)

termmedD , Demanda trmica mdia (kW)

refriD Demanda de refrigerao (kW)

trmicaD Demanda trmica da caldeira (kW)

tD Total de despesas (R$)

DSCAGE , Energia consumida pela CAG dias de semana (kWh)

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

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

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

PE Energia consumida na ponta (kWh)

FPE Energia consumida fora da ponta (kWh)

equipF Fator de utilizao do equipamento (%)

caldFC Fator de carga da caldeira (%)

PFC Fator de carga na ponta (%)

FPFC Fator de carga fora da ponta (%)

TermFC Fator de carga trmico (%)

friFCRe Fator de refrigerao (%)

xvi

h entalpia (kJ/kg)

funch Horas de funcionamento da planta (hrs)

i taxa de retorno (%)

0I Investimento inicial (R$)

m Vazo mssica (kg/s)

n Tempo de projeto (anos)

caldP Presso da caldeira (bar)

equipP Potncia do equipamento (kW)

CCQ Calor total proveniente da combusto (kW)

tilQ Calor til recuperado para cogerao (kW)

RPC Razo eltrico-trmica da planta (-)

tR Receita total (R$)

T Temperatura (C)

VPL Valor presente lquido (R$)

compW Trabalho demandado pelo compressor (kW)

tgW Trabalho gerado pela turbina a gs (kW)

liqW Trabalho lquido gerado (kW)

Smbolos Gregos

term Eficincia trmica do ciclo (%)

caldeira Eficincia da caldeira (%)

Consumo especfico do chiller (kW/TR)

1

1 Introduo

Desde a crise do petrleo na dcada de 70, as naes passaram a buscar alternativas

que possibilitassem a utilizao dos recursos energticos de maneira mais sustentvel.

Com isso, os projetos de engenharia passaram a dar cada vez mais importncia s

questes relacionadas com a eficincia energtica, que contribui para a reduo do

consumo de recursos no renovveis e, tambm, dos impactos ambientais provenientes

dos resduos industriais.

Os sistemas de cogerao de energia (CHP combined heat and power) se inserem

nesse contexto de forma a garantir uma utilizao mais eficiente dos recursos

energticos. Isto feito a partir do conceito de gerao combinada de energia eltrica,

sob a forma de eletricidade, e energia trmica, sob a forma de calor til (BALESTIERI,

2002).

Em 2007, a IEA (International Energy Agency) elaborou um relatrio, que coletou

dados de diversos pases, com o objetivo de avaliar a participao de cada pas na

gerao de energia atravs da cogerao (IEA - International Energy Agency, 2008). Os

resultados deste relatrio mostraram que a capacidade instalada em cogerao, a nvel

mundial, correspondia a apenas 9% da capacidade mundial de produo de energia.

A Figura 1 apresenta um dos resultados obtidos pela IEA (2008), que mostra a

participao da cogerao na matriz energtica de diversos pases.

Figura 1 Participao dos sistemas de cogerao na matriz energtica de diversos

pases (IEA - International Energy Agency, 2008).

2

A partir da Figura 1, possvel observar que o pas onde a cogerao tem a maior

parcela de participao na matriz energtica a Dinamarca, onde cerca de 52% de sua

energia gerada por cogerao. No outro extremo, o Brasil foi o pas analisado que

mostrou possuir menor participao da cogerao em sua matriz energtica,

correspondendo a 2% da produo total de energia.

No Brasil, o setor energtico baseado em uma forte produo hidroeltrica e,

portanto, encontra-se ainda em atraso no que diz respeito ao aproveitamento das

solues por cogerao. Ainda so escassos os estudos sobre o verdadeiro potencial do

pas na aplicao de centrais de cogerao. Contudo, o grande avano do Brasil nos

estudos com biocombustveis implica em um forte potencial de cogerao (IEA -

International Energy Agency, 2008). Como pode ser observado na Figura 2, espera-se

que at 2030 a participao da cogerao na matriz energtica brasileira suba de 2%

para 17%, ultrapassando pases como Frana, Mxico e Japo.

Figura 2 Perspectiva da participao da cogerao na produo de energia de

diversos pases (IEA - International Energy Agency, 2008).

Com isso, existe um interesse cada vez maior no desenvolvimento de ferramentas

capazes de realizar anlises de sistemas de cogerao, a fim de avaliar a viabilidade de

implantao destas solues, tentando sempre alcanar maiores eficincias energticas a

menores custos.

3

1.1 Objetivos

O principal objetivo deste trabalho apresentar o desenvolvimento de uma

ferramenta computacional, em plataforma Microsoft Excel, capaz de avaliar fatores

tcnicos e econmicos envolvidos no projeto de sistemas de cogerao de energia, em

indstrias que ainda no utilizam essa tecnologia. Esta ferramenta visa simular a

implantao de centrais de cogerao em plantas de todo tipo de porte, e propiciar ao

usurio uma anlise da viabilidade, tanto tcnica quanto econmica, da instalao de um

sistema de cogerao em seu empreendimento.

1.2 Organizao do trabalho

Esta seo faz um breve resumo do que apresentado em cada captulo do texto.

Alm deste primeiro captulo, introdutrio, este texto possui mais quatro captulos.

No segundo captulo, so apresentados conceitos fundamentais sobre a cogerao de

energia, alm das tecnologias e equipamentos utilizados para a cogerao. Alm disso,

tambm so apresentados conceitos sobre a anlise econmica envolvida em um projeto

de cogerao.

O terceiro captulo apresenta toda metodologia referente ao desenvolvimento da

ferramenta computacional. apresentada toda a memria de clculo utilizada no

programa e tambm como deve ser feita a insero de dados por parte do usurio.

O quarto captulo apresenta os estudos de caso realizados com a ferramenta. Foram

realizados trs estudos de caso com caractersticas distintas, de forma a avaliar a

flexibilidade do programa. No primeiro estudo de caso feita uma validao da

planilha, com base na comparao dos resultados com trabalhos anteriores. Em cada

estudo de caso apresentada a insero dos dados de entrada no programa e uma anlise

dos resultados encontrados.

No quinto captulo feita a concluso do trabalho, onde avaliada a eficcia do

programa desenvolvido e analisadas as implicaes dos resultados encontrados no uso

da cogerao a longo prazo no Brasil.

4

2 Fundamentos Tericos

Neste captulo apresentam-se os conceitos bsicos da cogerao e das tecnologias

envolvidas. Ao final do captulo tambm so apresentados conceitos referentes anlise

econmica adotada no estudo.

2.1 Cogerao

O conceito de cogerao pode ser definido como a produo simultnea e sequencial

de duas ou mais utilidades calor de processo e potncia mecnica e(ou) eltrica a

partir da energia disponibilizada por um ou mais combustveis (CONSELHO

MUNDIAL DE ENERGIA, 2001).

A insero da cogerao no mercado produtivo se d devido ao seu melhor

aproveitamento de energia primria, se comparado produo de uma central

convencional, onde a gerao de energia eltrica e trmica so independentes. A Figura

3 ilustra o melhor aproveitamento de energia por parte da central de cogerao

comparada a uma central convencional.

Figura 3 Comparao entre o aproveitamento de energia das tecnologias

convencionais e da cogerao (BRANDO, 2004).

