UNESP LP ENIENEICEXENETENIMONTE! Guaratinguetá 1997 Ah AVAVAY 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 PLANEJAMENTO DE CENTRAIS DE COGERAÇÃO ­ PROJETO, OPERAÇÃO E EXPANSÃO ­ José Antonio Perrella Balestieri Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 JOSE ANTONIO PERRELLA BALESTIERI CARO LEITOR NÃO RISQUE O LIVRO PLANEJAMENTO DE CENTRAIS DE COGERAÇÃO PROJETO, OPERAÇÃO, EXPANSÃO Tese apresentada na Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Câmpus de Guaratinguetá, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Livre­Docente, FACULDADE DE ENGENHARIA DE GUARATINGUETA Guaratinguetá 1997 71.536 I2(043 Bigd ” Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Apresentação Este trabalho procura apresentar de forma agregada as atividades desenvolvidas pelo autor ao longo dos últimos dez anos de sua atuação em pesquisa, docência e extensão universitária, no campo da Energia e, mais precisamente, na linha de pesquisa Cogeração e Análise Energética, do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia da Unesp, Câmpus de Guaratinguetá. Uma tese de livre­docência pode ser organizada de modo a consolidar os resultados alcançados pelo pesquisador ao longo de sua carreira até um certo momento, ao mesmo tempo em que é válida a consideração de uma nova vertente em sua linha de pesquisa; no presente caso, procuramos implementar um misto das duas possibilidades ao repensar os diversos pontos pelos quais passamos ao longo da carreira e ao agregar aspectos relativos à operação e à expansão das centrais de cogeração, sem esquecer de mencionar o fato de sinalizarmos para novas vertentes que tão amplo campo do conhecimento nos presenteia. O momento pode ser considerado especial na área de Energia: o país se encontra aberto à iniciativa privada e com tendência ao aumento da produção, trazendo consigo a necessidade de maiores e melhores investimentos no campo da geração; companhias energéticas estaduais se encontram em pleno processo de privatização, leis e decretos atualizando as relações de compra e venda de energia elétrica têm sido igualmente publicados, revelando uma disposição do governo federal em uma maior participação da iniciativa privada. Além disso, há que se considerar a necessidade de que os novos investimentos sejam ambientalmente adequados, com minimização das emissões de poluentes e particulados; nesse particular, a cogeração é uma das tecnologias que melhor têm se prestado à geração de energia, uma vez que permite um maior aporte de energia útil a partir da combustão de uma mesma fonte combustível e por seu caráter de solução racional para o uso das fontes energéticas. Esse trabalho foi planejado visando auxiliar o estudo da cogeração, apresentando os aspectos básicos da questão, os equipamentos necessários e as preocupações que podem surgir no planejamento de uma central de cogeração; são discutidas diferentes metodologias para o seu projeto, com destaque para a metodologia multiobjetiva desenvolvida pelo autor. Estudos de caso mostrando como se procede em um projeto de tais unidades são igualmente apresentados. Uma análise acerca das questões envolvidas na operação, inclusive com discussão das estratégias operacionais e do comportamento típico de cada unidade em operação, permite ao leitor elucidar o comportamento desses sistemas. Finalmente, um estudo acerca das potencialidades do crescimento da unidade projetada a partir das novas tecnologias que vêm sendo formuladas é apresentado no contexto da fase de expansão das unidades de cogeração existentes; uma proposta de integração das três etapas do planejamento de centrais de cogeração, assim como perspectivas sobre as questões que entendemos conterem maior relevância, são finalmente apresentadas. Guaratinguetá, Dezembro de 1997. José Antonio Perrella Balestieri Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Nascimento: Filiação: 1982­1987 1988­1990 1989 1990­1994 1995 1996­1997 1996­1997 1996­1997 1997­1998 DADOS CURRICULARES JOSÉ ANTONIO PERRELLA BALESTIERI 25.02.63 ­ São José do Rio Pardo ­ SP José Antonio Balestieri Maria Benedicta de Lima Perrella Balestieri Curso de graduação em Engenharia Mecânica Escola Federal de Engenharia de Itajubá ­ Itajubá (MG) Pós Graduação em Engenharia Mecânica, nível de mestrado Escola Federal de Engenharia de Itajubá ­ Itajubá (MG) Ingresso por concurso público na UNESP ­ Câmpus de Guaratinguetá, como auxiliar de ensino Pós Graduação em Engenharia Mecânica, nível de doutorado Faculdade de Engenharia Mecânica ­ UNICAMP Credenciado no Programa de Pós Graduação da Unesp/Guaratinguetá, área de Transmissão e Conversão de Energia Diretor­Presidente da Fundação para o Desenv. Científico e Tecnológico e Coordenador da Rede Unesp de Difusão da Ciência e da Tecnologia Vice­Presidente da Comissão de Pesquisa do Câmpus de Guaratinguetá Membro do Conselho de Pós Graduação da Faculdade de Engenharia ­ UNESP/Câmpus de Guaratinguetá, área Transmissão e Conversão de Energia Vice Chefe do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia ­UNESP Ah AVAVAY 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Agradecimentos Ao longo desse processo contínuo de formação, gostaria de agradecer a todos aqueles que favoreceram, com seu auxílio desvelado e com suas experiências pessoais, a consecução deste trabalho: A Deus, por se fazer presente em cada um de meus atos e por ter­se revelado em cada momento de minha vida nas figuras queridas de meus pais, meus avós, minha esposa e nossos familiares; Aos verdadeiros amigos, aos poucos que souberam entender a angústia dos momentos mais sofridos de cada um dos meus dias e que se regozijaram pelas pequenas conquistas da minha caminhada; Ao Departamento de Energia, da Faculdade de Engenharia da Unesp/Guaratinguetá, em cada um de seus professores, funcionários e alunos envolvidos em ensino, pesquisa e extensão, pelo apoio e incentivo sempre presentes; Aos meus professores e orientadores, ao longo das diversas etapas até aqui trilhadas; Aos meus alunos e orientados, molas propulsoras do desenvolvimento profissional e científico do pesquisador e do educador, por suas constantes indagações e sede de saber. “SOMOS QUEM PODEMOS SER, SONHOS QUE PODEMOS TER...” Humberto Gessinger Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 ÍNDICE Capítulo 1 ­ A cogeração no contexto da Conservação de Energia 1.1­ 1.2­ 1.3­ 1.4­ 1.5­ 1.6­ 1.7­ Introdução Políticas de Conservação de Energia Aspectos técnicos e econômicos da geração de energia Cogeração Histórico da cogeração Aspectos institucionais da cogeração no Brasil Apresentação dos Módulos e Capítulos Referências do Capitulo Capítulo 2­ Aspectos básicos da cogeração 2.1­ 2.2­ 2.3­ Introdução Contexto para a prática da cogeração Aspectos básicos da cogeração industrial 2.3.1­ Ciclos disponíveis para a cogeração 2.3.2­ Parâmetros para seleção do ciclo 2.3.3­ Considerações gerais para seleção do ciclo Referências do Capítulo Capítulo 3­ Análise das unidades de processo 3.1­ 3.2­ 3.3­ 3.4­ 3.5­ 3.6­ Introdução Parâmetros de caracterização dos processos/setores industriais 3.2.1­ Razão entre potência e calor de processo 3.2.2­ Fluxos mássicos e temperaturas de processo Equalização das demandas de energia Modelos para previsão de cargas Gerenciamento de cargas Integração de processos 3.6.1­ Conceitos sobre integração de processos 3.6.2­ À técnica do Pinch Point 3.6.3­ Algoritmo para locação do Pinch Point 3.6.4­ Exemplo Referências do Capítulo Capítulo 4­ Avaliação de demanda para planejamento do projeto 4.1­ 4.2­ 4.3­ 4.4­ Introdução Avaliação do histórico de demandas de energia Análise de previsão segundo modelo econométrico Conclusões Referências do Capitulo Capítulo 5­ Tecnologias de geração de energia 5.1­ 5.2­ Introdução Equipamentos de geração 5.2.1­ Caldeiras 5.2.2­Turbinas a gás 5.2.3­ Turbinas a vapor 5.2.4­ Motores Diesel Configurações possíveis 5.3.1­ Apresentação de algumas configurações 5.3.2­ Análise termodinâmica de ciclos e configurações Considerações acerca da escolha de configurações Aspectos econômicos e financeiros de máquinas térmicas Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 O X A R D PN = > 17 18 Referências do Capítulo Capítulo 6­ Modelos para projeto de centrais de cogeração 6.1­ 6.2­ 6.3­ 6,4­ 6.5­ Introdução Considerações gerais sobre o projeto de centrais de cogeração Métodos analíticos para projeto de centrais de cogeração Modelos de otimização para projeto de centrais de cogeração Metodologias de análise econômica e financeira para avaliação de centrais de cogeração Referências do Capitulo Capítulo 7­ Avaliação de propostas para uma central de cogeração 7.1­ 7.2­ 7.3­ 7.4­ 7.5­ 7.6­ Introdução Panorama da cogeração no setor em análise Demandas energéticas assumidas na análise Estudo de configurações propostas Análise técnica e econômica Conclusões Referências do Capítulo Capítulo 8­ Modelagem multiobjetiva para projeto de centrais de cogeração 8.1­ 8.2­ 8.3­ 8.4­ Introdução Abordagem multiobjetiva de projeto de centrais de cogeração Configurações disponíveis no Módulo de Projeto Formulação do modelo de otimização Referências do Capítulo Capítulo 9­ Projeto básico de uma central de cogeração 9.1­ 9.2­ 9.3­ 9.4­ Introdução Aspectos gerais do projeto de centrais de cogeração Obtenção de solução matemática com emprego do modelo multiobjetivo Conclusões Referências do Capítulo Capítulo 10­ Características operacionais das centrais de cogeração 10.1­ 10.2­ 10.3­ 10.4­ 10.5­ 10.6­ Introdução Estratégias operacionais Modelos d otimização para a operação de centrais de cogeração Características técnicas de máquinas térmicas Levantamento de fluxos em máquinas térmicas Condições operacionais em cargas parciais e total 10.6.1­ Condições parciais em motores Diesel de grande porte 10.6.2­ Condições parciais de caldeiras a vapor 10.6.3­ Condições parciais de turbinas a gás 10.6.4­ Condições parciais de ciclos combinados Referências do Capitulo Capítulo 11­ Análise de expansão em centrais de cogeração 11.1­ 11.2­ 11.3­ 11.4­ 11.5­ Introdução Aspectos gerais da expansão de centrais de cogeração Impacto da oferta de combustiveis na expansão da central de cogeração Alterações nas demandas térmica e elétrica das unidades de processo Novas tecnologias com potenciais de emprego em cogeração Referências do Capítulo Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Capítulo 12­ Modelo geral de expansão em centrais de cogeração 12.1­ ­ Introdução 145 12.2­ — Análise de modelos existentes 