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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA DE ANÁLISE DA VIABILIDADE
TÉCNICA E ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO.
Rodrigo Albino Caramicoli Oliveira
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
______________________________________________
Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida
______________________________________________
Prof. Alexandre Salem Szklo
______________________________________________
Prof. Reinaldo de Falco
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
OUTUBRO DE 2015
ii
Oliveira, Rodrigo Albino Caramicoli
Desenvolvimento de uma ferramenta de análise da
viabilidade técnica e econômica da implantação de sistemas
de cogeração/ Rodrigo Albino Caramicoli Oliveira. – Rio de
Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.
X, 58p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2015.
Referências Bibliográficas: p.58
1.Introdução. 2. Fundamentos Teóricos. 3. Análise
da Planilha. 4. Estudos de Caso. 5. Conclusões. 6. Sugestões
para futuros trabalhos. I. Almeida, Silvio Carlos Anibal. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Curso de
Graduação em Engenharia Mecânica. III. Desenvolvimento
de uma ferramenta de análise da viabilidade técnica e
econômica da implantação de sistemas de cogeração.
iii
Agradecimentos
Aos meus pais, Albino F. S. Oliveira e Rosana C. Oliveira, que sempre colocaram
a minha educação em primeiro lugar. Por terem me ensinado a ser uma pessoa honesta,
responsável e ética. Por me apoiarem em minhas decisões e me ajudarem nas dificuldades.
A Cristiana S. Vianna, por ter sido minha companheira durante esse longo tempo
de graduação. Por ter me apoiado nos momentos difíceis, me ajudado a superar as
barreiras e me lembrar de sempre encarar a vida com alegria. Graças a ela esse período
da minha vida foi muito mais leve e feliz.
Ao meu orientador, Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, por todas as conversas
e conselhos que me ajudaram a terminar meu projeto com qualidade. Por ser um exemplo
de pessoa e profissional, sempre presente e ajudando aos seus alunos.
A todos da empresa Renewpower, por tudo que aprendi trabalhando, por toda a
amizade e solidariedade com que me acolheram e pela oportunidade que me deram.
Ao nosso sempre presente Tito Lívio José Barbosa, por toda a sua ajuda a
inúmeros alunos do curso de engenharia mecânica da UFRJ. Sem sua presença nossa vida
seria infinitamente mais complicada. Obrigado pela paciência e dedicação em seu
trabalho.
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA DE ANÁLISE DA
VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS
DE COGERAÇÃO
Rodrigo Albino Caramicoli Oliveira
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Curso: Engenharia Mecânica
O presente trabalho apresenta uma ferramenta computacional, desenvolvida na
plataforma MS Excel, que tem como objetivo a análise da viabilidade técnica e econômica
da implantação de centrais de cogeração de energia.
O usuário deve inserir os valores de demanda elétrica e térmica de seu sistema,
bem como premissas de projeto. Feito isso, o usuário pode selecionar o equipamento a
ser usado na cogeração e ver na mesma tela os resultados econômicos financeiros
automaticamente calculados pelo programa de modo a melhor realizar sua seleção.
A ferramenta desenvolvida faz todos os cálculos relativos a energia necessária ao
projeto bem como os custos operacionais para o sistema com e sem cogeração. De posse
desses valores é feito um fluxo de caixa baseado na economia que a planta de cogeração
proporciona e no investimento necessário para sua implantação. A partir do fluxo de caixa
são calculados a taxa interna de retorno (TIR) e o Pay-back do projeto em questão.
Por fim, são analisados três estudos de caso utilizando a ferramenta desenvolvida.
Os casos estudados são focados em empreendimentos de grande porte, sendo eles: um
shopping, uma cervejaria e uma indústria alimentícia. Para efeito de validação do
programa desenvolvido, os resultados econômicos e financeiros obtidos são comparados
com os dados reais fornecidos por uma empresa de energia que fez os projetos de
implantação da cogeração nos casos estudados.
Palavras-chave: Cogeração de energia, eficiência energética.
v
Undergraduate Project Abstract presented to DEM/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements to obtain the degree of Mechanical Engineer
TOOL DEVELOPMENT FOR TECHNICAL AND ECONOMIC FEASIBILITY
ANALYSIS OF COGENERATION SYSTEMS IMPLEMENTATION
Rodrigo Albino Caramicoli Oliveira
Advisor: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Course: Mechanical Engineering
This paper presents a computational tool developed in MS Excel platform, which
aims to analyze the technical and economic feasibility of implementing energy
cogeneration plants.
The user must enter the electrical and thermal demand values of the system, as
well as project assumptions. Then, the user can select the equipment to be used in
cogeneration and see the financial economic results of the projetct. Therefore, the user
will be able to select the equipment according to the obtained results.
The developed tool does all the calculations for the energy needed for the project
and operating costs for the system with and without cogeneration. With these values is
done a cash flow-based economy based on the cogeneration plant economy and the
investment required for its implementation. From the cash flow is calculated the internal
rate of return (IRR) and the payback of the project in question.
Finally, three case studies are analyzed using the tool developed. The case studies
are focused on large enterprises, namely: a mall, a brewery and a food industry plant. The
economic and financial results obtained are compared with real data obtained from a
energy efficiency company that developed the considered cases.
Keywords: Combined Heat and Power, energy efficiency.
vi
Sumário
1. Introdução ..................................................................................................................... 1
1.1 Objetivos ..................................................................................................................... 1
1.2 Descrição dos capítulos .............................................................................................. 1
2. Cogeração ..................................................................................................................... 3
2.1 Tecnologias de Cogeração .......................................................................................... 3
2.2.1 Turbina a Gás .......................................................................................................... 4
2.2.2 Motor de combustão interna .................................................................................... 5
2.2.3 Chiller de Absorção ................................................................................................. 6
2.2.4 Caldeira de Recuperação ......................................................................................... 9
2.3 Análise Econômica ................................................................................................... 10
2.3.1 Fluxo de caixa ........................................................................................................ 11
2.3.2 Métodos de avaliação do fluxo de caixa ................................................................ 12
2.3.2.1 Método da taxa interna de retorno (TIR) ............................................................ 12
2.3.2.2 Método do Pay-back ........................................................................................... 12
3. Descrição da Planilha ................................................................................................. 13
3.1 Demandas ................................................................................................................. 14
3.1.1 Demanda Elétrica ................................................................................................... 15
3.1.2 Demanda de Vapor ................................................................................................ 16
3.1.3 Demanda de Refrigeração ..................................................................................... 17
3.2 Premissas .................................................................................................................. 18
3.2.1 Descrição dos valores de entrada........................................................................... 18
3.3 Análise Técnica ........................................................................................................ 24
3.4 Qualificação ANEEL ................................................................................................ 27
3.5 Custo do Gás ............................................................................................................. 29
vii
3.6 Custo da EE .............................................................................................................. 32
3.8 Análise Financeira .................................................................................................... 34
3.8.1 Custos de Aquisição .............................................................................................. 34
3.8.2 Análise Financeira ................................................................................................. 36
3.9 Banco de Dados ........................................................................................................ 37
3.10 Central de Água Gelada (CAG).............................................................................. 39
3.11 Resultados ............................................................................................................... 40
4. Estudos de Caso .......................................................................................................... 44
4.1 Shopping ................................................................................................................... 44
4.2 Cervejaria.................................................................................................................. 49
4.3 Indústria Alimentícia ................................................................................................ 54
5. Conclusões .................................................................................................................. 61
6. Sugestões para futuros trabalhos ................................................................................ 63
Referências ..................................................................................................................... 64
viii
Índice de Figuras
Figura 1 – Ciclo Brayton .................................................................................................. 4
Figura 2 – Ilustração de uma turbina a gás em um sistema de cogeração ........................ 5
Figura 3 – Quatro tempos do ciclo Otto ........................................................................... 6
Figura 4 – Funcionamento do Chiller de absorção ........................................................... 7
Figura 5 – Bombeamento da solução diluída de brometo de lítio .................................... 8
Figura 6 – Condensador do Chiller de absorção .............................................................. 8
Figura 7 – Evaporador do Chiller de absorção ................................................................. 8
Figura 8 – Absorvedor do Chiller de absorção ................................................................. 9
Figura 9 – Ilustração de uma caldeira de recuperação.................................................... 10
Figura 10 – Exemplo de curva do consumo mensal de energia elétrica do empreendimento
........................................................................................................................................ 15
Figura 11 – Código de cores utilizado na planilha ......................................................... 18
Figura 12 - Diagrama de blocos do funcionamento do programa .................................. 20
Figura 13 – Peso das bandeiras tarifárias ....................................................................... 34
Figura 14 - Janela de cadastramento de equipamentos no banco de dados .................... 38
ix
Índice de Tabelas
Tabela 1 – Inserção dos dados de consumo elétrico do empreendimento ...................... 15
Tabela 2 – Inserção dos dados de consumo de vapor do empreendimento .................... 16
Tabela 3 – Inserção dos dados de carga térmica para refrigeração do empreendimento 17
Tabela 4 – Premissas básicas para o projeto................................................................... 18
Tabela 5 – Escolha das utilidades a serem geradas ........................................................ 21
Tabela 6 – Venda de energia elétrica.............................................................................. 21
Tabela 7 – Seleção do (s) equipamento (s) para cogeração ............................................ 22
Tabela 8 – Seleção dos equipamentos para refrigeração ................................................ 23
Tabela 9 – Indicação da queima adicional...................................................................... 23
Tabela 10 – Resumo dos resultados com cogeração ...................................................... 24
Tabela 11 – Cálculo do consumo específico de gás natural do equipamento ................ 25
Tabela 12 – Cálculo da potência térmica útil retirada do equipamento ......................... 25
Tabela 13 – Análise da Geração de Energia ................................................................... 26
Tabela 14 – Tabela para definir parâmetros da Qualificação da Cogeração .................. 28
Tabela 15 – Verificação da Qualificação da Cogeração perante à ANEEL ................... 29
Tabela 16 – Cálculo do consumo de Gás Natural pelo equipamento ............................. 30
Tabela 17 - Consumo de combustível pelos auxiliares .................................................. 30
Tabela 18 – Cálculo do custo do Gás Natural Industrial ................................................ 31
Tabela 19 - Cálculo do custo do Gás Natural para Cogeração ....................................... 31
Tabela 20 – Custo anual do combustível ........................................................................ 32
Tabela 21 – Cálculo dos custos com energia elétrica no sistema convencional............. 32
Tabela 22 – Cálculo da importação de energia elétrica necessária para a cogeração .... 33
Tabela 23 – Cálculo do custo de importação da energia elétrica para a cogeração ....... 33
Tabela 24 - Tabela com os custos de aquisição para a planta de Cogeração ................. 35
Tabela 25 – Custos Complementares da Instalação da Planta de Cogeração ................. 35
Tabela 26 – Análise Financeira do Projeto de Cogeração .............................................. 36
Tabela 27 – Parte da Aba “Banco de Dados” ................................................................. 37
Tabela 28 – Parte da Tabela de dados da aba “CAG” .................................................... 39
Tabela 29 - Equipamento da cogeração .......................................................................... 40
Tabela 30 – Consumo e custo de energia elétrica para o sistema com e sem cogeração 40
Tabela 31 – Custo anual com a produção de vapor ........................................................ 41
x
Tabela 32 – Custo anual com refrigeração ..................................................................... 41
Tabela 33 – Venda de energia elétrica excedente........................................................... 41
Tabela 34 – Custo anual operacional .............................................................................. 42
Tabela 35 – Economia operacional da planta e resultado financeiros ............................ 43
Tabela 36 – Demanda e consumo elétrico do Shopping ................................................ 45
Tabela 37 – Consumo de frio do Shopping .................................................................... 45
Tabela 38 – Premissas para o estudo do Shopping ......................................................... 46
Tabela 39 – Seleção do equipamento para o Shopping .................................................. 47
Tabela 40 – Seleção dos equipamentos para a refrigeração do Shopping ...................... 47
Tabela 41 – Avaliação da necessidade de queima adicional no Shopping ..................... 47
Tabela 42 – Resumo dos resultados do Shopping .......................................................... 48
Tabela 43 – Comparação dos custos operacionais para o Shopping .............................. 48
Tabela 44 – Demanda e consumo elétrico da Cervejaria ............................................... 49
Tabela 45 – Consumo de vapor da Cervejaria ................................................................ 50
Tabela 46 – Premissas para o estudo da Cervejaria........................................................ 51
Tabela 47 – Seleção do equipamento para a Cervejaria ................................................. 52
Tabela 48 – Avaliação da necessidade de queima adicional na Cervejaria.................... 52
Tabela 49 – Seleção dos equipamentos para a refrigeração da Cervejaria ..................... 53
Tabela 50 – Resumo dos resultados da Cervejaria ......................................................... 53
Tabela 51 – Comparação dos custos operacionais para o Shopping .............................. 53
Tabela 52 – Demanda e consumo elétrico da Indústria Alimentícia .............................. 54
Tabela 53 – Consumo de vapor da Indústria Alimentícia .............................................. 55
Tabela 54 – Demanda de frio da Indústria Alimentícia.................................................. 55
Tabela 55 – Premissas para o estudo da Indústria Alimentícia ...................................... 56
Tabela 56 – Seleção do equipamento para a Indústria Alimentícia .............................. 57
Tabela 57 – Seleção dos equipamentos para a refrigeração da Indústria Alimentícia ... 57
Tabela 58 – Avaliação da necessidade de queima adicional na Indústria Alimentícia .. 57
Tabela 59 – Resumo dos resultados da Indústria Alimentícia ....................................... 58
Tabela 60 – Comparação dos custos operacionais para a Indústria Alimentícia............ 58
Tabela 61 – Seleção de motores para a Indústria Alimentícia ....................................... 59
Tabela 62 - Seleção dos equipamentos para a refrigeração da Indústria Alimentícia .... 59
Tabela 63 - Avaliação da necessidade de queima adicional na Indústria Alimentícia ... 60
xi
Tabela 64 – Comparação entre seleções de diferentes equipamentos para a Indústria
Alimentícia ..................................................................................................................... 60
Tabela 65 – Comparação dos resultados obtidos............................................................ 61
xii
Lista de Símbolos
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 - Consumo da caldeira (m³/ton)
𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 - Consumo de combustível por hora (m³/h)
𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 - Consumo de combustível por ano (m³/ano)
𝐶𝑒𝑠𝑝 - Consumo específico de combustível (m³/kWh)
𝐷𝑡 - Despesa Total (R$)
𝐸𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎 - Energia demandada (kWh)
𝐸𝐸𝑙,𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 - Energia Elétrica gerada (kWh)
𝐸𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 - Energia gerada (kWh)
𝐸𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 - Energia pendente (kWh)
𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚,𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 - Energia Térmica gerada (kWh)
𝐹𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 - Fator de utilização do equipamento (%)
ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐 - Horas de funcionamento (h)
𝑖 - Taxa de retorno (%)
𝑅𝑡 - Receita Total (R$)
𝐼0 - Investimento Inicial (R$)
𝜂𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 - Eficiência do equipamento (%)
𝑃𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 - Potência do equipamento (kW)
𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 - Produção de vapor (ton/h)
𝑄ú𝑡𝑖𝑙 - Calor útil (kW)
𝑡 - Tempo (anos)
1
1. Introdução
A produção de energia elétrica é um tópico de extrema importância para o Brasil.
