A Cogeração e sua inserção ao Sistema Elétrico
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Produção de Energia Elétrica Aula 3 – Área 2 Geração e Estudos Hidroenergéticos Fernando Umbria Tópicos Geração termelétrica Geração fotovoltaica Geração termelétrica - conceitos Princípio: conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em energia elétrica Formas de produção de energia térmica: combustão (convencional) ou fissão nuclear Classificação das centrais termelétricas convencionais Combustão externa: combustível não entra em contato com o fluído de trabalho (centrais a vapor) Combustão interna: combustão se dá sobre uma mistura de ar e combustível que resulta no próprio fluído de trabalho (turbinas a gás e máquinas térmicas a pistão) Eficiência: relação entre a quantidade de energia útil à saída de um sistema e a quantidade de energia fornecida O rendimento de sistemas de conversão térmica depende da diferença de temperatura entre a fonte quente (combustão) e a fonte fria (ambiente): η = 1 – (Tf / Tq) Geração termelétrica - rendimento Evolução do rendimento Usinas em Ciclo Combinado 60 4 50 % Rendimento 2 40 1 30 20 Locomotiva Vapor 3 Turbina a gás Caldeira & Turbina a Vapor Usinas Nucleares 10 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Cogeração Cogeração: maior produção seqüencial e simultânea de duas ou mais utilidades a partir de uma mesma fonte energética calor útil (p.ex: vapor para o processo) e potência eletromecânica racionalidade consiste na economia de combustível Tecnologias: Turbina a Vapor (ciclo Rankine) Grande vantagem Utiliza qualquer tipo de combustível, inclusive rejeição de calor (muito versátil) Diesel, gás natural, biomassa (bagaço de cana, resíduos de madeira), carvão mineral, etc Operação Pouco elástica (resposta lenta) aos regimes de carga, pelas condições amarradas do vapor Eficiência ~ 40% (limitada pela temperatura dos metais dos tubos da caldeira e pela rejeição de calor na condensação) Viabilidade econômica para configurações acima de 200 MW, podendo atingir até 1000 MW Tecnologias: Turbina a Vapor 500°C Central elétrica de combustão externa 250°C 60°C Queima do combustível gera calor que transforma o líquido em vapor na caldeira Vapor se expande (pressão passa de alta a baixa) na turbina a vapor, gerando energia no gerador Vapor expandido sai da turbina (pode ser utilizado em processo) e vai ao condensador, onde o calor é retirado e se obtém líquido O líquido é bombeado de volta à caldeira, fechando o ciclo Tecnologias: Turbina a Vapor Rotor de turbina a vapor Siemens, 600 MW Tecnologias: Turbina a Vapor UTE Jorge Lacerda, TV de 363 MW (Tractebel/PR) Torre de resfriamento evaporativa Tecnologias: Turbina a Gás (ciclo Brayton) Utilizam como principais combustíveis o gás natural e o diesel Exaustão a alta temperatura até 615°C Æ ciclo combinado Operação Elástica aos regimes de carga Construção compacta (modular sobre o mesmo eixo) Temperatura ambiente, °C Alta sensibilidade ao clima Eficiência ~ 42% Turbinas Aeroderivativas (máx. 45 MW – Boeing 747) Heavy duty (até 180 MW) Rendimento, % Potência, MW 40 35 30 25 20 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Tecnologias: Turbina a Gás Tecnologias: Turbina a Gás Central elétrica de combustão interna 500°C Ar é comprimido no compressor e queimado com o combustível gerando calor e gases em alta pressão Gases se expandem na turbina e a movimentam, gerando energia no gerador acoplado Gases expandidos saem da turbina (podem ser utilizados em processo) e são descartados Tecnologias: Turbina a Gás Turbina aeroderivada Rolls-Royce. Tecnologias: Turbina a Gás Turbina a gás industrial Alstom. Tecnologias: Motor Alternativo (ciclo Otto / Diesel) Também conhecidos como Motores de Combustão Interna (MCI) Escala Disponível desde pequenas potências a grandes grupos geradores (unidades de até 66 MW) Combustíveis single, bi-combustível, multi-combustível (OC, GN ou diesel) Operação Elástica aos