Oportunidades para expansão da geração distribuída e cogeração no Brasil

maio, 2010

Edição 41, Junho de 2009

Por José Bruzadin

Muito se discute sobre as opções para o aumento da oferta de energia elétrica no Brasil. Como resultado deste processo, tem quem defenda, às vezes com alguma veemência, o investimento em usinas hidrelétricas com a justificativa de menor impacto ambiental – que de alguma forma tem sua razão, mas que em diversas situações também pode ser questionado. Outras correntes defendem o investimento nas usinas termelétricas como solução para a ampliação da oferta de energia elétrica em função da possibilidade de localização perto dos grandes centros de carga e seu menor tempo de realização.

 

 

O tempo tem mostrado que, na verdade, existe espaço para ambas as propostas em um país com dimensões continentais e com diversas particularidades entre as diversas regiões. Com isso, estamos caminhando para um modelo que terá uma participação mais diversificada das diversas fontes, abrindo-se espaço para além das grandes usinas hidrelétricas e termelétricas, para termos também uma participação significativa de outras fontes, como as PCHs, a eólica e a biomassa.

Por um momento, deixando de lado o que vem sendo feito para se dar as condições adequadas para que os projetos saiam do papel, voltamos a atenção para as oportunidades potenciais que existem na área de geração distribuída e cogeração e como estas podem se inserir de maneira efetiva em termos de política energética como parte importante da solução para ampliação da oferta de energia elétrica.

Estes projetos, pelo porte, têm a seu favor a possibilidade de rápida implementação – grande parte destas oportunidades podem ser desenvolvidas em prazos inferiores a um ano – e representam um potencial muito significativo de aumento de oferta. Basta lembrar que somente no estado de São Paulo foi identificado um potencial de 3.400 MW para cogeração a gás natural, conforme levantamento da Associação da Indústria de Cogeração de Energia (Cogen). Ou seja, considerando-se que se criem condições propícias do ponto de vista de política energética, entenda-se, maior clareza, simplicidade e atratividade na política de preços para os combustíveis e menos entraves regulatórios, teremos a capacidade de ter rapidamente mais 3.400 MW de oferta, o que de outra forma necessitaria de cerca de cinco anos para serem alcançados somente por meio de investimentos em grandes usinas.

Entretanto, é importante lembrar que as grandes usinas termelétricas têm eficiências que vão de 40% até próximo dos 60% (tecnologia estado da arte). Quando falamos em cogeração, temos a oportunidade de conseguir eficiências bem acima destes patamares. Plantas de cogeração podem chegar a 87% de eficiência, o que propicia grande economia no uso de um recurso não renovável, com notáveis benefícios para o meio ambiente.

Após esta reflexão, descrevemos a seguir as principais opções de soluções energéticas na área de cogeração e geração distribuída que estão à disposição aqui no Brasil para os empreendedores e os consumidores industriais e comerciais.

Geração de energia elétrica em base load
A geração em base load (carga básica) tem sido a solução adotada sobretudo em áreas isoladas (não conectadas com o Sistema Interligado Nacional (SIN). Na Amazônia, comunidades inteiras são atendidas por pequenas centrais de geração a diesel que lhes garantem diuturnamente o suprimento de eletricidade por meio de centrais movidas a geradores a diesel. Com a chegada do gás natural a algumas destas regiões, as concessionárias de energia deverão optar por esta tecnologia devido ao menor custo operacional propiciado pelo menor preço do gás natural e facilidades logísticas.

A geração para este regime é geralmente feita por turbogeradores a gás, motogeradores a gás e motogeradores a diesel. A escolha das alternativas depende fundamentalmente da disponibilidade de combustível, do porte da instalação, do investimento e dos custos operacionais associados a cada uma delas.

Para motogeradores e turbinas a gás, as tecnologias bi-fuel (por exemplo, gás/diesel) podem ser empregadas, porém sua aplicação deve ser cuidadosamente avaliada, uma vez que elas estão disponíveis para algumas faixas de potência apenas. O desempenho, as necessidades especiais de operação (confiabilidade, requisitos da mistura gás/diesel se for o caso, etc.) e os custos de manutenção merecem avaliação criteriosa.