5

Os sistemas de cogerao so normalmente classificados de acordo com a

sequncia de utilizao de sua energia e com o projeto de operao adotado. Em

relao sequncia de uso da energia existem duas configuraes bsicas do

sistema:

Ciclo Topping: Neste sistema, a energia da combusto utilizada

primeiramente para gerao de eletricidade, sendo a energia trmica um

subproduto do ciclo;

Ciclo Bottoming: Neste sistema, priorizado o suprimento da demanda

trmica para um processo industrial, sendo a gerao de eletricidade o

resultado da recuperao de calor de um processo que ocorre em

temperaturas mais elevadas.

Alm disso, os sistemas de cogerao podem ser classificados de acordo com o

projeto de operao, cuja seleo especfica para cada situao, dependendo da

estratgia que ser adotada pelo empreendedor. Desse modo, existem quatro modos

de operao para o projeto de um sistema de cogerao (SEMAE, 2011):

Operao em paridade trmica: Nesse modo de operao, o sistema de

cogerao projetado para ser capaz de produzir os requerimentos trmicos

em cada perodo de tempo considerado, de maneira que o calor o produto

principal e a eletricidade um subproduto da cogerao. O sistema deve ser

conectado a rede da concessionria, de modo a propiciar a venda de

eletricidade excedente ou a compra de eletricidade adicional para os casos de

dficit, dependendo dos perfis de demandas do estabelecimento e das

condies operacionais. Um exemplo de sistema de cogerao dimensionado

para paridade trmica mostrado na Figura 4;

Operao em paridade eltrica: Nesse modo de operao, o sistema

projetado para ser capaz de produzir os requerimentos eltricos em cada

perodo de tempo considerado, de maneira que a eletricidade o produto

principal e o calor um subproduto da cogerao. Se o calor produzido for

insuficiente para satisfazer as necessidades da planta, um sistema auxiliar

deve ser acionado para produzir a diferena. Um exemplo de sistema de

cogerao dimensionado para paridade trmica mostrado na Figura 5;

Operao econmica: Esse modo de operao consiste em deixar o sistema

de cogerao operando de acordo com fatores econmicos. Dessa forma, o

6

sistema opera nas opes de suprir parte, totalidade ou ainda produzir

excedente de demanda eltrica, conforme a eletricidade adquirida ou

vendida sob uma tarifa mais alta. Assim, o empresrio cogerador pode optar

pela compra de eletricidade da concessionria 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 trmica quando necessrio, dependendo das condies operacionais

da planta de cogerao;

Operao em cargas parciais: Nesse modo de operao, o sistema

subdimensionado em relao aos seus requerimentos de eletricidade e calor,

atendendo cargas parciais destas modalidades de energia. Assim, deve-se

comprar parte da eletricidade da concessionria, para suprir as demandas

eltricas, e utilizar equipamento suplementar para completar as necessidades

de calor.

Figura 4 Exemplo de sistema de cogerao dimensionado para paridade trmica

na demanda base.

7

Figura 5 Exemplos de sistemas de cogerao com paridade eltrica.

2.2 Tecnologias de Cogerao

O componente bsico de uma instalao de cogerao o equipamento que produz a

eletricidade e a energia trmica. Este equipamento caracteriza a central de cogerao. O

segundo componente mais importante o aparelho que produz frio, utilizando a energia

trmica do processo de cogerao (chiller de absoro).

As tecnologias de cogerao apresentadas neste trabalho so:

Turbina a Gs;

Motor de combusto interna;

Microturbinas;

Chiller de Absoro.

2.2.1 Turbina a Gs

Um sistema de cogerao com turbina a gs mostrado na Figura 6. Em uma

turbina a gs, o ar atmosfrico tem sua presso elevada pelo compressor (processo 1-2),

em seguida direcionado para a cmara de combusto, onde ocorre a queima do

combustvel (processo 2-3). Os produtos da combusto so expandidos na turbina

(processo 3-4), gerando trabalho de eixo. A compresso realizada utilizando parte do

Capacidade do sistema de cogerao

0

100

200

300

400

500

600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

hora do dia

elet

rici

dad

e (k

We)

demanda cogerao na base

cogerao meia carga cogerao para pico

8

trabalho gerado na turbina. A potncia lquida ( liqW ) gerada pela turbina , portanto,

dada pela equao (2.1):

comptgliq WWW (2.1)

A eficincia trmica da turbina a gs pode ser definida pela equao (2.2):

CC

liq

termQ

W (2.2)

Figura 6 Esquema de um ciclo de cogerao com turbina a gs (COELHO, 2001).

Em sistemas de cogerao, a recuperao do calor proveniente dos gases de

exausto da turbina feita atravs da utilizao de uma caldeira de recuperao de

calor, capaz de produzir gua quente ou vapor, como pode ser visto na Figura 6. A

eficincia global do ciclo de cogerao com turbina a gs pode ser definido pela

equao (2.3):

CC

tilliq

termQ

QW (2.3)

A Figura 7 apresenta um balano de energia tpico para um ciclo de cogerao com

turbina a gs (COELHO, 2001). Observa-se que a eficincia trmica da turbina a gs,

9

equao (2.2), foi de 36,5%. Porm, a eficincia global do ciclo, equao (2.3), atingiu

86% ao se incluir o calor til recuperado dos gases de exausto.

Figura 7 Diagrama de energia para uma planta tpica de cogerao com turbina

a gs (COELHO, 2001).

A operao com turbinas a gs bastante elstica em relao aos regimes de carga,

com vantagens para cogerao por possuir baixo custo de instalao, baixo custo de

manuteno, altas temperaturas de exausto e alcanam boas eficincias globais

(COELHO, 2001).

2.2.2 Motor de combusto interna

Os motores de combusto interna se apresentam como uma excelente opo para

aplicao em sistemas de cogerao de pequeno e mdio porte, para prdios comerciais,

hospitais e supermercados (BARJA, 2006)

Existem basicamente dois tipos de motores que so empregados em plantas de

cogerao ciclo Otto e ciclo Diesel. A diferena entre os dois esta no modo de queima.

No ciclo Otto, o motor aspira uma pr-mistura de ar e combustvel e a queima iniciada

por uma centelha. No ciclo Diesel, a combusto iniciada por auto-ignio, onde o

10

combustvel no resiste as altas presses e temperaturas causadas pela compresso. No

ciclo Diesel, a combusto se propaga por meio de difuso.

Os motores de combusto interna trabalham em ciclo aberto, utilizando o ar como

fluido de trabalho. O funcionamento do motor se da pela seguinte forma: o ar

admitido mediante suco provocada pelo deslocamento de um pisto sobre um mbolo,

no qual adicionado o combustvel. Em seguida, a mistura de ar e combustvel

comprimida e ocorre a converso de energia qumica do combustvel em energia

trmica. Neste ponto, a temperatura e a presso so elevadas forando o deslocamento

do pisto sua posio inicial, onde gerado trabalho mecnico. O pisto esta

conectado a um eixo de manivelas, fazendo a converso do movimento alternativo em

rotativo. O funcionamento dos motores de combusto interna ilustrado na Figura 8.

Figura 8 O ciclo dos motores 4 tempos.