O risco de racionamento e o aumento do custo de energia são palpáveis para 2015, e as
empresas mais do que nunca estão à procura de soluções para evitar perda de produção e
redução de seus lucros.
Os sistemas de cogeração de energia (CHP – combined heat and power) se
inserem nesse contexto de forma a garantir um uso mais eficiente dos recursos
energéticos. Isto é feito a partir do conceito de geração combinada de energia elétrica, sob
a forma de eletricidade, e energia térmica, sob a forma de calor útil. (BALESTIERI, 2002)
1.1 Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de uma
ferramenta computacional a ser usada para a análise da viabilidade técnica e econômica
de projetos de cogeração.
O programa foi feito na plataforma Microsoft Excel e é capaz de, baseado nos
dados de entrada do usuário, calcular o consumo e custos com a energia necessária ao
empreendimento (elétrica e térmica). Adicionalmente, o programa apresenta a
comparação de custos entre o sistema convencional e com cogeração, bem como os
resultados financeiros da implementação de um sistema de cogeração.
1.2 Descrição dos capítulos
Este estudo foi divido em cinco capítulos, que descrevem o que é um sistema de
cogeração, como a planilha funciona, três estudos de caso e uma análise dos resultados
obtidos.
No segundo capítulo, são apresentados conceitos fundamentais sobre a cogeração de
energia e os principais equipamentos utilizados para a cogeração. Também são
apresentados conceitos sobre a análise financeira que será aplicada ao programa.
2
O terceiro capítulo apresenta o funcionamento da planilha. É apresentada a memória
de cálculo, os parâmetros envolvidos e como deve ser feita a inserção de dados por parte
do usuário.
O quarto capítulo apresenta os estudos de caso realizados com a ferramenta. Três
estudos de caso com diferentes características foram, de forma a avaliar a flexibilidade
do programa. Em cada estudo de caso é apresentada a inserção dos dados de entrada no
programa e uma análise dos resultados encontrados.
No quinto capítulo é feita a conclusão do trabalho, onde é avaliada a eficácia do
programa desenvolvido, comparando os resultados obtidos com os da empresa de energia
que realizou os mesmos estudos, a Renewpower.
3
2. Cogeração
Esse capítulo tem como objetivo desenvolver os fundamentos teóricos necessários
ao entendimento básico de um projeto de cogeração e sua análise técnica e econômica.
A cogeração consiste na produção simultânea e sequenciada de duas ou mais
formas de energia a partir do uso de uma única fonte energética primária como: óleo
combustível, carvão, gás natural, biomassa, etc. O presente estudo considera como
combustível primária da cogeração o gás natural pois é o combustível mais utilizado nos
processos de cogeração de energia, devido à sua acessibilidade, preço e baixo índice de
emissão de gases danosos ao ambiente. (ANDREOS, 2013)
No processo de cogeração, a energia térmica, rejeito obtido na produção de
energia elétrica, é aproveitada para a produção de energia térmica (calor ou frio). Dessa
maneira, a energia do combustível de entrada, que seria desperdiçada no processo sem
cogeração, ao ser utilizada aumenta eficiência global do sistema.
2.1 Tecnologias de Cogeração
O componente principal de um sistema de cogeração são os equipamentos
responsáveis pela produção de energia elétrica e térmica. O foco do estudo presente se
dará em aplicações industriais, de maneira que os equipamentos mais comuns para essa
aplicação são as turbinas e motores a gás (para produção de energia elétrica), as caldeiras
de recuperação (para produção de calor) e os Chillers de absorção (para a produção de
frio).
4
2.2.1 Turbina a Gás
As turbinas a gás são largamente utilizadas em cogerações industriais de grande
escala devido a sua grande potência, alta capacidade de geração térmica e confiabilidade
operacional. (ANDREOS, 2013)
A turbina a gás opera no Ciclo Brayton onde o combustível é queimado em uma
câmara de combustão. A queima do combustível produz a expansão dos gases que são
encaminhados para a turbina onde exercem força sobre as pás da turbina, girando o eixo
e produzindo trabalho. O eixo da turbina é acoplado a um gerador que, por sua vez, gera
energia elétrica a partir do movimento da turbina. A figura a seguir ilustra o Ciclo Brayton
de funcionamento de uma turbina a gás.
Figura 1 – Ciclo Brayton
Os gases de exaustão são expelidos a uma temperatura média entre 400 e 650ºC;
Devido a sua alta temperatura, os gases de exaustão comumente utilizados para a
produção de água quente ou vapor de água em um sistema de cogeração, conforme ilustra
a figura a seguir.
5
Figura 2 – Ilustração de uma turbina a gás em um sistema de cogeração
2.2.2 Motor de combustão interna
Os motores possuem construção compacta, podem utilizar diversos tipos de
combustíveis como: óleo diesel, gás natural e biogás. São muito utilizados em processos
de cogeração pois possuem elevada eficiência elétrica, disponibilidades da ordem de 90%
e podem ser fabricados em container, incluindo todos os equipamentos auxiliares, de
forma a diminuir o tempo de construção (plug and play).
Os tipos de motores empregados disponíveis em escala comercial para plantas de
cogeração seguem dois tipos de configurações - ciclo Diesel e ciclo Otto. Os motores a
gás natural funcionam com ciclo Otto, no qual o motor aspira uma mistura de ar e
combustível. A chama é iniciada por uma vela de ignição. O funcionamento do motor de
quatro tempos pode ser definido por quatro ciclos que serão melhores detalhados a seguir:
Admissão: O pistão desce aspirando a mistura ar/combustível para o interior do
cilindro (válvula de admissão aberta).
Compressão: A mistura ar/combustível aspirada é comprimida pelo pistão.
Combustão: A mistura se inflama devido a uma centelha iniciada vela de ignição.
Escape: Os gases produzidos pela combustão da mistura saem do cilindro
empurrado pelo pistão para o coletor de escape (válvula de exaustão aberta).
6
A figura a seguir ilustra os quatro tempos do processo de geração de trabalho do
motor a gás natural.
Figura 3 – Quatro tempos do ciclo Otto
2.2.3 Chiller de Absorção
Os Chillers de absorção são os equipamentos responsáveis por gerar a água gelada
de um processo de cogeração. Esse tipo de equipamento usa os rejeitos térmicos do motor
ou turbina como insumo para a produção de água gelada a ser usada no processo de
refrigeração do empreendimento.
O ciclo de refrigeração de um Chiller de absorção funciona através de um processo
físico-químico conforme mostra a figura a seguir.
7
Figura 4 – Funcionamento do Chiller de absorção
Em geral, os Chillers de absorção usados em projetos de cogeração são os que
funcionam com uma solução de brometo de lítio e água.
Primeiramente a solução diluída de brometo de lítio é bombeada do fundo da
carcaça do absorvedor para um trocador de calor que realizará o pré-aquecimento da
solução. A figura a seguir ilustra esse processo.
8
Figura 5 – Bombeamento da solução diluída de brometo de lítio
Após passar pelo trocador, a solução segue até o gerador onde passa por um feixe
de tubos contendo vapor ou água quente. Ocorre então uma troca de calor entre os tubos
e a solução, o ganho de calor faz a solução se dissociar em brometo de lítio e vapor d’água.
O vapor sobe e passa por um condensador que causa a condensação do vapor de água e
coleta a água em estado líquido conforme mostra a figura a seguir.
Figura 6 – Condensador do Chiller de absorção
A água em estado líquido é então levada ao evaporador onde, em um estado
próximo ao vácuo, evapora sobre as paredes dos tubos do evaporador, refrigerando o
líquido dentro dos tubos.
Figura 7 – Evaporador do Chiller de absorção
9
Para completar o ciclo, a solução concentrada de brometo de lítio entra em contato
com o vapor d’água que veio do evaporador. A solução de brometo de lítio absorve a
água formando uma solução diluída e gera calor nesse processo, por isso ela passam por
tubos com água gelada. Finalmente a solução diluída volta para a bomba e o ciclo
recomeça.
Figura 8 – Absorvedor do Chiller de absorção
2.2.4 Caldeira de Recuperação
As caldeiras de recuperação de calor são equipamentos que utilizam o calor dos
gases de exaustão a partir de processos de combustão ou processos industriais para
produzir água quente ou vapor saturado. As caldeiras de recuperação de calor são
principalmente utilizadas em combinação com turbinas e motores a gás em plantas de
cogeração. Em processos industriais, sob a influência dos custos crescentes de energia,
cada vez mais o calor residual é utilizado pela caldeira de recuperação.
Quando a demanda de vapor local supera o limite máximo de geração de vapor
pela caldeira de recuperação, devem ser acoplados queimadores suplementares às
caldeiras. O queimador auxiliar da caldeira de recuperação pode também ser utilizado
para gerar vapor independente do motor principal. Estes sistemas podem ser projetados
para funcionar de acordo com qualquer combustível líquido ou gasoso, também
compreendendo combustíveis de descarga. (FONSECA, 2014)
A figura a seguir ilustra uma caldeira de recuperação aquotubular. Esse é o tipo
de caldeira de recuperação mais usada em indústrias de grande porte, pois apresenta alta
confiabilidade e eficiência energética acima de 90%. Ela possui um feixe de tubos por
10
onde recebe a água quente proveniente do equipamento de geração de energia elétrica e
troca calor para a produção de vapor saturado para o processo.
Figura 9 – Ilustração de uma caldeira de recuperação
2.3 Análise Econômica
Implantar um sistema de cogeração não depende apenas das características
técnicas do projeto, mas também de seu retorno financeiro. Dessa forma os custos
operacionais do sistema cogerado devem ser menores do que os do sistema convencional,
de modo que existam vantagens econômicas do projeto.
Porém, não basta apenas uma economia operacional. É necessário que exista um
retorno no investimento feito para o projeto de cogeração dentro de um tempo
considerado razoável para o investidor. Para analisar os aspectos financeiros do projeto
existem métodos confiáveis conforme os que serão descritos a seguir.
11
2.3.1 Fluxo de caixa
O fluxo de caixa é um instrumento de contabilidade que considera as entradas e
saídas de recursos financeiros (SOUZA, 2011). No projeto de cogeração, é considerada
como entrada a economia operacional anual proveniente da implantação da central de
cogeração. As saídas consideradas são os impostos, amortizações de dívidas e juros de
financiamento. Os impostos considerados são:
Imposto de renda (IR);
Alíquota de 34% incidente sobre o lucro;
PIS e COFINS que juntos somam uma alíquota de 9,25% (SOUZA, 2011).
As outras saídas do fluxo de caixa são os investimentos em aquisição da planta e as
parcelas da dívida de financiamento, caso este seja contratado. A parte da parcela
relacionada ao pagamento de juros deve ser descontada da entrada de caixa antes do
imposto de renda incidir, diminuindo o valor devido.
Além disso, também deve ser considerada a depreciação. A depreciação é um
benefício fiscal que contabiliza o desgaste de um bem devido ao uso ao longo do tempo.
O valor da depreciação contábil é calculado como o valor total do bem dividido por uma
quantidade de anos determinada pela Receita Federal. Essa quantidade de anos varia de
acordo com a natureza do bem. No caso de máquinas e equipamentos esse tempo é de 10
anos (SOUZA, 2011), portanto, a cada ano o bem deprecia 10% de seu valor total.
O pagamento de juros e a depreciação da planta são abatidos do lucro da empresa
antes da cobrança do IR incidir, resultando no lucro antes do imposto de renda (LAIR).
Em seguida, o pagamento de amortizações de dívidas deve ser descontado do fluxo de
caixa, já que o pagamento de amortizações não pode ser deduzido no LAIR, pois esse
valor de amortização refere-se a um capital previamente tomado e que produziu riqueza
ao tomador (SOUZA, 2011). Assim, o fluxo de caixa acumulado é dado pela soma dos
valores dos fluxos de caixa anuais do tempo do projeto.
12
2.3.2 Métodos de avaliação do fluxo de caixa
A análise econômica de um projeto será realizada através de dois métodos:
Método da taxa interna de retorno (TIR);
Método do Pay-back.