Grupos motogeradores originariamente previstos para operar somente com diesel podem ser eventualmente adaptados para operar com uma mistura gás/diesel por meio da instalação de kits oferecidos no mercado. No entanto, vale ressaltar que os fabricantes dos grupos motogeradores não têm recomendado esta solução em função de não ter se atingido condições satisfatórias de performance e durabilidade destes equipamentos quando submetidos a condições de operação diferentes daquelas para os quais foram projetados. Considerando-se o fato de esta aplicação em particular (base load) estar associada à geração em regime de longa duração para atendimento de cargas que podem depender exclusivamente destas fontes, esta análise tem importância maior ainda.


Figura 1 – Esquema típico simplificado de aplicação de grupo motogerador para geração em base load

Além das soluções descritas anteriormente, há outro tipo de aplicação que tem se tornado cada vez mais comum na Europa e que mais recentemente tem ganhado espaço no Brasil. Estamos falando da geração de eletricidade a partir de biogás. Este gás, de baixo poder calorífico, pode ser obtido nos aterros sanitários, estação de tratamento de esgoto, de resíduos de criações de animais, etc.

Com adequado tratamento do biogás e aplicação correta de motogeradores, estes projetos podem alcançar excelentes resultados com geração de eletricidade, desfrutando ainda dos benefícios da obtenção dos créditos de carbono (diminuição de emissão de metano e outros hidrocarbonetos).

Os grupos motogeradores aplicados devem ser equipamentos desenvolvidos especificamente para esta aplicação. Um dos pontos-chave do projeto é o tratamento do biogás e a determinação precisa dos limites de variação de seus componentes, para a adequada seleção e aplicação dos grupos motogeradores.


Figura 2 – Geração de eletricidade a partir de gás de aterro sanitário na Inglaterra.

Geração em horário de ponta

A geração em horário de ponta tem sido uma solução bastante empregada por diversos consumidores industriais e comerciais de forma a garantir redução de custo nas três horas dos dias da semana em que o custo da energia é maior. Em função da alta demanda neste horário, as concessionárias cobram tarifas bem maiores para os consumidores industriais e comerciais, de modo a não incentivar o consumo e a garantir o equilíbrio entre a oferta e a demanda de energia elétrica.

Alguns consumidores industriais e comerciais (edifícios comerciais, shoppings, supermercados, etc.), pela natureza de suas atividades, não tem como diminuir substancialmente o consumo de energia neste horário e lançam mão da autogeração para garantirem menores custos neste horário. Como efeito adicio

nal, também ganham o benefício de terem geração própria, o que lhes confere o suprimento de energia em caso de falhas na rede da concessionária.

A conexão ao sistema elétrico pode ser feita de duas formas: paralelismo momentâneo e paralelismo permanente.

No paralelismo momentâneo a planta de geração é acionada momentos antes do início do horário de ponta e fica rodando sem carga até que o sistema de transferência seja acionado, conectando-se então o(s) gerador(es)  ao sistema elétrico alimentado pela concessionária de energia elétrica local. Após a conexão, inicia-se a geração de energia elétrica por meio do(s) gerador(es), aumentando a carga progressivamente até que ela se iguale à carga elétrica demandada e, na sequência, desliga-se o disjuntor de alimentação da concessionária, deixando a partir deste momento a carga ser suprida exclusivamente pela planta de geração. No final do horário de ponta, faz-se nova conexão com a concessionária e retiram-se os geradores de operação, voltando o consumidor a ser alimentado pela concessionária.

O paralelismo momentâneo com a concessionária deve ser realizado por equipamentos dedicados que garantam a perfeita sincronização de fases (tensão, frequência e ângulo de fase) entre as duas fontes, concessionária e gerador(es), garantindo confiabilidade e segurança para a operação.


Figura 3 – Sistema de transferência em rampa

No sistema de paralelismo permanente, após a sincronização das duas fontes, concessionária e gerador(es), elas permanecem acopladas durante todo o período de operação da planta.  Para se garantir a proteção do sistema elétrico da concessionária e da planta, alguns relés extras são instalados, dependendo dos requisitos de cada concessionária. A Figura 4 a seguir ilustra um exemplo do sistema de proteção dos disjuntores de paralelismo para uma aplicação deste tipo.


Figura 4 – Sistema de proteção de central de geração em paralelismo permanente.
Fonte: Nota Técnica Eletropaulo NT 6009 Revisão 01

Cogeração

A Resolução no. 21 da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) define cogeração como “o processo de produção combinada de calor útil e energia mecânica, geralmente convertida total ou parcialmente em energia elétrica, a partir da energia química disponibilizada por um ou mais combustíveis”. Esta mesma resolução qualifica os empreendimentos para acesso a incentivos de tarifas de gás natural para a realização destes empreendimentos.