regimes de carga Construção compacta Alta eficiência ~ 45% Tecnologias Motor Alternativo Central elétrica de combustão interna 1 - Trocador de calor do óleo 2 - Trocador de calor da água 3 - Trocador de calor do turbo-compressor 4 – Motor 5 - Gerador Elétrico 6 - Caldeira de recuperação 420°C Ar e combustível são comprimidos nos pistões e queimados gerando calor e gases em alta pressão Gases se expandem nos pistões e movimentam um eixo (virabrequim), gerando energia no gerador acoplado Gases expandidos saem dos pistões (podem ser utilizados em processo) e são descartados Tecnologias Ciclo combinado (Brayton/Rankine) Arranjo em série de duas máquinas térmicas Onde a rejeição térmica da máquina primária é a fonte de calor da segunda, geralmente na proporção de 2:1 Operação Pouco elástica aos regimes de carga Operação em regime de base Instalações complexas Alta eficiência ~ 55% produção elétrica maximizada Tecnologias Ciclo combinado 500°C 250°C 60°C Tecnologias Ciclo combinado Central de cogeração TermoRio ηe= 50% 1.040 MW de capacidade em ciclo combinado, gás natural, Duque de Caxias / RJ Termeletricidade: Critérios de seleção Alto grau de liberdade em termos de localização (similar a um empreendimento industrial), devendo avaliar Custos Suprimento do combustível Fornecimento de energia (conexão, uso e perdas) e subprodutos Fatores adicionais para decisão Infraestrutura Incentivos Impacto ambiental (emissões) Tipo de tecnologia Tipo de combustível Termeletricidade: Critérios de seleção Fases de projeto de um empreendimento termelétrico Planejamento Inventário Suprimento de combustível Suprimento de água Localização Definição de tecnologia Projeto conceitual Necessidade e porte do empreendimento Pré-definição da usina (descrição técnica e balanço térmico) Viabilidade (técnica, econômica e ambiental) Projeto básico e projeto executivo Documentação de definição e implantação da usina Detalhamento dos equipamentos Termeletricidade: Critérios de seleção Termelétrica Hidrelétrica Operação base – média – ponta base Custo de implantação alto – médio – baixo alto Custo de operação baixo – médio – alto desprezível Tempo de implantação alto – médio – baixo alto Investimento modulado total Restrições - climáticas Impacto ambiental restrito diversificado Termeletricidade: Critérios de seleção Sistema Eficiência Eficiência elétrica total Custo de instalação Custo de operação % % R$/kW R$/kWh Turbina a vapor 37 60-85 1.300,00 12,00 Turbina a gás 40 60-80 1.000,00 14,00 55 70-88 2.200,00 11,00 37 60-85 1.500,00 37,00 42 60-85 2.200,00 25,00 40 85-90 3.000,00 --- Ciclo combinado Motor Diesel Motor Gás Natural Célula a combustível Ref. 2008 Outorga da central • Processo para implantação de termelétricas – Potência acima de 5 MW ANEEL / MME > MEIO AMBIENTE > Autorização (Res. 112/99) Liberação (Res. 433/03) operação comercial Requisitos Técnicos e Legais Projeto Executivo/ Construção LP - LI LO Fiscalização Operação Renovação As termelétricas no Brasil (2008) Centrais termelétricas: 24% da matriz elétrica As termelétricas no Brasil (2010) Centrais termelétricas: 26% da matriz elétrica O cenário energético global e a energia térmica A demanda mundial de energia deverá aumentar consideravelmente nos próximos anos. principal razão o crescimento populacional combinado com o aumento do consumo de energia pelos países emergentes, como China, Índia e Brasil. Carvão: 38% da produção mundial de eletricidade Fontes renováveis de energia têm um importante papel diversificador, porém com contribuição marginal para a expansão do parque gerador. Energia nuclear Seu futuro dependerá exclusivamente da aceitação sóciopolítica. Geração fotovoltaica Características da Energia Solar VANTAGENS: Renovável – Inesgotável “Gratuita” Baixo impacto ambiental “LIMPA” Alternativa às fontes convencionais “Pode ser combinada” Distribuída pela superfície da terra DESVANTAGENS: Baixa densidade energética Variável espacialmente Influência de fatores