Nos sistemas de cogerao, os gases de exausto podem ser utilizados diretamente

em processos trmicos, ou indiretamente, atravs de uma caldeira de recuperao de

calor. A Figura 9 compara duas plantas que utilizam motores de combusto interna,

sendo uma de gerao de pura eletricidade e outra de cogerao. A Figura 10 apresenta

os balanos trmicos das duas plantas (NOGUERIA, 2004).

11

Figura 9 Comparao entre um sistema de gerao de pura eletricidade e de

cogerao, com motor de combusto interna (NOGUERIA, 2004).

Figura 10 Comparao do balano de energia entre um sistema de gerao de

pura eletricidade e de cogerao, utilizando motor de combusto interna

(NOGUERIA, 2004).

A partir da Figura 10 possvel observar que, em comparao entre os dois

sistemas, para uma mesma quantidade de combustvel consumida, o sistema de gerao

de pura eletricidade trabalha com uma eficincia de 35%, resultando em um total de

65% de perdas. Ao se utilizar o calor residual com o processo de cogerao agregado, a

eficincia eltrica se mantm inalterada, porm, as perdas totais diminuem para 25%

devido utilizao do calor em um processo industrial, totalizando uma eficincia

global de 75%. O calor pode ser recuperado de um motor de combusto interna de

quatro formas: a partir dos gases de exausto, do leo de lubrificao, da gua de

refrigerao do motor e da refrigerao do turbo-compressor.

12

2.2.3 Microturbina

-se, em geral, a um sistema de dimenses

relativamente reduzidas, composto por compressor, cmara de combusto, turbina e

gerador eltrico, com uma potncia eltrica total disponvel inferior a 250 kW (EPA,

2008).

A maioria das microturbinas existentes no mercado tem como funo principal

produzir eletricidade, podendo funcionar em sistemas de cogerao utilizando

equipamento adicional. Contudo, existem microturbinas prprias para aplicaes de

cogerao (EPA, 2008).

As microturbinas so, em sua maioria, turbinas a gs com apenas um estgio de

expanso. Seu funcionamento similar ao da turbina a gs. O ar admitido e conduzido

ao compressor onde sua presso elevada. Em seguida, o ar pressurizado segue para a

cmara de combusto onde ocorre a queima do combustvel. O calor liberado na

combusto eleva a temperatura da mistura ar-combustvel e consequentemente sua

presso. Os gases de exausto so, ento, expandidos em uma turbina gerando trabalho

de eixo, onde parte do trabalho utilizada para acionar o compressor e parte aciona o

gerador.

O rendimento trmico de uma microturbina da ordem de 30%, mas em sistemas de

cogerao o rendimento global do sistema pode chegar a mais de 80% (DE BONA,

2006). Na aplicao de microturbinas em cogerao, utiliza-se um trocador de calor

para aproveitar a energia trmica provinda dos gases de exausto. Com o objetivo de

aumentar o rendimento trmico da microturbina, 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 cmara de combusto (DE BONA, 2006). A Figura 11

mostra um sistema de cogerao com microturbina.

13

Figura 11 Esquema de cogerao utilizando uma microturbina (DE BONA,

2006).

2.2.4 Chiller de absoro

Assim como nos chillers que funcionam segundo o ciclo de compresso de vapor,

os chillers de absoro tambm utilizam o fenmeno da retirada de calor de um

ambiente, no qual se provoca a expanso de um fluido. A diferena est no princpio de

funcionamento, que no ciclo de compresso fsico e no de absoro fsico-qumico.

A expanso realizada seria da gua ao penetrar em uma cmara contendo uma

soluo concentrada de um sal que tenha alta afinidade com a gua, como o brometo de

ltio. A absoro pela soluo concentrada da gua que entra, mantm uma baixa

presso na cmara, que propicia a expanso e, consequentemente, a retirada de calor de

um fluido aquecido que circule em uma serpentina instalada em seu interior. A soluo

fica menos concentrada (diluda) e retirada para outro compartimento, no qual

aquecida pela fonte de calor, e vaporiza a gua. Com isso, a soluo torna-se novamente

concentrada, retornando cmara de expanso, a qual receber novamente a gua

resultante da condensao do vapor produzido. A fonte quente que alimenta um chiller

de absoro pode ser dada por meio de queima direta de combustvel, ou por meio de

queima indireta, sendo alimentado por vapor, gua quente ou gases de exausto. Um

esquema de um chiller de absoro pode ser visto na Figura 12.

14

Figura 12 Esquema de um chiller de absoro (BRANDO, 2004).

As vantagens dos chillers de absoro sobre os chiller de compresso so

(BRANDO, 2004):

Consumo eltrico muito baixo;

Nveis reduzidos de rudo e vibrao;

Ausncia de emisses de substncias nocivas para a camada de oznio.

Quando projetado um sistema de cogerao para uma instalao de utilidades que

inclui o fornecimento de refrigerao para o ambiente, existe uma preferencia em optar

por um chiller de absoro, em substituio ao tradicional chiller de compresso

(BRASIL, 2005). O sistema de refrigerao por absoro tem como principal virtude o

fato de depender muito pouco de energia eltrica (BRANDO, 2004). Apesar de

possuir uma eficincia menor do que o chiller de compresso, o sistema de absoro

viabiliza a cogerao na medida em que desloca para a parcela de demanda trmica o

que seria uma demanda eltrica (BRASIL, 2005).

15

2.3 Anlise Econmica

A implantao de um sistema de cogerao que economize fontes energticas no

garante ao investidor benefcios econmicos. Dessa forma, os custos associados ao uso

da cogerao devem ser relativamente menores aos custos de atendimento das

demandas de maneira convencional para que esta opo se constitua em uma vantagem.

Contudo, no basta apenas que estes custos sejam menores. preciso considerar,

tambm, o peso que os investimentos de aquisio dos sistemas de cogerao tm em

um projeto. Dessa forma, preciso ir alm da questo da anlise de eficincia

energtica, e analisar os aspectos financeiros e, com isso, verificar a viabilidade do

projeto. Para isso, existem mtodos usuais, que so aplicados na ferramenta

desenvolvida.

2.3.1 Fluxo de caixa

O fluxo de caixa um instrumento de contabilidade que considera as entradas e

sadas de recursos financeiros (SOUZA, 2011). Em um projeto de cogerao,

considerada como entrada a reduo anual de custos proveniente da implantao da

central de cogerao. As sadas consideradas so impostos, amortizaes de dvidas e

juros de financiamento.

Os impostos considerados so:

Imposto de renda (IR);

Alquota de 34% incidente sobre o lucro;

PIS e COFINS que juntos somam uma alquota de 9,25% (SOUZA, 2011).

As outras sadas do fluxo de caixa so os investimentos em aquisio da planta e as

parcelas da dvida 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.

Alm disso, tambm deve ser considerada a depreciao. A depreciao um

benefcio fiscal que contabiliza o desgaste de um bem devido ao uso ao longo do tempo.

O valor da depreciao contbil 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 mquinas e equipamentos esse tempo de

10 anos (SOUZA, 2011), portanto, a cada ano o bem deprecia 10% de seu valor total.

16

O pagamento de juros e a depreciao da planta so abatidos do lucro da empresa

antes da cobrana do IR incidir, resultando no lucro antes do imposto de renda (LAIR).

Em seguida, o pagamento de amortizaes de dvidas deve ser descontado do fluxo

de caixa, j que o pagamento de amortizaes no pode ser deduzido no LAIR, pois

esse valor de amortizao refere-se a um capital previamente tomado e que produziu

riqueza ao tomador (SOUZA, 2011).