Cogeração com turbinas a vapor
Nesta solução, o combustível é queimado no interior de uma caldeira, produzindo então vapor em pressão elevada p1 que é direcionado para uma turbina ou grupo de turbinas a vapor. Parte da energia contida neste vapor é transferida para o eixo da turbina, produzindo-se então energia elétrica no gerador acoplado à turbina. O vapor que perdeu parte de sua energia ao passar pela turbina, sai por ela em outra condição de pressão (p2) e temperatura para ser utilizado no processo industrial. A eficiência no ciclo todo, dita eficiência CHP (Combined Heat and Power), varia de acordo com as pressões e as temperaturas do ciclo e do tipo de turbina a vapor empregada.

De acordo com as necessidades de consumo de vapor, pode-se ainda obter outras tomadas de saída de vapor em outras condições de pressão e temperatura para serem utilizadas no processo industrial. As turbinas a vapor são normalmente especificadas e construídas para as condições específicas do projeto, pois a sua operação fora destes limites faz a eficiência cair significativamente.

Normalmente, as aplicações deste ciclo são consideradas quando a demanda térmica de vapor é bastante alta. Considera-se como um número típico algo em torno de 10 ton/h de vapor, que pode gerar aproximadamente 1 MW de potência. Este número, contudo, deve ser apenas considerado para avaliação preliminar da aplicação deste ciclo. A relação efetiva entre vapor e eletricidade gerada deve ser avaliada com precisão em função das características do projeto. Um projeto adequado é a chave para a otimização do ciclo.

Grandes consumidores de vapor têm adotado esta tecnologia. Vale destacar aqui o aproveitamento que tem crescido muito nos últimos anos na área de açúcar e álcool. Há um movimento nas grandes usinas de açúcar e álcool que estão progressivamente adequando suas instalações, passando a gerar vapor a partir da queima de biomassa (bagaço de cana e palha) em altas pressões e temperaturas (algo como 90 bar e 500 °C), o que até alguns anos atrás era realizado a pressões intermediárias com pequeno e às vezes nenhum aproveitamento para a geração de eletricidade. Hoje em dia tem sido cada vez mais comum usinas com capacidade de geração de 50 MW, 100 MW e até mesmo 200 MW. Esta mudança provocou, inclusive, impacto no perfil de negócios das usinas que hoje tem na exportação de eletricidade parte importante de suas receitas e lucros.


Figura 5 – Esquema simplificado de cogeração com turbina a vapor.

Cogeração a gás natural com turbinas a gás
Neste tipo de solução, o combustível, geralmente gás natural, é queimado na turbina a gás, cujo princípio é semelhante às turbinas dos modernos jatos comerciais, muitas delas, inclusive, derivadas diretamente de modelos da indústria aeronáutica, as chamadas turbinas aeroderivadas.

Na entrada da turbina, na chamada parte fria, o ar é succionado e comprimido a altíssimas pressões. Após a saída do compressor, o ar é misturado e queimado com o combustível no combustor da turbina. Esta mistura sai então em altíssima velocidade pelo outro lado da turbina. Nos aviões, que queimam querosene de aviação, estes gases de saída é que são responsáveis pela propulsão.

Nas turbinas destinadas a aplicações de geração de energia, estes mesmos gases passam por outro dispositivo (gerador de gás) nos quais eles perderão sua pressão e temperatura, transferindo então esta energia para o eixo na qual esta turbina está acoplada, transformando-a em eletricidade nos terminais do gerador também conectado a ela.

Os gases de saída representam, no final, uma massa enorme com alta temperatura e conteúdo energético. A geração elétrica tem uma eficiência de 30% a 40%, conforme o tipo da turbina. O restante da energia está nos gases que, se aproveitados, podem gerar vapor em uma caldeira, chamada de caldeira de recuperação. Para pressões intermediárias, como, por exemplo, 12 bar, esta energia é suficiente para se conseguir de 2,5 ton/h a 3,0 ton/h para cada MW gerado no turbogerador a gás.

Para o ajuste fino e otimização do ciclo, uma queima adicional pode ser introduzida na caldeira de recuperação, chegando exatamente à demanda requerida pelo processo.

