viabilidade tecnico-economica de sistemas de cogeracao

VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO PARA ATENDER

DEMANDAS DE ELETRICIDADE, CALOR E FRIO EM

APLICAÇÕES DE PEQUENO E MÉDIO PORTE

Aluno: Leandro da Silva Sales

Orientador: Ricardo Dias Martins de Carvalho

Co-orientador: Osvaldo José Venturini20/09/2006

Sumário1. Estrutura da Tese

2. Definição de Cogeração

3. Objetivos da Tese

4. Sistemas de Cogeração

5. Parâmetros de Desempenho de Sistemas de Cogeração

6. Refrigeração por Absorção

7. Cogeração em Sistemas Isolados

8. Conclusões

1. Estrutura da Tese1. Introdução (objetivos e cogeração no Brasil)

2. Aspectos Técnicos de Sistemas de Cogeração

• Eficiências, emissões e custos.

• Principais configurações e critérios de seleção.

• Sistemas de refrigeração por absorção.

3. Análise Econômica de Sistemas de Cogeração

• Custos de produção de energia elétrica e gelo.

• TR, TIR, VAU, VPL.

4. Otimização aplicada a Sistemas de Cogeração

5. Utilização de Sistemas de Cogeração na Amazônia

6. Conclusões

1. Definição de CogeraçãoÉ a geração simultânea de energia elétrica ou mecânica e calor útil (calor de processo e/ou frio) a partir da queima de um mesmo combustível.

Vantagem: uso mais eficiente da energia do combustível devido ao aproveitamento da energia térmica necessariamente rejeitada no ciclo de potência.

2. Objetivos da TeseEstudo, do ponto de vista técnico e econômico, da aplicação de TG, Microturbinas, MCI e resfriadores por absorção para a produção de eletricidade e calor e/ou frio.

Para quê? Selecionar a tecnologia e a configuração adequada para atender determinada demanda energética.

Como? Fazendo a análise econômica das configurações possíveis: custo de geração, economia de energia primária, TR, TIR, etc.

2. Objetivos da TeseEscolhida a melhor configuração, qual a estratégia de operação da planta? Ou seja: paridade elétrica, térmica ou despacho econômico (gerar e vender excedentes)?

A solução não é simples, exigindo estudos de otimização.


Figura 1: Cogeração com turbina a gás e ciclos de absorção.


Figura 2: Cogeração com MCI (Cruz, 2004).


Eficiência global de cogeração:

u

el

QW

=β

PCImQW

c

ueCHP &

&& +=η

Economia de combustível:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

η+

ηβ

η

+β−=

QWCHP

1

11EC


• Termelétrica convencional:

el

FE0036,0EPη

=

• Sistema de cogeração:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛β

+η

=11FE0036,0EP

CHP comb

uelCHP Q

QW +=η

Emissão de poluentes:

5. Refrigeração por Absorção

Figura 3: Principais componentes de um ciclo de absorção.

5. Refrigeração por absorção

• Vantagens: utiliza energia térmica; baixo consumo de energia elétrica (0,01 a 0,04 kW/TR).

• Desvantagens: são maiores e mais pesados que os chillers de compressão; elevado custo inicial (3 vezes o custo do chiller de compressão).

5. Refrigeração por absorção• Principais ciclos: H2O-LiBr e NH3-H2O.

• H2O-LiBr: água é o refrigerante, portanto trabalha com pressões baixas para que ocorra evaporação da água a baixas temperaturas (Tmín= 3,7°C; P=6 mmHg).

• NH3-H2O: amônia é o refrigerante; é utilizado quando se requer frio a baixa temperatura (refrigeração de alimentos e produção de gelo).

5.1. Refrigeração Solar

Figura 4: Refrigeração por absorção.

5.1. Refrigeração Solar• Qual a área de coletores necessária para

atender a demanda de água quente no resfriador por absorção?

• Qual a melhor relação Vs/Ac?

• É viável economicamente?

5.1. Refrigeração Solar

ccu IAQ η=

( ) ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−=

ITT

UFF ainLRRc ταη

( ) ( )[ ]asold,ssLusp

old,snew,s TTUAQQ)cM(

tTT −−−+=Δ

g

LQQ

f =

5.2. Análise Econômica

S21F1 CPLfCPLCS −=

-50000

-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

40000

0 100 200 300 400 500 600 700

Collector area [m2]

Life

cyc

le s

olar

sav

ings

[R$]

2000 liters2500 liters3000 liters3500 liters4000 liters5700 liters7000 liters

Figura 5: LCS em função da área de coletores para cada volume de reservatório.

5.2. Análise Econômica

Tabela 1:Valor presente de três sistemas analisados.