Assim, o fluxo de caixa acumulado 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 correo faz com

que, quando o fluxo de caixa positivo, o mesmo ser investido e render dividendos.

Contudo, as taxas reais de aplicao de capital no so necessariamente igual 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 tambm um fato que deve ser considerado na anlise

econmica de um projeto. O tempo do projeto pode ser definido como o perodo

mximo que o empreendedor considera aceitvel para recuperar o valor investido no

projeto.

Para a seleo adequada de qual ser o tempo do projeto, a empresa deve levar em

considerao a vida til dos equipamentos e o investimento inicial realizado. Valores

mais baixos de investimento inicial e de vida til exigem um menor tempo de retorno,

enquanto que investimentos de grande porte e equipamentos de longa vida til, aceitam

tempos maiores para retorno do capital investido.

2.3.3 Mtodos de avaliao do fluxo de caixa

A anlise econmica de um projeto realizada atravs de trs mtodos:

Mtodo do Valor Presenta Lquido (VPL);

Mtodo da taxa interna de retorno (TIR);

Mtodo do Pay-back.

Estes mtodos se baseiam na comparao dos valores de cada um dos fluxos de

caixa futuros com o valor do fluxo de caixa inicial, ocorrido no primeiro perodo.

17

2.3.3.1 Mtodo do valor presente lquido

O mtodo do valor presente lquido (VPL) uma tcnica de anlise de fluxo de

caixa, que calculado a partir da diferena entre a receita e as despesas da empresa, do

investimento inicial, e de uma taxa, chamada de taxa mnima de atratividade (TMA),

que representa a menor taxa de valorizao do capital a qual a empresa aceita aplic-lo,

e deve ser sempre ajustada ao risco do empreendimento. Assim, o VPL calculado

conforme a equao (2.4):

0

1 )1(I

TMA

DRVPL

n

tt

tt (2.4)

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 utilizao

desta tcnica divide o fluxo em duas fases: perodo de construo e perodo de

operao, como pode ser visto na Figura 13 (COELHO, 2001).

Figura 13 Ciclo de vida do investimento de um sistema energtico (COELHO,

2001).

2.3.3.2 Mtodo da taxa interna de retorno

A taxa interna de retorno (TIR) 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 sadas do caixa. A equao (2.5) mostra como

realizado o clculo do TIR:

0

1 )1(I

i

DRn

tt

tt (2.5)

18

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 Mtodo do Pay-back

O mtodo do Pay-back determina o tempo decorrido at que o valor do investimento

realizado no projeto seja recuperado pelo empreendedor. Este talvez seja o mtodo mais

importante na analise de viabilidade econmica de um projeto (BRANDO, 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.

19

3 A ferramenta de anlise tcnica-econmica

Com o intuito de facilitar a anlise de viabilidade de um sistema de cogerao, 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 anlises

complexas de forma simples, alm de possuir uma interface amigvel ao usurio.

A ferramenta desenvolvida possui nove abas. Estas abas so:

Na entrada de dados, o usurio deve inserir os dados de demanda de energia, tanto

eltrica quanto trmica, e outras informaes relevantes para a anlise: tipo de

combustvel utilizado nas caldeiras (gs natural ou leo combustvel), poder calorfico

do combustvel, preo, etc. Aps essa etapa, o usurio dever selecionar, a partir do

banco de dados do programa, os equipamentos que deseja analisar para utilizao no

projeto de cogerao. A partir dos dados de entradas inseridos pelo o usurio, gerado

um relatrio com o resultado da anlise do projeto da cogerao para a planta. O

resultado apresenta ao usurio informaes sobre o desempenho energtico da planta

selecionada, alm de realizar a comparao dos custos de operao da planta com e sem

cogerao indicando a economia operacional da utilizao da cogerao. Ao final do

relatrio, tambm so apresentados resultados dos mtodos de avaliao de fluxo de

caixa, que indicam informaes sobre o retorno do investimento realizado.

Nos itens seguintes sero descritas mais detalhadamente as principais abas da

ferramenta COGENERA M12. A Figura 14 apresenta a aba de apresentao da planilha.

20

3.1

utilizada para o usurio inserir os dados de entrada que sero

utilizados pelo resto da planilha. nesta aba que o usurio deve fornecer todas as

informaes necessrias para a anlise do projeto de cogerao na planta. Alm disso,

nesta aba, o usurio tambm deve selecionar o(s) equipamento(s) responsvel pela

gerao de energia eltrica e reaproveitamento de energia trmica rejeitada. Dessa

forma, a insero dos dados de entrada nesta aba realizada em cinco etapas:

Demanda de energia eltrica;

Demanda de energia trmica;

Informaes adicionais;

Seleo do equipamento.

A insero de dados pelo usurio na planilha dada seguindo o cdigo de cores

apresentado na Figura 15.

Figura 15 Cdigo de cores utilizado para os dados da planilha.

Figura 14 - Tela de abertura da planilha COGENERA M12.

21

3.1.1 Demanda de Energia Eltrica.

demandas de energia

eltrica da planta que se deseja analisar. Assim, para que o usurio possa utilizar a

ferramenta, este deve possuir os dados de potncia contratada em horrio de ponta,

potncia contratada fora de ponta e seus respectivos fatores de carga, como pode ser

observado na Tabela 1

Tabela 1 Tabela de dados sobre demanda eltrica da planta sem cogerao.

O fator de carga (FC) pode ser definido como a razo entre a demanda mdia (Dmed)

e a demanda mxima (Dmx) da unidade consumidora ocorridas no mesmo intervalo de

tempo especificado (ANEEL, 2010). Portanto, os fatores de carga eltricos para os

horrios de ponta e fora de ponta podem ser dados, respectivamente, pela equao (3.1)

e equao (3.2).

Pmx

Pmed

PD

DFC

,

, (3.1)

FPmx

FPmed

FPD

DFC

,

, (3.2)

As definies para os horrios de ponta e fora de ponta so dadas pela

concessionria fornecedora de energia eltrica. De modo geral, considerado horrio de

ponta um perodo de trs horas entre 17 h e 21 h durante os dias teis. No horrio de

ponta a tarifa da energia eltrica mais cara (SOUZA, 2011). Consequentemente, o

horrio fora de ponta diz respeito s horas do dia que esto fora do perodo de ponta,

horrios em que a tarifa menor.

DEMANDA ELTRICA

Potncia contratada de Ponta [kW] 1.700

Potncia contratada Fora de Ponta [kW] 2.100

Fator de Carga na Ponta 86%

Fator de Carga Fora da Ponta 87%

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

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

Consumo total de energia eltrica [kWh/ano] 15.509.340

Tarifa de Energia Eltrica Azul A4

22

Aps a insero dos dados de demanda contratada e fator de carga para os horrios

de ponta e fora de ponta, a planilha calcula o consumo de energia eltrica tanto para os

horrios de ponta quanto para fora de ponta. Os clculos do consumo de energia eltrica

na ponta (CP) e fora da ponta (CFP) so realizados de acordo com a equao (3.3) e a

equao (3.4), respectivamente.

horasPontaFCDE PPP (3.3)

ontahorasForaPFCDE FPFPFP (3.4)

Outro dado importante que deve ser inserido pelo usurio a seleo do tipo de

tarifa eltrica que cobrada para a empresa sendo analisada. Esse dado importante,

pois ser utilizado no clculo do custo anual da energia eltrica para a planta sem

cogerao, que ser mais detalhadamente apresentado em seo posterior.