meteorológicos Variável no tempo: ano a ano, sazonal e diária Necessidade de armazenamento Sistema de conversão fotovoltaica Arranjo Fotovoltáico Inversor Controle Carga Banco de Baterias Carga CC Carga CA Radiação Solar Importância de se ter dados dos níveis de radiação solar do local do projeto Para estimativa da energia produzida Para cálculo do banco de baterias Como obter os níveis de insolação Consultar tabelas e mapas solarimétricos Estações meteorológicas próximas Unidades dos dados de radiação solar Nível instantâneo de radiação - W/ m² Energia acumulada kWh/m²/dia Número de horas com sol máximo – h/dia Níveis solarimétricos médios brasileiros (horizontal) média anual: Nordeste 5 a 6 horas/dia Amazônia/Sudeste - 4 a 5 horas/dia Sul – 3,5 a 4,5 horas/dia Atlas Solarimétrico do Brasil (Cepel, 2000) Sistemas Fotovoltaicos Vantagens específicas Autonomia Evita redes de distribuição Geração distribuída Confiabilidade Energia elétrica sem interferências externas Modularidade Desvantagem Alto custo Célula fotovoltaica Materiais: Silício mono cristalino: mais difundidas eficiência teórica de 27% - comercial entre 11% e 13% processo de fabricação complexo Silício policristalino: mesmo material mas não é um único cristal menor eficiência – maior área Módulos fotovoltaicos P$painel = US$ 5000,00/kW Acumuladores Estacionária - evitar usar automotiva Ciclo carga-descarga muito severo Vida útil elevada Baixo nível de perdas - alta eficiência Autodescarga reduzida Alta capacidade de armazenamento Baixo nível de manutenção Custo razoável Influência da temperatura Bateria estacionária Controlador de carga Função básica - proteger a bateria Sinaliza status do sistema Monitora a tensão da bateria Inversor Função básica: suprir as cargas de corrente alternada Características desejáveis do inversor tensão de saída com pouca variação suportar cargas elevadas de curta duração eficiência vida útil Tipos Onda quadrada modificada: eficiência 90-96%. Podem ser usados com diversos tipos de eletrodoméstico: televisores, computadores, estéreos, etc. Não podem ser utilizados, porém, para operarem equipamentos que exijam uma melhor qualidade de sinal, como muitas copiadoras, impressoras laser, etc Onda senoidal: eficiência 90-96%(SW da trace)), siemens). Oferecem uma melhor tensão de saída e desempenho, podendo operar qualquer aparelho CA ou motor, sem restrições Custos típicos US$/kVA (de acordo com a potência): 300 a 1.000 Estruturas para montagem dos painéis Fixação lado de poste Fixação solo/telhado vantagens: preço desvantagens: 1 pç de fix p/ cada pé, no solo, exposição a invasões e sombreamento, no telhado, dificuldade de acesso vantagens: preço, fácil instalação desvantagens: capacidade de suporte p/ até 4 módulos. Fixos Fixação topo de poste vantagens: fácil instalação, tem um único ponto para fixação, acesso fácil. desvantagens: preço (20%+caro) P$est_fix = US$ 800,00/kW Estruturas para montagem dos painéis passivo Funcionamento: utilização do gás Freon R22. O gás na parte + exposta ao sol aquece-se e migra para outra parte, inclinando a estrutura em direção do Sol. Menos preciso e não permite seg. em 2 eixos c/ seguimento solar ativo Funcionamento: sensor ótico fornece informações a um motor dc que aciona o(s) eixo(s) da montagem. É mais preciso. P$est_seg = US$ 1500,00/kW + + US$ 270,00 por estrutura c/ 2 eixos Dimensionamento de sistema fotovoltaicos Importância do dimensionamento A fonte de energia limitada e inconstante mas a necessidade da energia é constante e variável Energia produzida > Energia consumida Energia produzida é função da radiação solar incidente A energia consumida depende: da potencia dos equipamentos ligados do tempo de uso de cada equipamento A capacidade do banco de baterias depende do nível do consumo diário e da autonomia desejada para o sistema em períodos prolongados sem insolação Sistema fotovoltaico híbridos para cargas de corrente alternada Mercado Fotovoltaico Mundial MW