2.3.2.1 Método da taxa interna de retorno (TIR)
A taxa interna de retorno (TIR) é a taxa, i, que iguala o valor presente de um ou
mais equipamentos, com o valor de um ou mais recebimentos do caixa. Em outras
palavras, o TIR iguala as entradas com as saídas do caixa. A equação (2.1) mostra como
é realizado o cálculo do TIR:
∑ 𝑅𝑡𝑛𝑡=1 −
𝐷𝑡
(1+𝑖)𝑡 = 𝐼0 (2.1)
Os valores aceitáveis para a TIR variam de acordo com a aplicação e o desejo do
empreendedor. Mas em geral valores a partir de 15% já são interessantes para o
investidor.
2.3.2.2 Método do Pay-back
O método do Pay-back determina o tempo decorrido até que o valor do
investimento realizado no projeto seja recuperado pelo empreendedor. Este talvez seja o
método mais importante na análise de viabilidade econômica de um projeto. Os valores
aceitáveis de tempo de Pay-back também variam com o interesse do investidor, mas
sempre se visa o menor tempo de Pay-back possível.
13
3. Descrição da Planilha
A ferramenta computacional COGERAR tem como objetivo fazer uma análise
técnica e econômica da viabilidade de implantação de uma central de cogeração em um
determinado empreendimento. O programa foi elaborado em Microsoft Excel, por ser um
programa de fácil acesso, conhecimento e funcionamento simples. Ao iniciar o arquivo o
usuário terá acesso a 19 abas sendo elas:
“Demandas”
“Premissas”
“Resultados”
“Análise Técnica”
“Qualificação ANEEL”
“Fluxo de Caixa”
“Controle Financeiro”
“Análise Financeira”
“Custo do Gás”
“Custo da EE”
“Custos Comp”
“SAC”
“Banco de Dados”
“CAG”
“ELEKTRO”
“AMPLA”
“LIGHT”
“CEG”
“COMGÁS”
O usuário deverá inserir os dados de seu empreendimento nas abas “Demandas”
e “Premissas”. Na aba “Demandas” são necessárias as informações sobre demanda e
consumo de energia elétrica, bem como o consumo de vapor e água gelada. Na aba
14
“Premissas” serão inseridos todos os demais dados necessários para a avaliação do
processo: concessionária de energia elétrica, classe de tensão, horas de operação, etc.
O próximo passo é selecionar o equipamento a ser usado na planta de cogeração,
bem como sua quantidade. Ainda na aba “Premissas” um resumo dos resultados é
automaticamente gerado, de modo que o usuário pode ver se a sua escolha de
equipamento obteve um bom resultado econômico e ajustá-la melhor de maneira iterativa.
O usuário pode ainda inserir um valor relativo ao aumento do custo da energia elétrica,
para analisar seu sistema para uma futura previsão de acréscimo nas taxas de energia.
As demais abas mostram os detalhes técnicos e financeiros realizados pelo
programa, bem como o fluxo de caixa, cálculo dos custos de operação, custos de
investimento, além do banco de dados de equipamentos.
Os itens a seguir irão detalhar as abas do programa, mostrando seu funcionamento
e cálculos efetuados.
3.1 Demandas
A aba “Demandas” é o local no qual os dados de consumo de energia elétrica,
vapor e refrigeração do empreendimento a ser considerado serão inseridos. Para tal,
existem 3 Tabelas onde o usuário encontrará as células a serem preenchidas.
15
3.1.1 Demanda Elétrica
A primeira Tabela permite ao usuário preencher os valores mensais de demanda
e consumo, ponta e fora de ponta de seu empreendimento.
Tabela 1 – Inserção dos dados de consumo elétrico do empreendimento
ELETRICIDADE
Tempo Demanda Elétrica [kW] Consumo de Energia [kWh]
Ponta Fora de Ponta Ponta Fora de Ponta
Janeiro 17.500 19.000 1.102.500 10.453.740
Fevereiro 17.500 19.000 997.500 9.598.840
Março 17.500 19.000 1.001.996 9.017.964
Abril 17.500 19.000 1.050.000 10.526.710
Maio 17.500 19.000 780.428 7.023.852
Junho 17.500 19.000 890.618 8.015.562
Julho 17.500 19.000 1.155.000 10.129.530
Agosto 17.500 19.000 1.119.166 10.072.494
Setembro 17.500 19.000 1.099.605 9.896.445
Outubro 17.500 19.000 1.050.000 10.766.120
Novembro 17.500 19.000 1.050.000 10.291.668
Dezembro 17.500 19.000 1.124.445 10.120.005
TOTAL 12.421.258 115.912.930
A partir desses dados, o programa gera uma curva de consumo elétrico para que
o usuário visualize seu perfil anual, conforme a seguir.
Figura 10 – Exemplo de curva do consumo mensal de energia elétrica do empreendimento
16
Serão calculados na aba “Custo da EE” o custo anual da energia elétrica, e a
energia elétrica total a ser suprida pela planta de cogeração.
3.1.2 Demanda de Vapor
Na Tabela 2 o usuário insere, na coluna em branco, a demanda de vapor em
kg/mês, visto que é a quantidade mais facilmente medida pelas empresas e indústrias que
usam vapor em seus processos. É necessário também a entrada dos valores de consumo
de combustível, produção de vapor, PCI e a seleção do combustível utilizado na caldeira.
Os dados de consumo de combustível e produção de vapor podem ser obtidos
diretamente do catálogo do fabricante da caldeira.
Tabela 2 – Inserção dos dados de consumo de vapor do empreendimento
VAPOR
Tempo kg de Vapor Gerado/mês m³/mês kW.h/mês
Janeiro 45.051.095 3.559.037 35.406.833
Fevereiro 47.122.968 3.722.715 37.035.172
Março 38.054.648 3.006.317 29.908.142
Abril 52.676.096 4.161.412 41.399.520
Maio 35.852.774 2.832.369 28.177.631
Junho 21.148.876 1.670.761 16.621.454
Julho 35.822.591 2.829.985 28.153.910
Agosto 43.091.856 3.404.257 33.867.016
Setembro 36.282.389 2.866.309 28.515.278
Outubro 39.038.223 3.084.020 30.681.160
Novembro 34.083.566 2.692.602 26.787.165
Dezembro 28.463.917 2.248.649 22.370.536
TOTAL/ANO 456.689.000 36.078.431 358.923.817
Combustível da Caldeira Gás Natural
Consumo de Combustível [m³/h] 158
Produção de Vapor [ton/h] 2
Eficiência da Caldeira [%] 90%
Consumo da Caldeira [m³/ton] 79
17
Dessa forma o programa calcula o consumo da caldeira e converte a demanda de
vapor para kWh/mês para ser utilizada posteriormente no cálculo da energia térmica
necessária ao processo, como mostram as equações (3.1) e (3.2).
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 =𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙
𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (3.1)
𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 [𝑘𝑊.ℎ
𝑚ê𝑠] = 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 [
𝑘𝑔
𝑚ê𝑠] .
𝐶𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
1000. 𝑃𝐶𝐼𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙. 0,0011622 (3.2)
3.1.3 Demanda de Refrigeração
Na Tabela 3 o usuário pode entrar diretamente com seu consumo de energia
térmica em TR.h/mês, visto que é uma quantidade normalmente medida nas indústrias.
Desse modo o programa pode dimensionar os equipamentos a serem utilizados na Central
de Água Gelada da planta de cogeração.
Tabela 3 – Inserção dos dados de carga térmica para refrigeração do empreendimento
REFRIGERAÇÃO
Tempo TR.h/mês
Janeiro 1.281.915
Fevereiro 1.175.225
Março 1.110.928
Abril 1.283.665
Maio 866.213
Junho 988.117
Julho 1.252.134
Agosto 1.241.480
Setembro 1.219.983
Outubro 1.310.399
Novembro 1.257.903
Dezembro 1.247.336
TOTAL/ANO 14.235.299
18
3.2 Premissas
A aba “Premissas” é utilizada para a inserção dos dados de entrada que serão
utilizados pelo resto da planilha. Além disso, nesta aba o usuário também deve selecionar
o equipamento responsável pela geração de energia elétrica e reaproveitamento de energia
térmica rejeitada.
A inserção de dados na planilha segue o código de cores apresentado na Figura
12:
Figura 11 – Código de cores utilizado na planilha
3.2.1 Descrição dos valores de entrada
A seguir será feita uma breve descrição dos valores a serem inseridos pelo usuário.
Tabela 4 – Premissas básicas para o projeto
PREMISSAS
Cotação do dólar [R$] 3,20
Chiller da planta sem cogeração Chiller Elétrico Alternativo
PCI do gás natural [kcal/m³] 8.560
PCI do óleo combustível [kcal/m³] 9.300.000
Custo do óleo combustível [R$/m³] 1750,00
Hora de início de operação da planta [h] 0
Hora do fim de operação da planta [h] 24
Nº de dias de funcionamento por ano 365
Número de horas de operação na Ponta por mês [h] 63
Número de horas de operação na Fora da Ponta por mês [h] 657
Tarifa de EE Mercado Livre
Tarifa Mercado Livre [R$/MWh] 235,00
Tarifa de Gás COMGÁS
Classe de Tensão A4 AZUL
Custo Anual com Perdas de Produção [R$] 0,00
Dado de Entrada do Usuário
Valor Calculado pelo Programa
19
Nessa etapa serão inseridas as premissas básicas necessárias para a análise do
programa, a serem descritas a seguir:
Cotação de dólar: influencia no custo de aquisição e manutenção do
equipamento a ser adquirido;
Chiller da planta sem cogeração: necessário para que se possa fazer a
comparação de custos entre cogeração e planta convencional;
PCI do gás natural e óleo combustível: necessários para o cálculo do balanço
energético do sistema;
Custo do óleo combustível: necessário para o cálculo do custo com óleo
combustível caso a caldeira convencional funcione com queima de óleo;
Hora de início, fim e número de dias de funcionamento de operação da
planta: Faixa de tempo de funcionamento diário do empreendimento para o
cálculo da geração de energia do equipamento.
Número de horas na ponta e fora de ponta da planta: Necessário para que se
possa calcular o consumo de energia em cada faixa e a quantidade de energia
importada;
Tarifa de EE: Seleciona a concessionária que distribui a energia elétrica ou
Mercado Livre;
Tarifa Mercado Livre: Inserir a tarifa do mercado livre, caso não compre do
mercado livre, deixar vazio;
Tarifa de Gás: Seleciona a distribuidora de gás natural;
Classe de Tensão: Seleciona a classe de tensão em que opera o empreendimento;
Combustível Caldeira Auxiliar: Seleciona o combustível usado na caldeira
auxiliar, caso seja necessária;
Custo anual com perdas de produção: Valor anual que representa perdas com
paradas na produção por falta de energia;
20
Conforme foi dito no capítulo 2, a cogeração irá produzir energia elétrica e térmica a
partir do mesmo combustível. Essa energia térmica pode ser aproveitada na produção de
vapor e água gelada, conforme ilustra a figura a seguir.
Figura 12 - Diagrama de blocos do funcionamento do programa
Conforme ilustrado na Figura 12, a energia excedente proveniente do equipamento
de geração será aproveitada no chiller de absorção. Se houver energia excedente no
chiller, essa energia será aproveitada na caldeira de recuperação. No caso de insuficiência
na demanda de frio ou vapor, são utilizados equipamentos auxiliares para produção
adicional das utilidades necessárias (chillers adicionais ou acionamento de outra
caldeira).
21
Cabe ao usuário decidir quais das utilidades ele deseja produzir para seu
empreendimento, como indica a Tabela 5.
Tabela 5 – Escolha das utilidades a serem geradas
OBJETIVOS DA COGERAÇÃO
Vapor (Calor) Não
Água Gelada (Frio) Sim
A Tabela 6 mostra o local no qual o usuário selecionará se deseja vender seu
excedente de energia elétrica (caso exista), bem como o valor que será pago por essa
energia (pode ser determinado junto a distribuidora da região). A venda de energia elétrica
é incentivada pelas concessionárias pois descarrega o sistema da rede.
Tabela 6 – Venda de energia elétrica
VENDA DE ENERGIA ELÉTRICA
Deseja vender energia elétrica excedente? Não
Preço para venda de energia elétrica[R$/kWh] 0,16
A Tabela 7 mostra o consumo de energia elétrica do sistema convencional e
permite ao usuário selecionar o equipamento a ser utilizado a partir do banco de dados do
programa, bem como sua quantidade e fator de carga. Feita essa seleção, o programa
realiza a subtração entre a energia gerada pelo equipamento e a energia demandada pelo
empreendimento. Caso a energia gerada seja insuficiente para suprir toda a demanda será
realizada a importação de energia adicional da rede. Por outro lado, caso a energia gerada
exceda a energia demandada poderá haver a venda desse excedente para a rede.
22
Tabela 7 – Seleção do (s) equipamento (s) para cogeração
GERAÇÃO ELÉTRICA COM COGERAÇÃO
Demanda Elétrica a ser suprida na Ponta [kW] 17.500
Demanda Elétrica a ser suprida Fora de Ponta [kW] 19.000
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido na Ponta [kWh] 12.421.258
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido Fora de Ponta [kWh] 115.912.930
Consumo Total de Energia Elétrica a ser suprido/ano [kWh] 128.334.188
Equipamento Selecionado Turbina TAURUS70 8MW
Dimensão do Equipamento selecionado [kW] 7965
Quantidade de equipamentos 2
Potência Instalada [kW] 15.930
Importação de energia necessária/ano [kWh] 2.742.068
Excedente de energia gerada/ano [kWh] 0,00
Fator de carga do equipamento 90%
A energia térmica rejeitada pelo equipamento de geração de energia elétrica pode
ser aproveitada para geração de vapor e/ou de água gelada. O usuário determina a
quantidade de energia térmica a ser aproveitada para a produção de água gelada, sendo a
energia restante usada para a produção de vapor em caldeiras de recuperação. Conforme
comentado acima, se a demanda de água gelada não for atendida, podem ser selecionados
chillers de queima direta ou elétricos para esse fim. Da mesma forma, está prevista a
utilização de queima suplementar em caldeiras convencionais, que podem ser
selecionadas para queimar gás natural ou óleo combustível, de forma complementar a
produção de vapor.