3.1.2 Demanda de Energia Trmica

Alm das demandas de energia eltrica, as demandas de energia trmica so de

grande importncia na anlise de viabilidade de um projeto de cogerao. As demandas

trmicas avaliadas so de trs tipos:

Vapor;

Frio (gua gelada);

Outras formas de calor.

Os dados sobre a energia trmica da planta sem cogerao so apresentados na

Tabela 2, onde o usurio dever fornecer os dados de demanda trmica 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 gua gelada

nos dias de semana e no fim de semana Essa diferenciao entre demandas nos dias de

semana e nos fins de semana feita para flexibilizar a anlise, para o caso de uma

instalao que modifique sua produo durante os fins de semana. Todas as demandas

trmicas da planta devem ser inseridas em kW.

23

Tabela 2 Tabela de dados sobre a demanda trmica da planta sem cogerao.

DEMANDA TRMICA (sem Cogerao)

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

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

Demanda trmica para refrigerao nos dias de semana [kW] 904,0

Demanda trmica para refrigerao no fim de semana [kW] 904,0

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

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

Fator de Carga trmico de refrigerao nos dias de semana 83%

Fator de Carga trmico de refrigerao no fim de semana 83%

Tarifa de Combustvel Industrial

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

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

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

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

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

Consumo total de energia trmica [kWh/ano] 13.843.603

Consumo anual de combustvel sem cogerao [m] 730.296,7

Alm das demandas trmicas, o usurio tambm devera inserir os valores do fator de

carga trmico da caldeira e da demanda de gua gelada, ambos para os dias de semana e

fins de semana. O clculo dos fatores de carga trmico feito analogamente ao clculo

realizado para o fator de carga da demanda eltrica da instalao, como mostra a

equao (3.5). A utilizao do fator de carga trmico importante j que nem sempre os

processos que demandam calor funcionam de forma constante ao longo do dia. Assim,

para que o consumo de combustvel da planta no seja superdimensionado necessrio

que o fator de carga trmico seja levado em conta no clculo da energia trmica.

termmx

termmed

TermD

DFC

,

, (3.5)

Nesta etapa, tambm deve ser inserido o tipo de tarifa de combustvel que cobrada

na instalao original. Se a caldeira da planta original trabalha com queima de gs

natural, deve ser selecionada a tarifa para consumo de gs natural que cobrada da

empresa. As opes de tarifa so as seguintes:

Industrial

24

Comercial

Residencial

leo combustvel

No Compra combustvel

Em seguida a planilha realiza os clculos dos consumos de energia trmica, tanto

para as centrais de gua gelada (CAG) quanto para a caldeira, como pode ser observado

na Tabela 2. So considerados 261 dias de semana no ano e 104 dias de fim de semana.

Assim a equao (3.6) apresenta o clculo para consumo de energia trmica da CAG

nos dias de semana e a equao (3.7) apresenta o clculo para o consumo de energia

trmica da CAG nos fins de semana. Da mesma forma, o consumo de energia trmica

da caldeira nos dias de semana e fins de semana pode ser calculado, respectivamente,

pela equao (3.8) e equao (3.9).

261,Re, DSfrirefrifuncDSCAG FCDhE (3.6)

104,Re, FSfrirefrifuncFSCAG FCDhE (3.7)

261,, DScaldtrmicafuncDSCaldeira FCDhE (3.8)

104,, FScaldtrmicafuncFSCaldeira FCDhE (3.9)

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

coletado inserindo os horrios de incio e trmino da produo na planta conforme

apresentado na Tabela 3.

Tabela 3 Tabela de insero do horrio de funcionamento da instalao.

Horrio de funcionamento

Incio [hr] 0

Fim [hr] 24

25

Por fim, a Tabela 2 apresenta o clculo realizado para o consumo anual de

combustvel da instalao sem cogerao. O consumo de combustvel pela instalao

calculado segundo a equao (3.10).

caldeiracomb

CaldeiraTot

combmkJPCI

hskWhCmC

]/[

]/[3600][][

, (3.10)

Onde combPCI o poder calorfico inferior do combustvel que queimado na

caldeira, e o parmetro caldeira, o rendimento trmico da caldeira, inserido pelo

bem detalhado em seo

a seguir.

3.1.3 Informaes Adicionais

O quadro de informaes adicionais tem como funo receber outras informaes

do usurio, alm das demandas, que sejam importantes para o desenvolvimento dos

clculos na planilha. A vantagem de esse quadro estar

que o usurio no precisa buscar na planilha onde deve inserir valores de entrada. Com

a utilizao do quadro de Informaes Adicionais o usurio insere todas as entradas

necessrias ao programa numa mesma aba . A Tabela 4 apresenta as

informaes adicionais fornecidas pelo usurio.

26

Tabela 4 Tabela de informaes adicionais

INFORMAES ADICIONAIS

Cotao do dlar [R$] 2,33

Eficincia da caldeira 91%

Chiller da planta sem cogerao Chiller Eltrico Alternativo

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

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

PCS do gs natural [kcal/m] 9.400

PCI do gs natural [kcal/m] 8.560

PCI do leo combustvel [kcal/m] 9.300.000

Preo do leo combustvel [R$/m] 1.750,0

A partir da Tabela 4, observa-se que a primeira informao que deve ser inserida

pelo usurio a cotao do dlar. Esse valor ser utilizado no clculo do custo de

instalao dos equipamentos para a cogerao. Em seguida, deve ser fornecido o valor

da eficincia da caldeira, necessrio para o clculo do consumo de combustvel

apresentado na equao (3.10). No caso de a demanda de gua gelada estar sendo

analisada, importante que o usurio selecione o tipo de CAG presente na instalao

sem cogerao. As opes disponveis para anlise so:

Chiller Eltrico Alternativo

Chiller Eltrico Centrfugo

Chiller Eltrico Scroll

Chiller Eltrico Parafuso

Split

Aparelho de Janela

Em seguida, a planilha coleta em seu banco de dados o consumo especfico de

energia eltrica do chiller da planta sem cogerao e compara com o consumo

especfico de um chiller de absoro utilizado para cogerao. A Figura 16 mostra

valores tpicos para o consumo energtico de diferentes tipos de chiller apresentados por

(ANDREOS, 2013). Esses valores so utilizados no banco de dados da planilha.

27

Figura 16 Consumo energtico de sistemas de refrigerao (ANDREOS, 2013).

O usurio tambm deve fornecer os valores de PCI e PCS para o gs natural. O PCI

ser utilizado no clculo do consumo de gs natural pelo equipamento responsvel pela

cogerao. O PCI do leo combustvel deve ser informado para o clculo do consumo

de leo combustvel na caldeira. Tambm necessria a insero do preo do leo

combustvel.

O usurio tambm deve inserir que tipo de energia se deseja obter com a cogerao.

H trs opes disponveis: Eletricidade, Calor e Frio. Assim o usurio possui trs

possibilidades diferentes de cogerao que devem ser selecionadas conforme a Tabela

5:

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

Eletricidade + Frio (gua gelada);

Eletricidade + Frio + Calor (Trigerao).