PWMPWOICLCC ++=

( )( )∑

=

−

+

+=

N

1jj

1j

d1i1opPWO ( )

( )∑=

−

+

+=

N

1jj

1j

d1

i1mPWM

IC [R$] PWO [R$] PWM [R$] LCC [R$]

System I 93,410.00 301,236.65 21,522.22 416,168.87

System II 161,462.72 213,787.84 21,522.22 396,772.78

System III 36,855.00 174,936.93 21,522.22 233,314.15

6. Cogeração em Sistemas Isolados• Considerou-se o sistema isolado do

Amazonas, onde a energia elétrica é muito cara devido ao alto custo do combustível, requerendo subsídios governamentais (CCC).

• Pesca: importante atividade econômica da região amazônica.

• A produção pesqueira está sujeita a perdas devido à falta de câmaras de armazenamento e gelo para conservação de peixes.

6. Cogeração em Sistemas Isolados• Grande necessidade de gelo e energia

elétrica cara. Por que não usar cogeração com refrigeração por absorção? É viável economicamente?

• Para atender o crescente mercado de energia elétrica no Amazonas, está sendo construído o gasoduto Coari-Manaus, que irá aproveitar o gás natural da bacia do rio Solimões. (397 km; 10,5 milhões m3/dia; conclusão em 2008).

6. Cogeração em Sistemas Isolados

Energia Elétrica Produção de Gelo Localidade Pico

[kW] Vendida

[kWh/ano] Gerada

[kWh/ano] GeneradaVendida

Câmaras Frias [TR] ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡diaton [TR]

Careiro-Castanho 1.309 3.461.078 6.028.911 0,574 17,6 6 15,3

Coari 3.906 13.824.211 21.377.500 0,647 80,9 9 22,9 Codajás 1.280 4.158.887 6.805.873 0,611 32,5 11 28,0 Iranduba 5.170 14.863.243 24.273.965 0,545 1.113,4 65 165,2

Manacapuru 8.107 25.677.386 45.921.425 0,559 748,4 121,6 309,0

Demanda em Iranduba:

• Energia elétrica: 37,38 GWh/ano.

• Capacidade frigorífica: 1.278,6 TR.

Tabela 2: Energia elétrica e demanda frigorífica em algumas localidades.

Fonte: Adaptado de Cruz (2004).

6.1. Potencial de Refrigeração e Produção de Gelo

• Paridade elétrica: o calor é produzido como conseqüência da geração de energia elétrica.

• Potencial de refrigeração: uevap QCOPQ =

• Produção de gelo:

)]T0(ch)0T(c[FPQ

mfice,psliwater,p

evapice −++−

=

6.2 Custo de Geração de Energia Elétrica

eltM&OM&OcombcombEEEE WZPWFEEcPWFEEcPWFEEc =−−

( )( )∑

=

−

+

+=

n

1kk

1k

j1f1PWF HRpc combcomb =

( )eePWF

eePWFcPWFcZc

EE

M&OM&OcombcombtEE

++=

RECEITAS – DESPESAS = INVESTIMENTO:


Tributo ou Contribuição

Natureza Jurídica Alíquota Incidência / Base de Cálculo

IR Imposto

15%, mais 10%

Adicional de Imposto de

Renda

Lucro – O Adicional de Imposto de Renda (10%) é devido sobre a parcela do lucro que exceder R$ 240.000,00 ao

ano

CSLL Contribuição 9% Lucro

PIS Contribuição 1,65% Receita

COFINS Contribuição 7,6% Receita

TFSEE Contribuição 0,5% Receita

ICMS Imposto Até 30% Valor da comercialização dos serviços

CPMF Contribuição 0,35% Movimentação Financeira

RGR Contribuição 2,5 a 3%2,5% do Ativo Reversível limitado a 3% da receita. A TFSEE é deduzida do valor

apurado da RGR

Tabela 3: Tributos incidentes sobre a geração termelétrica.


DZIICSLLIRPWFeecPWFeecPWFeec tfatCOF/PISM&OM&OcombcombEEEE −=−−−−−−

( ) ( )( )( ) eePWFALALALAL1

eeALAL1PWFcPWFcZPWFAL1c

EEfatCOF/PISCSLLIR

CSLLIRM&OM&OcombcombtZDEE

t

−−−−

−−++−=

( )eePWFcPWFcPWFcALIR M&OM&OcombcombEEEEIR −−=

( )eePWFcPWFcPWFcALCSLL M&OM&OcombcombEEEECSLL −−=

eePWFcALI EEEECOF/PISCOF/PIS =

eePWFcALI EEEEfatfat = tztD PWFZALD =

6.3 Custo de Produção de Gelo

evapcM&OiceM&Oiceiceice qZPWFMcPWFMc =−

iceice

M&OiceM&Oevapcice MPWF

PWFMcqZc

+=

( ) ( )( ) iceicefatCOF/PISCSLLIR

CSLLIRM&OiceM&OevapcZDice MPWFALALALAL1

ALAL1PWFMcqZPWFAL1c c

−−−−

−−+−=

DqZIICSLLIRPWFMcPWFMc evapcfatCOF/PISM&OiceM&Oiceiceice −=−−−−−

6.4 Tempo de Retorno do Investimento na Planta de Cogeração

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

×

⎪⎪

⎭

⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

+

+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

=

j1f1

11

j1L

1j1f1C

Nliq log

log

( ) TtribtribTRTliq CLALRAL1L −−−=

( ) TTTRTtrib DCRAL1L −−−=

6.4 Cogeração com TG e Ciclo por Absorção

Figura 6:Cogeração com Kawasaki M7A-02; 6,955 MW; 27%.