O próximo passo é a seleção dos equipamentos para a refrigeração conforme
ilustra a Tabela 8. O programa calcula a carga térmica total em TR necessária para a
planta.
A primeira linha indica a demanda total em TR de frio a ser suprida para o
empreendimento. A segunda linha indica a capacidade máxima de produção de frio a ser
gerada através de chillers de absorção. Essa capacidade é limitada pela quantidade de
energia térmica que pode ser aproveitada pelo equipamento de geração selecionado. O
usuário pode então inserir o valor correspondente a capacidade do(s) Chiller(s) a serem
usados. A capacidade do Chiller de absorção será limitada pela quantidade total de rejeito
23
térmico do equipamento que pode ser aproveitada. Dessa forma, caso a demanda de frio
seja maior que a capacidade máxima de produção de frio por absorção, deve-se
complementar a produção com chillers elétricos ou de queima direta.
Caso o usuário não deseje usar algum dos tipos de Chiller, basta deixar a célula
referente ao mesmo com o valor zero. Se a opção for por um Chiller Elétrico, o usuário
pode ainda, através de uma lista suspensa, escolher o tipo de Chiller Elétrico a ser
utilizado (Alternativo, Scroll, Parafuso).
A soma das capacidades dos equipamentos deve ser no mínimo igual ao valor
apresentado na primeira linha da Tabela 8, de modo a atender o projeto.
O programa automaticamente calcula custos adicionais de manutenção, consumo
de energia elétrica ou gás natural referente a cada opção de Chiller.
Tabela 8 – Seleção dos equipamentos para refrigeração
De acordo com as demandas, a ferramenta calcula se há necessidade de queima
adicional em uma caldeira convencional. Se for o caso, o usuário indica o combustível a
ser utilizado (gás natural ou óleo combustível) e o consumo de combustível da caldeira é
calculado, conforme mostrado Na Tabela 9.
Tabela 9 – Indicação da queima adicional
QUEIMA ADICIONAL
Necessidade de queima adicional na caldeira Sim
Demanda térmica adicional a ser suprida [kWh] 208.198.124
Combustível para queima adicional na caldeira Gás Natural
Consumo Anual de combustível adicional na caldeira [m³] 23.252.591
EQUIPAMENTOS PARA REFRIGERAÇÃO
Produção de Frio Necessária [TR] 1.079
Capacidade máxima de produção de frio por Absorção [TR]
359
Produção com Chiller de Absorção [TR] 350
Produção com Chiller de Queima Direta [TR] 0
Chiller Elétrico Utilizado Chiller Elétrico
Alternativo
Produção com Chiller Elétrico [TR] 750
Produção Total [TR] 1.100
24
A Tabela 10 mostra o resumo dos resultados operacionais da planta, de modo que
o usuário possa alterar sua seleção de equipamentos para obter uma otimização do
sistema. É permitido mudar o tempo de projeto e inserir um aumento no custo da energia
elétrica, com o propósito de analisar o mesmo projeto para o caso de um futuro aumento
no custo da energia elétrica.
O aumento no custo da energia elétrica simplesmente multiplica as tarifas atuais
pelo aumento percentual inserido pelo usuário. O objetivo desse procedimento é avaliar
o impacto de eventuais aumentos no custo de energia elétrica sobre o projeto. Esse índice
não permite fazer uma previsão de aumento anual de energia elétrica.
Tabela 10 – Resumo dos resultados com cogeração
RESUMOS DOS RESULTADOS OBTIDOS COM COGERAÇÃO
Tempo de projeto (anos) 20
Economia operacional anual da planta [R$] R$ 18.159.814
Aumento do Custo de EE [%] 0%
Economia operacional anual da planta [%] 20%
Taxa Interna de Retorno (TIR) 30%
PAY-BACK (anos) 4,8
3.3 Análise Técnica
A aba “Análise Técnica” é responsável por realizar os balanços de energia do
projeto de cogeração que está sendo simulado. Para isso, é realizado, primeiramente, o
cálculo do consumo específico de gás natural por kWh gerado pelo equipamento
selecionado na aba “Premissas”. Assim, o consumo específico de gás natural pelo
motogerador é dado pela equação (3.3) (NERI, 2009):
𝐶𝑒𝑠𝑝 [𝑚3
𝑘𝑊ℎ] =
860 [𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑘𝑊ℎ]
𝑃𝐶𝐼 [𝑘𝑐𝑎𝑙
𝑚3 ].𝜂𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝
(3.3)
25
A Tabela 11 apresenta esta parte do cálculo realizado pela planilha. O PCI do gás
natural é obtido através do valor inserido na aba “Premissas”, e a eficiência do
equipamento do banco de dados da planilha, de acordo com o equipamento que foi
selecionado.
Tabela 11 – Cálculo do consumo específico de gás natural do equipamento
Consumo de gás natural por kWh gerado pelo equipamento
PCI do gás natural [kcal/m³] 8560
Eficiência do equipamento 34,00%
Consumo de gás natural [m³/kWh] 0,295
Em seguida, é realizado o balanço de energia, propriamente dito, e é calculada a
potência térmica útil para a cogeração que pode ser retirada do equipamento, isto é, a
potência que poderá ser aproveitada na geração de energia térmica. A Tabela 12 ilustra
esse procedimento. O valor da potência térmica retirada do equipamento é obtida a partir
do banco de dados da planilha. Pode-se ainda modificar a eficiência dos trocadores de
calor, de modo a refinar o estudo.
Tabela 12 – Cálculo da potência térmica útil retirada do equipamento
ANÁLISE TÉCNICA DO PROJETO CHP
Dimensão do equipamento [kW] 7.965
Número de equipamentos 2
Consumo de gás natural [m³/kWh] 0,295
PCI do gás natural [kcal/m³] 8.560
Vazão horária de gás natural [m³/h] 2.354
Potência térmica total que entra no equipamento [kW] 23.449
Potência térmica retirada do bloco do motor [kW] 0
Potência térmica retirada da exaustão [kW] 10.062
Eficiência dos trocadores de calor 95%
Potência térmica útil para CHP [kW] 17.206
Energia Produzida pela CHP por ano [kWh] 150.725.694
Na Tabela 13 é realizada a análise de geração elétrica e térmica da planta, bem
como se a produção da cogeração será suficiente para suprir as demandas do sistema
convencional.
26
Tabela 13 – Análise da Geração de Energia
Análise da Geração Energia
Energia Elétrica Gerada por ano [kWh/ano] 125.592.120
Energia Térmica Gerada por ano [kWh/ano] 150.725.694
Energia Elétrica a ser suprida por ano [kWh/ano] 128.334.188
Energia Térmica a ser suprida por ano [kWh/ano] 358.923.817
Energia Elétrica excedente por ano [kWh/ano] 0
Energia Térmica excedente por ano [kWh/ano] 0
Utilização de caldeira auxiliar de queima direta Sim
Demanda da Caldeira Auxiliar [kWh/ano] 208.198.124
A energia elétrica gerada pelo equipamento é calculada conforme a equação (3.4),
enquanto a energia térmica gerada a partir do equipamento é calculada através da equação
(3.5). O calor útil vem dos rejeitos térmicos do equipamento selecionado. Esses valores
são retirados da aba “Banco de Dados”.
𝐸𝐸𝑙,𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑃𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝. 𝐹𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝.𝑑𝑖𝑎𝑠
𝑎𝑛𝑜. ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐 (3.4)
𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚,𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑄ú𝑡𝑖𝑙. 𝐹𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝.𝑑𝑖𝑎𝑠
𝑎𝑛𝑜. ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐 (3.5)
Após realizar o cálculo da energia elétrica gerada e da energia térmica gerada pela
cogeração, é possível calcular o valor da energia pendente ou da energia excedente da
planta com cogeração. Caso a cogeração gere menos energia do que é demandado pela
planta, existe uma energia pendente que deve ser suprida. Essa energia pendente é dada
pela equação (3.6).
𝐸𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐸𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎 − 𝐸𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 (3.6)
No caso da energia elétrica, a energia pendente é suprida por meio de compra de
energia elétrica da rede. No caso da energia térmica, a energia pendente é suprida por
meio de queima adicional de combustível na caldeira.
Se a cogeração gera mais energia do que é demandado pela planta, existe uma
energia excedente gerada. A energia excedente pode ser calculada pela equação (3.7).
27
𝐸𝑒𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐸𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝐸𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎 (3.7)
A energia elétrica excedente pode ser vendida para a rede caso o usuário deseje,
contanto que o projeto de cogeração seja qualificado pela ANEEL.
3.4 Qualificação ANEEL
A aba “Qualificação ANEEL” tem como objetivo avaliar se o projeto de
cogeração analisado cumpre com os requisitos necessários para ser reconhecido pela
ANEEL como uma planta de cogeração. Baseado na legislação vigente, a ANEEL
estabelece diversos mecanismos regulatórios para fomentar a participação das fontes não
convencionais de geração de energia elétrica no Brasil. (ANDREOS, 2013)
A qualificação como cogeração perante à ANEEL é necessária para que o
empreendimento possa usufruir das vantagens concedidas às plantas de cogeração,
principalmente a tarifa especial de gás natural e o direito de venda de energia elétrica
excedente.
Para que possa ser enquadrada na modalidade de “cogeração qualificada” pela
ANEEL, a central termelétrica cogeradora deverá atender aso seguintes requisitos
(ANEEL, 2010):
I - estar regularizada perante a ANEEL, conforme o disposto na legislação
específica e na Resolução no 112, de 18 de maio de 1999;
II – preencher os requisitos mínimos de racionalidade energética, mediante o
cumprimento das inequações a seguir:
a) 𝐸𝑡
𝐸𝑓≥ 15%
b) (𝐸𝑡
𝐸𝑓) ÷ 𝑋 +
𝐸𝑒
𝐸𝑓≥ 𝐹𝑐%
28
Sendo:
𝐸𝑓 - Energia da fonte: energia recebida pela central cogeradora, em seu regime
operativo médio, em kW, com base no conteúdo energético específico, que no
caso dos combustíveis é o poder calorífico inferior (PCI);
𝐸𝑒 - Energia da utilidade eletromecânica: energia cedida pela central cogeradora,
em seu regime operativo médio, em kW, em termos líquidos, ou seja, descontando
da energia bruta gerada o consumo em serviços auxiliares elétricos da central;
𝐸𝑡 - Energia da utilidade de calor: energia cedida pela central cogeradora, em seu
regime operativo médio, em kW, em termos líquidos, ou seja, descontando das
energias brutas entregues ao processo as energias de baixo potencial térmico que
retornam à central;
𝐹𝑐% - Fator de Cogeração: parâmetro definido em função da potência instalada e
da fonte da central cogeradora, o qual se aproxima do conceito de Eficiência
Exergética;
𝑋 - Fator de Ponderação: parâmetro adimensional definido em função da potência
instalada e da fonte da central cogeradora, obtido da relação entre a eficiência de
referência da utilidade de calor e da eletromecânica, em processos de conversão para
obtenção em separado destas utilidades.
Os valores de 𝑋 e 𝐹𝑐 deverão ser aplicados em função da Tabela abaixo:
Tabela 14 – Tabela para definir parâmetros da Qualificação da Cogeração
29
A Tabela 15 demonstra os valores obtidos pelo programa para os cálculos dos
parâmetros necessários à qualificação da cogeração perante à ANEEL. Os valores para o
fator de cogeração e para o fator de ponderação são obtidos a partir da Tabela 12. Se
ambos os requisitos, a e b, forem satisfeitos a cogeração é apresentada como
“qualificada”, caso contrário a situação da planta é “não qualificada”.
Tabela 15 – Verificação da Qualificação da Cogeração perante à ANEEL
QUALIFICAÇÃO DA COGERAÇÃO
Ef [kW] 46.897,4
Et [kW] 17.206,1
Ee [kW] 15.930,0
Fator de cogeração (Fc) 44%
Fator de ponderação (X) 2,13
Requisito a ( >= 15%) 36,69%
Requisito b ( >= Fc) 51,19%
SITUAÇÃO QUALIFICADO
3.5 Custo do Gás
A aba “Custo do Gás” calcula o custo do gás natural para a operação do
empreendimento no modo convencional e com a planta de cogeração. As tarifas são
automaticamente alteradas segundo a escolha da companhia distribuidora na aba
“Premissas”. O usuário pode ainda alterar as tarifas no caso de um possível reajuste
através das abas auxiliares “CEG” e “COMGÁS”.
30
Em primeiro lugar, o cálculo do consumo de gás natural pelo equipamento é feito
a partir da vazão horária de combustível, do tempo de funcionamento da planta e do fator
de carga do equipamento, o consumo anual de gás natural pelo equipamento é calculado
através da equação (3.8).
𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 [𝑚3
𝑎𝑛𝑜] = 𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 [
𝑚3
ℎ] . ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐 . 𝐹𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝 (3.8)
Além do gás natural consumido pelo equipamento selecionado para a cogeração,
pode existir ainda a necessidade de uma queima adicional de combustível em uma
caldeira ou ainda em um Chiller de queima direta, conforme foi explicado na seção 3.1.