28

Tabela 5 Tabela para insero dos objetivos da cogerao.

OBJETIVOS DA COGERAO

Energia Eltrica Sim

Vapor (Calor) Sim

gua Gelada (Frio) No

Por fim, o usurio deve indicar se, no caso de excedente de energia por parte da

cogerao, este gostaria de optar pela opo de venda desse excedente. A venda do

excedente deve ser negociada diretamente com a concessionria de distribuio ou de

transmisso, dependendo do ponto em que a planta esteja conectada rede (SOUZA,

2011). O usurio tambm deve informar o preo especfico de revenda. A Tabela 6

apresenta essa opo do usurio.

Tabela 6 Tabela de insero de interesse de revenda de energia eltrica.

VENDA DE ENERGIA ELTRICA

Deseja vender energia eltrica excedente? Sim

Preo para venda de energia eltrica [R$/kWh] 0,16

3.1.4 Seleo do Equipamento

Alm da insero dos dados de entrada, na aba

seleo do equipamento responsvel pela cogerao, que ser simulado. A Tabela 7

Dentre os equipamentos

disponveis para se realizar a cogerao esto trs tipos:

Motores a combusto interna a gs;

Turbinas a gs;

Microturbinas.

29

Tabela 7 Tabela de seleo de equipamento para cogerao.

SELEO DO EQUIPAMENTO

Relao Eltrico-trmica da planta 1,10

Equipamentos Recomendados

Motor de Combusto Interna

Turbina a gs Recomendado

Microturbina

Turbina a Vapor

Gerao Eltrica com cogerao

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

Demanda Eltrica a ser gerada na ponta [kW] 1.415

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

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

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

Equipamento Selecionado Motor GE J420 GS 1.4MW

Potncia do Equipamento selecionado [kW] 1.426

Quantidade de equipamentos 1

Potncia Instalada [kW] 1.426

Fator de carga do equipamento 85%

Queima adicional

Necessidade de queima adicional na caldeira Sim

Demanda trmica adicional a ser suprida [kW] 261

Combustvel para queima adicional na caldeira Gs natural

Equipamentos auxiliares

Dimenso do Chiller de Absoro [TR] 321

A fim de auxiliar o usurio na seleo do equipamento para cogerao realizado,

na Tabela 7, um sistema de recomendao de equipamentos baseados na razo eltrico-

trmica da planta. A razo eltrico-trmica (RPC) pode ser definida como a razo entre

a potncia total que deve ser produzida pelo equipamento e o calor til que pode ser

retirado para cogerao (RAMOS, 2008). A equao (3.11) calcula a RPC demanda

pela planta sem cogerao.

trmica

eltrica

D

DRPC (3.11)

30

A Tabela 8 apresenta valores tpicos da razo eltrico-trmica para cada tipo de

equipamento (EPA, 2008). A partir da Tabela 8, a planilha recomenda o equipamento

que possui uma faixa tpica de RPC que englobe o valor calculado pela equao (3.11).

Para os casos em que a razo eltrico-trmica no se encontra em nenhuma faixa da

Tabela 8, a potncia a demanda eltrica utilizada como parmetro determinante. Para

demandas maiores que 5 MW so recomendadas turbinas a gs, entre 250 kW e 5MW

so recomendados motores de combusto interna, e para demandas menores que 250

kW so recomendadas microturbinas.

Tabela 8 Faixas tpicas para razo eltrico-trmica.

EQUIPAMENTO RAZO ELTRICO -TRMICA

Turbina a Vapor 0,1 0,3

Motor de Combusto Interna 0,5 1

Turbina a Gs 0,5 2

Microturbina 0,4 0,7

Clula Combustvel 1,0 2,0

Fonte: (EPA, 2008)

Em seguida, a planilha realiza o clculo da demanda de energia eltrica que deve ser

suprida pela planta com cogerao. A razo para recalcular o consumo eltrico que

quando h anlise de refrigerao no projeto de cogerao, a demanda de frio deixar de

ser suprida por uma central eltrica e passar a ser suprida por um chiller de absoro.

Assim, a nova central de gua gelada consome menos energia eltrica e mais energia

trmica. Consequentemente a planta consome menos energia eltrica, pois no h mais

necessidade de abastecer um chiller eltrico e sim um chiller de absoro de calor. A

nova demanda eltrica total da planta, considerando a substituio da CAG eltrica por

um chiller de absoro, dada pela equao (3.12).

52,352,3

ReRe novafriantigafri

antiganova

DDDD (3.12)

31

Onde

de gua gelada e coletado na planilha automaticamente atravs da tabela de

informaes adicionais. Os clculos dos novos consumos de energia so realizados de

forma anloga ao apresentado na equao (3.3) e equao (3.4). possvel observar que

quando o usurio no deseja gerar gua gelada em seu projeto de cogerao, a demanda

trmica para refrigerao zero e, com isso, a demanda nova de energia eltrica ser

igual demanda antiga.

Em seguida, o usurio deve realizar a seleo do equipamento responsvel pela

cogerao. Assim, o usurio deve escolher em uma lista suspensa, um dos equipamentos

para anlise que esteja disponvel no banco de dados da planilha, como mostra a Figura

17.

Figura 17 Lista suspensa para seleo do equipamento.

O usurio deve inserir tambm a quantidade de equipamentos que deseja utilizar,

como mostra a Tabela 7. A partir da, a planilha apresenta para o usurio o valor da

potncia instalada selecionada.

Deve ser inserido, tambm, o fator de utilizao com o qual o usurio deseja utilizar

o equipamento selecionado. O fator de carga do equipamento considera a

disponibilidade do equipamento. O valor associado a este fator esta associado

limitao da disponibilidade do equipamento, como por exemplo, o tempo de parada

para manuteno preventiva.

uns resultados importantes sobre a parte

trmica do projeto, indicando se com o equipamento selecionado haver necessidade ou

no de realizar queima adicional de combustvel na caldeira e qual a potncia trmica a

mais que deve ser gerada. O usurio deve ento selecionar o tipo de combustvel que

32

deseja utilizar na caldeira para gerar a potncia trmica pendente pelo equipamento.

Como mostra a Figura 18, duas opes so possveis:

Gs natural;

leo combustvel.

Essa opo do programa da uma maior flexibilidade ao usurio em analisar

diminuio dos custos com cogerao, e possibilita um nmero maior de configuraes

possveis.

A planilha j apresenta, tambm, a dimenso, em TR, do chiller de absoro que

dever ser utilizado no caso de gerao de frio, como pode ser visto na Tabela 7.

Figura 18 Lista suspensa para seleo do combustvel de queima suplementar.

3.2

funo, ajudar o usurio a obter os dados de entradas sobre a demanda da instalao em

anlise. Como foi visto anteriormente, os dados de entrada referentes s demandas da

Potncia eltrica contratada fora da ponta;

Potncia eltrica contratada na ponta;

Fator de Carga eltrico fora da ponta;

Fator de Carga eltrico na ponta;

Demanda trmica da caldeira dias de semana e fins de semana;

Fator de Carga da caldeira;

Demanda trmica para refrigerao dias de semana e fins de semana;

Fator de Carga de refrigerao.

possvel que o usurio possua dados mais abrangentes que possibilitem uma

anlise mais precisa do sistema. o que ocorre quando se dispe das curvas de

demanda tanto eltrica quanto trmica da planta sem cogerao. Para este caso, foi

desenvolvida uma aba auxiliar,

33

curvas sob a forma de tabelas, e a planilha calcula os parmetros de entrada para que o

usurio possa inserir na aba Entradas

3.2.1 Demanda Eltrica

demanda eltrica da planta, conforme apresentado na Tabela 9

Tabela 9 Tabela para insero da curva de demanda eltrica da planta.