Ainda é importante lembrar que há outras aplicações em que podemos implantar sistemas de cogeração na indústria, como em processos que demandem pré-aquecimento ou aquecimento direto, tais como secadores e spray-driers (indústria cerâmica, por exemplo). Nestes casos, o calor dos gases de exaustão das turbinas é direcionado diretamente para estes equipamentos.

Figura 6 – Esquema simplificado de cogeração com turbina a gás para geração de eletricidade e vapor.

Cogeração a gás natural com motogeradores a gás
Os motogeradores a gás são equipamentos com conceito similar aos motores aplicados na indústria automotiva. Contudo, são “engenheirados” para aplicação em geração a partir de gás natural, apresentando tecnologia embarcada bastante avançada. Também por esta razão, apresentam alta eficiência elétrica, ao redor de 40% ou mais. Pela sua peculiaridade e alta versatilidade apresentam uma gama ainda maior de possibilidades de aplicação em projetos de cogeração.

Na indústria, por exemplo, os gases de exaustão dos motogeradores também podem ser aproveitados para geração de vapor ou água quente ou utilizada diretamente em processos de aquecimento (fornos, secadores, spray driers) e a energia térmica do sistema de resfriamento do bloco pode ser aproveitada para geração de frio por chillers de absorção.

Do total de energia contida no combustível, pode se aproveitar até 87% (eficiência CHP) com a geração de calor e frio. A Figura 7 mostra a divisão destas energias recuperáveis.


Figura 7 – Aproveitamento da energia em um grupo motogerador a gás.

Cogeração a gás natural com motogeradores a gás e geração de água gelada e água quente
A Figura 8 ilustra uma possibilidade de aplicação em sistemas de cogeração, utilizando-se motogeradores a gás com a geração de eletricidade, vapor e água gelada.


Figura 8 – Planta com motogerador a gás gerando eletricidade, água gelada e vapor.

Neste exemplo de aplicação, os gases de exaustão são direcionados a uma caldeira de recuperação para a geração de vapor e o calor da água do bloco aquece um circuito fechado de água quente que serve como fonte quente para um chiller de absorção que gera água gelada a um sistema de resfriamento ou ar condicionado. Se a aplicação demandar apenas água gelada, pode-se instalar um recuperador de calor na saída dos gases de exaustão e aquecer ainda mais a água quente que vai para o chiller de absorção, propiciando aumento de geração de água gelada.

Os volumes de geração de vapor e água gelada irão depender das especificações do motogerador – que determina a quantidade e as condições das energias recuperáveis – e do desenho da instalação que pode ser feito para priorizar geração de frio (água gelada) e/ou calor (água quente e vapor). Como números de referência pode se gerar tipicamente entre 0,7 ton/h e 1,0 ton/h para cada MW de eletricidade gerada e em se tratando de água gelada, de 250 TR a 300 TR para cada MW gerado.

Esta solução de cogeração com motogeradores a gás, pela sua versatilidade, tem grande aplicação em sistemas comerciais – como shoppings, hotéis, hospitais, supermercados e edifícios comerciais que possuem demanda de eletricidade, frio para ar-condicionado e ainda água quente para aplicações específicas – e em muitas indústrias que apresentem demanda de calor (vapor, água quente, gases quentes) e/ou frio compatíveis com aquelas que podem ser disponibilizadas pelos motogeradores.

Avaliação e escolha de uma solução de energia

Para o sucesso do projeto, seja ele de geração de eletricidade apenas, seja de cogeração, é fundamental uma avaliação criteriosa do perfil energético da instalação, tais como demandas elétricas e térmicas ao longo do dia e ao longo do ano. Dela depende a adequada aplicação das soluções aqui apresentadas. Os custos devem ser levantados em detalhes, abrangendo os custos diretos de energia, custos operacionais e de manutenção sem geração ou cogeração para podê-los comparar com os correspondentes custos após a implantação de uma determinada solução. As opções devem ser avaliadas levando-se em conta o investimento realizado e os custos ao longo da vida da planta. Por esta análise determina-se o retorno ou pay-back das soluções, podendo-se então fazer a escolha levando-se em conta os benefícios ou vantagens técnicas de cada solução e as economias geradas por cada uma delas.


José Bruzadin é gerente executivo da área de soluções em energia da Cummins Power Generation.

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