6.4 Cogeração com TG e Ciclo por AbsorçãoTabela 4: Simulação da turbina a gás e chiller de absorção.

Carga[%]

Wel[kW]

Operação[hr/ano]

Tgas[°C]

qevap[TR]

Mice[ton/hr]

cEE[U$/MWh]

cice[U$/ton]

N[anos]

100 6,088 394,20 540,4 1985,8 48,84

80 4,871 6.669,98 490,2 1710,9 42,08

50 3,044 819,82 410,6 1290,2 31,73

98,91 18,11 2,89


Figura 7: Análise de sensibilidade para o custo de geração e comercialização da energia elétrica.

85

90

95

100

105

110

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Variação [%]

Cus

to d

a en

ergi

a el

étric

a [U

S$/M

Wh]

CombustívelJurosInvestimentoICMS


Figura 8: Análise de sensibilidade para o custo de produção e comercialização do gelo.

14

15

16

17

18

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Variação [%]

Cus

to d

o ge

lo [U

S$/to

n]

Tempo de operaçãoCo&mInvestimentoJurosICMS

6.4 Cogeração com TG e Ciclo por Absorção• Com a turbina operando a 64% de sua potência

nominal, obtém-se uma capacidade frigorífica de 1.278 TR, capaz de suprir as câmaras frias e toda a produção de gelo em Iranduba-AM.

• Eficiência global de cogeração: 83%

Chiller[TR]

Produção de Gelo[ton/dia]

cice[US$/ton]

N[anos]

165,2 65,0 16,01 10,96

Tabela 5: Simulação para atender a demanda em Iranduba.


0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Produção de gelo [ton/h]

Tem

po d

e re

torn

o [a

nos]

ICMSel=0%

ICMSel=5%

ICMSel=10%

ICMSel=17%

Figura 9: Tempo de retorno em função da produção de gelo e do ICMS da energia elétrica.


Figura 10: Tempo de retorno em função da variação do preço de venda do gelo e da energia elétrica.

5

10

15

20

25

30

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Variação [%]

Tem

po d

e re

torn

o [a

nos]

Preço da energia elétricaPreço do gelo

6.5 Cogeração com MCI e Ciclo por Absorção

Figura 11: Cogeração com MCI Cummins KTA50; 1,22 MW; 43,6%.


MCI: Cummins KTA50; 1,22 MW; 43,6%.

• 5 motores para atender Iranduba-AM.

Cada motor:

• Gases de escape: capacidade frigorífica para câmaras frias (71,5 TR).

• Água de refrigeração: gelo (35,4 ton/dia).

Eficiência global de cogeração: 72%


Subsídio CCC:

• TEH = US$ 19,18/MWh (R$ 42,19/MWh).

• Pcomb=US$ 0,83/litro (R$ 1,83/litro).

• cesp=0,2409 litros/MWh.

• V=US$ 162,69/MWh.

( )TEHpC1000KEV combesp −=


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ICMS [%]

Cus

to d

a en

ergi

a el

étric

a [U

S$/M

Wh]

Sem subsídio

Com subsídio

Figura 12: Custo da energia fornecida em função da alíquota de ICMS.

7. Otimização Aplicada à Cogeração

Problema: estabelecida a melhor configuração da central de cogeração para atender as demandas energéticas, qual a estratégia ótima de operação?

Ou seja: Quanto de energia deve ser gerada, comprada ou vendida a fim de que se tenha o menor custo de produção energética para atender as demandas de energia elétrica, calor e frio?

7. Otimização Aplicada à Cogeração

Figura 13: Fluxo energético em um sistema de cogeração.

7. Conclusões• Modelagem dos custos de produção e

comercialização de energia elétrica e gelo, incluindo impostos e contribuições.

• Estudo de alguns casos mostra que a carga tributária, principalmente o ICMS, encarece muito a energia,.

• O conhecimento das parcelas que compõem o custo total da energia permite fazer sugestões para incentivar a cogeração. Ex.: ICMS reduzido durante a recuperação do capital; isenção de IPI e taxa de importação.

7. ConclusõesContribuições:

• Com base em informações dispersas na literatura, foi simulada a operação de um sistema de cogeração na Amazônia (dados reais de Iranduba foram usados). Foi possível avaliar a viabilidade técnica e econômica de um empreendimento deste tipo nessa região.

• Estabelecer, através de métodos de otimização, estratégias ótimas de operação de demandas de eletricidade, calor e frio.

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