ELETRICIDADE

Tempo (ms)

Demanda Eltrica [kW] Consumo de Energia [kWh]

Ponta Fora de Ponta Ponta Fora de Ponta

1 1.700 2.100 107.100,0 1.379.700,0

2 1.650 2.030 103.950,0 1.333.710,0

3 1.600 1.985 100.800,0 1.304.013,6

4 1.463 1.720 92.137,5 1.130.040,0

5 1.463 1.670 92.137,5 1.097.190,0

6 1.463 1.580 92.137,5 1.038.060,0

7 1.275 1.700 80.325,0 1.116.900,0

8 1.463 1.820 92.137,5 1.195.740,0

9 1.225 1.880 77.175,0 1.235.160,0

10 1.335 1.800 84.105,0 1.182.600,0

11 1.453 1.820 91.507,5 1.195.740,0

12 1.463 1.920 92.137,5 1.261.440,0

TOTAL 1.105.650,0 14.470.293,6

A partir disso, o consumo de energia eltrica, tanto na ponta quanto fora da ponta,

em cada ms calculado segundo a equao (3.13) e (3.14).

ontahorasForaPDE FPFP (3.13)

horasPontaDE PP (3.14)

A planilha tambm gera, a partir da tabela inserida pelo usurio, um grfico da curva

de demanda eltrica e do consumo de energia eltrica da planta mensalmente, como

mostrado na Figura 19 e na Figura 20.

34

Figura 19 Exemplo de curva da demanda eltrica da planta gerada pela planilha.

Figura 20 Exemplo de curva do consumo mensal de energia eltrica da planta.

Com a tabela inserida, so calculados os parmetros de entrada para que o usurio

Tabela 10.

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 2 4 6 8 10 12

Dem

an

da E

ltr

ica [kW

]

Ms do ano

Curva de Demanda Eltrica

Demanda naPonta

Demanda Forada Ponta

,0,0

200000,0,0

400000,0,0

600000,0,0

800000,0,0

1000000,0,0

1200000,0,0

1400000,0,0

1600000,0,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Co

nsu

mo

El

tric

o [kW

h]

Ms do ano

Curva de Consumo Eltrico

Consumo na Ponta

Consumo Fora da Ponta

35

Tabela 10 Exemplo de tabela gerada com os parmetros de entrada da parte

eltrica.

ELETRCIDADE

Demanda Base na Ponta [kW] 1.225,0

Demanda Mdia na Ponta [kW] 1.462,5

Demanda Mxima na Ponta [kW] 1.700,0

Fator de Capacidade na Ponta [%] 86%

Demanda Base Fora da Ponta [kW] 1.580,0

Demanda Mdia Fora da Ponta [kW] 1.835,4

Demanda Mxima Fora da Ponta [kW] 2.100,0

Fator de Capacidade Fora da Ponta [%] 87%

Observa-se que as demandas mximas esto destacadas em vermelho, de forma a

chamar a ateno do usurio que vai introduzir os dados na planilha, uma vez que,

normalmente, esta demanda mxima a potncia contratada pela planta (SOUZA,

2011).

Pode-se tambm dizer que a estratgia de cogerao pode ser variada. Pode-se

dimensionar o sistema para atender a demanda mxima, a demanda mdia ou a demanda

mnima de eletricidade. No caso da demanda trmica, a hiptese adotada que ela

sempre atendida.

Na Tabela 10 so apresentados tambm os fatores de carga na ponta e fora da

ponta, que tambm so entradas para a planilha. Adicionalmente, so apresentadas as

demandas base e mdias da planta.

3.2.2 Demanda de Vapor

Grande parte das aplicaes trmicas industriais envolve o uso de vapor (SOUZA,

2011). Portanto, necessrio que se tenha uma opo de introduo da demanda trmica

atravs da vazo de vapor demandada em kg/h. Assim, se for conhecida a presso de

trabalho da caldeira, a demanda trmica em kW pode ser obtida a partir da vazo de

vapor demandada pela caldeira atravs de um balano de energia.

O usurio que possua sua demanda trmica em vazo de vapor deve inserir a curva

de demanda diria de vapor, tanto dias de semana quanto fim de semana, na Tabela 11,

assim como a presso de trabalho da caldeira.

36

Tabela 11 Tabela de insero da demanda de vapor da planta.

Demanda de vapor em:

kg/h Presso da

caldeira[bar] 10

DEMANDA DE VAPOR

Dia de semana Fim de Semana

Tempo [ horas] Vazo de Vapor

[kg/h] Tempo [ horas]

Vazo de Vapor [kg/h]

1 2.135,4 1 2.135,4

2 2.050,0 2 2.050,0

3 2.000,0 3 2.000,0

4 2.000,0 4 2.000,0

5 1.866,3 5 1.866,3

6 2.130,0 6 2.130,0

7 1.900,0 7 1.900,0

8 2.130,0 8 2.130,0

9 2.400,0 9 2.400,0

10 2.575,0 10 2.575,0

11 2.200,0 11 2.200,0

12 2.430,0 12 2.430,0

13 2.400,0 13 2.400,0

14 2.130,0 14 2.130,0

15 2.200,0 15 2.200,0

16 2.130,0 16 2.130,0

17 2.350,0 17 2.350,0

18 2.150,0 18 2.150,0

19 2.130,0 19 2.130,0

20 1.802,0 20 1.802,0

21 1.950,0 21 1.950,0

22 2.000,0 22 2.000,0

23 2.001,0 23 2.001,0

24 2.190,0 24 2.190,0

Contudo, se o usurio possuir sua demanda trmica de vapor em kW este poder

tambm inserir esses valores diretamente na Tabela 11 \

Figura 21.

Figura 21 Lista suspensa para selecionara unidade de insero da demanda de

vapor.

37

A demanda trmica relacionada produo de vapor ento calculada com o

aux s

International Association for

Properties of Water and Steam Industrial Formulation 1997

CO s e a demanda trmica

em kW pode ser calculada, a partir da vazo de vapor, pela da equao (3.15).

3600

]/)[,()(]/[][

kgkJPThPhhkgmkWD

caldaguaguacaldvvapor

vapor (3.15)

Onde, a presso da caldeira um dado do usurio, inserido na Tabela 11, e a

default , mas pode ser modificada pelo

usurio. Pela equao (3.15), observa-se que considerado, por hiptese, que o vapor

deixa a caldeira no estado de vapor saturado.

3.2.3 Demanda Trmica Total

Aps inserir a demanda de vapor para que a planilha gere os valores em kW, o

usurio deve inserir as outras demandas trmicas (Refrigerao e outros processos).