145 12.3­ — Modelo de expansão para centrais de cogeração 152 Referências do Capítulo 153 Capítulo 13­ Avaliação de rotas alternativas para o planejamento de centrais de cogeração 13.1­ ­ Introdução 155 13.2­ — Caracterização da unidade de processo 155 13.3­ — Modelagem para obtenção de rotas alternativas de expansão 156 13.4­ — Cenários propostos e resultados 159 13.5­ — Conclusões 163 Referências do Capítulo 164 Capítulo 14­ Comentários e Conclusões 14.1­ — Considerações gerais 14.2­ — Perspectivas para o futuro Referências do Capítulo Anexo 1­ Noções de análise econômica Al.1­ Definições 170 Al.2­ Diagramas de fluxo de caixa 170 Al.3­ Jurose depreciação 171 Al4­ Fórmulas de juros 171 AlI.5­ Avaliaçãode projetos 172 Referências do Capítulo 173 Anexo 2­ Planilha padrão para coleta de dados em planejamento de centrais de cogeração A2.1­ ­ Demandas dos processos 174 A2.2­ Equipamentos de geração existentes 177 Anexo 3­ Modelo em Visual Basic” para projeto de centrais de cogeração A3.1­ Introdução A3.2­ — Desenvolvimento da planilha A3.3­ — Recursos disponíveis na planilha proposta Referências do Capitulo RESUMO ABSTRACT RA cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 13 14 15 16 17 18 RELAÇÃO DE FIGURAS Rendas diferenciais para diferentes unidades de geração Sistema de elevação a partir de gases quentes (smokejacks) Alternativas de geração de energia: (a) independente (b) cogeração Central de cogeração a vapor e correspondente ciclo termodinâmico Esquema básico de atendimento de demandas de energia Ciclos térmicos de cogeração Níveis de geração em regime bottoming e topping Modelo entrada­saída em central de cogeração Comportamento da razão potência/calor gerado Acoplamento central de cogeração/unidade de processo Custo diferencial em ciclos de cogeração a vapor Esquema genérico de unidade de processo Comportamento temporal da razão potência/calor de processo ­ Brasil Comportamento temporal da razão potência/calor de processo ­ Brasil Curvas de carga em processos de curto termo Curvas de carga em processo de longo termo Representação tridimensional de curvas de carga diárias, referentes a 5 dias úteis Descompasso no atendimento da demanda em função de sua variabilidade Curvas diária e anual de energia elétrica Construção de uma curva de duração a partir da curva de carga Processo aleatório interpretado como família de trajetórias (a) cenários sobre série histórica (b) séries sintéticas (em curvas de duração) Curvas de demanda diária de energia elétrica em uma unidade de processo Curva de carga em edifício Curva composta temperatura x calor Intervalos de temperatura para análise em cascata Curvas históricas mensais de uma unidade de processo Ajuste das equações aos dados disponíveis Apresentação das curvas de demanda com cenários Instalação de caldeira convencional Princípio de funcionamento de caldeira de combustão em leito fluidizado Caldeira flamotubular de recuperação de calor Componentes principais de turbina a gás Turbinas a vapor Possíveis aproveitamentos de energia num motor de combustão interna Ciclo a vapor ­ configurações simples possíveis Ciclo a gás ­ configurações simples possíveis Ciclo combinado ­ configurações simples possíveis Ciclo Diesel ­ configurações simples possíveis Custo de investimento em caldeiras convencionais Custo de investimento em turbinas a vapor ­ condensação/extração Custo de investimento em turbinas a vapor ­ contrapressão Custo de insvestimento em conjuntos turbina a gás/caldeira de recuperação Às soluções eficientes no contexto das demais soluções Classes de modelos matemáticos Algoritmo proposto por Gurney ef al. Algoritmo proposto por Babus'Haq ef al. Algoritmo proposto por Verbruggen et al. Biblioteca de componentes e exemplo de configuração possível Árvore de decisão para a avaliação de viabilidade da cogeração Algoritmo proposto por Mohanty e Panda Algoritmo proposto por Block e Turkenburg Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Algoritmo proposto por Egelioglu et al. Fluxograma de processo Configuração | Configuração 2 Configuração 3 Configuração 4 Configuração 5 Configuração 6 Relação entre as diferentes configurações propostas Demandas (a) em base diária (mês Março) e (b) em base mensal Representação de um grafo generalizado Limites inferior e superior da curva operacional de um equipamento Níveis de relacionamento entre as técnicas do modelo multiobjetivo Proposta multiojbetiva para especificação de centrais de cogeração Módulo de Projeto de centrais de cogeração (MPCC) Representação esquemática de central de cogeração para análise inicial Rede de grafos correspondente à configuração proposta Esquema básico para planejamento de centrais de cogeração na análise final Rede de grafos para análise final Estruturas de projeto Soluções eficientes no espaço x Configurações propostas para seis critérios de projeto Solução final proposta Curva de carga térmica superior à elétrica Curva de carga elétrica superior à térmica Representação esquemática de máquinas térmicas Curva operacional de uma máquina térmica Diagrama de consumo para turbina a vapor de condensação Diagrama de consumo para turbina a vapor de contrapressão Diagrama de consumo de turbina a vapor mista Comportamento do consumo específico de combustível em carga parcial Quadrantes operacionais no ponto de projeto Condição operacional com demandas inferiores à geração no ponto de projeto Variação da potência efetiva de motores Diesel Potência efetiva de unidades Diesel de menor porte Consumo específico de unidades Diesel em cargas parciais Comportamento da pressão média efetiva Variação da temperatura dos gases de escape Variação da temperatura da água após turbo Variação da temperatura do óleo após turbo Variação da vazão em massa do fluido de trabalho com a carga da caldeira Comportamento de superaquecedores em face à variação da carga de caldeiras Curvas características de um compressor Curvas características de uma turbina a gás ­ Comparativo entre os ciclos Processo aleatório de uma família de trajetórias Configuração geral e correspondente rede de grafos Configurações (a) cenário 1 (b) demais cenários Unidade BIG­STIG Caldeira de leito fluidizado borbulhante Caldeira de leito fluidizado circulante Ciclo combinado com caldeira PFBC convencional Sistema híbrido IGCC e caldeira de leito fluidizado pressurizado Ciclo Kalina proposto para geração de energia Esquema básico para célula de combustível Esquema tipico de cogeração com célula de combustível de alta temperatura Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 O processo de expansão da capacidade Comportamento da função incremento de capacidade x Comportamento da capacidade ótima da instalação, x* Rede de grafos correspondente à formulação de expansão de Zangwil! Representação em rede de grafos do modelo UFL&CAP Rede de grafos proposta para expansão de centrais de cogeração Representação esquemática da configuração geral para expansão Resultados do Caso 1 Resultados do Caso 2 Resultados do Caso 3 Resultados do Caso 4 (a) cenário il 1; (b) demais cenários Resultados do Caso 5 Diagrama esquemático de etapas do planejamento de centrais de cogeração Representação gráfica de fluxo de caixa Representação gráfica de fluxo de caixa Cálculo da taxa interna de retorno Tela principal do Visual Basic” Representação da composição de uma configuração utilizando o modelo proposto Janela da análise técnico­econômica Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 RELAÇÃO DE TABELAS Custo de investimento de fontes de geração elétrica Faixa de produção da razão potência/calor gerado em ciclos térmicos ­ regime topping Características de centrais para geração elétrica Parâmetros técnico­econômicos de ciclos utilizáveis em centrais de cogeração Razão potência/calor de processo de setores industriais brasileiros Faixas de utilização de temperatura de processos Valores da rede de fluxos Ajuste e ordenamento das temperaturas Balanceamento entálpico Variação mensal de demanda térmica e elétrica de uma unidade de processo (kW) Valores disponíveis na escala temporal Cenários considerados na análise Resultado das projeções de demanda de energias eletromecânica e térmica Características gerais de ciclos usados em cogeração Custo de investimento anualizado para equipamentos Combinações de capacidade e regime de operação Potência/calor de processo Potência/calor de geração Excedentes obtidos em diferentes condições de saída do vapor vivo Indices técnicos e econômicos Indices econômico ­ financeiros Variação anual da razão de demanda (potência/calor) Valores apurados para as configurações escolhidas para atenderem as curvas de demanda da figura 6.1 Correspondência entre arcos e equipamentos na rede de grafos da análise inicial Correspondência entre arcos e equipamentos na rede de grafos da análise final Valores iniciais das configurações de acordo com objetivos isolados (10ºkg/mês) Valores iniciais e ideais Valores referentes à nova solução proposta pelo modelo (10º kg/mês) Valores extremos e intermediários da primeira interação Valores extremos e intermediários da segunda interação Valores referentes à nova solução proposta pelo modelo (10º kg/mês) Valores extremos e intermediários da terceira interação Valores referentes à nova solução proposta pelo modelo (10º kg/mês) Valores extremos e intermediários da quarta interação Valores referentes à solução final proposta pelo modelo (10º kg/mês) Valores correspondentes à solução final proposta Vazão em turbinas a gás de diferentes fabricantes Fluxos e taxas de fluxo em caldeiras a vapor Fluxos em conjuntos turbina a gás/caldeira de recuperação (sem queima suplementar) Planejamento da expansão em múltiplos estágios Cenários de preço e disponibilidade de combustíveis Valores técnico­econômicos de algumas tecnologias emergentes Características de diferentes tecnologias de geração Representação dos arcos da rede de grafos da figura 9.6 Valores de demanda energética em diferentes cenários Representação dos arcos da rede de grafos da figura E4.1 Aspectos técnicos e econômicos de algumas tecnologias de cogeração Resultados alcançados no Caso 1­ vazões em 10º kg/ano Resultados alcançados no Caso 2­ vazões em 10º kg/ano Resultados alcançados no Caso 3­ vazões em 10º kg/ano Resultados alcançados no Caso 4­ vazões em 10º kg/ano Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Resultados alcançados no Caso 5­ vazões em 10º kg/ano Fórmulas de Juros Vapor nos processos Energia elétrica