Tabela 16 – Cálculo do consumo de Gás Natural pelo equipamento
CONSUMO DE COMBUSTÍVEL PELA CHP
Consumo de gás natural no equipamento
Potência gerada [kW] 14.337
Eficiência do equipamento 34,00%
PCI do gás natural [kcal/m³] 8.560,00
Consumo de gás natural por kWh gerado [m³/kWh] 0,295
Vazão horária de gás natural [m³/h] 4.236,5
Consumo anual de gás natural [m³] 33.400.323
Consumo mensal de gás natural [m³] 2.783.360
Somando o consumo de gás natural do equipamento de geração de energia, da
caldeira auxiliar (caso funcione com gás natural) e do Chiller de queima direta, obtém-se
o consumo total de gás natural da planta de cogeração.
Tabela 17 - Consumo de combustível pelos auxiliares
Consumo de combustível pelos auxiliares
Combustível utilizado para queima adicional Gás Natural
Consumo adicional anual de combustível na caldeira [m³] 23.252.591
Consumo adicional anual de gás natural na CAG auxiliar [m³] 0
Podemos então calcular o custo com gás natural tanto para a planta de cogeração
tanto para o sistema convencional, que teve seu consumo de gás calculado na aba
“Demandas”.
31
O custo do gás é calculado em cascata, isso é, existe uma tarifa para diferentes
faixas de consumo e sua conta final é a soma da multiplicação entre essas tarifas e o seu
consumo em cada faixa estabelecida pela distribuidora, conforme a Tabela a seguir.
Tabela 18 – Cálculo do custo do Gás Natural Industrial
A distribuidora COMGÁS usa ainda a parcela fixa, que é um valor adicional a ser
pago pelo consumo na faixa estabelecida. O programa automaticamente soma essa
parcela no caso de seleção de gás distribuído pela COMGÁS. (COMGÁS, 2015)
Da mesma maneira é realizado o cálculo do gás para a cogeração, mas com tarifas
menores, visto que a cogeração usufrui de um preço de gás diferenciado em todo o Brasil.
Tabela 19 - Cálculo do custo do Gás Natural para Cogeração
Por fim, o programa mostra o custo anual do combustível para o caso com e sem
cogeração. Caso o combustível selecionado para a geração de vapor no caso convencional
Custo total
R$/m3 C/ICMS
- 50.000 2,2819 - 50.000
50.001 300.000 1,6539 - 300.000
300.001 500.000 1,5836 - 500.000
500.001 1.000.000 1,5707 - 1.000.000
1.000.001 2.000.000 1,5443 85.542 1.156.536
2.000.001 10.000.000.000.000 1,5210 - -
10.000.000.000.001 - - - -
1 - - - -
1 - - - -
1 - - - -
Consumo mensal = 3.006.536 m3/mes
Conta mensal = 4.844.404R$ /mes
Custo do m3 (S/ICMS, PIS e COFINS) = 1,26889R$ /m3
Custo do m3 (C/ICMS, PIS e COFINS) = 1,61129R$ /m3
Intervalo de Consumo [m³] Parcela Fixa m³
Conta de Gás Natural Industrial
Conta de Gás Natural para Cogeração
Custo total
R$/m3 C/ICMS
- 5.000 1,9922 5.000 9.961,00R$
5.001 50.000 1,9185 50.000 95.925,00R$
50.001 100.000 1,2851 100.000 128.510,00R$
100.001 500.000 1,1539 500.000 576.950,00R$
500.001 2.000.000 1,1693 2.000.000 2.338.600,00R$
2.000.001 4.000.000 1,1685 2.066.076 2.414.210,08R$
4.000.001 7.000.000 1,1676 - -R$
7.000.001 10.000.000 1,1673 - -R$
10.000.001 10.000.000.000.000 1,0995 - -R$
Consumo mensal = 4.721.076 m3/mes
Conta mensal = 5.564.156R$ /mes
Custo do m3 (S/ICMS, PIS e COFINS) = 0,92813R$ /m3
Custo do m3 (C/ICMS, PIS e COFINS) = 1,17858R$ /m3
VALOR [R$]m³Intervalo de Consumo [m³]
32
seja óleo combustível o programa utiliza a tarifa inserida na aba “Premissas” para o
cálculo do custo anual. (COMGÁS, 2015)
Tabela 20 – Custo anual do combustível
CUSTO DO COMBUSTÍVEL
Custo anual do combustível sem cogeração [R$/ano] 58.132.843,70
Custo anual do combustível com cogeração [R$/ano] 66.769.872,91
3.6 Custo da EE
A aba “Custo da EE” calcula o custo da energia elétrica para o sistema
convencional, bem como para a cogeração, caso haja a necessidade de importar energia
da rede. O programa atualiza as tarifas de energia de acordo com a seleção da
concessionária de energia feita na aba “Premissas”. O usuário pode ainda alterar as tarifas
no caso de um possível reajuste através das abas auxiliares “LIGHT”, “AMPLA” e
“ELEKTRO”.
Os custos com a energia a partir das tarifas e dos dados fornecidos na aba
“Demandas” são calculados na Tabela a seguir. Caso o empreendimento opere na classe
Azul de tensão deve ainda arcar com os custos de demanda contratada além do seu
consumo de energia.
Tabela 21 – Cálculo dos custos com energia elétrica no sistema convencional
Custos Energia Elétrica
CONVENCIONAL Demanda Consumo Demanda Consumo
Janeiro -R$ 270.081,32R$ -R$ 767.670,28R$
Fevereiro -R$ 136.165,63R$ -R$ 811.904,48R$
Março -R$ 135.470,56R$ -R$ 828.007,38R$
Abril -R$ 135.470,56R$ -R$ 800.939,12R$
Maio -R$ 136.727,03R$ -R$ 775.116,43R$
Junho -R$ 136.727,03R$ -R$ 707.403,98R$
Julho -R$ 136.727,03R$ -R$ 727.781,17R$
Agosto -R$ 136.727,03R$ -R$ 752.686,25R$
Setembro -R$ 136.727,03R$ -R$ 717.565,99R$
Outubro -R$ 136.727,03R$ -R$ 805.287,57R$
Novembro -R$ 135.470,56R$ -R$ 791.052,83R$
Dezembro -R$ 135.470,56R$ -R$ 771.071,58R$
TOTAL -R$ 1.768.491,40R$ -R$ 9.256.487,06R$
CUSTO TOTAL ANUAL 11.024.978,46R$
Fora de PontaPonta
33
O programa automaticamente calcula a diferença entre a energia gerada
mensalmente pela planta de cogeração e o consumo mensal demandado. Caso a geração
de energia não supra toda a necessidade do empreendimento o restante da energia
necessária ao processo será comprada da concessionária e é calculada considerando que
12% da energia elétrica total é utilizada na ponta, e 88% fora de ponta. (RENEWPOWER,
2015)
Tabela 22 – Cálculo da importação de energia elétrica necessária para a cogeração
Tabela 23 – Cálculo do custo de importação da energia elétrica para a cogeração
Outro detalhe a ser considerado são as bandeiras tarifárias. No momento atual
estamos operando com tarifa de consumo em bandeira vermelha, e a previsão é que
continue assim por algum tempo.
Importação EE
COGERAÇÃO Ponta [kWh] Fora de Ponta [kWh] Ponta [kW] Fora de Ponta [kW]
Janeiro - - - -
Fevereiro - - - -
Março - 190.553,53 - 290,04
Abril - - - -
Maio - - - -
Junho - - - -
Julho - - - -
Agosto - - - -
Setembro - - - -
Outubro - - - -
Novembro - - - -
Dezembro - - - -
Total - 190.553,53 - 290
Consumo Cogeração Demanda Cogeração
Custos Energia Elétrica
COGERAÇÃO Demanda Consumo Demanda Consumo
Janeiro -R$ -R$ -R$ -R$
Fevereiro -R$ -R$ -R$ -R$
Março -R$ -R$ -R$ 104.816,88R$
Abril -R$ -R$ -R$ -R$
Maio -R$ -R$ -R$ -R$
Junho -R$ -R$ -R$ -R$
Julho -R$ -R$ -R$ -R$
Agosto -R$ -R$ -R$ -R$
Setembro -R$ -R$ -R$ -R$
Outubro -R$ -R$ -R$ -R$
Novembro -R$ -R$ -R$ -R$
Dezembro -R$ -R$ -R$ -R$
TOTAL -R$ -R$ -R$ 104.816,88R$
CUSTO TOTAL ANUAL 104.816,88R$
Ponta Fora de Ponta
34
Uma contribuição importante da ferramenta é a opção de se fazer uma média
ponderada entre as tarifas de energia para bandeiras verde, amarela e vermelha, de modo
que o usuário possa ter uma projeção mais real para o futuro (cfr. Figura 14). O peso de
cada bandeira multiplica as respectivas tarifas de energia e o custo total é então a soma
de todas as tarifas vezes o consumo do empreendimento. Isso torna-se interessante num
período de tempo longo, como em um dos casos estudados, em que o período é de 20
anos.
O programa já tem um padrão de ponderação como mostrado na figura 5, no
entanto o usuário pode alterar da maneira que achar mais aplicável a seu caso.
Figura 13 – Peso das bandeiras tarifárias
3.8 Análise Financeira
A aba “Análise Financeira” tem como objetivo propiciar a análise de viabilidade
econômica do projeto de cogeração na planta. Em um primeiro momento, a aba calcula
os custos totais de instalação da cogeração. Em seguida, é realizada a análise financeira
propriamente dita, onde é calculada a economia operacional da planta com cogeração,
baseados nos custos operacionais e de manutenção da planta com e sem cogeração. Além
disso, são calculados os parâmetros que dizem respeito ao retorno do capital investido
para instalação da cogeração: Pay-back, TIR e VPL.
3.8.1 Custos de Aquisição
A Tabela a seguir exibe a parte da aba “Análise Financeira” que contempla os
custos totais de instalação da planta de cogeração. O custo de instalação do equipamento
é obtido do banco de dados da planilha e é especifico para cada equipamento. Da mesma
forma o custo de aquisição da Central de Água Gelada (CAG) é obtido da aba “CAGs” e
o custo de aquisição do sistema de vapor equivale a 10% do custo do equipamento
(RENEWPOWER, 2015).
20% 30% 50% 100%
PESO DAS BANDEIRAS TARIFÁRIAS
35
Tabela 24 - Tabela com os custos de aquisição para a planta de Cogeração
CUSTOS DE AQUISIÇÃO
Custo de Instalação do Equipamento R$ 66.562.294
Custos Complementares R$ 8.813.598
Custo de Aquisição da CAG [R$] R$ 2.730.000
Custo de Aquisição do Sistema de Vapor [R$] R$ 6.656.229
Custo Total de Instalação da Planta R$ 84.762.122
Investimento por energia elétrica gerada [R$/kWh] R$ 0,6749
Investimento por energia total gerada [R$/kWh] R$ 0,3068
Somados aos custos de instalação, a planilha apresenta os custos complementares
que estão em uma aba auxiliar. Os custos complementares incluem acompanhamento de
obra, consultorias (jurídica, técnica, financeira), despesas gerais, com viagens e qualquer
outra que o usuário deseje incluir (SOUZA, 2011). A Tabela 25 exibe esses custos
complementares.
Tabela 25 – Custos Complementares da Instalação da Planta de Cogeração
INSTALAÇÃO
Custos Complementares
do Projeto
Valor Mensal
N° de meses Valor Ano 1 Valor Ano 2 Total
Acompanhamento R$ 5.000,00
13
R$ 60.000,00
R$ 5.000,00
R$ 65.000,00
Consultoria Técnica R$ 10.000,00
1
R$ 10.000,00
R$ -
R$ 10.000,00
Consultoria Financeira
R$ 20.000,00
1
R$ 20.000,00
R$ -
R$ 20.000,00
Consultoria Jurídica R$ 20.000,00
1
R$ 20.000,00
R$ -
R$ 20.000,00
Viagens R$ 3.500,00
13
R$ 42.000,00
R$ 3.500,00
R$ 45.500,00
Despesas Gerais R$ -
-
R$ -
R$ -
R$ -
Outros R$ -
-
R$ -
R$ -
R$ -
Total R$ 160.500,00
12
R$ 152.000,00
R$ 8.500,00
R$ 160.500,00
36
3.8.2 Análise Financeira
A análise financeira, mostrada na Tabela a seguir, demonstra o valor da economia
anual da planta bem como o Pay-back e a taxa interna de retorno do projeto, fatores
decisivos na determinação de sua viabilidade.
Tabela 26 – Análise Financeira do Projeto de Cogeração
ANÁLISE FINANCEIRA
Economia anual da planta com cogeração [R$/ano] R$ 18.159.814
Tempo de Projeto 20
Reajuste Anual de Economia 2,00%
Parcela Financiada (Até 60% : BNDES) 60%
Taxa de Juros (% a.a.) 4,30%
Taxa SELIC 13,65%
Valor Presente Líquido (VPL) R$ 5.654.141
Taxa Interna de Retorno (TIR) 29,64%
PAY-BACK (anos) 4,79
Ainda na Tabela 26, o usuário pode alterar o percentual do valor total da instalação
financiado (até 60%), a taxa de juros anual negociada no financiamento e o valor da taxa
Selic para reajuste.
Uma aba auxiliar se encarrega de construir o fluxo de caixa e realiza os cálculos
do VPL, TIR e Pay-back. Esses valores calculados são exibidos na Tabela 26 e podem
ser utilizados para o empreendedor avaliar a viabilidade econômica do projeto de
cogeração.
37
3.9 Banco de Dados
A aba “Banco de Dados” é responsável por armazenar informações relevantes
sobre os equipamentos que podem ser utilizados em uma central de cogeração. As
informações sobre cada equipamento contido nesta aba são:
Tipo de equipamento;
Potência elétrica nominal [kW];
Eficiência Elétrica [%];
Calor recuperado pela exaustão [kW];
Calor recuperado pelo bloco [kW];
Calor recuperado do óleo de lubrificação [kW];
Custo total de instalação [R$\kW];
Custo total com Operação e Manutenção [R$\kWh].