Essa insero das demais demandas trmicas feita na Tabela 12, que tambm calcula a

demanda trmica total da planta sem cogerao. Caso a planta no possua nenhuma

outra demanda trmica, basta inserir o valor como zero. Alm disso, no caso da planta

no possuir mais nenhuma outra demanda trmica, o usurio no deve inserir os dados

38

Tabela 12 Tabela de apresentao da demanda trmica total.

DEMANDA TRMICA

Dias de Semana Fim de Semana

Tempo [horas]

Vapor [kW]

Calor [kW]

Frio [kW]

TOTAL [kW]

Vapor [kW]

Calor [kW]

Frio [kW]

TOTAL [kW]

1 1.579 1.579 1.579 4.737 1.579 - - 1.579

2 1.516 1.516 1.516 4.548 1.516 - - 1.516

3 1.479 1.479 1.479 4.437 1.479 - - 1.479

4 1.479 1.479 1.479 4.437 1.479 - - 1.479

5 1.380 1.380 1.380 4.140 1.380 - - 1.380

6 1.575 1.575 1.575 4.725 1.575 - - 1.575

7 1.405 1.405 1.405 4.215 1.405 - - 1.405

8 1.575 1.575 1.575 4.725 1.575 - - 1.575

9 1.775 1.775 1.775 5.324 1.775 - - 1.775

10 1.904 1.904 1.904 5.712 1.904 - - 1.904

11 1.627 1.627 1.627 4.880 1.627 - - 1.627

12 1.797 1.797 1.797 5.390 1.797 - - 1.797

13 1.775 1.775 1.775 5.324 1.775 - - 1.775

14 1.575 1.575 1.575 4.725 1.575 - - 1.575

15 1.627 1.627 1.627 4.880 1.627 - - 1.627

16 1.575 1.575 1.575 4.725 1.575 - - 1.575

17 1.738 1.738 1.738 5.213 1.738 - - 1.738

18 1.590 1.590 1.590 4.769 1.590 - - 1.590

19 1.575 1.575 1.575 4.725 1.575 - - 1.575

20 1.332 1.332 1.332 3.997 1.332 - - 1.332

21 1.442 1.442 1.442 4.326 1.442 - - 1.442

22 1.479 1.479 1.479 4.437 1.479 - - 1.479

23 1.480 1.480 1.480 4.439 1.480 - - 1.480

24 1.619 1.619 1.619 4.858 1.619 - - 1.619

A partir da Tabela 12, a planilha se encarrega de gerar duas curvas de demanda

trmica, uma para os dias de semana, Figura 22, e uma para o fim de semana, Figura 23.

39

Figura 22 Exemplo de curva de demanda trmica total nos dias de semana,

gerada pela planilha.

Figura 23 Exemplo de curva de demanda trmica total no fim de semana, gerada

pela planilha.

Em seguida, a planilha tambm calcula os parmetros trmicos de entrada que

, estes parmetros so apresentados na Tabela 13.

possvel observar a partir da Tabela 13, que alm dos parmetros de entrada da

planilha, tambm so exibidos informaes sobre as demandas base e mdias de cada

tipo de aplicao trmica.

40

Tabela 13 Exemplo de tabela gerada com os parmetros de entrada da parte

trmica.

TRMICA

Parmetros Vapor Calor Frio Total

Demanda Base nos dias de semana [kW] 1.332 1.332 1.332 3.997

Demanda Mdia nos dias de semana [kW] 1.579 1.579 1.579 4.737

Demanda Mxima nos dias de semana [kW] 1.904 1.904 1.904 5.712

Fator de Carga nos dias de semana [%] 1 1 1 1

Demanda Base no fim de semana [kW] 1.332 0 0 1.332

Demanda Mdia no fim de semana [kW] 1.579 0 0 1.579

Demanda Mxima no fim de semana [kW] 1.904 0 0 1.904

Fator de Carga no fim de semana [%] 83% - - 83%

3.3

projeto de cogerao que esta sendo simulado. Para isso, realizado, primeiramente, o

clculo do consumo especfico de gs natural por kWh gerado pelo equipamento

moto-

gerador dado pela equao (3.15) (NERI, 2009):

equip

espmkcalPCI

kWhkcalkWhmC

]/[

]/[860]/[ (3.15)

A Tabela 14 apresenta esta parte do clculo realizado pela planilha. Na Tabela 14, o

PCI do gs natural obtido atravs do valo e a eficincia

do equipamento do banco de dados da planilha, de acordo com o equipamento que

selecionado.

Tabela 14 Clculo do consumo especfico de gs natural pelo equipamento.

Consumo de gs natural por kWh gerado pelo equipamento


Eficincia do equipamento 40%

Consumo de gs natural [m/kWh] 0,25

41

Em seguida, realizado o balano de energia, propriamente dito, no(s)

equipamento(s), e calculada a potncia trmica til para cogerao, que pode ser

retirada do equipamento, como mostra a Tabela 15.

Tabela 15 Balano de energia no equipamento.

ANLISE TCNICA DO PROJETO DE COGERAO

Dimenso do equipamento [kW] 1.426

Nmero de equipamentos 1

Consumo de gs natural [m/kWh] 0,25


PCS do gs natural [kcal/m] 9.400

Vazo horria de gs natural [m/h] 355,5

Potncia trmica total que entra no equipamento [kW] 3.541,8

Potncia trmica retirada do bloco do motor [kW] 492,9

Potncia trmica retirada da exausto [kW] 1.150,1

Potncia trmica retirada do leo de lubrificao [kW] 0,00

Eficincia dos trocadores de calor 90%

Potncia trmica til para CHP [kW] 1.643,0

COP Chiller de Absoro 0,8

A partir da Tabela 15, possvel observar que so consideradas trs fontes para

recuperao de energia trmica do equipamento:

Potncia trmica retirada do bloco do motor;

Potncia trmica retirada da exausto;

Potncia trmica retirada do leo de lubrificao.

O valor da potncia trmica retirada do equipamento por cada uma dessas fontes

obtida a partir do banco de dados da planilha. Para possibilitar uma maior flexibilidade

do usurio, possvel selecionar quais dessas trs fontes deseja-se considerar na anlise.

Isso feito a partir da lista suspensa mostrada na Figura 24, onde o usurio seleciona se

quer utilizar cada uma das fontes para recuperao de energia trmica.

Figura 24 Lista suspensa para seleo das fontes de recuperao da energia

trmica.

42

Um parmetro importante, apresentado na Tabela 15, a eficincia dos trocadores

de calor utilizados para recuperao da energia trmica do equipamento. Para uma

anlise mais confivel, possvel que o usurio modifique este parmetro para o valor

que desejar.

Para os casos onde tambm so analisados dados de refrigerao, a Tabela 15

apresenta o valor do COP para o chiller de absoro a ser utilizado na planta com

cogerao. O COP um coeficiente de operao e indica a eficincia do chiller a partir

da relao entre a energia trmica consumida e a produzida (ANDREOS, 2013). Os

valores do COP so obtidos atravs do banco de dados da planilha de acordo com os

dados apresentados na Figura 16.

Em seguida, realizada uma anlise da energia gerada na planta com cogerao. A

Tabela 16 apresenta essa anlise.

Tabela 16 Anlise da energia gerada na cogerao

Anlise da Gerao Energia

Demanda Eltrica pendente fora de ponta [kW] 389

Demanda Eltrica pendente na ponta [kW] 0

Demanda trmica pendente nos dias de semana [kW]

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