Períodos ativos da empresa Demandas mensais de vapor e água quente Demandas diárias de vapor e água quente Demandas mensais de água gelada Demandas diárias de água gelada Caldeiras a vapor Turbinas a vapor Turbinas a gás Ah AVAVAY 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 CAPÍTULO | A COGERAÇÃO NO CONTEXTO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 1.1­ Introdução Foi a partir da década de 1970, com a ocorrência de duas crises internacionais envolvendo o abastecimento de petróleo ­ a primeira em 1973 e a segunda em 1979 ­ que o mundo tomou consciência de que os recursos energéticos são finitos. Em todos os países, com exceção dos Estados Unidos e do Brasil, ao primeiro sinal de elevação exagerada dos preços do petróleo, programas de racionalização do uso da energia começaram a ser elaborados”. Com o segundo choque, intensificou­se a discussão acerca do problema da utilização da energia e, ainda que defasado no tempo, também o Brasil iniciou programas de incentivo à redução da demanda de energéticos. A idéia inicial de racionalização impôs uma mentalidade que ficou fortemente marcada pelo que se convencionou chamar de Conservação de Energia, que consistiu naquele instante de um conjunto de práticas de alcance limitado, destinadas a eliminar desperdícios flagrantes no consumo de energia. Contudo, conforme assinala La Rovere', hoje se sabe ser esse apenas o primeiro nível de um conjunto maior de práticas e é mister reconhecer na Conservação de Energia seu significado mais abrangente. Num sentido amplo, a Conservação de Energia engloba não apenas a diminuição da quantidade de energia primária necessária para propiciar o consumo de um mesmo nível de energia útil mas também a construção de um Estilo de Desenvolvimento que implique mais baixo perfil de demanda da energia útil para um mesmo padrão de satisfação das necessidades sociais. Entende­se por Estilo de Desenvolvimento a maneira como se organizam OS recursos materiais e humanos dentro de um determinado sistema, com o objetivo de resolver as questões relativas a "o que", "para quem" e "como" produzir os bens e serviços. Concorrem para sua definição o passado histórico do país, especialmente sua relação com os demais países, assim como a capacidade de resolver seus próprios problemas, buscando soluções originais. Não é intenção desse trabalho discutir os motivos históricos que levaram o Brasil a adotar o seu atual Estilo de Desenvolvimento, um modelo colonialista de dependência aos países desenvolvidos, marcado por relações de defasagem tecnológica e implantação gradual de indústrias energointensivas de transformação da matéria­prima”, mas sim apresentar alternativas de práticas conservacionistas, que venham ao encontro das reais necessidade energéticas do presente momento e que possam vir a alterar o direcionamento adotado pelo país. 1.2­ Políticas de Conservação de Energia Enquanto conjunto de práticas voltadas à redução de desperdícios, a Conservação de Energia se encontra restrita ao primeiro nível de intervenção sobre a demanda. Nessa condição, Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 aplicada de forma isolada do contexto de outras atuações, se apresenta com resultados práticos limitados. A Conservação de Energia passa realmente a beneficiar à população (produtores de bens e serviços e consumidores em geral) e ao país na exata medida em que os mesmos se aprofundam na adoção de políticas ditadas pelos seguintes níveis de intervenção": e eliminação dos desperdícios na acepção estrita do termo, que corresponde ao conceito primeiro de Conservação de Energia; melhoria no funcionamento dos sistemas de produção e consumo, existentes graças a uma organização mais eficiente e à racionalização administrativa; reestruturação do aparelho produtivo, buscando­se tecnologias poupadoras de energia, através da adoção de processos e equipamentos mais eficientes; reestruturação do aparelho de consumo, através da concepção de produtos com normas de uso reduzido de energia, seja direta (melhoria da eficiência dos equipamentos, por exemplo) ou indiretamente (redução do conteúdo energético dos materiais empregados, reciclagem, recuperação de resíduos, etc.); exploração de formas alternativas de satisfação da mesma necessidade social, especialmente no que diz respeito aos serviços (prioridade para o transporte coletivo de passageiros e ferroviário para cargas) e à utilização de equipamentos coletivos nas habitações; ação sobre os determinantes da demanda de transportes, reduzindo o volume de tráfego de mercadorias e pessoas, assim como a distância a que devem ser transportadas, pela modificação do modelo de configuração espacial de economia tipo centro­periferia; e mudança de valores que podem alterar a estrutura da demanda social, inclusive os esforços para promover a auto­limitação dos níveis de consumo material, em nome de postulados éticos e/ou estéticos. Diante desse enfoque geral da Conservação de Energia, que incorpora a idéia de alteração do Estilo de Desenvolvimento do país para que as metas de redução da demanda por energia sejam alcançadas, a cogeração e as técnicas de gestão de cargas podem ser situadas em diferentes níveis de intervenção como práticas coadjuvantes e salutares para esse processo. 1.3­ Aspectos técnicos e econômicos da geração de energia Do ponto de vista macroeconômico, concorrem com as centrais de cogeração todos os demais empreendimentos já existentes da área de geração, públicos ou privados. Os investimentos em geração, no Brasil, foram alocados preferencialmente em usinas hidrelétricas, com algumas poucas opções termelétricas que operam apenas na ponta do sistema e nos períodos hidrológicos mais desfavoráveis. Cada uma das unidades apresenta um custo operacional diferenciado, em decorrência de sua depreciação ao longo do tempo. A inserção de novas unidades de geração, com custos que refletem a remuneração do capital investido, apresenta um diferencial monetário em relação às unidades mais antigas; isso faz com que a operação na base se faça preferencialmente com as unidades de menores custos, lançando­se mão das unidades de maiores custos de acordo com o crescimento da demanda. Uma vez que os recursos disponíveis para o financiamento de novas unidades públicas de geração se encontram escassos, a cogeração se apresenta como uma fonte de renda marginal, que deverá ser incorporada ao planejamento do sistema elétrico nacional tão logo a demanda por eletricidade apresente forte tendência de crescimento. A tabela 1.1 apresenta valores referentes a custo de algumas formas de geração elétrica; observa­se que a cogeração se situa, nesse contexto, 2 Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 como uma fonte de geração elétrica competitiva se comparada à geração termelétrica convencional, especialmente quando se considera sua maior eficiência (resultado do aproveitamento conjunto de calor e de eletricidade). A disposição das quantidades e custos de três formas de geração pode ser visualizada na figura 1.1, com a apresentação de rendas diferenciais pelo uso das fontes de menor custo comparativamente à fonte de renda marginal (no caso, a cogeração). As distorções nos custos apresentados para as fontes hidrelétricas se devem principalmente à coexistência de unidades já depreciadas, portanto com baixo custo, ao lado de novas e caras unidades, bem como ao fato de tais valores se referirem a condições internacionais, o que acarreta uma discrepância considerável quando comparado à realidade brasileira, por decorrência dos transporte desses equipamentos (quase sempre intercontinental) e encargos inerentes; entretanto, é importante que se atente para a preocupação aqui expressa de apresentar a cogeração face às demais formas de geração. Tabela 1.1­ Custo de investimento de fontes de geração elétrica Fonte de geração Faixa de custo (USS/kW) Hidrelétrica 1820­4680 Termelétrica a óleo 780 Termelétrica a gás (CC) 611 Termelétrica a carvão 1066 Cogeração (óleo) 975 Cogeração (biomassa) 2600 Cogeração (gás ­ CC) 715 Nota: CC­ ciclo combinado Fonte:[6]. preço/custo MN Rd(a)=(Cc­Ca)Qa Cc À Rd(B)=(Cce­Cb)(Qb­Qa) 7NS Rd(A) Re) A ­ hidrelétricas B ­ termelétricas C ­ cogeração FO Qc quantidade Figura 1.1­ Rendas diferenciais para diferentes unidades de geração Tecnicamente, a cogeração se destaca dentre as demais formas de geração, especialmente: e por elevar a eficiência conjunta de conversão da energia química dos combustíveis em energia útil para patamares da ordem de 85% (cerca de 35 % elétrica e 50% térmica, variando de acordo com o ciclo adotado); por ser uma tecnologia "ecológica", não apenas por reduzir a cadência com que a humanidade vem exaurindo as fontes energéticas não­renováveis mas também pelo fato de apresentar, , 3º NO 10comprovadamente, menores indices de emissão de poluentes ; por garantir à empresa ou unidade que a pratica maior confiabilidade na geração de seus insumos energéticos, especialmente naqueles setores que contam com subprocessos aos quais não se permitem falhas no fornecimento de energia (sistemas prioritários); Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 por ser uma prática cuja tecnologia pode ser facilmente dominada pelo quadro técnico da empresa, visto que não incorre em grandes inovações mas especialmente em nova mentalidade operacional; por constituir uma nova fonte de geração de renda para a empresa, desde que a central de cogeração se encontre interligada ao sistema da concessionária local e que as tarifas de compra e venda de energia elétrica se encontrem em patamares adequados que remunerem o capital empatado. 1.4­ Cogeração A cogeração corresponde à produção simultânea de diferentes formas de energia útil, como as energias eletromecânica e térmica, para suprir as necessidades de uma unidade de processo, seja ela do setor industrial, agrícola, terciário ou um sistema isolado, a partir de uma mesma fonte energética primária. Esta prática pode ser considerada uma alternativa positiva se comparada ao atual estágio de geração de energia, tal como é concebido o sistema interligado. Neste, as necessidades de energia elétrica são atendidas mediante contrato de compra com uma concessionária, sendo as necessidades térmicas (quentes ou frias) atendidas mediante autoprodução. À energia elétrica também pode ser autoproduzida, sendo que nestes casos as unidades de geração devem ser dimensionadas para operarem de forma independente das concessionárias, garantindo desta forma a confiabilidade do sistema isolado. O histórico brasileiro na área de geração de energia é marcado por uma alternância entre os agentes públicos e privados na condução desse processo; no entanto, a geração de utilidades térmicas sempre esteve a cargo dos agentes privados, principalmente pelo fato de o Brasil estar localizado geograficamente em uma área de clima ameno, sendo que, salvo poucas exceções, O aquecimento dos ambientes não é imperioso para a sobrevivência de sua população. Na história de outros países, localizados em regiões de clima frio, tais como Canadá, Estados Unidos, Suécia e outros países no extremo norte, a geração de formas de energia eletromecânica e térmica para a manutenção da vida sempre foi essencial, o que em parte explica a forte penetração da cogeração em boa parte dos mesmos. Dentro dos níveis de intervenção apresentados para a Conservação de Energia, a cogeração pode ser enquadrada na terceira etapa, visto que é uma proposta consonante com a necessidade de disseminação de novas tecnologias poupadoras de energia, portanto mais eficientes. A prática da cogeração não se encontra limitada pelo desenvolvimento de novas máquinas térmicas, uma vez que simplesmente apresenta uma proposta diversa do conceito atualmente vigente quanto à produção de energia. Este fato não impede, no entanto, que novas formas de geração sejam paulatinamente incorporadas no processo de expansão das centrais de cogeração tão logo se mostrem competitivas com o atual estado­da­arte da geração de energia. A cogeração não tem sido praticada no Brasil na intensidade que poderia apresentar; existem diversos setores favorecidos por demandas energéticas adequadas a esta prática que poderiam habilitar­se a ela. A participação da cogeração no mercado brasileiro de produção de energia ainda pode crescer de forma significativa, desde que sejam estabelecidas tarifas adequadas e que o mercado pratique taxas de juros realistas que incentivem esta prática. 1.5­ Histórico da cogeração O conceito de cogeração está associado à geração combinada de energias térmica e eletromecânica a partir de uma mesma fonte primária. Seu uso vem apresentando, especialmente nas duas últimas décadas, uma forte tendência de crescimento. À origem desta prática está 4 Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 associada ao desenvolvimento de sistemas para climatização de ambientes (aquecimento e resfriamento). Num interessante trabalho de investigação histórica, Pierce, 1995, identifica a origem da cogeração nos sistemas de elevação a partir de gases quentes ­ smokejacks (figura 1.2), basicamente uma "turbina" movida pelo ar aquecido que sobe por uma chaminé. Esses sistemas teriam sido introduzidos na Europa no século 14 e constam de ilustrações alemãs datadas de 1350. Referências diversas citam o emprego dos smokejacks na Alemanha e na Itália no século 16, assim como na descrição do inglês John Evelyn em 1685, que dizia ter um desses em sua casa havia mais de cem anos. Benjamin Franklin sugeriu em 1758 que tais sistemas poderiam produzir energia no verão a partir da ventilação natural das chaminés. Babus Haq et al., 1986, apresentam uma revisão histórica mais recente para a cogeração, situando o início do desenvolvimento moderno de sua prática em meados de 1870, realizado por máquinas a vapor de eixo alternativo acopladas a geradores elétricos, em áreas urbanas com alta densidade populacional. Naquela oportunidade, a cogeração estaria intimamente ligada ao aquecimento de ambientes, o que em muito teria ajudado para a difusão desta tecnologia. Segundo a mesma referência, até 1909 haveria nos Estados Unidos apenas 150 sistemas de aquecimento de ambientes (district heating), muitos deles operados com baixos níveis de eficiência. gases : quentes SU SS NU NÁ NE CN SS NH N| trabalho mecânico de elevação Figura 1.2­ Sistema de elevação a partir de gases quentes (smokejack) V i 1 d | As décadas de 1920 e 1930 se caracterizaram pelo desenvolvimento de sistemas de aquecimento de ambientes na Europa, especialmente nos países do Norte, bem como na então União Soviética e países do bloco comunista. Um número significativo de centrais de cogeração somente passa a ser evidenciado após a Segunda Grande Guerra; a principal causa da lenta difusão desses sistemas nas demais regiões deve ter por razão o baixo custo unitário dos combustíveis e/ou a abundância de combustíveis fósseis. Com a crise do petróleo em 1973/74 e 1979/80 e as resistências ambientalistas às formas de geração nuclear, os sistemas de cogeração e aquecimento central receberam grande impulso, especialmente nos Estados Unidos, com a publicação em 1978 do PURPA (Public Utilities Regulatory Policy Act), cuja seção 210 impôs às concessionárias a compra de energia a preço não­discriminatório, baseado nos custos evitados de geração, bem como atender às necessidades energéticas de cogeradores e pequenos geradores que atendessem às qualificações estabelecidas 5 Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 neste mesmo conjunto de leis ­ qualifying facilities,QF (Berman, 1983). O PURPA abriu novos horizontes na indústria de geração na medida em que introduziu a noção de competição em mercado aberto de energia elétrica e rompeu a estrutura verticalmente integrada das concessionárias públicas. Observou­se na década de 1980 um forte impulso no emprego da cogeração em diversos países, especialmente porque o apelo que esta apresenta quantoao uso racional da energia vem garantindo desde então o crescente interesse nessa forma de geração. Na década de 1990, especialmente na Europa e nos Estados Unidos, a cogeração responde por um grande número de aplicações, em diversos setores, tanto em termos de sistemas compactos quanto de grande porte. Mais recentemente, em 1992, foi criado nos Estados Unidos a figura do EWG ­ exempt wholesale generator­ uma espécie de grande gerador de energia que estaria livre de obrigações prescritas no PURPA: qualquer pessoa ou corporação, inclusive entidades afiliadas a concessionárias elétricas, pode desde então investir em unidades de geração. Como as concessionárias podem deter até 100% de uma EWG, segundo a National Energy Policy Act (contra os 50% impostos no PURPA para uma QF), abre­se aí uma grande oportunidade de bancar projetos de geração fora de seu território de atuação. 1.6­ Aspectos institucionais da cogeração no Brasil Desde o Código de Águas ­ Decreto 24643, de 10/07/1934, o Brasil conta com uma extensa legislação voltada para a gestão da energia elétrica, notadamente aquela gerada a partir de recursos hídricos; as mais recentes são a seguir revisadas em seus aspectos principais, nos quais se procura ilustrar os aspectos mais propriamente relacionados à cogeração. O Decreto 915, de 06/09/93, autorizou a formação de consórcios para geração de energia elétrica; segundo esse decreto, as empresas interessadas. na geração de eletricidade ficam autorizadas a se reunir para tanto desde que o façam para uso dessa energia nas respectivas unidades consumidoras, cabendo a cada uma parcela proporcional à sua participação na realização do empreendimento (art. 4º). O parágrafo 1º desse mesmo artigo assinala que o excedente de eletricidade pode ser comercializado com concessionários públicos de energia elétrica; pelo parágrafo 2º, no entanto, está vedada a comercialização ou cessão a terceiros, a menos de vilas operárias habitadas por empregados dos consorciados, desde que construídas em terrenos de sua propriedade (parágrafo 3º), cessão entre os consorciados de parte da energia e potência que lhes caibam, por meio de mecanismo compensatório formalmente acertado entre as partes (parágrafo 4º) e transporte de energia a partir do uso das linhas de transmissão dos concessionários de serviços públicos, mediante pagamento ajustado e de acordo com as disponibilidades técnicas desses últimos (parágrafo 5º). A partir do Decreto 1009, de 22/12/93, criou­se o SINTREL ­ Sistema Nacional de Transmissão de Energia Elétrica, administrado pela ELETROBRÁS ­ Centrais Elétricas Brasileiras S.A.; por esse órgão, integrou­se a malha básica de transmissão dos sistemas interligados das regiões Sul/Sudeste/Centro Oeste e Norte/Nordeste, dando possibilidade de integrar os autoprodutores ao sistema. Segundo o parágrafo único do artigo 3º, "entende­se como autoprodutor a pessoa jurídica pública ou privada que esteja capacitada a produzir individualmente ou de forma consorciada energia elétrica para uso próprio, fornecendo o excedente ao concessionário de serviço publico”. A Lei 8987, de 13/02/95, dispõe sobre o regime de concessão e permissão de serviços públicos previsto no artigo 175 da Constituição Federal; nela podem se enquadrar os autoprodutores de energia elétrica e consórcios para geração de energia. A Lei 9074, de 07/07/95, trata em seu artigo 4º de concessões, permissões e autorizações para exploração de serviços e instalações de energia elétrica e de aproveitamento energético de 6 Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 cursos de água. Segundo o artigo 7º, o limite para as instalações termelétricas de potência superior a 5000 kW, destinadas a uso exclusivo do autoprodutor, demandam autorização do poder concedente, ao passo que instalações com potência igual ou inferior a esse valor estão dispensadas de concessão, permissão ou autorização, cabendo apenas uma comunicação ao mesmo (art. 8º). Na Seção II, que compreende os artigos 11º a 14º, identifica­se como "produtor independente de energia elétrica a pessoa jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebam concessão ou autorização do poder concedente para produzir energia elétrica destinada ao comércio de toda ou parte da energia produzida, por sua conta e risco". Há aqui uma abertura para a venda de energia elétrica também a outros consumidores que não um concessionário de serviço público de energia elétrica, visualizado no artigo 12º, com crescente liberação ao longo dos anos seguintes à publicação da lei (artigo 15º). 1.7­ Apresentação dos módulos e capítulos Este trabalho se compõe, basicamente, de três partes, as quais procuram apresentar as três principais fases do planejamento de centrais de cogeração. Na primeira parte, são apresentados os aspectos relativos ao Projeto de centrais de cogeração; para tanto, os aspectos básicos dessa prática são estabelecidos no capítulo 2. Uma visão acerca dos setores industriais, mostrando as potencialidades de cada um, é mostrada no capítulo 3; nesse mesmo capítulo são introduzidas também algumas das mais recentes práticas para a gerência das cargas industriais, metodologias de tratamento e redução dos picos de carga e ainda uma noção acerca de modelos de integração de fluxos e processos (método de Pinch Point). No capítulo 4 é apresentado um estudo de caso para a avaliação de demanda que irá subsidiar a análise do projeto e da expansão das centrais de cogeração; o capítulo 5 apresenta informações técnicas e econômicas de máquinas térmicas empregadas na composição de configurações para centrais de cogeração, isoladas ou conjuntamente; uma breve discussão sobre o comportamento em cargas parciais e sua influência na estratégia operacional das centrais de cogeração completam o capítulo. O capítulo 6 apresenta algumas metodologias propostas para o projeto de centrais de cogeração, com especial ênfase para os valores básicos para a definição dos arranjos, bem como para a definição apriori das configurações ou sua pesquisa continuada ao longo das estruturas de decisão. Ilustrando a técnica de proposição de configurações com base apenas em simulação a partir de equacionamento termodinâmico, no capítulo 7 é apresentada uma análise técnico­ econômica de algumas propostas para empresa do sub­setor cervejeiro. O capítulo 8 apresenta os rudimentos da metodologia multiobjetiva desenvolvida pelo autor para o projeto de centrais de cogeração; em complemento a esse capítulo, o capítulo 9 ilustra a técnica multiobjetiva através da resolução de um problema de determinação das configurações mais eficientes de uma certa empresa a partir de um conjunto conflitante de objetivos. Na segunda parte deste trabalho, que trata da operação de centrais de cogeração, o capítulo 10 está voltado à questão da operação de unidades de cogeração; apresenta as principais estratégias operacionais, os modelos utilizados em operação e as características das unidades em condições operacionais. A terceira parte, que trata da expansão de centrais de cogeração, conta com os capítulos 11, no qual são apresentadas as condições gerais que influem no problema da expansão de centrais de cogeração; no capítulo 12 faz­se uma revisão dos principais modelos, definindo­se um modelo baseado em redes de grafos para o estudo de expansão das centrais de cogeração. O capítulo 13 procura ilustrar essa última questão pela imposição de condições tecnológicas e econômicas tais que viabilizem um ou outro cenário proposto para análise e discussão. Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Referências 1. BABUSHAQ, RF, PROBERT, S.D., SHILSTON, MJ. 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(edt.), op.cit., p. 474­89, 1985. 8. PIERCE, M.A. A history of cogeneration before PURPA. ASHRAE Journal, v. 37, n. 5, p. 53­60, 1995. 9. SMITH, D.J. The market for cogeneration will average $3.5 bilion/year. Power Engineering, vol.96, no. 2, p. 9, 1992. 10. WILSON, D. Quantifying and comparing fuel­cycle greenhouse­gas emissions. Energy Policy, v. 18, n. 6, p. 550­562, 1990. Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 CAPÍTULO 2 ASPECTOS BÁSICOS DA COGERAÇÃO 2.1­ Introdução A cogeração é uma tecnologia que apresenta potencial de aplicação tanto no setor industrial quanto no setor terciário (especialmente em aeroportos, hotéis e hipermercados), tanto em sistemas interligados quanto em sistemas isolados, para os quais não existem opções de acesso a outras formas de geração, distinguindo­se pelo porte dos sistemas então empregados. No setor industrial, as empresas de papel e celulose, assim como as químicas e petroquímicas, são as que apresentam maiores potenciais para a prática da cogeração. Desse modo, apresentam­se neste capítulo conceitos básicos sobre o planejamento de unidades de cogeração, as características básicas de tais sistemas e as principais considerações para seleção das tecnologias e configurações possíveis. 2.2­ Contexto para a prática da cogeração À demanda de energias térmica e eletromecânica ocorre de forma quotidiana, tanto em nível residencial quanto industrial, agrícola ou comercial. Sem perda de generalidade, serão apresentadas as condições de atendimento da demanda energética em nível industrial. Para bem estabelecer a cogeração dentro da perspectiva do uso racional da energia em base industrial é necessário estabelecer o conceito de unidade de processo como um conjunto de fábricas e/ou subprocessos de um certo setor, que se encontram em área física próxima e que se interrelacionam para a produção de bens. Há duas alternativas de geração de energias térmica e eletromecânica para um processo industrial que necessita destes insumos para a composição de seus produtos ou para a produção de bens; uma delas, a mais usual, consiste em adquirir a energia elétrica diretamente de uma concessionária e produzir a energia térmica necessária (vapor, águas quente e gelada) mediante o consumo (direto ou indireto) de mais de uma forma de energia primária. A partir da cogeração, as formas de energia eletromecânica e térmica são produzidas em conjunto a partir de uma mesma fonte de energia primária; na figura 2.1, uma unidade de processo demanda energia nas formas térmica (para secagem, aquecimento, cozimento, desinfecção, entre outros usos) ­ simbolizado por S (de steam, vapor em inglês, ainda que possa também representar outras manifestações térmicas, como água quente ou gelada) ­ e eletromecânica (iluminação, acionamento de máquinas, bombas, motores) ­ simbolizado por E ­ e é atendida pelas duas alternativas de geração. Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 A concessionária local E UNIDADE DE “Ps caldeira ou chiller — PROCESSO S — PRODUTO (a) E E central de = D­­­——> UNIDADE DE cogeração —>­ " — PROCESSO PRODUTO Ss. (b) Ep ­energia primária Figura 2.1­ Alternativas de geração de energia: (a) independente (b) cogeração A cogeração não é a única forma de geração de energia, tampouco foi a mais difundida até as últimas décadas. Concorrem com ela a geração independente de calor em caldeiras convencionais para o suprimento de energia térmica e a compra de energia elétrica da concessionária local para suprimento da demanda eletromecânica. A forte penetração da cogeração no mercado produtivo decorre do fato de haver um melhor aproveitamento da energia primária consumida neste caso, em comparação com a outra opção, em que para o mesmo montante de energias demandadas há consumo de energia primária tanto no gerador de vapor quanto no gerador elétrico. Um exemplo ilustrativo, adaptado de Witte er al.”, permite vislumbrar quantitativamente o potencial de conservação de energia que a cogeração pode propiciar pela redução na quantidade do combustível necessário para fornecer energia ao processo. Seja uma certa indústria que disponha de uma caldeira com 80 % de eficiência e que gera 12,5 kg/s de vapor a 5.0 MPa e 370 ºC. A partir do uso de uma turbina a vapor de contrapressão, com eficiência de 80%, a empresa gera eletricidade, sendo o vapor exaustado da mesma a 1.0 MPa e enviado para O processo; posteriormente, o vapor é condensado para recuperar o calor e retornado à caldeira ainda a 1.0 MPa. Se comparadas as quantidades de combustivel demandadas neste caso e numa situação em que a geração é feita de forma independente para o atendimento da necessidade de vapor pelo processo, verifica­se que há vantagens na cogeração; alguns números são aqui omitidos, porém facilmente resgatáveis para fins de verificação. A figura 2.2 ilustra o sistema de cogeração adotado, bem como o diagrama termodinâmico correspondente. Considerando­se a eficiência da turbina, a potência gerada na máquina pode ser calculado por i W=m(h=h) que resulta em 3.70 MW; o calor fornecido ao processo será dado por Q=m(h,­h,) que resulta em 25.80 MW; a energia contida no combustível gasto será F=m(h­h)/n, tendo por resultado 35.85 MW. Desse modo, a eficiência total obtida é de 80% [(3.70 + 25.80)/35.85], sendo que 4" é a simbologia para representar o ponto 4 na condição de líquido resfriado e que a entalpia do ponto 4 já considera a eficiência da turbina. Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 turbind() gerador > J processo A | condensador =“ | 1 caldeira Figura 2.2­ Central de cogeração a vapor e correspondente ciclo termodinâmico Tomando­se então para comparação um sistema independente a partir de uma unidade de geração elétrica com consumo específico de calor típico de 10550 kJ/kWh, a necessidade de energia do combustível será de 10.84 MW para geração elétrica, que somada com os 32.25 MW para geração de calor, considerando as mesmas condições anteriores, resulta 43.09 MW, isto é, 6,25 MW a mais em energia do combustível se comparado com a cogeração, o que resulta em maior vazão de combustível se considerado o mesmo poder calorífico em ambos os casos. Estes valores validam afirmações anteriores de que, tecnicamente, a cogeração é um meio eficiente de geração de energia. 2.3­ Aspectos básicos da cogeração industrial Uma central de cogeração apresenta máquinas térmicas semelhantes àquelas utilizadas, por exemplo, em uma central de utilidades que gere vapor e energia elétrica de forma independente. À grande distinção presente entre estas duas formas de geração consiste, basicamente, na caracterização do uso da energia utilizada para atendimento das demandas apresentadas pela empresa ou população. O esquema básico do atendimento das demandas por meio de central de cogeração deve apresentar conexão a sistemas independentes de geração eletromecânica, à concessionária de energia elétrica local e a caldeiras auxiliares, de modo a aumentar a confiabilidade de geração térmica e elétrica nos impedimentos da unidade; essas últimas devem estar presentes para suprir a demanda de energia nas condições de saída forçada das centrais de cogeração, bem como nas situações em que a estratégia de operação desta última dispõe pelo seu desligamento. A figura 2.3 ilustra o esquema básico a ser adotado no planejamento de unidades de cogeração. Um projeto de central de cogeração, além de ser capaz de atender às necessidades de demanda do processo associado, deve ser também economicamente viável, em função dos elevados custos de investimento que sua implantação representa (os empreendimentos na área de energia são naturalmente capital intensivos); isto implica na necessidade de que o projeto proposto seja conceitualmente adequado e com limites de custo aceitáveis. No que tange aos aspectos técnicos, o projeto deve considerar níveis mínimos de eficiência das máquinas, de emissões de poluentes e de confiabilidade, para garantir o adequado funcionamento da unidade de geração. Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 geração elétrica independente Soo déficit concessionária demanda elétrica excedente "central de cogeração demanda térmica geração térmica independente Figura 2.3­ Esquema básico de atendimento de demandas de energia 2.3.1­ Ciclos disponíveis para a cogeração Um projeto de central de cogeração conceitualmente adequado é aquele que não só atende às demandas operacionais prescritas pelo processo mas também consegue garantir o nível de excedentes planejado, nos períodos ajustados pelo processo, com confiabilidade e eficiência. Nos casos em que isso não é alcançado, as falhas na geração e a queda de eficiência que lhe são decorrentes ocasionam, respectivamente, aumentos nos custos de operação e manutenção devido ao pagamento de multas contratuais e aumento nos custos dos combustíveis utilizados (ainda que a central queime resíduos ou sub­produtos do processo). Os principais ciclos utilizados para configurações de centrais de cogeração são: ­ ciclo Rankine ou a vapor . ­ ciclo Brayton ou a gás ­ ciclo Combinado ­ ciclo Diesel este último de grande utilização na Europa e Estados Unidos, especialmente empregado em unidades compactas e em muitos sistemas isolados (como em embarcações navais). Em termos de projeto, faz­se necessário definir também, uma vez estabelecido o ciclo, a disposição conceitual da central. Quando projetados para atender primeiramente à demanda térmica, sendo os rejeitos desta usados para suprir a demanda eletromecânica, diz­se que o ciclo opera em regime bottoming, se, por outro lado, o atendimento à demanda eletromecânica se faz primeiramente em relação à demanda térmica, diz­se que o ciclo opera em regime topping. Na figura 2.4 apresentam­se as configurações básicas de tais ciclos, sendo que apenas a primeira configuração de ciclo a vapor se apresenta em regime boitoming, sendo as demais referentes ao regime topping. Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 ciclo Rankine (bottoming) JF. água CA ciclo Rankine (topping) água 1). O fato de a razão potência/calor gerado de um equipamento gerador ser constante ou variável ao longo do tempo, dentro de certa faixa, levando­se em conta as variações sazonais, deve ser ponderado para definir a melhor estratégia de operação da central de cogeração, no atendimento das demandas do processo. De modo geral, a central de cogeração não deve ser empregada para atender picos de demanda; sua melhor forma de utilização é a operação no ponto de projeto, ou próximo deste, e com capacidade contínua por muitas horas do ano. O atendimento dos picos de demanda deve ser feito por equipamentos específicos para esse fim, mantidos na central de utilidades como unidades auxiliares, ou então pela concessionária, através de contrato específico para tais níveis de demanda eletromecânica. A tabela 2.2 avaliza as considerações anteriores. Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Tabela 2.2­ Características de centrais para geração elétrica = ia EST Missão ==> === |Fator:de Serviço: |== Configuração == CONTINUA: operação contínua, parando na manutenção mais de 90 % cogeração BASE: opera a maior parte do tempo mais de 50% ciclo combinado CÍCLICO: operação periódica regular de 10 a 50 % ciclo combinado PICO: atua nos picos diários e sazonais de 1a 10% turbinas a gás STAND­BY: acionada em testes e falha do sistema principal menos de 1 % turbinas a gás Fonte: [7] Finalmente, vale acrescentar que o planejamento de uma central de cogeração deve considerar todos estes fatores indicativos sem, contudo, se pautar única e exclusivamente nos mesmos. A complexidade de tais unidades, assim como suas características econômico/financeiras, faz com que a responsabilidade de se assumir uma ou outra configuração seja respaldada em modelos específicos que permitam definir a configuração mais adequada, em termos de disposição das máquinas, tipo, capacidade e quantidade de cada uma, com base em estimativas realistas e confiáveis da previsão de demandas por energias térmica e elétrica da unidade de processo. Outros aspectos de grande importância para o planejamento de centrais de cogeração dizem respeito tanto às emissões de poluentes, de acordo com o combustível empregado em cada caso, como aos custos de investimento, conforme a tecnologia de geração escolhida. A tabela 2.3 fornece valores de eficiência, custo de investimento específico por unidade de potência elétrica e valores de emissões médios de diferentes tecnologias, de acordo com o atual estado­da­arte; a figura 2.9 ilustra a comparação entre três combustíveis possíveis de serem utilizados no ciclo a vapor, evidenciando os custos diferenciais existentes entre as três tecnologias e que favorecem, no momento, a primeira. Há que se considerar, finalmente, que não se está computando nos custos de investimento a parcela que se poderia descontar a título de retomo ambiental e social do emprego do lixo urbano na geração de energia, o que deve alterar sobremodo os números apresentados. Tabela 2.3 ­ Parâmetros técnicos e econômicos de ciclos utilizados em centrais de cogeração vapor/óleo 840­1000 vapor/carvão 1300­1800 vapor/lixo urbano 4500 vapor/biomassa 2100­2600 gpás/gás natural 500­900 198­240 gás/biomassa gaseificada 1700­2000 ­ combinado/gás natural 550­850 85 198 Diesel/gás natural 1240 85 198 Fonte: [2] Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 custo da tecnologia (US$/KW) 4500 óleo biomassa lixo urbano fontes combustíveis Fonte: Tabela 2.3 Figura 2.9 ­ Custo diferencial em ciclos de cogeração a vapor Referências 1. ABB ­ ASEA BROWN BOVERTI. A comparison ofpower plants for cogeneration of heat and electricity. Publ. CH­KW 2007 88E, 1986. | . BALESTIERI, J.A.P. Planejamento de centrais de cogeração: uma abordagem multiobjetiva. Campinas, Departamento de Energia ­ UNICAMP, tese (Doutorado), 1994. . BERMAN, IM. Cogeneration, combined cycles and synthetic fuels: an overview. Power Engineering, v. 87, n. 11, p. 42­50, 1983. . GORGES, H.A. 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Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 CAPÍTULO 3 ANÁLISE DAS UNIDADES DE PROCESSO 3.1­ Introdução A perfeita compreensão quanto às formas pela qual a energia é consumida em um processo ou setor industrial é de fundamental importância para o seu posterior acoplamento a uma central de cogeração. Diversos parâmetros podem ser assinalados para a caracterização energética dos mesmos, contudo são os fluxos em massa de componentes energéticos (vapor, água, gases de exaustão e combustíveis), as faixas de temperatura empregadas em cada processo e a relação entre o consumo de energia eletromecânica e energia térmica aqueles que mais se destacam para a análise de integração da unidade de processo a uma central de cogeração. 3.2­ Parâmetros de caracterização dos processos/setores industriais 3.2.1­ Razão entre potência e calor de processo Os setores industriais em análise necessitam de vapor em algumas etapas de seus processos em atividades de secagem, evaporação, aquecimento ou cozimento, e de energia elétrica ou mecânica para transporte de materiais, bombeamento, acionamento de motores, compressores, bombas, correias transportadoras e guindastes, dentre outras atividades. Nesses casos, é possível configurar­se tais necessidades de forma genérica a partir de um parâmetro adimensional que as relaciona. Considerando­se que os insumos possam ser definidos por: E ­ consumo de potência eletromecânica do processo ou setor S ­ consumo de potência térmica do processo ou setor ambos em mesma base unitária (MW), a relação que se obtém do quociente entre tais variáveis é uma variável adimensional, definida como razão potência/calor de processo. o. E potência/calor processo = — S unidade de processo PRODUTO Figura 3.1­ Esquema genérico de uma unidade de processo Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 O valor da razão potência/calor de processo é característico para cada setor e mesmo subsetor ou indústria, sendo que varia dentro de certa faixa em função de diferenças tecnológicas e/ou fatores regionais, sendo ainda interessante observar importantes tendências dinâmicas a partir de variações na escala temporal. Um levantamento setorial para a indústria nacional foi realizado com valores do consumo de energéticos desde 1970 até 1986, conforme tabela 3.1º; em face da diversidade de bases de dados para o levantamento, foram utilizados os Balanços Energéticos Nacional e dos Estados de São Paulo, Minas Gerais e Rio de Janeiro para a avaliação de dez setores industriais. Os índices são apresentados em seus valores mínimo, médio e máximo para os ditos setores em base anual e com distinção espacial; a base temporal utilizada difere ligeiramente de um Estado para outro em função da disponibilidade de informações. Para efeito de rateio da parcela de utilização da energia contida nos combustíveis destinados a calor de processo e aquecimento direto foram utilizados os índices fornecidos pelo Balanço de Energia Útil da Comissão Nacional de Energia, cujas constantes K; específicas de cada setor podem ser multiplicadas pelo consumo de vapor para processo S na composição da razão potência/calor de processo. i FE, sendo: Ex ­ energia para calor de processo (vapor, fluido térmico) Ea ­ energia para aquecimento direto (fornos, secadores) E, ­ energia útil total do setor Os valores de K; são apresentados na tabela 3.1 como um fator de eficiência de conversão de cada setor industrial. Os valores referentes ao consumo de eletricidade, tomados para o Brasil, foram convertidos segundo a praxe termodinâmica (1kWh = 860 kcal = 3600 kJ) e não segundo a proposta pelo Balanço Energético Nacional, que valoriza a participação dessa parcela sobre as demais, pelo que os valores de eletricidade do mesmo tiveram que ser preliminarmente tratados segundo o fator de conversão indicado (1tEP = 0,290 MWh) para se alcançar os valores reais. Tabela 3.1­ Razão potência/calor de processo de setores industriais brasileiros K; Minas Gerais São Paulo R. de Janeiro Brasil setor (%) Min Méd Máx | Min Méd Max | Min Méd Max | Min Méd Max cimento 80.8 0.10 0.12 0.15 nd nd nd 0.29 0.29 0.30 | 0.08 0.11 0.14 ferro gusa 99.7 0.11 0.12 0.13 | 027 0.47 0.68 | 0.34 0.35 0.36 | 0.05 0.08 0.10 ferro liga 92.1 0.77 0.84 0.94 nd nd nd nd nd nd | 065 1.03 1.63 outros metais 48.1 nd nd nd | 036 0.60 0.85 | 045 0.46 0.46 | 2.70 2.76 3.04 miner./pelotização 61.1 0.68 1.07 1.35 nd nd nd nd nd nd 0.17 0.32 0,82 papel celulose 73.8 0.05 0.13 0.16 | 0.19 0.32 0.57 | 0.46 0.47 0.48 | 0.23 0.36 0.58 cerâmica 771 0.03 0.04 0.04 | 0.11 0.14 0.19 | 0.52 0.65 0.74 | 0.05 0.11 0.27 têxtil 65.3 0.59 0.74 0.90 | 0.23 0.41 0.62 | 0.40 0.42 0.43 | 0.44 0.70 131 alim /bebidas 98.6 0.06 0.09 0.14 | 0.24 0.53 0.89 | 0.33 0.39 0.42 | 0.03 0.07 0.14 química 75.9 0.92 1.09 1.26 | 0.19 0.23 0.30 | 0.38 0.41 0.46 | 0.23 0.33 0.50 Fonte: [1] Nota: (nd) ­ não disponível Graficamente (fig. 3.2 e 3.3) nota­se que alguns dos setores apresentam comportamento pouco estável na razão potência/calor de processo como consequência de alterações na estrutura de consumo de energia no bojo de modificações no contexto econômico/energético mundial. Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 razão potência/calor 0,6 0,5 70 71727374 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 (ano) Fonte: [1] (atualizado pelo Balanço Energético Nacional) Figura 3.2­ Comportamento temporal da razão potência/calor de processo ­ Brasil razão ——— ferro ligas potêncial/calor —E— outros met. s+ —A têxtil —<— min.Jpelot. 4,51 70 71 7273 7475 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 (ano) Fonte: [1] (atualizado pelo Balanço Energético Nacional) Figura 3.3­ Comportamento temporal da razão potência/calor de processo ­ Brasil Uma interpretação dos resultados para os diversos setores industriais que apresentam um comportamento crescente na razão potência/calor de processo conduz à constatação de um crescente aumento da participação da energia elétrica nesses setores. Essa tendência pode ser atribuída à necessidade de um aumento da proteção ambiental pelo uso de formas mais limpas de energia, tal como já se observou em outras situações; além disso, em muitos casos, processos térmicos de separação e concentração tem evoluído tendo em vista a incorporação de certos processos mecânicos, com consequente elevação da participação relativa da energia elétrica. Tal fato corrobora a tendência de geração independente por parte de alguns setores industriais. Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 3.2.2­ Fluxos em massa e temperaturas de processo As especificidades termodinâmicas dos processos e sub­processos industriais são também fatores importantes para a sua caracterização. É de grande interesse para aqueles que se encontram envolvidos no planejamento de centrais de cogeração o conhecimento dos principais fluxos térmicos presentes em uma unidade de processo especialmente no tocante às temperaturas e vazões. ! O estabelecimento das condições típicas dos diferentes fluxos permite a avaliação da energia específica e o posterior aproveitamento de energias residuais em fluxos contracorrente em um processo que se denomina integração a partir da técnica de Pinch Point. Com respeito às faixas usuais de temperatura dos componentes energéticos utilizáveis nos processos industriais, é usual a apresentação em intervalos, sendo que as variações dentro desses limites podem representar a utilização de novas tecnologias ou uma certa variedade de produtos finais para cada processo. Estudos do perfil de utilização do calor de processo, distribuído por faixas de temperatura, permitem identificar os setores que atuam nas faixas de alta, média e baixa temperaturas e assim organizá­los de tal modo que sejam supridos por adequados sistemas de geração térmica“. Os valores apresentados na tabela 3.2 ilustram alguns processos e respectivas faixas de temperatura. Tabela 3.2­ Faixas de utilização de temperatura em processos faixas de temperatura (C) discriminação dos processos T<80 aquecimento de residências, escritórios 80 < T <200 aquecimento, secagem, cocção em indústrias alimentares, sanitárias, têxteis 200 1700 tratamentos metalúrgicos, fusão de materiais Fonte: [7] 3.3­ Equalização das demandas de energia Grande parte dos complexos industriais necessitam, em sua operação, de quantidades variáveis de vapor ao longo de escalas temporais diversas, em função do seu uso descontinuado e da diversidade de processos. Nesses casos, a autoprodução de energia se torna uma necessidade imperiosa para bem garantir a continuidade do processo produtivo, uma vez que certas áreas são consideradas prioritárias no atendimento da demanda, em função dos níveis de confiabilidade exigidos para cada operação. A vantagem econômico/financeira da prática da cogeração é proporcional à quantidade de energia consumida nos processos, devendo­se portanto dedicar especial atenção aos motivos que conduzam às variações das curvas de demanda, bem como aproveitar­se de técnicas que permitam eliminar desperdícios. As técnicas apresentadas visam garantir uma operação mais estável das curvas de carga em torno de valores médios a partir do seu gerenciamento, bem como o prévio aproveitamento de fluxos energéticos da unidade de processo para redução da curva de carga elétrica, a partir da integração de processos. Em geral, as curvas de carga de vapor se apresentam extremamente variáveis, registrando em determinados instantes estabilização em torno de patamares, para logo a seguir apresentar­se em picos de duração relativamente curtos se comparado com o total da curva. Vale dizer que 24 Ah AVAVAY cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 cada setor ou processo industrial apresenta um comportamento médio singular que o distingue dos demais e que tal comportamento se deve às necessidades específicas de vapor que o mesmo apresenta. Desse modo, pode­se distinguir aqueles processos que apresentam variações sensíveis em períodos de minutos, então chamados de processos de curto termo e aqueles cujas variações são sensíveis em períodos de horas, quando então são referendadoscomo processos de longo termo. As figuras 3.4 e 3.5 apresentam exemplos de comportamento, respectivamente, de processos de curto e longo termos. vazão de vapor vazão de vapor NA B Nkar amplitude:9 a 250% h kom amplitude: 46 a 187% média > > 3 4 min min processo de industrialização do carvão processo de produção siderúrgica Fonte: [9] Figura 3.4­ Curvas de carga em processos de curto termo vazão de vapor vazão de vapor kg/h A kg/h A amplitude: 60 a 170% amplitude: 24 a 175% N N 133 15 17Ô 1 15 417 À É horas horas processo de tingimento processo de refino de açúcar Fonte: [9] Figura 3.5­ Curvas de carga em processos de longo termo Em todos os exemplos apresentados, existe sempre uma razão técnica relativa ao processo que explica o porque de tais variações ocorrerem em certos períodos específicos de tempo. Assim é que, para exemplificar, poder­se­ia afirmar que os picos A e B apresentados na figura Ll.a, relativa à industrialização do carvão, se deve à entrada em operação de três sopradores simultaneamente. É preciso, portanto, prever­se que tais fatos inerentes aos processos irão ocorrer em certos intervalos determinados de tempo e que de alguma maneira deverá ser suprida essa demanda. Vale observar ainda que, da continuidade de um certo processo ao longo do tempo, é possível obter­se um comportamento médio da curva de carga que melhor o representa, fazendo 25 Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 notar que tal curva média mascara quaisquer alterações aleatórias porventura sofridas pelo processo. A figura 3.6 exemplifica tal afirmativa, pois que representando uma coleção de curvas de carga, obtidas para diferentes dias do mês em certo processo, apresenta uma topografia irregular de vales e picos que tende a um comportamento médio. horas do dia Figura 3.6­ Representação tridimensional de curvas de carga diárias, referentes a 5 dias úteis Quando o atendimento da carga de vapor é feita por meio de caldeiras, e considerando que as mesmas apresentam um tempo de resposta inferior à demanda, faz­se necessário ter à disposição outros recursos que permitam contornar o problema, seja pela redução de picos ou pelo uso de sistemas auxiliares que garantam o suprimento de vapor na taxa demandada. A figura 3.7 apresenta em linha cheia a carga de vapor conforme necessário ao processo, a linha pontilhada correspondeà taxa de produção de vapor pela caldeira e a linha indicada por C representa a pressão do vapor, caracterizando desse modo o descompasso no atendimento da carga de vapor de processo mencionada. | demanda de vapor não­satisfeita Í 4 | | | vapor perdido através de válvulas de segurança TETAS DA2—Z 27DA demanda de vapor satisfeita £ Á pressão normal )­ AAA na caldeira — |V VE Cc ulo 5 abertura de válvulas de segurança mB |pressão real na caldeira ieliibiilo, 2 3 4 Fonte: [9] Figura 3.7­ Descompasso no atendimento da demanda em função de sua variabilidade Do ponto de vista da modelagem matemática, é possível fazer previsões quanto aos níveis futuros de demanda das diversas formas de energia em diferentes escalas temporais, ou ainda considerando­se variáveis econômicas de grande interesse na análise. O item a seguir descreve algumas das técnicas de previsão de cargas empregadas em simulações de curvas de carga. RA cm 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 13 14 15 16 17 18 3.4­ Modelos para previsão de cargas Do ponto de vista do planejamento e do projeto de centrais de cogeração, a análise dinâmica das demandas de energia em um processo industrial representa uma etapa fundamental para o sucesso do empreendimento. Conforme apresentado anteriormente, a pesquisa de curvas de carga referentes às energias térmica e eletromecânica ao longo do tempo são requisitos básicos para o início da pesquisa de configurações adequadas para uma central de cogeração, visto representarem o elo entre a unidade de processo e a central de cogeração. As curvas de carga são obtidas mediante um levantamento temporal! que se realiza sobre o consumo de vapor de processo nos diferentes níveis de pressão e temperatura, assim como sobre o consumo de energia elétrica necessária ao pleno funcionamento da unidade de processo. Tais curvas podem ser expressas em termos de escalas diversas ­ diárias (24 horas), semanais (7 dias), mensais (30/31 dias), anuais (12 meses) e plurianuais ­ sendo que para cada análise faculta­se o emprego de uma ou outra das mesmas. A primeira informação obtida da curva de carga temporal é sua tendência, que pode ser: ­ crescente; ­ decrescente; ­ constante; ­ sazonal; ­ aleatória. As curvas de carga que apresentam tendência aleatória dificilmente permitem uma avaliação precisa dos sistemas, contudo sua frequência é relativamente baixa nos processos industriais de interesse para a prática da cogeração. A tendência aleatória poderia ser traduzida, em última análise, como um processo em que a faixa de variação da variável de decisão fosse infinitamente grande para cada unidade de tempo t; considerada. A tendência sazonal pode ser verificada especificamente nas curvas anuais, em que se observam os efeitos das estações climáticas sobre os perfis de cargas do processo, caracteristicamente representada pela formação de vales. Os picos de carga que porventura ocorram em curvas diárias devem ser interpretados mais como variações dependentes do processo do que resultantes de tendências horárias propriamente. Cabe assinalar que a existência de curvas de carga típicas é dependente do processo industrial considerado. Um exemplo ilustrativo seriam as curvas de carga do setor açúcar e álcool brasileiro, em que os períodos de safra das regiões Sudeste e Nordeste ocorrem em meses distintos; com isso, os valores da curva anual de uma usina do Sudeste não são coincidentes com os de usinas do Nordeste. Em tais casos, pode­se empregar quaisquer das curvas a menos de suas especificidades quando não for importante caracterizar a carga relativamente a seu tempo de ocorrência e o interesse maior for a definição do pico de carga. E(MWh) E(MWh) 4 A tempo(h) tempo(meses) Figura 3.8­ Curvas diária e anual de energia elétrica Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Uma forma alternativa de apresentação das cargas seria a partir das curvas de duração ou de permanência de cargas. A curva de duração contém a mesma informação da curva de carga, porém os dados são apresentados de tal maneira que permita a visualização dos diversos níveis de carga alcançados no processo, ordenados desde o valor de pico até o valor base; é obtida a partir da curva de carga pela estruturação dos valores médios das cargas em cada unidade de tempo numa sequência decrescente; assim, para cada valor de carga tomado na ordenada, pode­se conhecer a frequência ou período de tempo em que o mesmo ou valores inferiores foram requeridos. E(MWh) E(MWh) 4 O 24 (D) Oo 100 (%) Figura 3.9­ Construção de uma curva de duração a partir da curva de carga Quando a curva de duração apresenta no eixo das abcissas unidades de tempo relativas, as frequências obtidas expressam a probabilidade de ocorrência das unidades de carga. Segundo já se constatou”, a curva de duração produz uma ferramenta visualmente intuitiva para O dimensionamento da capacidade de uma central de cogeração e para uma estimativa precisa de seu desempenho. Se por um lado a formulação matemática para a curva de duração é muito simples, por outro lado desaparecem com seu uso informações quanto à tendência da curva eo instante da ocorrência de cada carga. As curvas de carga reais são mais complexas em sua formulação matemática; a análise temporal de curvas de carga pode ser interpretada como um processo aleatório. Isso equivale a dizer que, em um determinado processo, a coleção das curvas de carga, mensuradas na mesma unidade de tempo, deverá apresentar um comportamento próximo porém distinto para cada curva individualmente, o que permite seja gerada uma família de trajetórias equiprováveis de ocorrências das cargas. A curva média m(t;) representaria, desta forma, o valor médio ou mais provável de ocorrência da função z(t,w) em cada instante t; (w representa a componente aleatória do processo). Para o planejamento de centrais de cogeração, a função z(t,w) poderia assumir os valores tanto de energia eletromecânica quanto as vazões de vapor em diferentes níveis de pressão nos diversos pontos de consumo da unidade de processo. Z(tw) 7 N> tempo Fonte: [11] Figura 3.10­ Processo aleatório interpretado como família de trajetórias Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 Os modelos de projeção da demanda procuram entender e quantificar o comportamento das cargas para fornecer ao modelo de otimização valores coerentes para análise, bem como permitir que sejam feitas previsões com base nas expectativas estimadas. No caso do planejamento de centrais de cogeração, os principais modelos de projeção da demanda utilizados são: : ­ modelos econométricos; ­ técnicas de cenarização; ­ séries temporais. Os modelos econométricos constituem um conjunto de técnicas matemáticas que permitem acomodar grandezas físicas e econômicas que apresentem forte correlação. Com base nesses modelos é possível se projetar, por exemplo, o aumento da demanda de um certo produto em função do crescimento do Produto Interno de um país; de igual modo, pode­se associar a variação da demanda de energia em um certo instante de tempo com variáveis econômicas, sociais ou mesmo à demanda da mesma forma de energia em períodos anteriores de tempo. As técnicas de cenarização são utilizadas de forma sistemática com os modelos econométricos; a aplicação do método no planejamento consiste em se formular, a partir de uma prospecção no comportamento dos parâmetros envolvidos no problema, cenários que contemplem comportamentos específicos das diferentes variáveis em estudo. A utilização de cenários abre um amplo leque de opções para avaliação do problema que permite aos decisores, uma vez visualizadas possíveis dificuldades e/ou vantagens, interferir na análise com a possibilidade de tentar reverter a situação antes da ocorrência dos fatos. Quando a variável tempo se encontra entre os parâmetros do problema, as séries temporais podem ser empregadas com bons resultados. As séries temporais podem ser consideradas, fundamentalmente, como sinais aleatórios com periodicidades sazonais, semanais e diárias conhecidas. Essas periodicidades garantem uma previsão aproximada da carga em um dado instante; a diferença entre a previsão e a carga realmente demandada é considerada decorrente de um processo estocástico. Pela análise do sinal aleatório, pode­se obter previsões melhor ajustadas; as técnicas utilizadas para análise do sinal aleatório incluem os filtros de Kalman, o método de Box­Jenkins, o modelo ARMA, a técnica de expansão espectral e mais recentemente as redes neurais *"*, Geralmente, as técnicas de séries temporais se revelam modelos adequados para a projeção da demanda, a menos que haja uma mudança abrupta nas variáveis sociológicas ou ambientais que se crê afetem o padrão das cargas. Essas séries usam um grande número de relações complexas, requerem alto esforço computacional e podem resultar em instabilidades numéricas, caso não sejam adequadamente formuladas. — Para a previsão de cargas, pode­se assumir nos setores nos quais a cogeração se mostra factível que os processos que demandam formas de energia térmica e eletromecânica apresentam perfis típicos, em base horária, no período médio de cada estação do ano. Os métodos de Monte Carlo, quando aplicados à análise do planejamento de centrais de cogeração, prescindem do conhecimento prévio de séries históricas (em base anual, mensal e/ou diária) que representem de maneira significativa o comportamento típico do processo, a menos da incorporação de novas tecnologias, do aumento ou queda na demanda do produto final do setor industrial a que está associado e ainda controles tarifários por parte dos órgãos públicos. Uma central de cogeração, planejada de acordo com um cenário otimista, pode conduzir o projeto a um sobredimensionamento do sistema, o que fará com que a empresa incorra em altos encargos financeiros sem a correspondente contrapartida de recuperação do capital; de outro lado, com base em um cenário pessimista, pode­se subdimensionar os equipamentos, 29 Ah AVAVAY 1 2 3 4 5 6 7 unesp”. 12 13 14 15 16 17 18 comprometendo­se o contrato de venda de excedentes e até mesmo o atendimento à demanda da unidade de processo”. Independentemente da distribuição que possa estar associada a um par de curvas referentes às demandas elétrica e térmica dotadas de variação temporal, é possível reproduzir­se tantas novas séries sintéticas quantas forem necessárias para bem caracterizar o estudo de previsão de cargas, baseado no fato de que as séries históricas (realmente ocorridas ou projetadas) representam uma sucessão de eventos regidos por leis estatísticas, de cunho probabilístico, e que foram sorteadas aleatoriamente. Cada novo par de séries sintéticas, todos distintos entre si, apresenta igual probabilidade de ocorrer comparativamente ao par de séries históricas que o gerou. Vale frisar que todo par de séries sintéticas apresenta, para com as respectivas curvas da série histórica, um comportamento de iguais média e desvio padrão. Com base nos resultados dessa simulação e uma vez definidos os parâmetros básicos da central de cogeração (ciclo, configuração, quantidade e capacidade individual de cada máquina térmica), é possível avaliar­se a capacidade excedente de eletricidade gerada mais provável em cada instante, bem como as demais variáveis tecnológicas e econômicas que envolvem o projeto. vazãáo(kg/h) vazáo(kg/h) /P otimista / provável provável! > pessimista N pessimista rá meses meses Figura 3.11­ (a) Cenários sobre série histórica (b) séries sintéticas geradas, em curvas de duração Algumas questões devem ser assinaladas quanto à propriedade do emprego de tais modelos: ­ a menos das considerações impostas no exercício da cenarização, admite­se que a unidade de processo atuará, no futuro, em condições idênticas às registradas no passado (histórico), o que não necessariamente se verificará verdadeiro devido à incorporação de novas tecnologias de produção, lançamento de novos produtos no mercado com maior ou menor capacidade energointensiva, etc.; ­ os modelos estatísticos exigem um certo número de observações amostrais para que os mesmos apresentem boa aderência com a realidade analisada, especialmente para melhor caracterização da distribuição apropriada; ­ modelos neurais, de sua parte, demandam também considerável número de observações de tal modo a garantir a melhoria da capacidade de aprendizado da rede; ­ boa parte dos modelos matemáticos é sensível a grandes oscilações em torno da média e a pontos discrepantes no contexto do histórico analisado; em casos de discrepância eventual, pode­ se desconsiderar tais pontos admitindo que resultem de dificuldades operacionais da unidade de processo. No entanto, o mesmo não se aplica nas oscilações permanentes do histórico e que se constituem em característica de um certo pr