A Tabela 27 mostra uma ilustração de parte da aba “Banco de Dados”.
Tabela 27 – Parte da Aba “Banco de Dados”
EQUIPAMENTO
Potência nominal[k
W]
Eficiência Elétrica
[%]
Calor recuperado pela exaustão
[kW] Calor recuperado pelo bloco do motor [kW]
MOTOR 100 kW 100 28,0% 82,1 96,7
MOTOR 300 kW 300 29,0% 182,3 199,6
MOTOR 800 kW 801 30,0% 469,6 575,0
Turbina TITAN250 22MW 21.745 38,9% 22.807,9 0,0
Turbina TITAN130 15MW 15.000 35,2% 21.801,1 0,0
Turbina TAURUS70 8MW 7.965 34,0% 10.062,1 0,0
Turbina CENTAUR40 3.5MW 3.515 27,9% 7.670,0 0,0
38
É a partir desta aba que a planilha calcula os principais resultados. Os primeiros
equipamentos cadastrados no banco de dados são equipamentos hipotéticos com seus
valores estimados com base nos dados de desempenho dos principais sistemas de
cogeração comercializados em 2007, de acordo com as Tabelas extraídas do Apêndice A,
retiradas de EPA (2007). Foram considerados motores de combustão interna de 100 kW
à 5000 kW, turbinas à gás de 1150 kW à 40000 kW e microturbinas de 30 à 250 kW.
A fim de tornar as análises mais reais, foram inseridos no banco de dados,
informações sobre equipamentos reais. Dentre os equipamentos inseridos encontram-se
motores fabricados pela GE Energy, da série JENBACHER, que é uma linha de motores
que visa atender o mercado de cogeração. Também foram inseridas algumas informações
sobre turbinas a gás fabricadas pela empresa Solar Turbines. As especificações dos
equipamentos reais inseridos no banco de dados são mostradas no Apêndice A.
Esta aba também permite que o usuário insira um novo equipamento no banco de
dados da planilha, a fim de utilizá-lo para sua análise do projeto de cogeração. É possível
observar na Tabela 27 que na parte superior da aba existe um botão “Inclusão no Banco
de Dados”. Este botão está vinculado a um macro que permite o usuário cadastrar um novo
equipamento. A Figura 6 exibe a janela de cadastramento que é aberta ao usuário clicar no
botão “Inclusão no Banco de Dados”.
Figura 14 - Janela de cadastramento de equipamentos no banco de dados
39
Em seguida, o usuário deve preencher o formulário com o valor das informações
requisitadas, com as unidades indicadas. Após completar o formulário, o usuário deve
clicar no botão “CADASTRAR”. Com isso, o equipamento inserido já estará pronto par
ser utilizado na planilha.
3.10 Central de Água Gelada (CAG)
Da mesma maneira que a aba “Banco de Dados” a aba “CAG” reúne informações
sobre os equipamentos que podem vir a ser utilizados na geração de água gelada para o
empreendimento. São elas:
COP
Consumo de Gás
Consumo de Energia Elétrica
Custo de Manutenção
Custo de Tratamento Químico
Custo de Instalação
A Tabela 28 ilustra essas informações.
Tabela 28 – Parte da Tabela de dados da aba “CAG”
CHILLER Consumo de EE [
kW/TR] COP
[kW/kWi] Consumo de gás
[m³/TRh]
Chiller Elétrico Alternativo 1,14 3,2 0
Chiller Elétrico Centrífugo 0,64 5,5 0
Chiller Elétrico Scroll 0,99 3,55 0
Chiller Elétrico Parafuso 0,88 4 0
Chiller de Absorção < 300 TR 0,03 0,8 0
Chiller de Absorção > 300 TR 0,03 0,8 0
Chiller Queima Direta < 300 TR 0,03 1,36 0,22
Chiller Queima Direta > 300 TR 0,03 1,36 0,22
40
3.11 Resultados
A aba “Resultados” reúne e compara as informações de custos de operação anual
entre a planta convencional e de cogeração.
Primeiramente o usuário encontra um resumo com o equipamento selecionado,
quantidade e potência total da planta de cogeração.
Tabela 29 - Equipamento da cogeração
Equipamento Selecionado Turbina TAURUS70 8MW
Quantidade 2
Potência Total 15.930
Em seguida são indicados os consumos de energia elétrica e custos anuais para
os sistemas com e sem cogeração.
Tabela 30 – Consumo e custo de energia elétrica para o sistema com e sem cogeração
1. CUSTO ANUAL COM ENERGIA ELÉTRICA DA REDE CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Demanda Ponta [kW] 17.500 0
Demanda Fora de Ponta [kW] 19.000 2.368
Consumo Ponta [kWh] 12.421.258 0
Consumo Fora de Ponta [kWh] 115.912.930 2.872.65
2
Consumo Total [kWh] 128.334.188 2.872.65
2
Custo anual [R$] 30.158.53
4 675.073
A Tabela 31 exibe a produção de vapor anual e o custo com combustível para o
sistema convencional. O custo com combustível para o sistema de cogeração está incluído
na Tabela 34. Lembrando que esse custo com combustível incluí tanto o gás natural
quanto o óleo combustível que pode ser usado nas caldeiras para a produção de vapor.
41
Tabela 31 – Custo anual com a produção de vapor
2. CUSTO ANUAL COM A PRODUÇÃO DE VAPOR
CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Vapor Gerado [kg] 456.689.000 456.689.000
Consumo de Combustível [m³] 36.078.431 Incluído nos Custos com
Cogeração
Custo anual [R$] 58.132.844 0
A Tabela 32 explicita a produção anual de frio bem como os custos com
manutenção e operação dos equipamentos.
Tabela 32 – Custo anual com refrigeração
3. CUSTO ANUAL COM REFRIGERAÇÃO CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Produção de Água Gelada [TRh] 14.235.299 14.235.299
Operação e Manutenção [R$] 377.650 170.625
Custo anual [R$] 377.650 170.625
A Tabela 33 mostra a receita obtida com a venda do excedente de energia gerado
pela planta de cogeração.
Tabela 33 – Venda de energia elétrica excedente
4. VENDA DE ENERGIA ELÉTRICA EXCEDENTE COGERAÇÃO
Preço de venda de Energia Elétrica excedente [R$/kWh] 0,160
Excedente de energia gerada/ano [kWh] 26.650
Faturamento anual com venda de Energia Elétrica [R$] 4.264
Ganho Anual [R$] 4.264
A Tabela 34 exibe e soma os custos operacionais dos sistemas com e sem
cogeração
A primeira linha exibe os custos com energia elétrica. O sistema convencional
compra toda a sua energia da concessionária, conforme selecionado na aba “Premissas”.
A cogeração por vezes não gera toda a energia necessária ao sistema, o que representa
um custo com importação de energia elétrica da rede. Caso exista venda de energia
42
elétrica do sistema de cogeração a mesma terá seu valor de receita deduzido do custo com
energia elétrica.
A segunda linha exibe o volume de combustível consumido no sistema
convencional e com cogeração. No caso do convencional esse combustível pode ser gás
natural ou óleo combustível, a ser usado na queima da caldeira para a produção de vapor.
No caso da cogeração o combustível principal é o gás natural que será utilizado
nos equipamentos de geração de energia (motores ou turbinas). Pode-se ainda ter
consumo de gás natural em chillers de queima direta (caso selecionados para o projeto) e
caldeiras auxiliares, que podem funcionar com gás natural ou óleo combustível.
A terceira linha representa os custos com os respectivos combustíveis, de acordo
com a tarifa de gás natural e o custo com óleo combustível inseridos na aba “Premissas”.
A quarta linha reproduz os custos de operação e manutenção dos equipamentos
utilizados nos sistemas com e sem cogeração. Os custos de manutenção dos equipamentos
da cogeração variam de acordo com a cotação do dólar, conforme os valores informados
na aba “Banco de Dados”
A quinta linha exibe os custos anuais com perdas na produção do sistema
convencional. Muitas empresas têm sofrido com falta de energia e isso pode acarretar
grandes perdas dependendo do tipo de produção que é feita, pois mesmo que existam
geradores, normalmente é necessário um tempo de partida relativamente grande.
Os custos são então somados e é obtido o total das despesas operacionais para a
planta com e sem cogeração.
Tabela 34 – Custo anual operacional
5. CUSTO ANUAL OPERACIONAL CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Custo com Energia Elétrica [R$] 30.158.534 675.073
Consumo de Combustível [m³] 36.078.431 56.652.915
Custo com Combustível [R$] 58.132.844 66.769.873
O&M [R$] 377.650 3.064.267
Custos com perdas na produção [R$] 0 0
Custo anual [R$] 88.669.028 70.509.214
A economia anual alcançada com a cogeração pode então ser calculada conforme
a equação (3.9).
43
𝐸𝑃 [𝑅$
𝑎𝑛𝑜] = 𝐶𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 − 𝐶𝐶𝑜𝑔𝑒𝑟𝑎çã𝑜 (3.9)
A economia e os resultados financeiros já exibidos na aba “Análise Financeira”
são demonstrados na última tela da aba “Resultados”, conforme a Tabela 35.
Tabela 35 – Economia operacional da planta e resultado financeiros
Economia Anual [R$] 18.159.814
Economia Anual [%] 20%
Aumento do custo da Energia Elétrica 0%
Tempo de projeto (anos) 20
Taxa Interna de Retorno (TIR) 30%
PAY-BACK (anos) 4,8
44
4. Estudos de Caso
Este capítulo é dedicado à realização de estudos de caso, onde a planilha
COGERAR é utilizada para analisar a viabilidade de projetos de cogeração.
Foram selecionados três casos de empresas reais, interessadas em implantar uma
planta de cogeração em seu empreendimento em 2015. São elas:
Shopping: geração de eletricidade e frio
Cervejaria: geração de eletricidade e vapor
Indústria Alimentícia: geração de eletricidade, vapor e frio
Os três estudos foram realizados pela empresa Renewpower e os resultados obtidos
pela mesma servirão de base para a validação do programa COGERAR. A seguir será
feita a explicação sobre cada caso bem como a exibição dos resultados obtidos.
4.1 Shopping
O Shopping é localizado em Madureira, Rio de Janeiro RJ. O objetivo do
empreendimento com a cogeração é gerar eletricidade e frio para atender às altas
demandas do shopping e economizar em relação aos custos com a compra de energia da
concessionária. (RENEWPOWER, 2015)
Os dados de consumo e demanda contratada de eletricidade e de consumo de frio
foram informados pelo Shopping. Primeiramente é feita a inserção dos valores na aba
“Demandas” conforme as Tabelas a seguir.
45
Tabela 36 – Demanda e consumo elétrico do Shopping
ELETRICIDADE
Tempo Demanda Elétrica [kW] Consumo de Energia [kWh]
Ponta Fora de Ponta Ponta Fora de Ponta
Janeiro 1.850 1.850 112.665 578.403
Fevereiro 1.850 1.850 105.482 505.287
Março 1.850 1.850 118.466 511.561
Abril 1.850 1.850 95.032 456.832
Maio 1.850 1.850 90.621 511.388
Junho 1.850 1.850 98.602 422.137
Julho 1.850 1.850 84.046 342.696
Agosto 1.850 1.850 85.470 403.898
Setembro 1.850 1.850 82.641 393.997
Outubro 1.850 1.850 88.680 484.045
Novembro 1.850 1.850 81.420 440.075
Dezembro 1.850 1.850 122.100 626.318
TOTAL 1.165.225 5.676.636
Tabela 37 – Consumo de frio do Shopping
REFRIGERAÇÃO
Tempo TR.h/mês
Janeiro 358.608
Fevereiro 316.940
Março 346.406
Abril 312.192
Maio 343.596
Junho 305.568
Julho 316.349
Agosto 362.774
Setembro 343.008
Outubro 372.000
Novembro 368.928
Dezembro 388.368
TOTAL/ANO 4.134.738
A seguir, a aba “Premissas” é completada com os dados referentes ao projeto. Tal
como apresentado na Tabela a seguir.
46
Tabela 38 – Premissas para o estudo do Shopping
Nesse caso temos 15 horas de operação por dia, funcionando com a compra de
energia da LIGHT e do gás natural pela CEG. A venda de energia elétrica foi selecionada
como “Não” pois a LIGHT não demonstrou interesse em comprar a energia proveniente
do projeto.
O equipamento selecionado será o mesmo usado pela Renewpower, de modo a
termos uma comparação válida entre os resultados obtidos. O equipamento selecionado
foi o motor GE J420, conforme a Tabela a seguir.
3,20
Chiller Elétrico Alternativo
8.560
9.300.000
1750,00
9
24
365
63
393
Light
0,00
CEG
A4 AZUL
0,00
Não
Sim
Não
0,16
Custo do óleo combustível [R$/m³]
Chiller da planta sem cogeração
Classe de Tensão
OBJETIVOS DA COGERAÇÃO
Tarifa de Gás
Custo Anual com Perdas de Produção [R$]
Tarifa Mercado Livre [R$/MWh]
PREMISSAS
Tarifa de EE
PCI do gás natural [kcal/m³]
PCI do óleo combustível [kcal/m³]
Cotação do dolar [R$]
Número de horas de operação na Fora da Ponta por mês [h]
Hora de início de operação da planta [h]
Número de horas de operação na Ponta por mês [h]
Hora do fim de operação da planta [h]
Nº de dias de funcionamento por ano
Vapor (Calor)
Água Gelada (Frio)
Deseja vender energia elétrica excedente?
Preço para venda de energia elétrica[R$/kWh]
VENDA DE ENERGIA ELÉTRICA
47
Tabela 39 – Seleção do equipamento para o Shopping
Selecionam-se os equipamentos para a produção de frio. A capacidade de
produção de frio a partir dos rejeitos térmicos do motor é de 359TR enquanto a demanda
do empreendimento é de 1079TR. Seleciona-se então um Chiller de absorção de 350 TR
e o resto da produção é complementada com um Chiller Elétrico Alternativo de 750TR.
Atende-se assim a demanda total de frio do shopping, conforme mostra a Tabela 40.
Tabela 40 – Seleção dos equipamentos para a refrigeração do Shopping
Não existe queima adicional no projeto, pois não existe demanda de vapor,
conforme mostra a Tabela seguinte.
Tabela 41 – Avaliação da necessidade de queima adicional no Shopping
1.850
1.850
1.165.225
5.676.636
6.842.716
Motor GE J420 GS 1.4MW
1426
1
1.426
433.135
183.899,44
90%
Equipamento Selecionado
Potência Instalada [kW]
Dimensão do Equipamento selecionado [kW]
Importação de energia necessária/ano [kWh]
Quantidade de equipamentos
Consumo Total de Energia Elétrica a ser suprido/ano [kWh]
Excedente de energia gerada/ano [kWh]
Fator de carga do equipamento
Demanda Elétrica a ser suprida na Ponta [kW]
Demanda Elétrica a ser suprida Fora de Ponta [kW]
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido Fora de Ponta [kWh]
GERAÇÃO ELÉTRICA COM COGERAÇÃO
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido na Ponta [kWh]
1.079
359
350
0
Chiller Elétrico Alternativo
750
1.100
Chiller Elétrico Utilizado
Produção Total [TR]
EQUIPAMENTOS PARA REFRIGERAÇÃO
Produção de Frio Necessária [TR]
Produção com Chiller de Queima Direta [TR]
Produção com Chiller de Absorção [TR]
Produção com Chiller Elétrico [TR]
Capacidade máxima de produção de frio por Absorção [TR]
Não
0
Gás Natural
0
Demanda térmica adicional a ser suprida [kWh]
QUEIMA ADICIONAL
Consumo Anual de combustível adicional na caldeira [m³]
Combustível para queima adicional na caldeira
Necessidade de queima adicional na caldeira
48
Por fim o resumo dos resultados é obtido para um tempo de projeto de 15 anos,
conforme a Tabela 42.
Tabela 42 – Resumo dos resultados do Shopping
Na aba “Resultados” obtemos uma descrição detalhada dos custos envolvidos na
simulação, como mostra a Tabela 43.
Tabela 43 – Comparação dos custos operacionais para o Shopping
5. CUSTO ANUAL OPERACIONAL CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Custo com Energia Elétrica [R$] 5.255.818 732.666
Consumo de Combustível [m³] 0 1.576.552
Custo com Combustível [R$] 0 1.868.074
O&M [R$] 179.081 420.572
Custos com perdas na produção [R$] 0 0
Custo anual [R$] 5.434.899 3.021.312
Pode-se identificar que o projeto de cogeração apresenta grandes vantagens para
o shopping, pois gera grande economia operacional, supre a maior parte da demanda
elétrica do empreendimento e na totalidade a demanda de frio. Demonstra ainda grande
viabilidade por obtermos um alto valor de TIR e de Pay-back.
15
R$ 2.413.587
0%
44%
29%
4,9
Economia operacional anual da planta [%]
Taxa Interna de Retorno (TIR)
PAY-BACK (anos)
Aumento do Custo de EE [%]
RESUMOS DOS RESULTADOS
Tempo de projeto (anos)
Economia operacional anual da planta [R$]
49
4.2 Cervejaria
A Cervejaria, localizada em Petrópolis-RJ, visa com a cogeração gerar
eletricidade e vapor para atender ao seu processo produtivo. A geração de vapor até então
é feita a partir de caldeiras de queima de gás natural.
Os dados de consumo e demanda contratada de eletricidade e de consumo de
vapor foram informados pela Cervejaria. Primeiramente é feita a inserção dos valores na
aba “Demandas” conforme as Tabelas a seguir.
Tabela 44 – Demanda e consumo elétrico da Cervejaria
ELETRICIDADE
Tempo Demanda Elétrica [kW] Consumo de Energia [kWh]
Ponta Fora de Ponta Ponta Fora de Ponta
Janeiro 5.850 5.850 360.772 2.645.658
Fevereiro 5.850 5.850 345.191 2.531.397
Março 5.850 5.850 354.850 2.602.233
Abril 5.850 5.850 274.770 2.014.976
Maio 5.850 5.850 296.482 2.174.200
Junho 5.850 5.850 236.989 1.737.922
Julho 5.850 5.850 224.568 1.646.831
Agosto 5.850 5.850 261.795 1.919.830
Setembro 5.850 5.850 292.139 2.142.349
Outubro 5.850 5.850 320.373 2.349.404
Novembro 5.850 5.850 280.081 2.053.930
Dezembro 5.850 5.850 321.931 2.360.825
TOTAL 3.569.941 26.179.555
50
Tabela 45 – Consumo de vapor da Cervejaria
VAPOR
Tempo kg de Vapor Gerado/mês m³/mês kW.h/mês
Janeiro 11.409.206 901.327 8.966.793
Fevereiro 11.026.280 871.076 8.665.842
Março 10.148.050 801.696 7.975.617
Abril 8.690.874 686.579 6.830.385
Maio 10.110.984 798.768 7.946.487
Junho 8.297.655 655.515 6.521.344
Julho 6.957.808 549.667 5.468.323
Agosto 10.165.575 803.080 7.989.391
Setembro 11.633.781 919.069 9.143.292
Outubro 12.102.814 956.122 9.511.918
Novembro 10.608.471 838.069 8.337.475
Dezembro 11.567.231 913.811 9.090.989
TOTAL/ANO 122.718.730 9.694.780 96.447.856
Combustível da Caldeira Gás Natural
Consumo de Combustível [m³/h] 158
Produção de Vapor [ton/h] 2
Eficiência da Caldeira [%] 90%
Consumo da Caldeira [m³/ton] 79
A seguir, a aba “Premissas” é completada com os dados referentes ao projeto. Tal como
apresentado na Tabela a seguir.
51
Tabela 46 – Premissas para o estudo da Cervejaria
PREMISSAS
Cotação do dólar [R$] 3,20
Chiller da planta sem cogeração Chiller Elétrico
Alternativo
PCI do gás natural [kcal/m³] 8.560
PCI do óleo combustível [kcal/m³] 9.300.000
Custo do óleo combustível [R$/m³] 1750,00
Hora de início de operação da planta [h] 0
Hora do fim de operação da planta [h] 24
Nº de dias de funcionamento por ano 365
Número de horas de operação na Ponta por mês [h] 63
Número de horas de operação na Fora da Ponta por mês [h] 657
Tarifa de EE Mercado Livre
Tarifa Mercado Livre [R$/MWh] 301,42
Tarifa de Gás CEG
Classe de Tensão A4 AZUL
Combustível Caldeira Auxiliar Gás Natural
Custo Anual com Perdas de Produção [R$] 0,00
OBJETIVOS DA COGERAÇÃO
Vapor (Calor) Sim
Água Gelada (Frio) Não
VENDA DE ENERGIA ELÉTRICA
Deseja vender energia elétrica excedente? Não
Preço para venda de energia elétrica[R$/kWh] 0,16
Nesse caso temos 24 horas de operação por dia, 7 dias na semana. Funcionando
com a compra de energia do Mercado Livre, a uma tarifa informado de R$ 301,42/MWh
(RENEWPOWER, 2015). O equipamento selecionado será o mesmo usado pela
Renewpower, de modo a termos uma comparação válida entre os resultados obtidos. O
equipamento selecionado foi a Turbina do fabricante Solar, modelo CENTAUR 40,
conforme a Tabela a seguir.
52
Tabela 47 – Seleção do equipamento para a Cervejaria
A capacidade de geração de vapor através dos rejeitos térmicos da turbina
selecionada não é o suficiente para atender a demanda do projeto. Será usada então uma
caldeira complementar para a queima de gás natural, produzindo o restante do vapor
demandado. As quantidades de demanda térmica e consumo de gás natural adicionais são
exibidas na Tabela a seguir. A segunda linha da Tabela 48 indica demanda térmica
adicional é a energia térmica a ser gerada por queima de combustível em uma caldeira. A
quarta linha da mesma tabela ilustra o consumo adicional do combustível selecionado
proveniente desse procedimento.
Tabela 48 – Avaliação da necessidade de queima adicional na Cervejaria
A planta não possui demanda de frio, portanto não existe produção de frio
necessária ao processo, conforme mostra a Tabela a seguir.
5.850
5.850
3.569.941
26.179.555
29.749.496
Turbina CENTAUR40 3.5MW
3515
1
3.515
2.683.193
0,00
90%
Demanda Elétrica a ser suprida Fora de Ponta [kW]
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido Fora de Ponta [kWh]
GERAÇÃO ELÉTRICA COM COGERAÇÃO
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido na Ponta [kWh]
Demanda Elétrica a ser suprida na Ponta [kW]
Excedente de energia gerada/ano [kWh]
Fator de carga do equipamento
Consumo Total de Energia Elétrica a ser suprido/ano [kWh]
Equipamento Selecionado
Potência Instalada [kW]
Dimensão do Equipamento selecionado [kW]
Importação de energia necessária/ano [kWh]
Quantidade de equipamentos
Sim
39.001.090
Gás Natural
4.355.834
Demanda térmica adicional a ser suprida [kWh]
QUEIMA ADICIONAL
Consumo Anual de combustível adicional na caldeira [m³]
Combustível para queima adicional na caldeira
Necessidade de queima adicional na caldeira
53
Tabela 49 – Seleção dos equipamentos para a refrigeração da Cervejaria
Por fim o resumo dos resultados é obtido para um tempo de projeto de 15 anos,
conforme a Tabela 50.
Tabela 50 – Resumo dos resultados da Cervejaria
Na aba “Resultados” obtemos uma descrição detalhada dos custos envolvidos na
simulação, como mostra a Tabela 51.
Tabela 51 – Comparação dos custos operacionais para o Shopping
5. CUSTO ANUAL OPERACIONAL CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Custo com Energia Elétrica [R$] 8.967.093 808.768
Consumo de Combustível [m³] 9.694.780 13.337.046
Custo com Combustível [R$] 14.212.726 15.603.318
O&M [R$] 0 709.434
Custos com perdas na produção [R$] 0 0
Custo anual [R$] 23.179.819 17.121.520
Pode-se identificar que o projeto de cogeração apresenta grandes vantagens para
o shopping, pois gera grande economia operacional, supre a maior parte da demanda
0
0
0
0
Chiller Elétrico Alternativo
0
0
Chiller Elétrico Utilizado
Produção Total [TR]
EQUIPAMENTOS PARA REFRIGERAÇÃO
Produção de Frio Necessária [TR]
Produção com Chiller de Queima Direta [TR]
Produção com Chiller de Absorção [TR]
Produção com Chiller Elétrico [TR]
Capacidade máxima de produção de frio por Absorção [TR]
15
R$ 6.058.299
0%
26%
26%
5,5
Economia operacional anual da planta [%]
Taxa Interna de Retorno (TIR)
PAY-BACK (anos)
Aumento do Custo de EE [%]
RESUMOS DOS RESULTADOS
Tempo de projeto (anos)
Economia operacional anual da planta [R$]
54
elétrica do empreendimento e na totalidade a demanda de vapor. Demonstra ainda boa
viabilidade pelos valores obtidos de TIR e Pay-back.
4.3 Indústria Alimentícia
A indústria alimentícia, localizada em Limeira-SP, visa com a cogeração gerar
eletricidade, vapor e refrigeração para atender ao seu processo produtivo. A geração de
vapor até então é feita a partir de caldeiras de queima de gás natural e a de frio por chillers
elétricos.
Os dados de consumo e demanda contratada de eletricidade e de consumo de
vapor e refrigeração foram informados pela indústria (RENEWPOWER, 2015).
Primeiramente é feita a inserção dos valores na aba “Demandas” conforme as Tabelas a
seguir.
Tabela 52 – Demanda e consumo elétrico da Indústria Alimentícia
ELETRICIDADE
Tempo Demanda Elétrica [kW] Consumo de Energia [kWh]
Ponta Fora de Ponta Ponta Fora de Ponta
Janeiro 17.500 19.000 1.102.500 10.453.740
Fevereiro 17.500 19.000 997.500 9.598.840
Março 17.500 19.000 1.001.996 9.017.964
Abril 17.500 19.000 1.050.000 10.526.710
Maio 17.500 19.000 780.428 7.023.852
Junho 17.500 19.000 890.618 8.015.562
Julho 17.500 19.000 1.155.000 10.129.530
Agosto 17.500 19.000 1.119.166 10.072.494
Setembro 17.500 19.000 1.099.605 9.896.445
Outubro 17.500 19.000 1.050.000 10.766.120
Novembro 17.500 19.000 1.050.000 10.291.668
Dezembro 17.500 19.000 1.124.445 10.120.005
TOTAL 12.421.258 115.912.930
55
Tabela 53 – Consumo de vapor da Indústria Alimentícia
VAPOR
Tempo kg de Vapor Gerado/mês m³/mês kW.h/mês
Janeiro 45.051.095 3.559.037 35.406.833
Fevereiro 47.122.968 3.722.715 37.035.172
Março 38.054.648 3.006.317 29.908.142
Abril 52.676.096 4.161.412 41.399.520
Maio 35.852.774 2.832.369 28.177.631
Junho 21.148.876 1.670.761 16.621.454
Julho 35.822.591 2.829.985 28.153.910
Agosto 43.091.856 3.404.257 33.867.016
Setembro 36.282.389 2.866.309 28.515.278
Outubro 39.038.223 3.084.020 30.681.160
Novembro 34.083.566 2.692.602 26.787.165
Dezembro 28.463.917 2.248.649 22.370.536
TOTAL/ANO 456.689.000 36.078.431 358.923.817
Combustível da Caldeira Gás Natural
Consumo de Combustível [m³/h] 158
Produção de Vapor [ton/h] 2
Eficiência da Caldeira [%] 90%
Consumo da Caldeira [m³/ton] 79
Tabela 54 – Demanda de frio da Indústria Alimentícia
REFRIGERAÇÃO
Tempo TR.h/mês
Janeiro 1.281.915
Fevereiro 1.175.225
Março 1.110.928
Abril 1.283.665
Maio 866.213
Junho 988.117
Julho 1.252.134
Agosto 1.241.480
Setembro 1.219.983
Outubro 1.310.399
Novembro 1.257.903
Dezembro 1.247.336
TOTAL/ANO 14.235.299
56
A seguir, a aba “Premissas” é completada com os dados referentes ao projeto. Tal como
apresentado na Tabela a seguir.
Tabela 55 – Premissas para o estudo da Indústria Alimentícia
PREMISSAS
Cotação do dólar [R$] 3,20
Chiller da planta sem cogeração Chiller Elétrico Alternativo
PCI do gás natural [kcal/m³] 8.560
PCI do óleo combustível [kcal/m³] 9.300.000
Custo do óleo combustível [R$/m³] 1750,00
Hora de início de operação da planta [h] 0
Hora do fim de operação da planta [h] 24
Nº de dias de funcionamento por ano 365
Número de horas de operação na Ponta por mês [h] 63
Número de horas de operação na Fora da Ponta por mês [h] 657
Tarifa de EE Mercado Livre
Tarifa Mercado Livre [R$/MWh] 383,74
Tarifa de Gás COMGÁS
Classe de Tensão A4 AZUL
Combustível Caldeira Auxiliar Gás Natural
Custo Anual com Perdas de Produção [R$] 0,00
Nesse caso temos 24 horas de operação por dia, 7 dias na semana. Funcionando
com a compra de energia do Mercado Livre, a uma tarifa informado de R$ 383,74/MWh.
O equipamento selecionado será o mesmo usado pela Renewpower, de modo a
termos uma comparação válida entre os resultados obtidos. O equipamento selecionado
foi a Turbina do fabricante Solar, modelo TAURUS 70, conforme a Tabela a seguir.
57
Tabela 56 – Seleção do equipamento para a Indústria Alimentícia
A produção de frio foi toda atendida pelos rejeitos térmicos da turbina, através de
chillers de absorção. A Tabela a seguir exibe os resultados.
Tabela 57 – Seleção dos equipamentos para a refrigeração da Indústria Alimentícia
A capacidade de geração de vapor através dos rejeitos térmicos da turbina após o
aproveitamento no chiller de absorção não é o suficiente para atender a demanda do
projeto, conforme informação apresentada na Tabela 58. Será usada então uma caldeira
complementar para a queima de gás natural, produzindo o restante do vapor demandado.
As quantidades de demanda térmica e consumo de gás natural adicionais são exibidas na
Tabela a seguir.
Tabela 58 – Avaliação da necessidade de queima adicional na Indústria Alimentícia
17.500
19.000
12.421.258
115.912.930
128.334.188
Turbina TAURUS70 8MW
7965
2
15.930
2.872.652
0,00
90%
Equipamento Selecionado
Potência Instalada [kW]
Dimensão do Equipamento selecionado [kW]
Importação de energia necessária/ano [kWh]
Quantidade de equipamentos
Consumo Total de Energia Elétrica a ser suprido/ano [kWh]
Excedente de energia gerada/ano [kWh]
Fator de carga do equipamento
Demanda Elétrica a ser suprida na Ponta [kW]
Demanda Elétrica a ser suprida Fora de Ponta [kW]
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido Fora de Ponta [kWh]
GERAÇÃO ELÉTRICA COM COGERAÇÃO
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido na Ponta [kWh]
2.275
4.403
2.275
0
Chiller Elétrico Alternativo
0
2.275
Chiller Elétrico Utilizado
Produção Total [TR]
EQUIPAMENTOS PARA REFRIGERAÇÃO
Produção de Frio Necessária [TR]
Produção com Chiller de Queima Direta [TR]
Produção com Chiller de Absorção [TR]
Produção com Chiller Elétrico [TR]
Capacidade máxima de produção de frio por Absorção [TR]
Sim
278.284.431
Gás Natural
31.080.175
Demanda térmica adicional a ser suprida [kWh]
QUEIMA ADICIONAL
Consumo Anual de combustível adicional na caldeira [m³]
Combustível para queima adicional na caldeira
Necessidade de queima adicional na caldeira
58
Por fim o resumo dos resultados é obtido para um tempo de projeto de 15 anos,
conforme a Tabela 59.
Tabela 59 – Resumo dos resultados da Indústria Alimentícia
Na aba “Resultados” obtemos uma descrição detalhada dos custos envolvidos na
simulação, como mostra a Tabela 60.
Tabela 60 – Comparação dos custos operacionais para a Indústria Alimentícia
5. CUSTO ANUAL OPERACIONAL CONVENCIONAL COGERAÇÃO
Custo com Energia Elétrica [R$] 49.246.961 1.102.352
Consumo de Combustível [m³] 36.078.431 64.480.499
Custo com Combustível [R$] 58.132.844 75.916.405
O&M [R$] 377.650 3.064.267
Custos com perdas na produção [R$] 0 0
Custo anual [R$] 107.757.455 80.083.024
Pode-se identificar que o projeto de cogeração apresenta grandes vantagens para
o shopping, pois gera grande economia operacional, supre a maior parte da demanda
elétrica e vapor e na totalidade a demanda de frio do empreendimento. Demonstra ainda
excelente viabilidade pelos valores obtidos de TIR e Pay-back.
Foi feito ainda a mesma análise, mas considerando quatro motores GE J624 GS
de 4MW no lugar das duas turbinas TAURUS 70 de 8MW. As Tabelas a seguir indicam
as entradas e resultados dessa mudança.
20
R$ 27.674.431
0%
26%
45%
3,4
Economia operacional anual da planta [%]
Taxa Interna de Retorno (TIR)
PAY-BACK (anos)
Aumento do Custo de EE [%]
RESUMOS DOS RESULTADOS
Tempo de projeto (anos)
Economia operacional anual da planta [R$]
59
Tabela 61 – Seleção de motores para a Indústria Alimentícia
GERAÇÃO ELÉTRICA COM COGERAÇÃO
Demanda Elétrica a ser suprida na Ponta [kW] 17.500
Demanda Elétrica a ser suprida Fora de Ponta [kW] 19.000
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido na Ponta [kWh] 12.421.258
Consumo de Energia Elétrica a ser suprido Fora de Ponta [kWh] 115.912.930
Consumo Total de Energia Elétrica a ser suprido/ano [kWh] 128.334.188
Equipamento Selecionado Motor GE J624 GS
4MW
Dimensão do Equipamento selecionado [kW] 4008
Quantidade de equipamentos 4
Potência Instalada [kW] 16.032
Importação de energia necessária/ano [kWh] 1.497.059
Excedente de energia gerada/ano [kWh] 0,00
Fator de carga do equipamento 90%
A demanda por frio é a mesma, logo a seleção dos Chillers se mantem conforme
ilustra a Tabela seguinte.
Tabela 62 - Seleção dos equipamentos para a refrigeração da Indústria Alimentícia
EQUIPAMENTOS PARA REFRIGERAÇÃO
Produção de Frio Necessária [TR] 2.275
Capacidade máxima de produção de frio por Absorção [TR]
3.387
Produção com Chiller de Absorção [TR] 2.275
Produção com Chiller de Queima Direta [TR] 0
Chiller Elétrico Utilizado Chiller Elétrico
Alternativo
Produção com Chiller Elétrico [TR] 0
Produção Total [TR] 2.275
60
O rejeito térmico dos motores é menor do que o das turbinas previamente
selecionadas, logo o volume de gás natural necessário para a queima adicional é maior,
conforme ilustra a Tabela abaixo.
Tabela 63 - Avaliação da necessidade de queima adicional na Indústria Alimentícia
QUEIMA ADICIONAL
Necessidade de queima adicional na caldeira Sim
Demanda térmica adicional a ser suprida [kWh] 313.068.021
Combustível para queima adicional na caldeira Gás Natural
Consumo Anual de combustível adicional na caldeira [m³] 34.964.978
Os resultados obtidos com os quatro motores são melhores economicamente do
que com as duas turbinas. No entanto o espaço disponível para a cogeração não
comportaria essa escolha, motivo pelo qual a Renewpower optou pelas turbinas. Segue
abaixo a comparação entre os resultados das duas escolhas.
Tabela 64 – Comparação entre seleções de diferentes equipamentos para a Indústria Alimentícia
Motor Turbina
Tempo de projeto (anos) 20 20
Economia operacional anual da planta [R$] R$31.050.240 R$27.674.431
Aumento do Custo de EE [%] 0% 0%
Economia operacional anual da planta [%] 29% 26%
Taxa Interna de Retorno (TIR) 57% 44%
PAY-BACK (anos) 2,8 3,4
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5. Conclusões
O objetivo do presente trabalho foi criar uma ferramenta computacional que
permita a análise técnica e financeira da viabilidade de um projeto de cogeração. A
planilha recebe como entrada os dados de consumo energético do empreendimento e, a
partir deles, calcula os custos operacionais do sistema convencional e de um sistema de
cogeração. A comparação desses custos permite elaborar uma análise financeira do
projeto, com o objetivo de viabilizar sua aplicação.
Foram estudados três casos previamente analisados pela empresa Renewpower.
Os resultados obtidos pela mesma servirão de base para a validação do programa
COGERAR. A Tabela a seguir mostra a comparação dos resultados financeiros e
econômicos entre os valores obtidos pelo programa COGERAR e a empresa
Renewpower.
A planilha obteve resultados muito próximos dos obtidos pela Renewpower nos
três casos considerados. Segue a comparação da economia, TIR e Pay-back.
Tabela 65 – Comparação dos resultados obtidos
RESULTADOS COGERAR RENEWPOWER
Sho
pp
ing Economia (%) 44% 47%
TIR (%) 29% 22%
Pay-back (anos) 4,9 4,2
Ce
rvej
aria
Economia (%) 26% 28%
TIR (%) 26% 17%
Pay-back (anos) 5,5 5,0
Ind
úst
ria
Alim
entí
cia Economia (%) 26% 24%
TIR (%) 44% 36%
Pay-back (anos) 3,4 3,8
As diferenças entre os resultados se devem principalmente a um fator. A Tabela
COGERAR trabalha com custos médios de manutenção e investimento, enquanto a
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Renewpower tem esses preços detalhados para cada equipamento. Essa diferença de
valores tem três aspectos.
Primeiramente, os valores para os custos de manutenção usados na planilha
COGERAR são médios, enquanto os usados pela Renewpower são de propostas
atualizadas de fornecedores. Dessa maneira, os custos operacionais calculados pela
ferramenta não são tão precisos quanto os calculados pela Renewpower, causando essa
pequena diferença na economia anual.
Em segundo lugar, o custo de manutenção dos equipamentos não é distribuído
homogeneamente conforme o usado na planilha COGERAR. Os custos de manutenção
variam de acordo com as horas de uso do equipamento, sendo que certas manutenções
representam um custo elevado em um único ano. Devido a esse fato a TIR da simulação
da Renewpower será menor do que a simulada na planilha COGERAR.
Por fim, o Pay-back obtido pela planilha COGERAR será diferente do que o valor
da Renewpower porque os custos de investimento também utilizam valores médios,
enquanto a Renewpower obtém cotações precisas dos equipamentos necessários ao
projeto.
Dessa maneira a planilha COGERAR se mostra como uma planilha segura, pois
seus valores estão muito próximos dos obtidos pela Renewpower. Para uma análise
preliminar a Tabela funciona com muita segurança em seus resultados, e pode ainda ser
refinada, caso utilize custos de manutenção e aquisição mais precisos.
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6. Sugestões para futuros trabalhos
O presente programa considera sempre a cogeração a partir da energia vinda do
gás natural por ser a de maior empregabilidade no Brasil. No entanto a cogeração não se
limita apenas a esse tipo de sistema. Diversas fontes de energia podem ser utilizadas a
fim de gerar energia a um processo e reaproveitadas de várias maneiras.
Futuros trabalhos podem criar opções para diferentes sistemas de cogeração:
Cogeração a partir de biogás gerado por tratamento de esgoto, utilizando motores
ou turbinas à gás.
Cogeração a partir da queima de bagaço de cana, onde o vapor gerado em caldeiras
alimentaria turbinas ao vapor, comumente utilizadas nas plantações de cana do
estado de São Paulo.
Cogeração associada a plantas de produção de CO2 para processos industriais de
indústrias de bebidas.
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Referências
ANDREOS, R. (2013). Estudo de viabilidade técnico-econômica de pequenas centrais
de cogeração a gás natural no setor terciário do estado de São Paulo.
ANEEL. (9 de Setembro de 2010). Resolução Normativa nº 414.
BALESTIERI, J. A. (2002). Cogeração: Geração combinada de eletricidade e calor. .
COMGÁS. (31 de 05 de 2015). Deliberação ARSESP nº 575.
FONSECA, A. C. (2014). PROPOSTA DE ELABORAÇÃO DE FERRAMENTA PARA
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA EM PROJETOS DE COGERAÇÃO DE
ENERGIA.
NERI, J. T. (2009). Dados de Unidades de Conversão.
RENEWPOWER. (2015). Comunicação pessoal. (R. Oliveira, Entrevistador)
SOUZA, L. D. (2011). Análise de viabilidade técnica e econômica de projetos de
cogeração de energia usando a planilha de simulação desenvolvida
"ANALISECOGERA". Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro.