Fabiano Pagliosa Branco

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM CIÊNCIAS TÉRMICAS ANÁLISE TERMOECONÔMICA DE UMA USINA TERMELÉTRICA A GÁS NATURAL OPERANDO EM CICLO ABERTO E EM CICLO COMBINADO Fabiano Pagliosa Brano Dissertação apresentada à Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, omo parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Meânia. Orientador: Prof. Dr. Riardo Alan Verdú Ramos Co-orientador: Prof. Dr. Cassio Roberto Maedo Maia Ilha Solteira - SP, 24 de março de 2005.

2 FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Seção Ténia de Aquisição e Tratamento da Informação/Serviço Ténio de Bibliotea e Doumentação da UNESP-Ilha Solteira. B816a Brano, Fabiano Pagliosa Análise termoeonômia de uma usina termelétria a gás natural operando em ilo aberto e em ilo ombinado / Fabiano Pagliosa Brano. -- Ilha Solteira: [s.n.], 2005 xix, 156 p. : il. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira, Orientador: Riardo Alan Verdú Ramos Co-orientador: Cassio Roberto Maedo Maia Bibliografia: p Energia. 2. Exergia. 3. Termoeonomia. 4. Geração de energia elétria. 5. Gás natural. 6. Usinas termelétrias.

3 ANÁLISE TERMOECONÔMICA DE UMA USINA TERMELÉTRICA A GÁS NATURAL OPERANDO EM CICLO ABERTO E EM CICLO COMBINADO Fabiano Pagliosa Brano ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA NA ÁREA DE CONCENTRAÇÃO EM CIÊNCIAS TÉRMICAS E APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA. Prof. Dr. Gilberto Pehoto de Melo Coordenador do PPGEM FEIS/UNESP COMISSÃO EXAMINADORA: Prof. Dr. Riardo Alan Verdú Ramos Departamento de Engenharia Meânia FEIS/UNESP Orientador Prof. Dr. José Antonio Andrés Velásquez Alegre Departamento de Engenharia Meânia PUC/PR Prof. Dr. João Batista Campos Silva Departamento de Engenharia Meânia FEIS/UNESP Ilha Solteira - SP, 24 de março de 2005.

4 unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE ILHA SOLTEIRA FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA CERTIFICADO DE APROVAÇÃO TÍTULO: ANÁLISE TERMOECONÔMICA DE UMA USINA TERMELÉTRICA A GÁS NATURAL OPERANDO EM CICLO ABERTO E EM CICLO COMBINADO AUTOR: FABIANO PAGLIOSA BRANCO ORIENTADOR: Dr. RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS Aprovado omo parte das exigênias para obtenção do Título de MESTRE em ENGENHARIA MECÂNICA pela Comissão Examinadora: Dr. RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS Dr. JOSÉ ANTONIO ANDRÉS VELÁSQUEZ ALEGRE Dr. JOÃO BATISTA CAMPOS SILVA Data da realização: 24 de março de Presidente da Comissão Examinadora Dr. RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS

5 i Dediatória Dedio esse trabalho aos meus pais, Roberto Saraiva Brano e Maria Helena Pagliosa Brano, aos meus irmãos, Roberto Pagliosa Brano, Cássio Pagliosa Brano e Bruno Pagliosa Brano e, também, às minhas avós, Virgínia e Rosina.

6 ii Agradeimentos Agradeço primeiramente a Deus. Agradeço ao Professor Riardo Alan Verdú Ramos por ter enarado o desafio junto omigo no desenvolvimento desse trabalho. Ao professor Cassio Roberto Maedo Maia pelas horas de disussão que tanto ontribuíram para esse trabalho. Aos amigos queridos da pós-graduação, em espeial ao Edílson, Thales e Alessandro, pela ajuda e momentos agradáveis. Ao Departamento de Engenharia Meânia da UNESP Ilha Solteira e seus funionários pela ajuda e amizade.

7 iii Sumário Lista de Tabelas vi Lista de Figuras viii Lista de Símbolos xi Resumo xvi Abstrat xvii Preâmbulo xviii Capítulo 1 Introdução e Objetivos Introdução Objetivos...2 Capítulo 2 Revisão da Literatura...4 Capítulo 3 Caraterização de Plantas Termelétrias a Gás Prinipais Equipamentos Utilizados em Plantas Termelétrias a Gás Turbinas a Gás Caldeiras de Reuperação Turbinas a Vapor Configurações Típias de Plantas Termelétrias a Gás Plantas de Cilo Aberto Plantas de Cilo Combinado...23 Capítulo 4 Coneitos e Metodologia Apliada Análise Energétia Aspetos Gerais da Análise pela Primeira Lei da Termodinâmia Aspetos Gerais da Análise pela Segunda Lei da Termodinâmia Limitações da Análise Baseada na Primeira Lei da Termodinâmia Análise Exergétia Definição de Exergia Balanço de Exergia Irreversibilidade dos Equipamentos Efiiênia Energétia e Exergétia Análise Termoeonômia Introdução à Termoeonomia Histório da Termoeonomia...39

8 iv Vertentes e Metodologias da Termoeonomia Teoria do Custo Exergétio Análise da Viabilidade Finaneira Análise de Sensibilidade Análise de Cenários Análise Probabilístia de Riso Prinipais Indiadores Apresentação do Modelo de Análise Termodinâmia Considerações Modelagem dos Componentes do Cilo a Gás Modelagem dos Componentes do Cilo a Vapor Rendimentos Baseados na Primeira e na Segunda Lei da Termodinâmia Método de Solução...62 Capítulo 5 Casos Propostos e Premissas Eonômias Detalhamento dos Casos a serem Estudados Caso 1 Cilo Aberto om Turbinas a Gás Caso 2 Cilo Combinado om Um Nível de Pressão Caso 3 Cilo Combinado om Dois Níveis de Pressão Caso 4 Cilo Combinado om Três Níveis de Pressão Tempo de Construção, Investimento e Operação de Termelétrias Estimativa do Custo dos Equipamentos Investimentos de Capital e Suposições Eonômio-Finaneiras Introdução Suposições para Análise de Sensibilidade Eonômia Apresentação do Modelo de Análise Termoeonômia...89 Capítulo 6 Resultados e Disussões Análise de Parâmetros Resultados da Análise Termodinâmia Resultados da Análise Termoeonômia Resultados da Análise Eonômia Capítulo 7 Conlusões Referênias Bibliográfias 123 Anexo A Fontes e Tenologias para Geração de Energia 129

9 v A.1. Energia Hidrelétria A.2. Energia da Biomassa A.3. Energia Nulear A.4. Energia Eólia A.5. Energia Fotovoltaia A.6. Células Combustíveis Anexo B Aspetos do Sistema Elétrio Brasileiro 136 B.1. Histório e Reestruturação do Sistema Elétrio Brasileiro B.2. Evolução da Potênia Elétria Instalada no Brasil B.3. Programa Prioritário de Termoeletriidade B.4. Crise Energétia Brasileira B.5. Risos para a Implantação de Projetos Termelétrios Anexo C Aspetos do Gás Natural no Brasil 146 C.1. Histório C.2. Aspetos Regulatórios C.3. Aspetos Ambientais C.4. Redes de Distribuição e Perspetivas de Aumento de Consumo C.5. Caraterístias Ténias Anexo D Exemplos de Usinas Térmias 153 D.1. Usina Naistenlahti D.2. Usina Korneuburg D.3. Usina Hemweg D.4. Usina Nokia D.5. Companhia Siderúrgia Naional...156

10 vi Lista de Tabelas Tabela 3.1 Valores para dimensionamento de aldeiras de reuperação Tabela 3.2 Valores da variação da potênia gerada na entral termelétria Tabela 5.1 Dados dos equipamentos das turbinas a gás da usina termelétria Tabela 5.2 Dados termodinâmios do ilo a gás Tabela 5.3 Dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor e da turbina a gás om aldeiras de reuperação om 1 nível de pressão Tabela 5.4 Dados do ilo ombinado om aldeiras om 1 nível de pressão Tabela 5.5 Dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor om aldeiras de reuperação om 2 níveis de pressão Tabela 5.6 Dados do ilo ombinado om aldeiras om 2 níveis de pressão Tabela 5.7 Dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor om aldeiras de reuperação om 3 níveis de pressão Tabela 5.8 Dados do ilo ombinado om aldeiras om 3 níveis de pressão Tabela 5.9 Custo de investimento da turbina a gás Tabela 5.10 Custos de investimento das aldeiras de reuperação Tabela 5.11 Custo de investimento do desaerador Tabela 5.12 Custo de investimento da turbina a vapor Tabela 5.13 Custo de investimento do ondensador Tabela 5.14 Custo de investimento das bombas Tabela 5.15 Distribuição dos ustos diretos e indiretos (apital e ustos de operação) Tabela 5.16 Custo de investimento total de ada onfiguração Tabela 5.17 Custos de amortização para os omponentes do ilo a gás (Casos 1 a 4) Tabela 5.18 Custos de amortização para ada omponente do ilo a vapor (Caso 2) Tabela 5.19 Custos de amortização para ada omponente do ilo a vapor (Caso 3) Tabela 5.20 Custos de amortização para ada omponente do ilo a vapor (Caso 4) Tabela 5.21 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso Tabela 5.22 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso Tabela 5.23 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso Tabela 5.24 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso Tabela 6.1 Conjuntos onsiderados na análise termodinâmia Tabela 6.2 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso

11 vii Tabela 6.3 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso Tabela 6.4 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso Tabela 6.5 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso Tabela 6.6 Rendimentos dos onjuntos, dos ilos Rankine e dos ilos totais Tabela 6.7 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso Tabela 6.8 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso Tabela 6.9 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso Tabela 6.10 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso Tabela 6.11 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso Tabela 6.12 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso Tabela 6.13 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso Tabela 6.14 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso Tabela B.1 Quadro omparativo do Setor Elétrio Brasileiro Tabela B.2 Evoluão da potênia instalada no Brasil (MW) Tabela C.1 Vendas de gás das distribuidoras brasileiras por segmento Tabela C.2 Propriedades médias do gás natural boliviano Tabela C.3 Composição média em volume do gás natural boliviano

12 viii Lista de Figuras Figura 3.1 Representação esquemátia de uma turbina a gás Figura 3.2 Exemplo de uma aldeira de reuperação Figura 3.3 Esquema onstrutivo om os prinipais equipamentos de uma aldeira de reuperação om um nível de pressão Figura 3.4 Diagrama esquemátio da aldeira de reuperação de alor Figura 3.5 Vantagens do uso de vários níveis de pressão em aldeiras de reuperação Figura 3.6 Vantagens do uso de vários níveis de pressão na aldeira de reuperação, numa instalação de ilo ombinado Figura 3.7 Representação esquemátia de uma turbina a vapor Figura 3.8 Cilo aberto om turbina a gás Figura 3.9 Esquema do aoplamento da turbina a gás om a aldeira de reuperação Figura 3.10 Esquema típio de uma planta termelétria em ilo ombinado tipo 1+1, om dois geradores Figura 3.11 Esquema típio de uma planta termelétria em ilo ombinado tipo 1+1, om um gerador Figura 3.12 Esquema típio de uma planta termelétria em ilo ombinado tipo 2 + 1, om três geradores Figura 4.1 Sistema em omuniação om a atmosfera e n reservatórios de temperatura Figura 4.2 Fluxo de aixa aumulativo típio ao longo do tempo de implantação e operação de um projeto de ogeração Figura 5.1 Usina termelétria em ilo aberto Figura 5.2 Parte do ilo ombinado om aldeira de um nível de pressão Figura 5.3 Parte do ilo ombinado om aldeira de dois níveis de pressão Figura 5.4 Parte do ilo ombinado om aldeira de três níveis de pressão Figura 5.5 Contribuição de ada equipamento na formação dos investimentos totais em ada aso estudado Figura 6.1 Variação do rendimento e da potênia total produzida em função da temperatura ambiente, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão Figura 6.2 Variação da potênia da turbina a gás e da temperatura de saída em função da pressão de saída na turbina a gás, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão. 94

13 ix Figura 6.3 Variação da potênia da turbina a gás e da turbina a vapor, em função da pressão de saída na turbina a gás, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão Figura 6.4 Variação da potênia total do ilo ombinado em função da pressão de saída na turbina a gás, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão Figura 6.5 Variação da potênia da turbina a vapor e da efiiênia da aldeira de reuperação om 1 nível de pressão em função do pinh point Figura 6.6 Variação da efiiênia da aldeira de reuperação om 1 nível de pressão em função da pressão do ondensado Figura 6.7 Variação da potênia e da efiiênia da aldeira de reuperação om 2 níveis de pressão em função da extração de vapor Figura 6.8 Variação da potênia da turbina a vapor e da efiiênia da aldeira om 1 nível de pressão em função da pressão de alta na turbina a vapor Figura 6.9 Título do vapor em função da pressão de alta na turbina a vapor na aldeira de reuperação om 1 nível de pressão Figura 6.10 Comparação entre as potênias líquidas produzidas em ada aso estudado Figura 6.11 Comparação entre o rendimento térmio global da primeira lei e da segunda leis em ada aso estudado Figura 6.12 Comparação entre as efiiênias térmias da primeira lei e da segunda lei para as aldeiras de reuperação em ada aso estudado Figura 6.13 Comparação entre as irreversibilidades geradas pelas aldeiras de reuperação em ada aso estudado Figura 6.14 Comparação entre as irreversibilidades geradas pelos ondensadores em ada aso estudado Figura 6.15 Comparação entre as irreversibilidades geradas pelas turbinas a vapor em ada aso estudado Figura 6.16 Custo da potênia gerada nas turbinas a gás, nas turbinas a vapor e usto médio de geração em ada aso estudado Figura 6.17 Custo exergétio unitário médio da eletriidade em ada aso estudado Figura 6.18 Custo do vapor nas aldeiras de reuperação nos asos de ilo ombinado Figura 6.19 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso Figura 6.20 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso

14 x Figura 6.21 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso Figura 6.22 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso Figura 6.23 Custo da energia produzida em função do usto do gás natural para ada aso estudado Figura B.1 Investimento no setor elétrio de 1980 a Figura B.2 Estrutura físia e omerial do setor elétrio brasileiro Figura C.1 Gasodutos no Brasil Figura D.1 Planta térmia da Usina de Naistenlahti (Finlândia) Figura D.2 Planta térmia da Usina Korneunburg (Áustria) Figura D.3 Planta térmia da Usina Hemweg (Holanda) Figura D.4 Planta térmia da Usina de Nokia (Finlândia) Figura D.5 Planta térmia simplifiada da CSN (Brasil)

15 xi Lista de Símbolos Símbolos Latinos BEN Benefíio anual obtido (US$) Custo exergétio monetário ou usto exergoeonômio (US$/GJ) C Custo do equipamento (US$) C & Taxa de usto exergétio (US$/s) CTI Custo total de investimento no iníio de operação do projeto (US$) e Exergia espeífia (kj/kg) E & Fluxo de exergia (W) F Relação ombustível/ar F & Fontes onsumidas em base exergétia (W) h Entalpia espeífia (kj/kg) h Entalpia espeífia molar, inluindo a entalpia de formação (kj/kmol) I & Irreversibilidade (W) j Taxa de desonto adotada (%) k Custo exergétio unitário m& Fluxo de massa (kg/s) n& Número de moles do omponente químio (kmol/s) N Número de anos P Pressão (kpa) P & Fontes produzidas em base exergétia (W) Q & Fluxo de alor (kw) s Entropia espeífia (kj/kg K) S Variável de onversão de tamanho ou apaidade do equipamento S & Taxa de entropia (kw) T Temperatura (ºC) Ta Temperatura referente à água (ºC) Tg Temperatura referente aos gases (ºC) TIR Taxa Interna de Retorno (%) TRI Taxa de Retorno de Investimento (%)

16 xii VAL W & x Z & Valor Atual Líquido (US$) Potênia (kw ou MW) Fração molar Taxa de usto não exergétio (US$/s) Símbolos Gregos α β o ε Fator de esala em função do tipo de equipamento Razão de ompressão Exergia químia standard (kj/kmol) δ Porentagem de irreversibilidades (%) η Efiiênia ou rendimento baseado na primeira lei da termodinâmia (%) ψ Efiiênia baseada na segunda lei da termodinâmia (%) φ Perda de pressão no troador de alor (%) µ Potenial químio (kj/kmol) Referente à variação de um dado parâmetro Subsritos 0 Estado de referênia ap Referente ao approah b Referente ao bombeamento C Referente ao ompressor CC Referente à âmara de ombustão CI Custos de investimento omb Referente ao ombustível CR Referente à aldeira de reuperação DA Referente ao desaerador e Entradas dos fluxos em ada volume de ontrole ele Referente à eletriidade exp Referente ao expansor ou turbina f Referente às propriedades físias g Referente ao gerador elétrio

17 xiii ger Referente à geração gn Referente ao gás natural i, k Contadores iso Referente ao proesso isentrópio OM Operação e manutenção P Referente aos produtos de ombustão pp Referente ao pinh point Q Referente a alor q Referente às propriedades químias R Referente aos reagentes rev Referente ao proesso reversível s Saídas dos fluxos em ada volume de ontrole t Referente à total TC Troador de alor teor Referente ao valor teório TG Referente à turbina a gás TV Referente à Turbina a vapor v Referente ao volume de ontrole w Referente ao trabalho Abreviações Algas ANEEL ANP ASMAE BA BC BNDES CBEE CCPS CEG Cegas Companhia de Gás de Alagoas Agênia Naional de Energia Elétria Agênia Naional do Petróleo Administradora de Serviços do Merado Ataadista de Energia Elétria Bomba de alimentação Bomba de ondensado Bano Naional de Desenvolvimento Eonômio e Soial Companhia Brasileira de Energia Elétria Combined Cyle Power Stations Companhia Estadual de Gás do Rio de Janeiro Companhia de Gás do Ceará

18 xiv CENBIO Centro Naional de Referênia em Biomassa CGCE Câmara de Gestão da Crise de Energia Elétria CGTEE Centro de Gestão e Estudos Estratégios CNP Conselho Naional de Petróleo CNPE Conselho Naional de Polítia Energétia COMGÁS Companhia de Gás de São Paulo Compagás Companhia Paranaense de Gás CONAMA Conselho Naional do Meio Ambiente Copergás Companhia Pernambuana de Gás CSN Companhia Siderúrgia Naional DA Desaerador DNC Departamento Naional de Combustíveis ECA1 Eonomizador de alta 1 ECA2 Eonomizador de alta 2 ECB Eonomizador de baixa ECM Eonomizador de média EES Engineering Equation Solver EIA Estudo de Impato Ambiental Emsergás Empresa Sergipana de Gás EPC Engineering, Prourement and Constrution EVA Evaporador de alta EVB Evaporador de baixa EVM Evaporador de média Gasmig Companhia de Gás de Minas Gerais GE General Eletri GLP Gás Liquefeito de Petróleo IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Reursos Naturais MAE Merado Ataadista de Energia Elétria MME Ministério de Minas e Energia ONS Operador Naional do Sistema Elétrio PBGás Companhia Paraibana de Gás PCHs Pequenas Centrais Hidrelétrias PCI Poder Calorífio Inferior

19 xv PETROBRÁS Petróleo Brasileiro S.A. Potigás Companhia Potiguar de Gás PPT Programa Prioritário de Termoeletriidade RE-SEB Projeto de Reestruturação do Setor Elétrio Brasileiro SCGás Companhia de Gás de Santa Catarina SEB Setor Elétrio Brasileiro SNE Seretaria Naional de Energia STIG Steam Injeted Gas Turbine SUA Superaqueedor alta SUB Superaqueedor baixa Sulgás Companhia de Gás do Estado do Rio Grande do Sul SUM Superaqueedor média TV Turbina a vapor

20 xvi Resumo Neste trabalho são realizadas análises termodinâmias e termoeonômias apliadas a uma usina termelétria operando om gás natural. São onsideradas quatro situações: a onfiguração atual da planta, que opera om turbinas a gás em ilo aberto, e três outras onfigurações propostas para operar em ilo ombinado, om aldeiras de reuperação de 1, 2 e 3 níveis de pressão, respetivamente, assoiadas às turbinas a vapor e demais aessórios. Para fins de avaliação do desempenho são feitas análises energétia, exergétia e termoeonômia para ada uma das situações. Por outro lado, a análise termoeonômia possibilita avaliar os reflexos dos ustos de apital e ombustível na omposição dos ustos da eletriidade, segundo os métodos de aloação passíveis de serem apliados a sistemas térmios. As novas onfigurações são ainda submetidas a ténias onheidas de análise de investimentos, onluindo-se que a onfiguração om aldeira de reuperação de um nível de pressão é a que apresenta maior viabilidade eonômia. Palavras Chave: Energia, Exergia, Termoeonomia, Usina termelétria, Cilo ombinado, Gás natural.

21 xvii Abstrat In this work thermodynamis and thermoeonomis analyses are applied to a thermal power plant operating with natural gas. The analyses are realized in four ases: the urrent onfiguration of the plant, whih operates in open yle, and three other ases proposed to operate in ombined yle, with reovery boilers of 1, 2 and 3 pressure levels, respetively. In order to obtain the performane parameters, energeti and exergeti analyses for eah ase are arried out. On the other hand, the thermoeonomi analysis provides means to evaluate the influenes of the apital and fuel osts in the omposition of the eletriity osts. Tehniques of investment analysis were also applied to the new onfigurations. The results showed that the ase with heat reovery steam generator with one pressure level presented the best eonomi viability. Keywords: Energy, Exergy, Thermoeonomis analysis, Thermal power plant, Combined yle, Natural gas.

22 xviii Preâmbulo Este trabalho está inserido dentro das linhas de pesquisa do NUPLEN (Núleo de Planejamento Energétio e Cogeração) do Departamento de Engenharia Meânia da Fauldade de Engenharia de Ilha Solteira e está estruturado em 7 Capítulos e 4 Anexos, ujos onteúdos são desritos brevemente a seguir. No Capítulo 1 são mostradas as motivações que levaram à realização desse trabalho, seus prinipais objetivos e a forma omo está estruturada a dissertação. No Capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfia abrangente sobre o tema e as prinipais metodologias utilizadas neste trabalho, visando sua inserção de maneira a ontribuir ientifiamente para o estudo de ilos ombinados. No Capítulo 3 é realizada uma disussão sobre a araterização das plantas termelétrias a gás natural, seus prinipais omponentes e as onfigurações típias utilizadas, a fim de propor situações ondizentes om as disponibilidades de merado. No Capítulo 4 são desritos os oneitos e metodologias apliadas no trabalho, baseados na primeira e na segunda lei da termodinâmia, e, também, a teoria do usto exergétio, visando efetuar a análise termoeonômia dos sistemas estudados. Nesse sentido, é ressaltada a análise exergétia, omo ferramenta fundamental para a apliação da termoeonomia. Neste apítulo ainda são apresentadas as metodologias para a análise da viabilidade finaneira e seus prinipais indiadores. No Capítulo 5 é feita uma desrição detalhada de ada sistema proposto para a usina que será estudada, ressaltando-se araterístias operaionais da planta e dos equipamentos, assim omo as estimativas do usto dos equipamentos e as suposições eonômio-finaneiras pertinentes. No Capítulo 6 são mostrados os resultados das avaliações a que ada aso foi submetido e são determinadas as efiiênias de primeira e de segunda lei da termodinâmia para os equipamentos e omponentes mais importantes, bem omo suas irreversibilidades e o quanto elas ontribuem para a irreversibilidade do sistema omo um todo. Neste apítulo, também são apresentados os resultados da análise termoeonômia, sendo destaados os ustos monetários dos prinipais fluxos da planta de aordo om o preço do gás natural estabeleido pelo PPT e os ustos exergétios unitários dos mesmos. Cada proposta é avaliada e omparada, permitindo estabeleer o aumento da potênia obtida e o desempenho

23 xix termodinâmio da planta para ada um dos asos. Posteriormente, são disutidos os prinipais resultados da análise eonômio-finaneira para ada aso, possibilitando estabeleer o melhor investimento do ponto de vista do empreendedor para a apliação termelétria. Finalmente, no Capítulo 7 são apresentadas algumas onlusões e reomendações, bem omo propostas de futuras avaliações de interesse, em função dos resultados obtidos. No Anexo A são abordados os aspetos gerais da produção de energia, assim omo as tendênias atuais das tenologias empregadas. No Anexo B são desritos os prinipais aspetos que envolveram a reestruturação do setor elétrio brasileiro nos últimos anos, seus prinipais agentes e programas de inentivo, bem omo os motivos que provoaram a rise energétia vivida em 2001/2002. No Anexo C são mostrados o estágio atual do merado do gás natural no Brasil e suas prinipais araterístias ténias. Por fim, no Anexo D são apresentadas algumas plantas de usinas termelétrias que utilizam ilos de vapor e ilos ombinados, mostrando as araterístias típias, bem omo os níveis de pressão e temperatura dos prinipais fluxos.

24 1 Capítulo 1 Introdução e Objetivos 1.1. Introdução O aumento do onsumo de energia aima da apaidade do setor públio em responder ao resimento dessa demanda, assim omo a rise energétia deorrente da falta de água em reservatórios das hidrelétrias, onduziu o Brasil a um panorama de inertezas quanto à garantia de oferta de energia. Uma das alternativas para suprir o défiit de eletriidade é o estímulo à geração independente e desentralizada e a partiipação de apital privado no sistema através da onstrução de pequenas entrais hidrelétrias e termelétrias, além do aumento da geração de energia elétria através da ogeração. No Anexo A são abordados os aspetos gerais da produção de energia, assim omo as tendênias atuais das tenologias empregadas e no Anexo B são desritos os prinipais aspetos que envolveram a reestruturação do setor elétrio brasileiro nos últimos anos, seus prinipais agentes e programas de inentivo, bem omo os motivos que provoaram a rise energétia vivida em 2001/2002. No que diz respeito às entrais termelétrias, houve um grande inentivo do governo para a utilização do gás natural omo ombustível, no sentido de aumentar a sua partiipação na matriz energétia brasileira, através da riação do Plano Prioritário de Termelétrias (PPT) e do aumento da rede de distribuição. Infelizmente, isso não tem oorrido om a veloidade que se desejava, devido prinipalmente ao usto ainda relativamente alto do gás natural. Vale destaar que grande parte das termelétrias brasileiras a gás natural onstruídas reentemente foi projetada para operar em ilo ombinado, embora, em uma primeira etapa, geralmente são oloadas em operação em ilo aberto. Devido à forma de ontrato de forneimento de gás natural através do Gasoduto Bolívia-Brasil (take or pay) e, também, devido a não ameaça de uma nova rise energétia, não tem havido uma preoupação e/ou pressa do governo em realizar investimentos para a mudança da forma de operação de suas termelétrias a gás natural, mesmo sabendo-se que existe um grande desperdíio de energia na operação em ilo aberto. Assim, a ontribuição do presente estudo é a proposição e disussão de alternativas baseadas em sistemas de ilo ombinado para o aproveitamento dos gases de exaustão das turbinas a gás em uma usina termelétria, evideniando as vantagens termodinâmias de ada situação estudada através das análises energétia, exergétia e termoeonômia, em

25 2 ontrapartida a outros fatores que devem ser avaliados do ponto de vista eonômio, omo o usto de venda da eletriidade gerada, o preço de aquisição do gás natural e o preço de equipamentos no merado Objetivos Entre os objetivos do presente trabalho podem ser destaados os estudos termodinâmios para plantas de potênia de uma usina termelétria que opera om gás natural, onsiderando diferentes onfigurações. Serão feitas análises energétias, exergétias e termoeonômias para ada uma das situações, a fim de avaliar o desempenho das plantas, bem omo os ustos de produção de eletriidade e a viabilidade eonômia das mesmas. As onfigurações propostas onsistem na utilização do ilo ombinado para o aproveitamento da energia dos gases das turbinas a gás que operam em ilo aberto e são baseadas nas tenologias e araterístias onstrutivas dispostas na literatura, bem omo na planta da Usina Termelétria de Três Lagoas (PETROBRÁS). As modifiações a serem implementadas são baseadas na inorporação de turbinas a vapor e de aldeiras de reuperação às turbinas a gás existentes. Para a realização das análises, neste trabalho são onsideradas quatro situações: a onfiguração que opera om turbinas a gás em ilo aberto, e três outras onfigurações para operar em ilo ombinado, om aldeiras de reuperação de 1, 2 e 3 níveis de pressão, respetivamente, assoiadas às turbinas a vapor e demais aessórios. As modelagens dos três ilos ombinados propostos diferem basiamente nos níveis de pressão da aldeira de reuperação, no número de turbinas a vapor e nas araterístias de alguns equipamentos auxiliares, omo o desaerador e as bombas. O parâmetro que se mantém inalterado em todos os ilos propostos é o fluxo dos gases de exaustão provenientes das turbinas a gás. A partir desse parâmetro, a energia desses gases pode ser mais bem aproveitada, dependendo das araterístias da aldeira de reuperação. Entretanto, essas araterístias influeniam diretamente na omplexidade dos equipamentos, nos ustos de investimento, na elaboração do projeto, na onstrução e manutenção, sendo neessário um estudo uidadoso da tenologia a ser apliada. Após a implementação das equações para ada equipamento é possível se estabeleer a quantidade de vapor produzida forneendo omo dados de entrada os estados do vapor desejado em ada onfiguração e aproveitar esse vapor para produzir potênia na turbina a

26 3 vapor. A pressão de saída nas turbinas a vapor de ondensação é mantida igual para todos os ilos propostos. Como resultado da modelagem, são apresentadas as propriedades termodinâmias dos fluidos nos prinipais estados do ilo, os fluxos mássios de ar atmosfério, ombustível e vapor d água, os valores de potênia e as efiiênias de primeira e de segunda lei, inluindo a taxa de irreversibilidade em ada omponente da instalação e, também, os ustos exergétios alulados na análise termoeonômia. Mesmo que as vantagens termodinâmias sejam explíitas, deisões sobre investimentos em sistemas de geração de eletriidade e ogeração requerem avaliações eonômias que justifiquem a implantação de novas plantas. Para isso, são avaliados e omparados alguns indiadores eonômios típios desses tipos de instalações, omo: Valor Atual Líquido (VAL), Taxa de Retorno de Investimento (TRI) e Taxa Interna de Retorno (TIR).

27 4 Capítulo 2 Revisão da Literatura Estudar alternativas que melhorem os atuais ilos termodinâmios em plantas de potênia e alor, aumentando a efiiênia energétia e diminuindo seus ustos de geração elétria e de vapor, são os objetivos de vários trabalhos que têm omo base análises energétias, exergétias e eonômias de sistemas térmios. Muitas são as apliações dos sistemas de potênia, espeialmente na indústria de geração de energia elétria. Nesse ontexto, pode-se destaar a tenologia de turbinas a gás e aldeiras de reuperação apliadas à geração de energia elétria ou em instalações de ogeração. Foram analisados diversos estudos e pesquisas sobre sistemas de potênia, enfoando um amplo panorama, isto é, apliações termodinâmias, termoeonômias e de engenharia eonômia. Existem vários livros sobre o assunto que servem omo base para qualquer tipo de estudo espeífio, sendo que dentre eles podem ser itados: Orlando (1991), Kotas (1995), Bejan et al. (1996), Horlok (1992 e 1997), Kharthenko (1998), Balestieri (2002) e Lora & Nasimento (2004). A seguir serão feitos alguns omentários sobre alguns artigos que trouxeram alguma ontribuição para o presente trabalho. Valero & Lozano (1994) apresentaram uma apliação da teoria do usto exergétio, atribuindo ustos aos fluxos de um sistema energétio e aos insumos e produtos dos diversos omponentes do mesmo. Foi proposta uma simbologia exergoeonômia para otimização do projeto de sistemas térmios omplexos, utilizando multipliadores de Lagrange. Com este objetivo, foi onfigurado um sistema básio de uma turbina a gás om ilo de ogeração, para ilustração da metodologia. No aso, foi definida uma função objetivo e, por meio da apliação da teoria do usto exergétio, foi proposta uma solução para o problema. A informação obtida através desta metodologia foi utilizada para tratamento e análise termoeonômia do sistema, om o objetivo de obter eonomia e melhorar as araterístias do sistema. Seyedan et al. (1995) desenvolveram um programa para a análise de plantas de potênia de ilo ombinado, om o ilo a vapor om dois níveis de pressão que requer omo dados de entrada as urvas araterístias dos equipamentos da instalação. Para a avaliação do proesso nos troadores de alor, foi utilizado o oneito de efetividade. O valor da efetividade foi obtido om a avaliação do oefiiente global de transferênia de alor,

28 5 alulado através de orrelações empírias. A perda de arga nestes equipamentos também foi alulada om a utilização de orrelações obtidas experimentalmente. Todos os equipamentos da instalação foram tratados de forma modular e a onfiguração da instalação em análise foi obtida a partir da ombinação dos módulos. Para a solução de todas as variáveis envolvidas, utilizou-se o método seqüenial iterativo em onjunto om a solução de um sistema de equações não-lineares. Em ada iteração, os proessos ao longo dos omponentes foram avaliados seqüenialmente (as propriedades do fluido na saída de um equipamento orrespondem às propriedades na entrada para o omponente seguinte), enquanto que a solução do sistema não-linear fornee os valores para a próxima iteração. Carvalho & Nogueira (1996) elaboraram uma revisão sobre os ustos de manutenção pratiados em entrais termelétrias e utilizaram a termoeonomia em uma entral a vapor, onsiderando sobretudo aspetos de interesse ao planejamento da manutenção. Com a metodologia apliada foi possível definir limites ideais de desempenho dos equipamentos, a partir dos quais uma intervenção nos mesmos seja eonomiamente viável, permitindo agregar uma visão exergétia ao planejamento da manutenção. Guarinello Júnior (1997) determinou os ustos exergétios e monetários num sistema de turbina a gás e aldeira de reuperação utilizando ilo simples e ilo STIG (Steam Injeted Gas Turbine) para produção de vapor e energia elétria em um pólo industrial do nordeste om o propósito de venda de exedentes. Neste trabalho foram utilizados dois métodos de partição de ustos: o método da extração e o método da igualdade, demonstrando que os ustos, tanto exergétios quanto monetários, são maiores para o ilo STIG. Foi destaada ainda a flexibilidade desse tipo de sistema na produção de eletriidade ou vapor. Além disso, foram alulados parâmetros eonômios para o estudo da viabilidade de implantação da planta de ogeração em questão om duas alternativas de finaniamento: na situação de autofinaniamento e finaniamento através do BNDES. Negri et al. (1997) realizaram uma análise de uma usina termelétria om turbina a gás a partir da apliação dos oneitos da segunda lei da termodinâmia e identifiaram as efiiênias e os ustos dos seus diversos equipamentos, observando que o usto espeífio no ompressor é maior que o usto da energia elétria, indiando uma signifiativa absorção de trabalho no ilo e sugerindo que qualquer melhoria desse equipamento aponta para a redução do usto final da energia elétria produzida. Barreda Del Campo et al. (1998) estudaram o sistema de ogeração de uma usina suroalooleira que fornee exedentes de energia para a rede elétria. Além de determinar as propriedades termodinâmias dos diferentes fluxos do sistema, foram determinados balanços

29 6 de massa, energia e exergia. Além disso, eles realizaram uma omparação das efiiênias baseadas na primeira e segunda lei, mostrando a utilidade desta última na avaliação de um sistema real e omo elemento importante para deisão de melhorias das plantas térmias ao evideniar os equipamentos de maiores irreversibilidades e, onseqüentemente, a perda de oportunidades de geração de energia elétria. Vieira & Oliveira Júnior (1998) apresentaram uma avaliação termoeonômia de sete módulos de geração termelétria e ogeração, esolhido om base no binômio tenologiaombustível. As onfigurações foram analisadas em três ondições de operação: om fator de apaidade máxima, om meia arga e om 25% da arga elétria nominal. A análise termoeonômia foi onduzida para a valorização dos ustos espeífios dos produtos gerados (eletriidade e vapor ou gases de esape), apliando-se os métodos de partição, da igualdade e da extração. Azola & Andrade (1999) apresentaram uma metodologia para a internalização dos ustos de investimento e operação para as diversas tenologias de usinas termelétrias disponíveis no merado mundial. Foi apresentada uma estrutura de ustos por tipo de tenologia e o usto de geração adaptado às ondições loais. Através do levantamento dessas informações foi feita uma avaliação dos vários aspetos que influeniam a implantação de novas usinas termelétrias. Cerqueira (1999) estudou as quatro prinipais metodologias termoeonômias (Análise Funional Termoeonômia, Teoria do Custo Exergétio, Exergoeonomia e Metodologia Estrutural), através da apliação a um problema de ogeração. Foi analisada a influênia da divisão da exergia em parelas térmia e meânia para a determinação dos ustos dos produtos do sistema. Os diferentes tratamentos dados aos ustos das irreversibilidades externas, advindas da saída para o ambiente de orrentes portadoras de exergia, revelaram-se esseniais para eslareer os diferentes valores dos ustos dos produtos do sistema. Negri & Vieira (1999) apresentaram detalhes de requisitos ténios e omeriais para análise e seleção de projetos termelétrios de ilo ombinado. A ontratação da usina via bloo de geração ou através da aquisição de EPC (Engineering, Prourement and Constrution) é uma dessas etapas que visa o desenvolvimento de um projeto ténio ompetitivo e eonomiidade, além da transferênia de tenologia. Com base em uma experiênia de seleção e lassifiação de um projeto de EPC para uma usina termelétria om ogeração de energia elétria e vapor, foram apresentados os requisitos ténio-eonômios. Logrado (2000) desenvolveu uma ferramenta omputaional para análise e otimização termoeonômia de turbinas a gás e ilos ombinados. O modelo termoeonômio proposto

30 7 baseia-se na teoria do usto exergétio para a determinação da importânia de ada omponente do sistema de aordo om o ponto de vista termoeonômio. Destaa-se o modelo eonômio implementado, o qual permite fazer estimativas de apital investido e análise temporal do investimento. Os modelos apresentados foram testados usando-se dados disponíveis na literatura e, a partir destes testes, alguns parâmetros dos modelos foram ajustados, destaando a metodologia de determinação dos ustos dos equipamentos que ompõem o ilo. Ainda foram analisadas quatro instalações reais, uma usina om turbina a gás e outras três usinas om ilo ombinado. Attala et al. (2001) onstruíram uma ferramenta para a análise termoeonômia e otimização de plantas térmias de potênia para a apliação em projetos reais. O modelo utiliza três programas e um onjunto de orrelação de ustos através do qual é estimada a realização dos ustos de uma planta de potênia em ilo ombinado, em função dos parâmetros onstrutivos e de operação. Espírito Santo (2001) apresentou alguns métodos lássios de representação matemátia de proessos físios envolvidos em plantas térmias de geração de eletriidade, desenvolvendo a ompilação omputaional dos métodos para permitir o tratamento de novas situações para analisar o desempenho fora da situação de projeto, verifiando parâmetros de influênia. Entre os asos onsiderados, destaa-se o estudo de uma termelétria em ilo ombinado om dois níveis de pressão. Os resultados obtidos revelaram a possibilidade de otimização da planta térmia e permitiram mensurar os benefíios da implementação de novos sistemas ou da melhora do desempenho dos sistemas existentes. Lima (2001) fez uma avaliação ténia-eonômia de arranjos de plantas de ogeração em unidades siderúrgias brasileiras utilizando simulação omputaional. O objetivo foi identifiar enários, alternativas variáveis esseniais para orientar a deisão na esolha do melhor arranjo ajustado às neessidades de demanda e onsumo. Os parâmetros identifiados foram os ustos do ombustível e da eletriidade omprada e valor da venda de exedentes, em diversas onfigurações. O estudo da inserção do gás natural, omo omplemento aos gases residuais já disponíveis nesse tipo de instalação, também foi verifiado e se mostrou bastante atrativo. Ramos et al. (2001) analisaram a questão da oneituação, identifiação e gereniamento dos risos, para geradores termelétrios, no atual ontexto da inserção das plantas termelétrias movidas a gás natural no parque gerador interligado brasileiro. Foram apresentadas também onsiderações sobre os risos finaneiros inorridos de operações no MAE (Merado Ataadista de Energia) e de seu gereniamento, onluindo-se que a

31 8 imprevisibilidade quanto à previsão de huvas é a prinipal omponente da inerteza sobre os agentes do setor, devendo-se ser estimada om preisão sufiiente para a tomada de deisão. Pinhel et al. (2001) abordaram aspetos de riso e de retorno para usinas termelétrias, onsiderando diferentes níveis de flexibilidade da usina e parelas da apaidade ontratadas no longo prazo, através das araterístias ténio-eonômias do investimento (efiiênia energétia, ustos fixos, ustos variáveis, estrutura e usto de finaniamento, et.), onluindo que a flexibilidade de operação tem um papel importante na atratividade do investimento e, onseqüentemente, na redução dos risos para o investidor. Assim, alternativas de aumento da flexibilização da operação devem ser priorizadas, itando omo exemplo a estratégia de ogeração (usando a parela inflexível do ontrato de gás para atender a demanda de energia e vapor do onsumidor) e o inentivo ao desenvolvimento do merado seundário de gás, permitindo ontratos de gás om níveis menores de take or pay e, em onseqüênia, maior flexibilização na operação das termelétrias. Modesto & Nebra (2002) realizaram uma análise energétia e exergétia numa aldeira de reuperação utilizada num projeto de sistemas de turbina a gás operando em dois tipos de ilos, simples e STIG. Foram estudados todos os omponentes da aldeira de reuperação identifiando as irreversibilidades de ada um e sua influênia na irreversibilidade total da aldeira. Com isso foi possível fazer um diagnóstio do desempenho térmio da aldeira, permitindo exeutar melhorias nos equipamentos para aumentar a performane. Arrieta & Lora (2003) realizaram um estudo da influênia da temperatura ambiente sobre o desempenho de uma planta de potênia operando em ilo ombinado om duas turbinas a gás que produzem 175 MW ada e uma turbina a vapor que produz 254 MW. O estudo mostrou que na faixa de temperaturas de 0 a 35 ºC pode oorrer uma variação de até 75 MW na potênia do ilo e de 3,4 % na efiiênia do ilo. Também foi mostrada a utilização da queima suplementar omo uma alternativa para a diminuição da potênia em deorrênia da temperatura ambiente. Sánhez Prieto (2003) realizou uma detalhada análise energétia e exergétia, visando determinar as efiiênias baseadas na primeira e na segunda lei da termodinâmia para os prinipais equipamentos de duas plantas de usina suroalooleira, bem omo o onsumo de ombustível envolvido, além de alguns índies de desempenho típios de sistemas de ogeração. O objetivo fundamental da avaliação foi determinar os ustos dos prinipais fluxos do sistema, onsiderando os ustos omo se fosse uma instalação nova, om taxa de juros de 15% ao ano e um período de amortização de 15 anos. Foi avaliada a variação do usto do

32 9 bagaço e sua influênia nos ustos dos fluxos da planta e dada ênfase na potênia elétria e nos índies de desempenho. Modesto (2004) analisou o sistema de geração de potênia da Companhia Siderúrgia de Tubarão e formulou uma proposta de repoteniamento utilizando metodologias de análise termoeonômia. A análise foi feita no atual sistema de geração omposto por três onfigurações de Cilo Rankine Regenerativo, supridas por gases siderúrgios residuais do proesso de fabriação do aço. Foram omparados os ustos em ondições de projeto e de operação do sistema. A proposta de repoteniamento para este sistema foi baseada no ilo ombinado, onsiderando-se a disponibilidade de gases para geração e a demanda de energia para a usina siderúrgia. Foram formuladas três propostas de ilos ombinados om aldeiras de reuperação om um, dois e três níveis de pressão de geração de vapor e realizada uma análise dos diferentes parâmetros que influeniam no desempenho destas. As propostas de ilo ombinado foram avaliadas através da Teoria do Custo Exergétio e da Análise Funional Termoeonômia, determinando-se os ustos exergétio e monetário de produção de potênia, sendo omparadas entre si e em relação ao sistema atual. Foi observado que a análise funional, que utiliza o oneito de junção e distribuidores de exergia e neguentropia, possibilita uma distribuição mais realista entre os equipamentos onsumidores de exergia do sistema que a teoria do usto exergétio. Foi observado, também, que o ilo ombinado de três níveis de pressão é o que tem o menor usto exergétio dentre os ilos analisados.

33 10 Capítulo 3 Caraterização de Plantas Termelétrias a Gás Neste apítulo serão desritos os prinipais equipamentos e aessórios utilizados na geração termelétria a gás, bem omo algumas onfigurações típias de plantas termelétrias, dando mais ênfase para a operação em ilo ombinado por ser tratar de um arranjo mais omplexo e de maior rendimento Prinipais Equipamentos Utilizados em Plantas Termelétrias a Gás Turbinas a Gás A primeira turbina a gás eonomiamente viável foi onstruída em 1911 e é reditada a Holzworth. Na déada de 1930, ingleses e alemães utilizaram om suesso as turbinas a gás em aeronaves. No entanto, o grande impulso em seu desenvolvimento foi dado pelos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial. De 1940 a 1980, elevou-se a durabilidade das turbinas a gás e a temperatura de entrada dos gases. Este aumento possibilitou um arésimo no rendimento termodinâmio e está relaionado om a resistênia dos materiais a elevadas temperaturas, quando sujeitos a grandes esforços. Durante muito tempo, o uso da turbina a gás destinou-se à propulsão das aeronaves e neste proesso oorreram os maiores progressos no aumento de sua efiiênia térmia. Com o aumento da demanda de energia elétria, nos anos próximos a 1980, as turbinas a gás passaram a ser utilizadas em entrais geradoras de eletriidade, onorrendo om suesso om as plantas om turbinas a vapor, devido ao seu usto menor e às failidades de instalação, operação e manutenção. De 1965 a 1975, a apaidade de instalação de turbinas a gás nos Estados Unidos aumentou extraordinariamente, devido às vantagens já menionadas e à possibilidade de utilizar o gás natural. No entanto, o hoque do petróleo de 1973 reduziu o interesse pela geração termelétria, provoando uma estagnação nos investimentos em turbinas a gás e apenas as turbinas aeroderivativas prosseguiram, por razões militares. Desta forma, a apaidade instalada permaneeu estável até 1985, quando foram retomados os investimentos. Um exemplo de uma turbina a gás pode ser visto na Figura 3.1 (Lora & Nasimento, 2004).

34 11 Figura 3.1 Representação esquemátia de uma turbina a gás. Podem ser distinguidos três omponentes prinipais em uma turbina a gás: o ompressor, o sistema de ombustão e a turbina propriamente dita, esta última sendo a fonte de aionamento tanto do ompressor omo do gerador de energia elétria. O ar, nas ondições atmosférias de pressão e temperatura, é admitido no ompressor, onde é omprimido até à pressão de ombustão e passa para a âmara de ombustão, onde o ombustível é queimado ontinuamente sob pressão onstante. Os gases aqueidos passam pela turbina produzindo trabalho meânio, depois transformado em energia elétria em um grupo gerador. Após essa expansão, os gases são liberados para a atmosfera, no aso de operação em ilo aberto, ou podem ser utilizados omo fonte de alor em sistemas de ilo ombinado. Quase toda a energia que não é onvertida em potênia na turbina é rejeitada nos gases de exaustão. Então, esses gases, que são relativamente livres de impurezas e que apresentam altas temperaturas, podem ser reaproveitados por uma aldeira de reuperação (Orlando, 1991). A evolução tenológia de turbinas e sistemas para gás natural é essenial para o melhoramento da geração térmia e ogeração, e os prinipais desenvolvimentos apontam para (CGTEE, 2003): Aumento dos níveis de temperatura e da efiiênia das turbinas de grande potênia (heavy-frame), superando a tenologia hoje existente (lasse F-FA) que admite temperaturas na faixa de ºC, om 56-57% de efiiênia em ilo ombinado, om a utilização da ténia de resfriamento das palhetas, entretanto, se esperam atingir temperaturas de até 1430 ºC e efiiênia de 60%; Turbinas om reaqueimento, ontrole de emissão de NO x e a utilização de novos materiais devem atingir rendimento de até de 70%;

35 12 Materiais avançados (base, oatings) e resfriamento dos omponentes; Uso de ilos tipo Kalina para aumentar a efiiênia dos ilos ombinados. O uso de amônia nestes ilos pode riar problemas na implementação, devido aos impatos ambientais; Unidades flexíveis, tamanho médio, para uso em pios de demanda om resfriamento e reuperação na ompressão para atingir efiiênias em torno de 65 a 70%; Cilos híbridos om turbinas a gás assoiadas às élulas a ombustível, para atingir efiiênias de 70 a 80%; Turbinas a gás assoiadas às várias tenologias de energia renovável; Turbinas a gás, assoiadas ao armazenamento de ar omprimido (CAES); Gaseifiação de resíduos para uso em ilos ombinados. Existe também uma tendênia para a geração distribuída om gás natural, possibilitando o desenvolvimento de miroturbinas e élulas a ombustível que trazem vantagens, omo aumento da efiiênia om o uso de ogeração e redução de ustos de transmissão. No aso do Brasil, existe ainda uma resente utilização dos gases gerados nos proessos siderúrgios provenientes de oqueria e alto forno e, também, da biomassa, prinipalmente do bagaço de ana. Estes insumos poderiam se benefiiar dos avanços nas turbinas a gás e favoreer o uso de ilos ombinados Caldeiras de Reuperação A aldeira de reuperação é um equipamento utilizado para aproveitar o alor dos gases de exaustão de instalações industriais, omo: fornos, plantas químias, refinarias, et, produzindo vapor ou água quente por troa térmia. Um exemplo desse equipamento pode ser visto na Figura 3.2. As aldeiras de reuperação têm basiamente os mesmos omponentes das aldeiras onvenionais, exeto a fornalha. Quando as temperaturas dos gases estão entre 400 C e 600 C as troas térmias são realizadas prinipalmente por onveção e quando são superiores a 900 C o meanismo predominante é a radiação. Diferentemente dos gases de exaustão de uma turbina a óleo ou de um motor diesel, os gases provenientes de uma turbina a gás ontém oxigênio, o que permite a queima suplementar de ombustível se houver a neessidade de vapor a temperaturas mais elevadas ou em maior quantidade.

36 13 Figura 3.2 Exemplo de uma aldeira de reuperação. As aldeiras de reuperação podem ser lassifiadas de várias maneiras, dependendo de suas araterístias onstrutivas, onforme segue: Caldeira de reuperação sem queima suplementar: é onstituída basiamente por troadores de alor onvenionais, que atendem à ondição de exaustão da turbina, maximizando a reuperação do alor dos gases de exaustão. Estas unidades podem ser eonomiamente projetadas para reuperar aproximadamente 95% da energia dos gases de exaustão da turbina disponíveis para geração de vapor ou outra forma de alor útil (Fisk et al., 1994). Níveis maiores de efiiênia podem ser alançados, porém o usto da superfíie de troa térmia deve ser avaliado em omparação om a energia adiional reuperada para estabeleer até que ponto ompensa os investimentos. Caldeira de reuperação de alor om queima suplementar: permite a queima do ombustível sem a neessidade do insulflamento de ar adiional na própria aldeira, propiiando um aumento na qualidade e na quantidade do vapor superaqueido resultante. Isso é possível, pois os gases reuperáveis geralmente são limpos, devido à queima de ombustíveis de boa qualidade na turbina a gás om teor de oxigênio exedente em torno de 15 % em volume. Nas instalações omeriais, entretanto, este esquema é pouo usado, pois a efiiênia térmia global é menor. Em reuperadores de alor om reaqueimento dos gases antes da entrada, proura-se ompensar o onsumo adiional de ombustível e minimizar a perda de efiiênia térmia total da planta através de um maior aproveitamento da energia dos gases devido à redução de sua temperatura de saída da aldeira, além da maior quantidade de vapor gerado devido à maior temperatura do gás de entrada (Pasha & Jolly, 1995).

37 14 As aldeiras de reuperação apresentam-se em dois tipos básios, dependendo omo o gás quente e o vapor gerado irulam, da mesma forma que nas aldeiras onvenionais, onforme segue: Modelos fogotubulares: o gás flui dentro dos tubos e a energia térmia é transferida para a água/vapor exteriormente, são eonômias para baixas desargas de gás, têm failidade de limpeza, sendo adequadas em instalações que utilizem ombustíveis pesados, pois os gases de exaustão ontêm maiores quantidades de partiulados. Modelos aquatubulares: o proesso de reuperação da energia térmia oorre de forma inversa, onde o gás quente flui pelo lado externo dos tubos, aqueendo a água/vapor ontida no interior dos tubos, sendo adequadas para altas desargas de gases e altos níveis de pressão de vapor. Também são adequadas para situações onde a quantidade de alor transferida é alta e a diferença mínima de temperatura é baixa; além disso, elas possuem maior flexibilidade para adição de um superaqueedor e possuem resposta mais rápida às variações de arga. Com relação ao modo de irulação da água nas aldeiras de reuperação, tem-se: Unidades de irulação natural: os tubos da aldeira são vertiais e a movimentação do fluido se dá por diferença de densidade entre a fase líquida e o vapor. A inexistênia de bombas de irulação é uma vantagem, pois reduz os ustos de manutenção e os risos de falhas assoiadas. Unidades om irulação forçada: empregam bombas para a irulação de água e vapor através do feixe tubular. Tem dimensões físias menores, partida (start-up) mais rápida e possibilitam a geração de vapor superaqueido. Tanto as aldeiras de irulação natural omo as de irulação forçada são amplamente utilizadas na indústria, sendo a esolha baseada na experiênia e preferênia do projetista para ada apliação. Com relação ao número de níveis de pressão, as aldeiras de reuperação podem ter: Um nível de pressão: possui projeto de simples exeução, onstrução, mas possui menor apaidade de reuperação de alor e menor versatilidade de apliação. Dois ou três níveis de pressão: possuem maior apaidade de reuperação e flexibilidade na apliação em relação a um nível de pressão, porém maior omplexidade na exeução de projeto, além de um maior usto.

38 15 Prinipais omponentes de uma aldeira de reuperação Eonomizador: responsável pelo pré-aqueimento da água antes da entrada no evaporador. A água é admitida no estado de líquido omprimido, no nível de pressão orrespondente ao ilo de potênia, aresido dos valores de perdas de arga que oorrem até a entrada da turbina a vapor. Deve-se dar atenção espeial à temperatura de operação do eonomizador, pois este parâmetro é importante para evitar a evaporação da água de alimentação nas onexões entre o eonomizador e o evaporador e a vaporização dentro do próprio eonomizador durante a operação em arga parial, fenômeno este que ausa problemas de erosão e instabilidade devido ao esoamento bifásio. Evaporador: trata-se de um troador de alor que aquee e vaporiza a água. A ondição de saída desse equipamento sempre é vapor saturado. Na modelagem, utiliza-se omo espeifiação o valor de pinh point, definido omo a diferença mínima de temperaturas entre as orrentes de gás e água na aldeira de reuperação. O pinh point oorre na seção de saída do gás do evaporador e orresponde à diferença entre a temperatura do gás e a temperatura de saturação da água à pressão de operação do evaporador. O valor de pinh point está diretamente relaionado à superfíie de transferênia de alor e, portanto, ao usto do equipamento. Sob o ponto de vista puramente termodinâmio, seria desejável o mínimo valor de pinh point para o aumento da transferênia de alor e redução das irreversibilidades. Entretanto, isso impliaria em grandes áreas de troa de alor e usto elevado, inviabilizando sua apliação. Em se tratando de evaporadores de irulação forçada, e para se onsiderar a irreversibilidade devido ao atrito visoso no esoamento da água, é onsiderado um fator de perda de arga para o ômputo do bombeamento neessário para a irulação da mistura líquido-vapor. Superaqueedor: superaquee o vapor proveniente do evaporador até uma ondição espeifiada. O vapor saturado é superaqueido até a temperatura de entrada da turbina a vapor, limitada pela diferença de temperatura om o gás na entrada deste troador de alor. Esta diferença de temperatura é onheida omo diferença terminal do superaqueedor ou approah do superaqueedor. Tambor de vapor (steam-drum): situado no evaporador, tem a função de garantir a geração de vapor saturado para o superaqueedor e de separar este vapor da água não evaporada. Bombas de irulação: são responsáveis pela irulação forçada da água-vapor.

39 16 Os periférios neessários ao funionamento das aldeiras de reuperação são: Desaerador: usado na separação de ar e de outros gases que, presentes no ondensado, possam, em altas temperaturas, provoar orrosão. Sistema de tratamento de água: neessário para manter a qualidade da água e assegurar que esteja livre de impurezas que provoquem orrosão e partíulas sólidas que possam ausar danos aos equipamentos assoiados (bombas, turbina a vapor, ondensador, et). A Figura 3.3 mostra os omponentes prinipais e periférios de uma aldeira de reuperação usada em ilo ombinado, gerando vapor a um únio nível de pressão. Figura 3.3 Esquema onstrutivo om os prinipais equipamentos de uma aldeira de reuperação om um nível de pressão. Turbinas e motores a gás assoiados à aldeiras de reuperação podem ser usados em proessos de ogeração de energia elétria, vapor e água quente, elevando o aproveitamento do potenial térmio do ombustível empregado. A Figura 3.4 mostra uma representação esquemátia da variação de temperatura dos gases e do vapor em uma aldeira de reuperação de alor (Tolmasquim et al., 1999).

40 17 Figura 3.4 Diagrama esquemátio da aldeira de reuperação de alor. Com base na Figura 3.4, os prinipais parâmetros que definem a eonomiidade da aldeira de reuperação de alor são: A temperatura e a pressão do vapor na ondição de operação; A perda de arga através do reuperador de alor, ujo valor típio se situa entre 2,5 e 3,7 kpa, reduzindo a efiiênia da máquina térmia; O pinh point, que orresponde à diferença entre a temperatura dos gases de exaustão saindo do gerador de vapor (Tg 3 ) e a temperatura de saturação do vapor na pressão de operação (Ta 3 ); A temperatura de aproximação (approah) do eonomizador, que é a diferença entre a temperatura de saturação do vapor na pressão de operação (Ta 3 ) e a temperatura da água saindo do eonomizador (Ta 2 ); A temperatura de aproximação (approah) do superaqueedor, que é a diferença entre a temperatura de entrada dos gases de exaustão (Tg 1 ) e a temperatura de saída do vapor superaqueido na pressão de operação (Ta 5 ). O pinh point e o approah do eonomizador e do superaqueedor afetam o dimensionamento do equipamento. Pequenos valores do pinh point e do approah do superaqueedor exigem grandes áreas de transferênia de alor e elevados investimentos; enquanto que o approah do eonomizador é tipiamente determinado para evitar a vaporização da água de alimentação antes do evaporador. Pode-se onsiderar que as faixas de temperaturas apresentadas na Tabela 3.1 resultam em um dimensionamento teniamente satisfatório das aldeiras de reuperação.

41 18 Tabela 3.1 Valores para dimensionamento de aldeiras de reuperação. Parâmetros Faixa de Temperatura ( C) Pinh point 11 a 28 Approah Evaporador 6 a 17 Approah Superaqueedor 22 a 33 (Fonte: Babok & Wilox, 1992). Apesar da reomendação da Tabela 3.1, menores ou maiores valores podem ser apropriados. Por exemplo, uma boa aldeira fogo tubular tem o pinh point entre 20 e 35 C, enquanto que uma boa aldeira aquatubular tem o pinh point entre 5 e 15 C, onforme Gomes (1999) e Kim & Ro (2000). Outro ponto que deve reeber atenção é a temperatura dos gases de saída da aldeira de reuperação, para que não haja ondensação dos produtos de ombustão, os quais podem onter áido sulfúrio, formado a partir do enxofre presente no gás ombustível. A ondensação provoa a diminuição da vida útil dos equipamentos. Este problema é tanto mais grave quanto maior o teor de enxofre no ombustível utilizado na queima da turbina a gás. Campbell (1985) india que a temperatura mínima reomendada para os gases na saída da aldeira varia de 120 a 180 o C, valores orrespondentes à operação om ombustível limpo e om elevado teor de enxofre, respetivamente. Alguns estudos de ilos ombinados avançados, om queima de gás natural nas turbinas a gás, onsideram valores ainda menores para a temperatura mínima permitida para os gases de exaustão, na faixa de 90 a 110 o C (Seyedan et al., 1995; Kharthenko, 1998 e Jordal, 2001). Vantagens do emprego de vários níveis de pressão Nos projetos om vários níveis de pressão, onsegue-se maior flexibilidade de apliação, bem omo um aumento da efiiênia da aldeira de reuperação de alor. Nas entrais termelétrias de ilos ombinados, mediante esolha apropriada dos níveis de pressão, pode-se aumentar a efiiênia e potênia gerada na instalação. Neste aso, os diferentes níveis de pressão são empregados para o reaqueimento de vapor intermediário na turbina a vapor ou para a utilização no desaerador. Na Figura 3.5 são apresentados os diagramas termodinâmios nos eixos T-s de uma planta de ilo ombinado empregando uma aldeira om um nível de pressão e om três níveis de pressão, respetivamente (Lora & Nasimento, 2004).

42 19 Figura 3.5 Vantagens do uso de vários níveis de pressão em aldeiras de reuperação. As áreas azuis e amarelas na Figura 3.5 representam o trabalho útil em ada ilo. Na Figura 3.5b, a área de or vermelha representa o aumento na potênia elétria da instalação de uma aldeira de três níveis de pressão. Uma aldeira de vários níveis de pressão possui uma efiiênia maior, prinipalmente por que onsegue reuperar mais alor do que uma de um únio nível de pressão, araterístia dada pela temperatura dos gases de exaustão na saída da aldeira ser mais baixa (Modesto, 2004). Böhm (1994) mostrou as vantagens do emprego de vários níveis de pressão em uma entral de ilo ombinado para a geração de uma potênia líquida de 670 MW, onsiderando omo referênia uma aldeira de dois níveis de pressão, om parâmetros iniiais do vapor 8 MPa e 540 C, sem reaqueimento. Foram omparadas aldeiras de reuperação om diferentes níveis de pressão, om e sem reaqueimento, para parâmetros iniiais do vapor de 8 e 25 MPa e 540 C. Em todas as variantes omparadas, a pressão no ondensador é 4 kpa, om uma temperatura de saída dos gases da turbina a gás de 582 C. No aso partiular de quatro níveis de pressão, foi analisado também o aumento de efiiênia para uma temperatura iniial do vapor de 570 C. Os valores de aumento da efiiênia da planta em pontos perentuais para as diferentes alternativas analisadas são apresentados na Figura 3.6 (Lora & Nasimento, 2004), podendose onluir que o uso de vários níveis de pressão onduz, de fato, ao aumento na efiiênia da planta, mas seu efeito é maior quando é ombinado om parâmetros mais elevados do vapor e é implementado o reaqueimento do vapor intermediário na turbina a vapor. A análise mostra que mesmo que o aumento da efiiênia da planta seja pequeno o impato em termos de potênia é mais signifiativo.

43 20 Figura 3.6 Vantagens do uso de vários níveis de pressão na aldeira de reuperação, numa instalação de ilo ombinado. Na Tabela 3.2 é apresentada a variação na potênia ( W & ) gerada na entral termelétria para as diferentes alternativas analisadas. Tabela 3.2 Valores da variação da potênia gerada na entral termelétria. Casos W & (MW) 8 MPa / 540 ºC Um nível de pressão -21 Dois níveis de pressão (aso referênia) 0 Dois níveis de pressão, simples reaqueimento. 6 Três níveis de pressão 8 Três níveis de pressão, simples reaqueimento MPa / 540º C Dois níveis de pressão 8 Três níveis de pressão, simples reaqueimento. 24 Quatro níveis de pressão, duplo reaqueimento MPa / 570 ºC Quatro níveis de pressão, duplo reaqueimento. 30

44 Turbinas a Vapor Na déada de 1780, Watt onstruiu a primeira máquina a vapor que teve apliação prátia e que se tornou um dos impulsores da Revolução Industrial que aonteeria no séulo seguinte. O apareimento da primeira turbina a vapor é assoiado, em primeiro lugar, aos engenheiros Carl Gustaf de Laval ( ), da Suéia, e Charles Parsons ( ), da Grã-Bretanha. Embora existam muitos outros engenheiros e ientistas, ujos nomes estão intimamente assoiados om o progresso das turbinas a vapor, oube ao ameriano George Westinghouse ( ), que adquiriu os direitos amerianos sobre as turbinas Parsons em 1895, o mérito de desenvolver e implementar a primeira turbina a vapor omerial de 400 kw de apaidade, para aionar um gerador elétrio. Outro ientista que meree destaque é Aurel Stodola ( ), nasido na Eslováquia, que pratiamente estabeleeu os fundamentos da teoria de turbo máquinas e seu ontrole automátio. É também pertinente menionar o nome do russo Andrey Vladimirovih Shheglyaev ( ), que estabeleeu uma grande esola soviétia de idéias e projetos em turbinas a gás e vapor; iniiou a edição de numerosas monografias e livros valiosos neste ampo e, também, ontribuiu signifiativamente para a teoria de turbo máquinas e seu ontrole. Desde o iníio da utilização de turbinas a vapor para a geração de energia elétria, elas aumentaram signifiantemente suas apaidades e efiiênias e tornaram-se mais omplexas e sofistiadas. Desenvolvimentos ténios ontínuos de turbinas a vapor fizeram deste aionador primário o prinipal equipamento em entrais de geração elétria. Para aumentar a efiiênia térmia foi introduzido, em 1930, o oneito de reaqueimento do vapor na fase de expansão, e tornou-se omum a sua apliação em meados do séulo XX. A neessidade de eonomia de esala e o aumento na efiiênia térmia, levaram os projetistas a aumentar a temperatura e a pressão de operação, além do aumento da potênia. As turbinas a vapor apresentam uma multipliidade de modelos de tal modo a ofereer soluções partiulares para problemas espeífios, podendo ser lassifiadas pela maneira om que o vapor deixa a turbina omo: Turbinas de ontrapressão: são aquelas em que o vapor deixa a turbina om níveis de pressão superiores a pressão atmosféria, da ordem de 0,2 a 1,0 MPa;

45 22 Turbinas de ondensação e extração: reebem o vapor de alta pressão e, em um ou mais pontos entre a admissão e a desarga, permitem a extração de vapor de proesso om pressão pré-fixada, sendo o restante expandido até a pressão do ondensador, valores entre 0,005 e 0,01 MPa (Hollauf, 1982); Turbina de ondensação: são aquelas em que todo o fluxo sai da turbina na pressão de ondensação, que é uma pressão inferior à atmosféria. O rendimento da turbina a vapor, expresso pela relação entre a energia meânia forneida no eixo e a energia térmia deorrente do salto entálpio do vapor, depende do tipo de turbina e da arga a ela imposta. Níveis mais elevados de pressão e temperatura do vapor de admissão produzem maiores potênias meânias por unidade de vapor ondensado. Entretanto, esses níveis de temperatura e pressão são limitados por questões tenológias das aldeiras. Na Figura 3.7 é mostrado um esquema om os prinipais omponentes de uma turbina a vapor om extrações. Figura 3.7 Representação esquemátia de uma turbina a vapor.

46 Configurações Típias de Plantas Termelétrias a Gás Entre os diversos tipos de plantas termelétrias vamos onentrar nossos estudos nas que operam apenas om gás natural, embora seja quase sempre dada a possibilidade de operar om um segundo ombustível, omo o diesel, para evitar interrupções no aso de problemas no suprimento do gás. Serão onsideradas plantas termelétrias em ilo aberto e em ilo ombinado Plantas de Cilo Aberto Plantas de ilo aberto onsistem em turbinas a gás operando isoladamente. No entanto, sua efiiênia térmia é baixa, pois os gases de exaustão possuem altas temperaturas e são desperdiçados para a atmosfera (Figura 3.8). Uma maneira de elevar a efiiênia térmia desse tipo de planta pode ser através do aumento das temperaturas e pressões na entrada do expansor da turbina a gás, mas isso esbarra em limitações ténias e eonômias, pois requer materiais espeiais para suportar altas temperaturas. Figura 3.8 Cilo aberto om turbina a gás Plantas de Cilo Combinado As termelétrias a gás natural de ilo ombinado (CCPS Combined Cyle Power Stations), são usinas térmias que vêm sendo adotadas em todo o mundo, desde a déada de oitenta, e que deverá ser a solução esolhida para a quase totalidade das termelétrias brasileiras a gás natural a serem onstruídas nos próximos anos. Uma usina de ilo ombinado usa turbinas a gás e a vapor assoiadas em uma únia planta, ambas gerando energia elétria a partir da queima do mesmo ombustível. Para isto, o alor existente nos gases de exaustão das turbinas a gás é reuperado, produzindo o vapor neessário ao aionamento da turbina a vapor. Esses sistemas têm estruturas flexíveis para

47 24 forneer uma grande faixa de potênia e energia térmia de modo a se ajustarem às mais variadas apliações. O aoplamento entre o ilo Brayton (turbinas a gás), que é araterizado pela alta temperatura dos gases de exaustão, e o ilo Rankine (turbina a vapor e aldeira de reuperação), araterizado por baixas temperaturas do vapor se omparado a dos gases de exaustão, propiiam uma alta efiiênia de Carnot. Um esquema do tipo ilo ombinado pode ser visto na Figura 3.9, na forma em que tipiamente a turbina a gás é aoplada à aldeira de reuperação. Figura 3.9 Esquema do aoplamento da turbina a gás om a aldeira de reuperação. A efiiênia térmia das plantas de ilo ombinado é melhor que as maiores e mais modernas usinas a arvão ou a óleo enquanto termelétrias a arvão atingem em torno de 40% de efiiênia e entrais de geração om os melhores motores diesel atingem até 44% de efiiênia, instalações de ilos ombinados são apazes de atingir 56% de efiiênia térmia. Instalações om uma turbina a gás Em instalações de uma únia turbina a gás dois arranjos são possíveis: o mais tradiional prevê geradores elétrios separados, aoplados à turbina a gás e à turbina a vapor, onforme mostra a Figura 3.10, mas é possível aoplar as duas para aionarem um únio gerador, onforme mostra a Figura 3.11.

48 25 A opção por uma únia turbina a gás limita a apaidade total da usina e obriga a oorrênia de parada total aso uma das máquinas apresente problemas. Desta forma, a preferênia por estas instalações é bastante rara. Figura 3.10 Esquema típio de uma planta termelétria em ilo ombinado tipo 1+1, om dois geradores. Figura 3.11 Esquema típio de uma planta termelétria em ilo ombinado tipo 1+1, om um gerador.

49 26 Instalações om mais de uma turbina a gás A maioria das térmias a gás natural em funionamento ou em onstrução adota a onfiguração de mais de uma turbina a gás, pois, desta forma, não há limite à apaidade da usina e os risos de paralisação são reduzidos. O modelo omumente utilizado é o hamado 2 + 1, om duas turbinas a gás iguais, ada uma om sua aldeira de reuperação, e uma turbina a vapor de mesma apaidade. Desta forma, é possível usar três geradores elétrios de mesmo porte para as três turbinas, om transformadores e demais equipamentos elétrios também padronizados. Um arranjo deste tipo pode ser visto na Figura Figura 3.12 Esquema típio de uma planta termelétria em ilo ombinado tipo 2 + 1, om três geradores. Esse tipo de onfiguração permite parar uma turbina a gás e sua aldeira de reuperação, reduzindo a apaidade total à metade. Caso a turbina a vapor pare, pode-se operar em ilo aberto, mas om grande redução na efiiênia térmia. Uma atenção espeial em instalações deste tipo deve ser dada à divisão de arga entre as turbinas a gás, de forma a equalizar as temperaturas e pressões no vapor produzido por suas aldeiras de reuperação.

50 27 A ombinação de turbinas a gás e a vapor não está limitada ao arranjo Há exemplos de até 5 turbinas a gás assoiadas a uma a vapor, e arranjos de e estão em uso omerial em diferentes loalizações. O emprego de grandes turbinas a vapor, entretanto, traz difiuldades ténias à medida que aumenta o número das aldeiras de reuperação de alor que, em paralelo, a alimentam. Complementarmente, no Anexo D são apresentadas algumas plantas de usinas termelétrias que utilizam ilos de vapor e ilos ombinados, mostrando as araterístias típias, bem omo os níveis de pressão e temperatura dos prinipais fluxos.

51 28 Capítulo 4 Coneitos e Metodologia Apliada Para a análise termodinâmia de sistemas são apliadas as equações de onservação da massa, onservação de energia (Primeira Lei da Termodinâmia), balanço de entropia (Segunda Lei da Termodinâmia) e o balanço de exergia baseado nas duas leis anteriores, onsiderando um volume de ontrole para ada um dos equipamentos que ompõem a planta a ser analisada. A análise exergétia é útil para a avaliação de desempenho dos omponentes e do sistema em seu onjunto. É importante também para quantifiar as irreversibilidades termodinâmias verifiadas nos diversos proessos (Bejan, 1988) Análise Energétia Aspetos Gerais da Análise pela Primeira Lei da Termodinâmia A análise de sistemas e proessos pela primeira lei da Termodinâmia está baseada na onservação de energia e de massa. As equações para o volume do ontrole em regime permanente, de uma forma geral, desonsideram as variações de energia inétia e potenial e podem ser expressas por: m& e m& s = 0 (4.1) Q& W& + m& h m& h 0 (4.2) v v e e s s = onde: m& e m& s h e h s - Fluxo de massa que entra no volume de ontrole (kg/s); - Fluxo de massa que sai do volume de ontrole (kg/s); - Entalpia espeífia na entrada do volume de ontrole (kj/kg); - Entalpia espeífia na saída do volume de ontrole (kj/kg); Q & v - Taxa de transferênia de alor para o volume de ontrole (kw); W & v - Potênia referente ao volume de ontrole (kw). A Equação (4.1) india que a vazão mássia entrando no volume do ontrole é igual à vazão mássia que sai do volume do ontrole.

52 29 A Equação (4.2) estabelee que a taxa total da energia entrando no volume de ontrole é igual à taxa total de energia deixando o volume de ontrole, já desonsiderando as variações de energia inétia e potenial Aspetos Gerais da Análise pela Segunda Lei da Termodinâmia As irreversibilidades num proesso são quantifiadas pela Segunda Lei da Termodinâmia, por meio da propriedade hamada entropia. Para proessos em um volume de ontrole, o balaço de entropia é definido omo: onde: n ds Q S = & & i ger m& s + m& s 0 (4.3) dt T i= 0 i ent sai S & ger - Taxa de entropia gerada no volume de ontrole (kw/k); ds dt n i= 0 Q & T i i - Taxa de variação de entropia (kw/k); - Taxa de entropia gerada pelos fluxos de alor (kw/k); m& s - Taxas de entropia que entram e saem om os fluxos de massa no volume de ontrole (kw/k). A equação de balanço de entropia pode ser utilizada para prever se um proesso qualquer que envolve interações de energia pode oorrer ou, ainda, se os sentidos dos proessos de transferênia do alor são possíveis. Também se pode dizer que a Segunda Lei governa os limites de onversão entre diferentes formas de energia Limitações da Análise Baseada na Primeira Lei da Termodinâmia Apesar de muito difundida, a análise energétia ou da primeira lei da termodinâmia (balanço de energia), não ontabiliza a qualidade da energia que se está perdendo e nem onde oorrem as irreversibilidades dos proessos, ou seja, não identifia onde e porque elas apareem. Tsatsaronis (1993) observou que a energia perdida ou o uso dos insumos energétios não era devidamente analisado, omo por exemplo: A primeira lei não mostra que parte da entalpia de uma orrente ou que parte da taxa de transferênia de alor é termodinamiamente não disponível;

53 30 A primeira lei não reonhee qualquer perda em um reator adiabátio (gaseifiador, por exemplo) ou em um estrangulamento (válvula, por exemplo); A primeira lei não deteta qualquer degradação de energia em um troador de alor adiabátio. Pela primeira lei, identifia-se que o ondensador de uma planta térmia é o grande responsável pela baixa efiiênia do sistema. Entretanto, fazendo uma análise exergétia verifia-se que mais importante que as perdas de energia são as perdas de qualidade de energia (destruição de exergia) e estas oorrem, geralmente, na aldeira. A análise energétia ontinua tendo sua validade para diagnostiar os sistemas térmios. Entretanto, om a ontribuição da segunda lei da termodinâmia e om a ajuda da análise exergétia, pode-se ampliar essa avaliação. Para realizar uma avaliação exergétia fazse neessária, iniialmente, a análise energétia, om base no primeiro prinípio. O método exergétio, segundo Tsatsaronis (1993), permite: Uma melhor medida para a avaliação da magnitude da energia em relação à energia total suprida sob a forma de insumo energétio; Uma medida da qualidade (ou do desperdíio) da energia do ponto de vista termodinâmio; Uma ferramenta para definir a efiiênia raional para o sistema energétio. Portanto, as análises da primeira e segunda lei não são onorrentes e sim omplementares, ontribuindo para a avaliação oerente de um sistema térmio.

54 Análise Exergétia Definição de Exergia Existem várias definições na literatura para o termo exergia, sendo que a seguir serão apresentadas algumas delas: Kotas (1985): afirma que exergia é o padrão de qualidade de energia, igual ao máximo trabalho útil que pode ser obtido de uma dada forma de energia, utilizando os parâmetros do ambiente (P 0, T 0 ) omo referênia; Szargut et al. (1988): diz que exergia é a quantidade de trabalho obtido quando uma massa é trazida até um estado de equilíbrio termodinâmio om os omponentes do meio ambiente, através de proessos reversíveis, envolvendo interações apenas om os omponentes do meio ambiente; Tsatsaronis (1993): define a exergia omo sendo o máximo trabalho útil que pode ser obtido de um portador de energia, imaginado que esse portador de energia seja levado até as ondições ambiente num proesso reversível. A exergia é medida omparando-se um estado iniial a um estado de equilíbrio om o ambiente, podendo ser definidos por: Equilíbrio restrito: estado em que o sistema é levado a um equilíbrio térmio e meânio om o meio ambiente, onde a temperatura e pressão do sistema são iguais às do ambiente onsiderado; Equilíbrio irrestrito: neste aso, além do equilíbrio térmio e meânio, ainda existe o equilíbrio químio. Neste estado de equilíbrio o sistema possui energia, mas a sua exergia é zero. Quando se deseja alular o valor da exergia de um sistema, um fator importante a ser onsiderado é o ambiente de referênia. Kotas (1985) afirma que o ambiente real é muito omplexo para ser usado em álulos termodinâmios, sendo neessária a introdução de um meio ambiente idealizado. Neste aso, não existem gradientes de pressão, temperatura, potenial químio, energia inétia e potenial, não existindo a possibilidade de exeução de trabalho por interação entre as várias partes. O ambiente pode ser modelado por duas abordagens:

55 32 As substânias que formam o meio ambiente de referênia são esolhidas oinidindo om as substânias do sistema analisado; Todos os sistemas são analisados adotando-se um únio ambiente de referênia, podendo oinidir ou não om o ambiente real. Szargut et al. (1988) estabeleeram uma substânia padrão para ada um dos elementos da tabela periódia, desta forma definiram um ambiente padrão om o qual é possível alular a exergia de qualquer omposto químio. Além disso, eles alularam a exergia de muitos ompostos químios e apresentaram os resultados na forma de tabelas. Componentes da Exergia Como a exergia é função das propriedades do sistema em dois estados, uma vez fixado o ambiente de referênia, pode-se alular a exergia para qualquer outro estado. Por exemplo, a variação de exergia entre dois estados será independente do proesso seguido para alançar um desses estados a partir do outro. Isto permite, por sua vez, definir uma trajetória omposta por vários proessos de forma a separar a variação total de exergia no somatório de vários termos. Szargut et al. (1988), Kotas (1985) e outros propõem a seguinte relação para o álulo da exergia espeífia total: e = e + e (4.4) t f q onde: e f - Exergia físia espeífia; e q - Exergia químia espeífia. A exergia físia espeífia de um fluxo é alulada om base num estado de equilíbrio restrito om ambiente (P 0, T 0 ), através da seguinte equação: e f ( h h ) T ( s s ) = (4.5) Para haver equilíbrio ompleto om o meio, o sistema deve estar também em equilíbrio químio om ele. O trabalho que pode ser obtido através de um proesso reversível, que leva o sistema do estado de equilíbrio restrito até o estado onde há equilíbrio ompleto ( estado morto ), é a exergia químia espeífia, definida por: q ( i 0,i ) x i e = µ µ (4.6)

56 33 onde: µ 0,i - Potenial químio da substânia no ambiente de referênia i (kj/kmol); µ i - Potenial químio da substânia i no estado inativo restrito (kj/kmol); x i - Fração molar do omponente i na mistura. Logo, a exergia espeífia total pode ser representada por: t ( h h 0 ) T 0 ( s s 0 ) + ( i 0,i ) x i e = µ µ (4.7) Para o álulo da exergia espeífia do gás natural (ex gn ) utiliza-se a Equação (4.4). A parte orrespondente à exergia químia é alulada pela Equação (4.8), apresentada por Bejan et al. (1996), que leva em onta o fato que quando gás natural está no estado inativo restrito e que os seus omponentes estão a pressões pariais diferentes da pressão do ambiente, onforme segue: sendo: i= n o e gn = x ε + R T x ln x (4.8) q i i 0 i= n i e q gn - Exergia químia do gás natural; x - Fração molar de ada omponente do ombustível; i i o ε i - Exergia químia standard de ada omponente do ombustível (kj/kmol). A Tabela 4.1 mostra os valores da exergia químia standard para os prinipais omponentes do gás natural (Szargut et al., 1988) a T 0 = 298,15 ºC e P 0 = 1 atm. Tabela 4.1 Exergia químia standard dos prinipais omponentes do gás natural. Substânia o ε i (kj/kmol) Metano CH Etano C 2 H Propano C 3 H Pentano C 5 H Dióxido de Carbono CO Nitrogênio N 2 720

57 Balanço de Exergia A ombinação da primeira e da segunda lei da termodinâmia permite que se estabeleça o balanço de exergia. Considerando o sistema da Figura 4.1, em erto instante, o sistema pode estar em ontato térmio om um número (n) de reservatórios a temperaturas T i (i=1,2,3,...,n). A atmosfera, representada pelo reservatório térmio a P 0 e T 0, tem um papel espeial na instalação. A taxa de transferênia de trabalho (W & ) representa a ombinação de todos os modos possíveis de taxa de transferênia de trabalho & & & & ). ( P dv dt,wisalhante,welétria, Wmagnétia Figura 4.1 Sistema em omuniação om a atmosfera e n reservatórios de temperatura. Com referênia ao sistema aberto da Figura 4.1, e desprezando as mudanças de energia inétia e potenial, pode-se esrever a primeira e a segunda lei, definidas nas Equações (4.2) e (4.3), da seguinte forma: de dt n = Q & i W& + m& h m& h (4.9) i= 0 ent sai n ds Q S = & & i ger m& s + m& s 0 (4.10) dt T i= 0 i ent sai Eliminando Q & 0 das Equações (4.9) e (4.10), enontra-se que a taxa de transferênia de trabalho (W & ) depende expliitamente do grau de irreversibilidade termodinâmia do sistema ( S & ger ), omo segue:

58 35 n d T0 W & ( E T0 S ) = + 1 Q& i m& ( h T0 s) m& ( h T0 s) T0 S& ger dt + i= 1 T (4.11) i ent sai Assim, a Equação (4.11) pode ser expressa omo: W & = W& T S& (4.12) rev 0 ger Onde, a taxa de trabalho reversível ( W & rev ) é dada por: perdido ( W & n d T = ( ) + 0 W & rev E T0 S 1 Q& i + m& ( h T0 s) m& ( h T0 s) (4.13) dt i= 1 Ti ent sai Pelo Teorema do Trabalho Perdido de Gouy-Stodola tem-se que a taxa de trabalho perdido ) ou irreversibilidade ( I & ) é dada por: W & = I& = T S& (4.14) perdido 0 ger Fazendo-se a diferença entre a taxa trabalho reversível e a taxa de trabalho real, que é a taxa de trabalho perdida ou taxa de exergia destruída e onsiderando o Teorema do Trabalho Perdido, pode-se esrever: W& = I& = W& W& = T S& 0 (4.15) perdido rev 0 Observando a Figura 4.1, a taxa de trabalho útil ( W & ) é: ger útil & dv útil = W & P dt (4.16) W 0 Portanto, o balanço de exergia é o seguinte: d T = 0 ( E + P0 V T0 S) + 1 Q& i + m& ( h T0 s) m& ( h T0 s) T0 S& ger (4.17) n & útil dt i 1 T = i ent sai W A Equação (4.17) onsidera todas as exergias possíveis sendo que o primeiro termo após a igualdade orresponde as exergias de não fluxo, o segundo as troas de alor, o tereiro e quarto ao fluxo líquido de exergia para ada orrente e o último orresponde às irreversibilidades. Sob o ponto de vista da Segunda Lei da Termodinâmia, a adoção da hipótese de proesso adiabátio pode ser uma ondição útil para a identifiação de irreversibilidades

59 36 internas que não estão assoiadas às medições de alor na fronteira do volume de ontrole (Kotas, 1985). Para os proessos que envolvem transferênia de alor, a seleção da superfíie de ontrole é importante para a determinação das perdas exergétias assoiadas ao termo de transferênia de alor na equação do balanço exergétio e da exergia destruída ou irreversibilidade (Bejan et al., 1996) Irreversibilidade dos Equipamentos Um importante parâmetro a ser observado na análise exergétia é a irreversibilidade em ada equipamento e, onseqüentemente, em todo o sistema. As irreversibilidades são determinadas através da apliação do balanço de exergia, desrito na Equação (4.17), em ada volume de ontrole definido no sistema. A irreversibilidade mostra a quantidade de exergia que é destruída em ada equipamento do ilo, ou seja, mostra o quanto o equipamento é efiiente em aproveitar a exergia que nele é introduzida. A análise exergétia também ontempla a determinação da quantidade om que ada equipamento ontribui na geração de irreversibilidade global do sistema, podendo ser definida uma equação que permite quantifiar a porentagem da irreversibilidade de ada equipamento ( δ i ) em relação ao total da planta: I& i δ i = n (4.18) I& i= 1 i onde: I & i n i= 1 i - Irreversibilidade num determinado equipamento; I & - Irreversibilidade total da planta.

60 Efiiênia Energétia e Exergétia De maneira geral o termo efiiênia define um parâmetro que mede o desempenho de um sistema ou um equipamento. A efiiênia energétia é uma relação entre a energia efetivamente usada e a que é forneida ao sistema. As relações onheidas omo efiiênias de primeira lei para os diferentes equipamentos de uma planta, não obedeem a um ritério únio. Assim, por exemplo, a efiiênia das aldeiras é definida omo a relação entre o efeito desejado, o aumento da entalpia do vapor e a energia neessária para obter tal efeito, alulada na base do poder alorífio do ombustível. Para a avaliação de ilos termodinâmios, utiliza-se o rendimento baseado na primeira lei da termodinâmia, a qual de maneira geral, pode ser esrito da seguinte forma: Energia produzida η = (4.19) Energia forneida A efiiênia raional exergétia, segundo Kotas (1985) e Szargut (1988), definida pela razão entre um efeito desejado (omo, por exemplo, o trabalho gerado em uma turbina ou aumento da exergia do vapor numa aldeira) ou produto e o insumo (a variação da exergia do vapor na turbina ou a exergia do ombustível onsumido na aldeira) neessário para se onseguir o efeito desejado, de maneira geral pode ser esrita da seguinte forma: Produtos ψ = (4.20) Insumos A efiiênia raional exergétia varia entre 0 e 1, quando atinge o valor 1 o proesso é onsiderado reversível. Quanto maior o valor desta efiiênia, melhor está sendo o aproveitamento da exergia, om a exeção de equipamentos dissipativos.

61 Análise Termoeonômia Introdução à Termoeonomia Termoeonomia é o ramo da engenharia que ombina a análise exergétia om os prinípios de eonomia para forneer aos projetistas de sistemas térmios informações ruiais para desenvolvimento projetos viáveis e que não são obtidas através da análise energétia e avaliação eonômia onvenional. Como as onsiderações termodinâmias utilizadas na termoeonomia são baseadas no oneito de exergia, o termo Exergoeonomia também pode ser utilizado para desrever a ombinação das análises exergétia e eonômia. Ténias, omo a Destruição de Exergia e Perda de Exergia, foram desenvolvidas para analisar a inefiiênia desses sistemas e o usto orrespondente. O onheimento dos ustos devido à inefiiênia é muito importante para reduzir o usto do produto final do sistema. Se um sistema possui mais de um produto final omo, por exemplo, um sistema de ogeração, é interessante saber qual é o usto de produção de ada produto. Assim, os ustos são atribuídos para o produto final apropriado, de aordo om o tipo e quantia de ada insumo utilizado para gerar o mesmo. Tsatsaronis (1993) reomenda que, para se fazer uma ompleta análise termoeonômia, deve-se fazer uma análise exergétia detalhada, realizar uma análise eonômia dos subsistemas, obter os ustos exergétios e avaliar os ustos termoeonômios de ada subsistema. De aordo om Tsatsaronis (1993) e Bejan et al. (1996), a análise termoeonômia tem os seguintes objetivos: Identifiar a loalização, magnitude e fontes de perdas termodinâmias reais num sistema energétio; Calular os ustos assoiados às destruições e perdas e exergia; Calular separadamente o usto de ada produto gerado pelo sistema que possui mais de um produto final; Entender o proesso de formação de usto e o fluxo de ustos no sistema; Failitar estudos de viabilidade e otimização na fase de projeto ou melhoria do proesso de um sistema existente;

62 39 Aperfeiçoar variáveis espeífias em um únio omponente; Aperfeiçoar o sistema global; Auxiliar em proedimentos de tomada de deisão relaionados à operação e manutenção; Comparar alternativas ténias Histório da Termoeonomia A primeira proposta de usar exergia omo ritério de aloação de ustos foi feita por Keenan em 1932, ao sugerir que estes deveriam ser ompartilhados entre os produtos (eletriidade e alor útil) de uma planta de ogeração de maneira proporional a sua exergia. Em 1962, de aordo om El-Sayed & Gaggioli (1989), Tribus e Evans apresentaram uma análise exergétia de uma planta de dessalinização, aoplando a exergia aos fluxos dos ustos eonômios e riaram o termo Termoeonomia. Esse proedimento assoiava o fluxo monetário (ombustíveis, operação e amortização) da instalação aos fluxos exergétios e, através da apliação dos balanços de ustos para ada equipamento, foram determinados os ustos eonômios unitários dos diferentes fluxos. Segundo Valero & Lozano (1994), em 1965 Bergman e Shimidt assoiaram ustos à exergia destruída em ada omponente de uma entral térmia. El-Sayed & Evans (1970) generalizaram os fundamentos matemátios para a otimização termoeonômia dos sistemas térmios. Baseado nesta metodologia, Reistad (1970) desenvolveu uma análise termoeonômia de sistemas de ogeração e apliou a uma planta de potênia simples. Tsatsaronis (1982) sistematizou a idéia de utilizar os ustos exergétios diretamente para valorar os distintos fluxos de uma instalação om problemas de otimização. Hua et al. (1989) expliaram a partição da otimização do sistema total em subsistemas para otimizar sistemas térmios omplexos por meio da avaliação exergétia e eonômia. Bejan et al. (1996) mostraram omo variáveis relativas à exergia podem ser usadas na minimização do usto de um sistema térmio. Estas variáveis inluem a efiiênia exergétia, os ustos assoiados om exergia destruída, o apital investido, além da operação e manutenção do sistema térmio.

63 Vertentes e Metodologias da Termoeonomia Ao longo das déadas de 1980 e 1990 muitos pesquisadores se dediaram ao estudo da Termoeonomia. Diferentes metodologias e abordagens foram propostas para a sua implementação matemátia, desrevendo de maneira adequada a distribuição dos ustos exergétios e monetários entre os equipamentos que ompõem um sistema térmio. Assim, surgiram duas vertentes prinipais na Termoeonomia, as quais serão desritas resumidamente na seqüênia. A primeira vertente da Termoeonomia estabelee que a otimização é parte integrante e fundamental da divisão dos ustos, justifiando o uso da exergia pela possibilidade de se dividir instalações omplexas em partes que possam ser otimizadas separadamente. A segunda vertente da Termoeonomia utiliza a aloação dos ustos médios dos produtos (externos e internos) e dos omponentes do sistema, satisfazendo alguns objetivos, omo: Determinar o usto real dos produtos ou serviços; Propiiar bases raionais para a fixação dos preços dos produtos e serviços; Forneer um meio de aloar e ontrolar os gastos; Forneer informações a partir das quais deisões operaionais podem ser estabeleidas e avaliadas. Na primeira vertente podem ser destaadas as metodologias de Otimização Termoeonômia, desenvolvida por El-Sayed & Evans (1970), e de Análise Funional Termoeonômia, proposta por Frangopoulos (1983), e na segunda vertente a metodologia da Teoria do Custo Exergétio, difundida por Lozano & Valero (1993), que será a metodologia utilizada no presente trabalho, mereendo, portanto, uma melhor desrição a seguir Teoria do Custo Exergétio Para um sistema operando em regime permanente pode existir um número de fluxos entrando e saindo, omo também interações de alor e trabalho om as suas vizinhanças. Assoiadas om estas transferênias de massa e energia estão as transferênias de exergias para dentro ou para fora do sistema e as destruições de exergias ausadas pelas irreversibilidades dentro do sistema. Visto que a exergia mede o valor termodinâmio real de tais efeitos e os ustos devem somente ser atribuídos aos produtos que têm valor, é signifiativo usar a exergia omo uma base para atribuir ustos em sistemas térmios.

64 41 Realmente, a termoeonomia se baseia no fato de que a exergia é a únia base raional para atribuir ustos às interações que um sistema térmio experimenta om o seu meio e às fontes de inefiiênias dentro do mesmo, referindo-se a esta aproximação omo análise do usto exergétio. Em uma análise do usto exergétio, um usto é assoiado om ada fluxo de exergia. Considerando ( P & ) o produto de um proesso e ( F & ) omo as fontes onsumidas, ambos sendo avaliados em termos de sua exergias, e ( I & ) a destruição de exergia ou irreversibilidades do proesso, utilizando o Teorema Gouy-Stodola, a seguinte equação deve ser satisfeita: F& P& = I& 0 (4.21) A efiiênia termodinâmia real (ψ) é dada por: P& ψ = 1 (4.22) F & O inverso da efiiênia assim definida representará o usto exergétio unitário do produto (k), dado por: 1 k = = ψ F& P& 1 (4.23) O objetivo da otimização energétia deve ser no sentido de minimizar o usto exergétio unitário dos produtos funionais. Após determinar as relações oneituais entre a segunda lei, a efiiênia e o usto exergétio, a apliação da teoria de sistemas, segundo Lozano & Valero (1993), permite: Diminuir a irreversibilidade ou inefiiênias de um sistema, não importando sua omplexidade (análise exergétia); Calular os ustos exergétios de seus fluxos internos e produtos finais (ontrole de ustos); Avaliar preisamente o impato sobre o onsumo de ombustível ausado pela operação inorreta de qualquer uma das unidades do sistema. Assim, para fluxos de matéria entrando e saindo om taxas assoiadas de transferênia de exergia ( E & e e E & s ), potênia (W & ), e taxa de transferênia de exergia assoiada om a transferênia de alor ( E & ), tem-se: Q

65 42 C& = E& = ( m& e ) (4.24) e e e e e e C& = E& = ( m& e ) (4.25) s s s s s s C& = W& (4.26) w w C & = E& (4.27) Q Q Q onde: e, s, Gigajoule (US$/GJ). w e Q denotam os ustos médios por unidade de exergia em dólares por A análise de usto exergétio envolve os balanços de ustos usualmente formulados para ada omponente separadamente. Um balanço de usto apliado para o k-ésimo omponente do sistema mostra que a soma das taxas de ustos assoiadas om todos os fluxos de exergia de saída é igual à soma das taxas de ustos de todos os fluxos de exergia de entrada mais o preço apropriado devido ao investimento de apital ( Z & ) e despesas de operação e manutenção ( Z & ). A soma dos dois últimos termos é denotada por Z & k. Conseqüentemente, OM k para um omponente que reebe uma transferênia de alor e gera potênia, resulta a seguinte equação: CI k & & & & + & Cs + Cw = CQ + Ce Z k k k k k (4.28) s e Esta equação india simplesmente que o usto total dos fluxos de saída de exergia é igual à despesa total para obtê-los: o usto dos fluxos de exergia que entram mais o apital e outros ustos. Note que, quando um omponente reebe potênia (omo em um ompressor ou uma bomba), o termo C & w k muda om seu sinal positivo para o lado direito desta expressão. Caso exista uma transferênia de alor do omponente, o termo C & Q k aparee om sinal positivo no lado esquerdo da expressão. Geralmente os balanços de ustos são esritos de forma que todos os termos são positivos. Introduzindo-se as expressões de taxa de usto, Equações (4.26) a (4.27), na Equação (4.28), obtém-se: ( s E & s ) w W& k = Q E& Q + ( e E& e ) + Z& k + k (4.29) k k k k s e

66 43 As taxas de exergia entrando e saindo ( E & e e E & s ), bem omo as de alor transferido e de trabalho ( E & e W & ), no k-ésimo omponente, são aluladas em uma análise exergétia. O termo Q Z & k é obtido primeiramente alulando o investimento de apital assoiado om o k- ésimo omponente e, então, omputando os valores partiionados destes ustos por unidade de tempo de operação do sistema. As variáveis da Equação (4.29) são os ustos partiionados por unidade de exergia para os fluxos de exergia assoiados om o k-ésimo omponente (, ek s, k w e k Qk ). Na análise de um omponente, pode-se assumir que os ustos por unidade de exergia são onheidos para todos os fluxos de entrada. Os ustos que saem dos omponentes são onheidos ou, se uma orrente entrar no sistema, o usto desta orrente será o seu usto de ompra. Conseqüentemente, as variáveis desonheidas a serem aluladas pelo balanço de ustos para o k-ésimo omponente são os ustos por unidade de exergia dos fluxos que saem ( s ) e, se a potênia ou alor útil são gerados naquele omponente, o usto por unidade de k exergia assoiado om a transferênia de potênia ( w ) ou alor ( k Q ). k Lozano & Valero (1993) enumeraram um onjunto de regras (postulados) de modo a gerar um sistema de equações independentes, que possa ser utilizado para a determinação dos ustos dos fluxos de um sistema. Através da definição físia do sistema (divisão em omponentes ou unidades) e da relação dos fluxos energétios e materiais entre estes e o ambiente, enumeram-se os postulados que definem a Teoria do Custo Exergétio, onforme segue: Postulado 1: Custos exergétios e exergoeonômios são quantidades onservativas omo onseqüênia de suas definições, e pode-se, portanto, esrever uma equação de balanço para ada unidade do sistema. Na determinação do usto exergétio, o lado direito de ada equação de balanço será igual a zero e, na determinação do usto exergoeonômio, igual aos demais ustos assoiados ao sistema, om sinal negativo. Postulado 2: Na ausênia de informações externas, o usto exergétio de um insumo suprido externamente ao sistema é igual a sua exergia, o usto exergoeonômio é o usto de aquisição do insumo. Postulado 3: Todos os ustos gerados no proesso produtivo devem ser inluídos no usto final dos produtos, o que se traduz na atribuição de usto zero a todas as perdas. Os postulados 2 e 3 permitem esrever tantas equações quanto forem os fluxos supridos ao sistema e os fluxos de perdas. Como, em geral, o número de fluxos é superior à

67 44 soma do número de subsistemas dos fluxos de entrada e das perdas, as equações obtidas pela apliação dos postulados 1 a 3 não onstituem um sistema determinado. As equações adiionais serão obtidas pela apliação dos dois postulados finais, que são: Postulado 4a: Se uma parela ou todo o insumo de uma unidade é a variação de exergia de um fluxo que a atravessa, então o usto exergétio unitário do fluxo é onstante através da unidade. Postulado 4b: Se o produto de uma unidade é omposto por mais de um fluxo, então os ustos exergétios unitários de ada um desses fluxos são iguais. A resolução do sistema de equações envolve o uso de equações omplementares, de modo a distribuir ustos entre os produtos. Os dois últimos postulados menionados forneem uma base para arbitrar esta distribuição. Outra forma de expliitar esta distribuição foi proposta por Reistad & Gaggioli (1980), tomando-se o exemplo de uma turbina de ontrapressão e propondo-se quatro métodos: Método das extrações: onsidera que a geração de potênia é a únia finalidade da utilização da turbina. Todos os ustos de apital e a irreversibilidade gerada são aloados ao produto, ou seja, à potênia elétria/meânia produzida, de modo que os fluxos de vapor que entram e saem da turbina possuem o mesmo usto exergétio unitário. Métodos das igualdades: onsidera-se que, além da potênia, o vapor de baixa pressão que deixa a turbina também onstitui um produto. Neste aso a turbina funionaria tal qual uma válvula de expansão. Assim, os ustos de apital e da irreversibilidade da turbina são distribuídos entre os produtos, ou seja, os ustos unitários da potênia e do vapor de baixa possuem o mesmo valor. Método do trabalho omo subproduto: neste aso a produção de vapor de baixa pressão é onsiderada o produto prinipal do sistema e a potênia gerada é vista omo um aproveitamento. Método do vapor omo subproduto: a potênia é onsiderada omo produto prinipal e o vapor omo subproduto.

68 Análise da Viabilidade Finaneira Usualmente, a análise finaneira de projetos é baseada em estimativas para o fluxo de aixa futuro, obtidas a partir de previsões para diversas variáveis. A análise iniial do fluxo de aixa é feita através de valores representativos para as variáveis onsideradas, permitindo o álulo de indiadores finaneiros determinístios. Entretanto, estas variáveis não podem ser previstas om preisão, indiando a importânia da onsideração, em grau maior ou menor, do riso assoiado ao retorno finaneiro esperado para o projeto. Basiamente, podem ser adotados três métodos para tratamento das inertezas: análise de sensibilidade, análise de enários e análise de riso, sendo que os mesmos serão abordados resumidamente a seguir Análise de Sensibilidade A partir de um onjunto de premissas básias, previamente estabeleidas, o fluxo de aixa retratará o omportamento eonômio esperado para um sistema ao longo de sua vida útil. A análise de sensibilidade onsiste na verifiação do impato de variações dessas premissas básias nos indiadores finaneiros do projeto. Assim, estas análises permitem determinar os parâmetros aos quais os indiadores finaneiros são mais sensíveis, indiando também quais parâmetros devem ser estimados om maior preisão. Além disso, forneem o valor da estimativa do parâmetro que pode provoar uma reversão na deisão, isto é, permite separar os intervalos de valores que definem a aeitação ou a rejeição do projeto. Na elaboração dos fluxos de aixas de um sistema de geração térmia a ser implantado podem ser assumidas inúmeras premissas que afetam reeitas e despesas omo, por exemplo: Custos de merado do MWh de energia elétria omprado ou vendido à onessionária; Custo de merado do ombustível; Custo da água bruta; Taxa de onversão de reais em dólares; Fator de arga da instalação; Horas de operação da planta; Impostos envolvidos.

69 Análise de Cenários Foi visto que a análise de sensibilidade permite medir os efeitos sobre a rentabilidade do projeto, provoados por variações nos valores de parâmetros de interesse, um por vez. A onsideração de variações simultâneas de parâmetros pode ser realizada através da riação de um onjunto de enários alternativos. O proedimento típio onsiste na análise de três enários: base, otimista e pessimista. O enário base orresponde àquele onsiderado omo o mais provável pelos espeialistas na área do projeto, onde são utilizados os valores mais representativos das estimativas omo, por exemplo, os seus valores esperados. Por sua vez, os enários otimistas e pessimistas são obtidos por variações nos valores de variáveis importantes do projeto, a partir dos valores forneidos para o enário base Análise Probabilístia de Riso A prinipal vantagem dos métodos anteriores reside na simpliidade e failidade de utilização, além de propiiar a identifiação das variáveis mais importantes para a modelagem de riso. Apesar da importânia e grande utilização destes métodos, as inertezas assoiadas às estimativas dos parâmetros geralmente são onsideradas de forma um tanto quanto subjetiva. Uma maneira mais efiiente para a análise de riso onsiste na onstrução de enários aleatórios, porém prováveis, a partir das distribuições de probabilidades das variáveis de interesse. Neste aso, as inertezas nos parâmetros são onsideradas de forma expliita, através do emprego de ténias probabilístias Prinipais Indiadores As ténias mais sofistiadas de análise de investimento de apital, segundo Gitman (1984), onsideram o fator tempo no valor do dinheiro e envolvem os oneitos de fluxos de aixa supostamente onheidos ao longo da vida útil do projeto. Horlok (1997) apresenta uma série de ténias desenvolvidas para avaliar projetos de ogeração, baseadas no Valor Atual Líquido (VAL), preço da eletriidade, fluxos de aixa atualizados, preço do alor e períodos de paybak. O método paybak é a melhor ténia não sofistiada que pode ser apliada em análises do investimento de apital. Considera os fluxos de aixa, embora não seja reomendável seu uso om o objetivo de aumentar as riquezas dos investidores, pois deixa de onsiderar diretamente o fator tempo no valor do dinheiro, ignora o luro e não reonhee os

70 47 fluxos de aixa que oorrem após o período de paybak (Gitman, 1984). Os prinipais indiadores de viabilidade e riso finaneiro que são omumente utilizados em sistemas térmios são desritos a seguir: Valor Atual Líquido (VAL) Ténias baseadas nos fluxos de aixa são as mais utilizadas para desrever a interação entre as despesas om apital e os benefíios obtidos anualmente om a implantação de um projeto. Estes benefíios são obtidos através do uso do ombustível de uma forma mais raional. O método onsiste em atualizar até o ano zero de operação os benefíios obtidos durante a vida útil do projeto a uma taxa de desonto e, depois, esses valores são somados e desontados do apital gasto iniialmente, o valor resultante é denominado omo o Valor Atual Líquido (VAL). O método VAL demonstra expliitamente o luro real líquido que o investidor deve reeber ao longo da vida útil do projeto, sendo definido por: BEN VAL CTI (4.30) k= ( 1 + j) = N 1 k onde: BEN - Benefíio anual obtido; j - Taxa de desonto adotada; N - Número de anos analisados; CTI - Capital total investido no iniio de operação do projeto. O ritério quando o VAL é usado para tomar deisões do tipo aeitar ou reusar o projeto é o seguinte: se o VAL for maior ou igual à zero deve-se aeitar o projeto, pois a empresa obterá um retorno igual ou maior que o usto de apital investido e o projeto onservará ou aumentará o seu patrimônio; aso ontrário, se o VAL for menor que zero, deve-se reusar o projeto. Horlok (1997) apresenta uma variação do álulo do VAL que possibilita visualizar grafiamente o período em que o fluxo de aixa atualizado e aumulativo anula o investimento iniial (CTI). Neste ponto de interseção, os benefíios obtidos om o projeto implantado retomam o investimento iniial a uma taxa de desonto (j). Este método é denominado de Disount Cash Flow e a interseção no ponto zero possibilita determinar a Taxa de Retorno sobre o Investimento (TRI). Uma defiiênia do TRI é que não são

71 48 onsiderados os fluxos de aixa após o ponto em que os mesmos anulam o investimento de apital, e, também, não é mostrado o luro que pode ser obtido om a instalação. A Figura 4.2 mostra o TRI e o VAL grafiamente. Figura 4.2 Fluxo de aixa aumulativo típio ao longo do tempo de implantação e operação de um projeto de ogeração. Taxa Interna de Retorno (TIR) Gitman (1984) omenta que provavelmente a ténia de análise mais utilizada para se avaliar alternativas de investimento é a Taxa Interna de Retorno (TIR). A TIR é definida omo a taxa de desonto que leva ao valor atual das entradas de aixa de um sistema a se igualarem a zero. Trata-se de um ritério mais objetivo, no qual a deisão para avaliar o projeto baseiase no usto de apital. Se TIR for maior ou igual ao usto do apital ou taxa de desonto adotada, deve-se aeitar o projeto, aso ontrário, deve-se rejeitar o projeto. A TIR é determinada iterativamente, através de tentativa e erro, segundo a expressão: N VAL = k= 0 BEN ( 1 + j* ) k = 0 (4.31) onde: j* - Taxa de interna de retorno de um investimento (TIR); N - Vida útil do sistema estudado (anos).

72 49 Comparação entre as ténias VAL e TIR As diferenças básias entre as ténias de análise adotadas, VAL e TIR, resultam em lassifiações onflitantes. Com base puramente teória, o uso do VAL é melhor. Sua superioridade teória é atribuída a inúmeros fatores. O mais importante é a suposição implíita no uso do VAL de que todas as entradas de aixa intermediárias geradas pelo investimento são reinvestidas ao usto de apital da empresa, enquanto no uso da TIR supõese o reinvestimento da taxa espeifiada pela TIR, freqüentemente irrealista. Um segundo problema teório é o de se enontrar omumente mais de uma TIR para padrões não-onvenionais de fluxos de aixa. O problema de múltiplas TIR s resulta de propriedades matemátias espeífias dos álulos envolvidos. Devido à natureza ténia desse problema, é sufiiente dizer que um fluxo de aixa pode ter mais de uma TIR e que, quando isso oorre, torna-se difíil sua interpretação. Uma tereira rítia resulta do fato de que determinados fluxos podem ter propriedades matemátias tais que nem exista uma TIR. De novo, esse problema ténio pode provoar difiuldades que não oorrerão om a abordagem do VAL. Já que a abordagem do VAL não tem as defiiênias desritas aima, do ponto de vista teório ela é preferível. Apesar deste fato, os administradores finaneiros das grandes empresas preferem usar a TIR, o que é atribuível a sua preferênia por taxas de retorno ao invés de retorno em dinheiro. Por se menionarem freqüentemente juros e medidas de luratividade, omo taxas, o uso da TIR faz mais sentido para os responsáveis pelas deisões nas empresas. Eles tendem a ahar o VAL mais difíil de usar, porque o mesmo não mede benefíios relativos ao montante investido. Ao ontrário, a TIR dá muito mais informações sobre os retornos relativos ao investimento iniial. Em suma, onstata-se que, embora o VAL seja teoriamente preferível, a TIR é mais popular devido ao fato de se poder relaioná-la diretamente aos dados disponíveis de deisão.

73 Apresentação do Modelo de Análise Termodinâmia Considerações Para a análise termodinâmia são admitidas neste trabalho omo hipóteses gerais: Operação em regime permanente, na ondição de operação da instalação; Ar atmosfério, ombustível e produtos de ombustão são tratados omo uma mistura de gases ideais; Energias inétia e potenial dos gases são desprezadas; Proessos adiabátios em todos os equipamentos que fazem parte dos ilos, exeto para os troadores de alor para os quais um parâmetro de efiiênia define a quantidade de alor transferida ao meio. A seguir será apresentada a metodologia desenvolvida para a modelagem dos equipamentos que ompõem uma entral térmia de potênia, bem omo o equaionamento utilizado para o tratamento dos proessos termodinâmios Modelagem dos Componentes do Cilo a Gás Os omponentes modelados para o ilo a gás em que o fluido de trabalho é omposto por uma mistura de gases que tem omo base o ilo fundamental de potênia de Brayton. Os equipamentos são: ompressor, âmara de ombustão, turbina e o gerador elétrio. Compressor Os parâmetros que definem o ompressor utilizado são a razão de ompressão (β) e a efiiênia isentrópia do proesso de ompressão ( η iso ), definidas, respetivamente, por: P P s β = (4.32) e iso ( h ) hs iso ( h h ) s e e η = (4.33) onde: h e - Entalpia espeífia de entrada no ompressor (kj/kg);

74 51 h s - Entalpia espeífia de saída do ompressor (kj/kg); h s iso - Entalpia espeífia de saída isentrópia em função de P s e s e (kj/kg); P s P e - Pressão de saída do ompressor (kpa); - Pressão de entrada no ompressor (kpa). A pressão de saída no ompressor é determinada diretamente pela razão de ompressão. A partir de uma dada razão de ompressão e da efiiênia isentrópia, pode-se determinar a entalpia isentrópia do ar na saída do ompressor onheendo a pressão de saída e impondo a ondição de igualdade de entropias entre a entrada e a saída do equipamento. Obtida a entalpia isentrópia de ompressão, e a partir da definição da efiiênia isentrópia, hega-se à entalpia real do ar na saída do ompressor, e om essa entalpia é possível determinar a temperatura real de saída no ompressor. om: A potênia de ompressão ( W & ) é dada por: ar ( h h ) s e W & = m& (4.34) m& ar - Fluxo mássio de ar no ompressor (kg/s). A efiiênia pela segunda lei ( ψ ) e a geração de irreversibilidades ( I & ) no proesso de ompressão são dadas, respetivamente, por: m& ( e e ) ar s e ψ = (4.35) W& ar ( e e ) I& = W& m& (4.36) s e onde: e s - Exergia espeífia do ar que sai do ompressor (kj/kg); e e - Exergia espeífia do ar que entra no ompressor (kj/kg). Câmara de Combustão A análise aplia-se a um volume de ontrole ao redor da âmara de ombustão. Os fluidos de entrada onstituem-se de ar proveniente do ompressor, e o ombustível, que é injetado diretamente à mesma pressão da âmara.

75 52 O modelo admite a hipótese de ombustão ompleta, sendo que os produtos de ombustão que deixam a âmara são CO 2, H 2 O, O 2, N 2 e Ar. A omposição do gás natural utilizada neste trabalho é baseada no gás natural proveniente do gasoduto Bolívia-Brasil (Anexo C). No proesso de ombustão admite-se que são onheidas as ondições de entrada do ar e do gás natural, a temperatura dos gases que deixam a âmara e a efiiênia de ombustão. Para a determinação da temperatura adiabátia de hama, onsiderando a ombustão ompleta do gás natural e âmara adiabátia, é utilizada a seguinte equação: ( n ihi ) = ( n& jh j ) reagentes i & (4.37) j produtos sendo: h - Entalpia molar, inluindo a entalpia de formação (kj/ kmol); n& - Número de moles do omponente químio (kmol/s). Após a determinação da temperatura adiabátia da hama é alulado o exesso de ar neessário para se atingir a temperatura dos gases na entrada das turbinas, a qual é forneida omo uma araterístia de projeto da turbina a gás. Na âmara de ombustão real, a ombustão é inompleta e oorre transferênia de alor para o meio, portanto é neessário mais ombustível para que se atinja a temperatura desejada, essa relação é hamada de relação ombustível/ar real (f real ). Assim é pode-se adotar um parâmetro de efiiênia que defina essas perdas. A efiiênia da ombustão ( η omb ) é definida pela razão entre a relação ombustível/ar teória (f teor ) e a relação ombustível/ar real (f real ), para a mesma elevação de temperatura dos gases entre a entrada e a saída da âmara de ombustão, omo segue (Cohen et al., 1996): f teor η omb = (4.38) freal A partir da relação ombustível/ar teório (f teor ), da efiiênia de ombustão ( η omb ) e om a Equação (4.38) se tem a relação real ar/ombustível (f real ) e, dessa forma, alula-se o fluxo de massa de ar neessário para que se atinja a temperatura de saída da âmara e é possível estabeleer a omposição dos gases de exaustão e, assim, alular suas propriedades termodinâmias.

76 53 A entalpia dos produtos de ombustão é alulada através da fração mássia de seus omponentes e da pressão e temperatura em que eles se enontram, omo segue: ( T,P) = n h ( T, P) hgases i i (4.39) onde: h gases ( T,P) - Entalpia espeífia dos gases de ombustão a T e P (kj/kg); h i ( T,P) - Entalpia espeífia do omponente i nos gases de ombustão (kj/kg). A onservação da massa na âmara é dada por: m & = m& + m& (4.40) gases ar gn No que diz respeito à perda de arga na âmara de ombustão, pode-se afirmar que é proveniente do atrito visoso e turbulênia e da elevação da temperatura dos gases, om a onseqüente redução de sua densidade, aumento da veloidade média e da quantidade de movimento do fluxo de gases. Cohen et al. (1996) indiaram que para turbinas aeroderivativas este valor situa-se na faixa de 4 a 7% devido às restrições onstrutivas de volume da turbina. No aso de turbinas a gás industriais, a perda de arga é da ordem de 2% da pressão de entrada. A efiiênia pela segunda lei ( ψ ) e a geração de irreversibilidades ( I & ) no proesso de ombustão são dadas, respetivamente, por: gases ψ = (4.41) m& ar m& e gases e ar e s + m& gn e e gn I & = m& e + m& e m& e (4.42) ar e ar gn e gn gases s gases onde: e s gases - Exergia espeífia dos gases que saem da âmara de ombustão (kj/kg); e e ar - Exergia espeífia do ar que entra na âmara de ombustão (kj/kg); e e gn - Exergia espeífia do gás natural que entra da âmara de ombustão (kj/kg).

77 54 Turbina Neste omponente, os gases realizam a expansão de aordo om a sua efiiênia isentrópia ( η exp iso ). O proedimento de álulo é análogo ao do ompressor, om o detalhe adiional que a expansão é efetuada da pressão de entrada da turbina a pressão de saída, a qual deve ser sufiiente para vener as perdas de arga espeifiadas dos equipamentos da aldeira de reuperação. Assim, tem-se: exp iso ( h h ) η = (4.43) exp e s ( h h ) e gases s iso ( h h ) W & = m& (4.44) e s A potênia meânia gerada pela turbina a gás é dada pela potênia gerada na expansão dos gases e desontado a potênia utilizada pelo ompressor de ar, assim: W & TG = W& W& (4.45) exp A efiiênia pela segunda lei ( ψ exp ) e a geração de irreversibilidades no proesso de expansão dos gases de exaustão ( I & exp ) são dadas, respetivamente, por: W& = & exp ψ exp (4.46) mgases ( es ee ) I & exp gases ( es ee ) W& exp = m& (4.47) onde: e s - Exergia espeífia do ar que sai do ompressor (kj/kg); e e - Exergia espeífia do ar que entra no ompressor (kj/kg). Gerador A turbina a gás está ligada diretamente ao gerador elétrio. Um valor de efiiênia elétria ( η g ), é adotado para se onsiderarem as perdas da ligação om o gerador que pode ser efetuada através de um onjunto de engrenagens para redução de rotação. A potênia elétria da turbina a vapor é dada por:

78 55 & WTG ele = η W& (4.48) g TG Modelagem dos Componentes do Cilo a Vapor Os omponentes modelados no ilo a vapor em que o fluido de trabalho é o vapor e tem omo base o ilo fundamental de potênia de Rankine. Os equipamentos são: aldeiras de reuperação, desaerador, turbina a vapor, ondensador e bombas. Caldeira de Reuperação A modelagem da aldeira de reuperação é realizada em vários volumes de ontrole, envolvendo ada um de seus equipamentos, de forma que o estado alulado em um equipamento seja o estado de entrada para o próximo equipamento. Os evaporadores, eonomizadores e superaqueedores são modelados omo troadores de alor de ontra orrente, sem mistura dos fluidos. O álulo das propriedades da água na saída do equipamento é efetuado om base nos balanços de massa, energia e exergia, admitindo-se omo onheidos os estados da água e do vapor na entrada. Conheidos os estados dos fluidos na entrada e os fluxos mássios dos fluidos, a temperatura de saída dos fluidos é alulada pelo balanço de energia apliado ao troador de alor. Considerando-se um oefiiente (η TC ) devido às perdas de alor para o meio, o balanço de energia no eonomizador, no evaporador e no superaqueedor da aldeira de reuperação é dado da seguinte maneira: m & água ( h - h ) η m& ( h - h ) s água e água = (4.49) TC gases e gases s gases om: h - Entalpia espeífia do fluido (kj/kg); m& - Fluxo mássio (kg/s). Na aldeira de reuperação é fundamental a verifiação da restrição assoiada ao pinh point. Uma referênia ténia (Gas Turbine World Handbook, ) adota o valor de pinh point de 17ºC para uma análise onservativa da efiiênia de ilos ombinados sem queima suplementar de ombustível, onsiderando a tenologia atual presente nas instalações térmias. No aso de ilos ombinados om reaqueimento dos gases de ombustão até 704ºC, o valor de pinh point estimado nessa referênia eleva-se para 28ºC, a fim de respeitar a restrição de temperatura mínima de exaustão dos gases da aldeira.

79 56 O pinh point e o approah são introduzidos no equaionamento da aldeira de reuperação nos evaporadores através da temperatura de saturação do vapor em uma dada pressão, assim: T e vapor = T T (4.50) s vapor ap T = T + T (4.51) s pp gases s vapor onde: T ap - Approah (ºC); T pp - Pinh point (ºC). A efiiênia pela segunda lei para ada troador de alor ( ψ irreversibilidade ( I & TC ) são dadas, respetivamente, por: TC ) e a taxa de m& água( es e ) água eágua ψ TC = (4.52) m & ( e e ) gases s gases e gases I& = m& ( e e ) m& ( e e ) (4.53) TC gases s gases e gases água onde: e s - Exergia espeífia do fluido que sai do ompressor (kj/kg); e e - Exergia espeífia do fluido que entra no ompressor (kj/kg). s água e água A perda de arga dos fluidos ao passar pelo troador de alor é dada por: P s ( 1 φ) P e = (4.54) onde: P e - Pressão de entrada do troador de alor (kpa); P s - Pressão de saída do troador de alor (kpa); φ - Perda de pressão no troador de alor (%). Dois fatores devem ser notados quando se seleionam os níveis de alta e baixa pressão em aldeiras de reuperação de diferentes níveis de pressão. A pressão do vapor de alta deve ser sufiiente para atingir um bom aproveitamento dos gases e a pressão do vapor de baixa

80 57 deve ser a mais baixa possível diminuindo, assim, a temperatura dos gases de esape e reuperando a máxima quantidade de alor dos mesmos. Segundo Kehlhofer (1999), a menor pressão de baixa aeitável está em torno de 3 bar, pois abaixo deste valor a queda de entalpia disponível na turbina de baixa torna-se muito pequena e a vazão de vapor torna-se muito grande, aumentando os ustos dos equipamentos. Outra questão a ser observada é a variação do título do vapor em função do aumento da pressão do vapor de alta na turbina a vapor de ondensação. Da mesma maneira que no aso de um únio nível de pressão, o aumento da pressão de alta diminui o título na saída da turbina, devendo este aumento de pressão ser monitorado de modo a não ultrapassar o limite mínimo do título espeifiado para a turbina. Reomenda-se que o título da mistura líquidovapor seja superior a 87% (Narula, 1995). A efiiênia para aldeiras de reuperação é alulada, segundo a relação proposta por Liszka et al. (2003), por: = Q CR η CR (4.55) m& gases h e gases onde: Q CR - Calor transferido para a água pela aldeira de reuperação (kw); m& gases - Fluxo de gases de exaustão na aldeira de reuperação (kg/s); h e gases - Entalpia espeífia de entrada dos gases de exaustão na aldeira (kj/kg). A efiiênia exergétia da aldeira de reuperação é alulada pela relação entre o fluxo de exergia forneida pelos gases de exaustão, potênia das bombas e pelos fluxos de exergia do vapor desontados do fluxo que entra de água na aldeira, assim: m& = e m& e vapor vapor água água ψ CR (4.56) m& gasesee + W& b gases Desaerador Este equipamento onsiste num troador de alor de ontato direto entre a água de alimentação proveniente do pré-aqueedor e o vapor que passa pelo evaporador de baixa. A mistura destes fluidos resulta no aqueimento da água e liberação dos gases dissolvidos não ondensáveis. O objetivo é proteger ontra a orrosão os omponentes à jusante, omo tubos da aldeira de reuperação, bombas e turbinas.

81 58 O balanço de energia no desaerador é dado pela equação abaixo: m e he = m& shs & (4.57) A efiiênia pela segunda lei para o desaerador ( ψ ( I & DA ) nas troas térmias são dadas, respetivamente, por: onde: DA ) e a geração de irreversibilidades m& s es ψ DA = (4.58) m& e e m& s es DA = me ee e I & & (4.59) e s - Exergia espeífia da água que sai do desaerador (kj/kg); e e - Exergia espeífia da água que entra no desaerador (kj/kg). Turbina a vapor Para o álulo da potênia produzida pela turbina a vapor e das ondições de saída do vapor, onsidera-se o rendimento isentrópio ( η TV turbina a gás: ) para a turbina, de forma análoga ao da ( he hs ) η TV = (4.60) ( h h ) e s iso TV vapor ( h h ) W & = m& (4.61) e s A potênia elétria da turbina a vapor é dada através do rendimento do gerador ( η g ), da mesma forma ao da turbina a gás: & WTV ele = η W& (4.62) g TV A efiiênia pela segunda lei ( ψ TV ) e a taxa de irreversibilidade ( I & TV expansão do vapor superaqueido são dadas, respetivamente, por: ) no proesso de

82 59 W& = & TV ψ TV (4.63) mvapor ( es ee ) I & TV vapor ( es ee ) W& TV = m& (4.64) onde: e s - Exergia espeífia da água que sai da turbina a vapor (kj/kg); e e - Exergia espeífia do vapor que entra na turbina a vapor (kj/kg). Condensador O vapor expandido na turbina de baixa pressão é totalmente ondensado. O modelo onsidera a perda de arga da mistura líquido-vapor e o sub-resfriamento da água, forçando que se tenha na saída do equipamento apenas líquido omprimido, a fim de se evitar problemas de avitação na bomba do ondensado. Neste aso, a modelagem é igual a de um troador de alor. Bomba de Condensado As bombas de ondensado são impresindíveis para o funionamento das aldeiras, sendo dimensionadas para vener as pressões no interior da aldeira introduzindo os volumes de água neessários ao seu funionamento. As bombas da instalação são utilizadas para o bombeamento do ondensado que passa pela aldeira de reuperação na seção do préaqueedor e para elevação da pressão de saída do desaerador até os valores de pressão de ada nível do ilo a vapor. O trabalho de bombeamento e o estado do fluído na saída de ada bomba são alulados a partir do oefiiente isentrópio adotado para o equipamento e da pressão de saída requerida, de forma análoga ao ompressor. Misturador de Vapor A mistura de fluidos é analisada através das equações de onservação de massa, balanço de energia e exergia. O estado de saída é determinado a partir da apliação destas equações às orrentes de entrada do misturador.

83 Rendimentos Baseados na Primeira e na Segunda Lei da Termodinâmia O rendimento do ilo para turbina a gás baseado na primeira lei ( η TG ), é dado omo a razão entre a potênia útil produzida e o alor forneido pela queima do ombustível, e pode ser esrito da seguinte forma: W& TG η TG = (4.65) m& PCI gases onde: PCI - Poder alorífio inferior, dado pela entalpia dos produtos de ombustão (kj/kg). O rendimento do ilo da turbina a gás baseado na segunda lei ( ψ TG ) é esrito omo: W& TG ψ TG = (4.66) m& gn egn + m& ar ear O rendimento do ilo Rankine pode ser obtido onsiderando a potênia produzida nas turbinas a vapor, onsumida nas bombas e o alor forneido pelos gases de exaustão, da seguinte forma: W& = W& TV b η Rankine Q& (4.67) CR De forma análoga, pode-se esrever o rendimento exergétio para o ilo Rankine, onsiderando a variação da exergia do fluxo de gases de exaustão que passa pela aldeira de reuperação, assim: W& TV W& b ψ Rankine = (4.68) m & ( e e ) gases e gases s gases O rendimento total ( η ilo ) de um sistema de turbina a gás, aldeira de reuperação e turbina a vapor, pode ser esrito omo a razão entre a potênia útil produzida e o alor forneido pela queima do ombustível, da seguinte forma: W& TG + W& TV W& b η ilo = (4.69) m& PCI gases

84 61 onde: W & TV - Potênia produzida nas turbinas a vapor (kw); W & TG - Potênia produzida nas turbinas a gás (kw); W & b - Potênia utilizada nas bombas (kw); m& gases - Fluxo dos gases de exaustão das turbinas a gás (kg/s). O rendimento exergétio do ilo é análogo à efiiênia total, porém onsiderando a exergia forneida pelo gás natural, assim: W& + W& W& TG TV b ψ ilo = (4.70) m& gn egn + m& ar ear

85 Método de Solução A resolução do sistema de equações resultante após o modelamento de ada onfiguração é efetuada utilizando-se o programa EES (Engineering Equation Solver), desenvolvido por Klein & Alvarado (1995), que permite a determinação das propriedades termodinâmias do sistema, omo entalpia e entropia, possibilitando a realização de álulos de uma maneira simples e efiiente, sem a neessidade de se reorrer a tabelas termodinâmias. Vale ressaltar que foi adotado omo estado de referênia o definido pela temperatura de 25 ºC e pressão de 101,3 kpa.

86 63 Capítulo 5 Casos Propostos e Premissas Eonômias 5.1. Detalhamento dos Casos a serem Estudados A termelétria onsiderada utiliza quatro turbinas a gás do tipo PG6101 6FA da mara General Eletri om potênia de projeto de 71 MW (Condições ISO, Temperatura de 15 C, Pressão 101,3 kpa, Nível do mar). Entretanto, devido às ondições limátias, altitude da região, araterístias do ombustível e algumas adaptações ténias implementadas, sua potênia atinge até 74 MW. Por questões de manutenção e durabilidades de seus omponentes a planta opera om a potênia de 73 MW por turbina. Essas ondições foram definidas após testes realizados pelo fabriante no loal de instalação da planta. A ombinação de turbinas a gás om turbinas a vapor em entrais termelétrias pode ser realizada de várias maneiras, resultando em diferentes esquemas térmios, equipamentos empregados e araterístias básias de operação, fatores estes determinantes na definição de araterístias energétias, eonômias e eológias da instalação. Neste trabalho é onsiderado o modelo 2+1, montado em dois grupos, ada um om duas turbinas a gás, e ada turbina om sua aldeira de reuperação gerando vapor para o mesmo grupo de turbinas a vapor, omo mostrado na Figura Esse esquema foi para adotado por ser uma onfiguração omum e permitir a manutenção de seus omponentes sem a parada total da unidade. A opção pelos investimentos no ilo ombinado, pode forneer até 150 MW (Caldeiras om 3 níveis de pressão) pelas turbinas a vapor, elevando a potênia do ilo até 433 MW sem aumentar o onsumo de ombustível da planta e mantendo os mesmos níveis de emissões de poluentes. Além do aumento da potênia elétria, pode-se, oasionalmente, omerializar vapor para proesso, devido à flexibilidade da aldeira de reuperação, desde que haja onsumidores próximos que demandem a neessidade de vapor em seus proessos industriais. Cada aldeira de reuperação possui desaerador integrado, que utiliza o vapor gerado pelos gases de exaustão para eliminar o ar e gases dissolvidos na água a ser evaporada na aldeira. Isso possibilita um aumento da potênia gerada, pois elimina a extração das turbinas a vapor para esse fim. Uma pequena parte dessa água é perdida nesse proesso e reposta na entrada da aldeira, entretanto essa quantidade não é onsiderada na análise por ser muito pequena (menos de 1% do total).

87 64 A opção pela não utilização de queima suplementar nas aldeiras de reuperação é adotada por que a termelétria não atende a nenhuma demanda de energia térmia prédefinida. A prátia de queima suplementar aumenta a potênia gerada, pois aumenta a produção de vapor nas aldeiras, porém, diminui a efiiênia do ilo omo um todo por que a queima direta do ombustível na aldeira de reuperação produz mais irreversibilidades se omparada à queima do ombustível na turbina a gás. O gás natural é forneido à planta através do gasoduto Bolívia-Brasil que passa próximo a loalidade da instalação da planta. O gás é entregue a 30 bar e sofre duas reduções através de válvulas om sistema de ontrole para atingir a mesma pressão da âmara de ombustão. Considerações para estabeleer os asos Para se definir os níveis de pressão e temperatura das aldeiras de reuperação alguns parâmetros foram tomados da literatura e, através de alguns testes, os outros parâmetros foram ajustados, onforme desrito a seguir: A pressão mínima de entrada da água na aldeira de reuperação é da ordem de 300 kpa, para que haja o máximo aproveitamento dos gases de exaustão (Kehlhofer, 1999); O título do vapor foi ontrolado de modo que não fosse menor que 87% na saída da turbina de ondensação para evitar danos ao equipamento (Narula, 1995); O pinh point de ada aldeira foi definido omo 17ºC, segundo a referênia ténia da Gas Turbine World Handbook ( ), para uma análise onservativa da efiiênia de ilos ombinados sem queima suplementar de ombustível; O approah dos evaporadores foi definido omo 10ºC, que é um valor médio na faixa de valores apresentados na Tabela 3.1; As temperaturas e pressões de alta foram tomadas para todos os ilos omo sendo 540 ºC e 11 MPa, respetivamente; A temperatura mínima para os gases de exaustão foi definida omo 90 ºC (Seyedan et al., 1995; Kharthenko, 1998 e Jordal, 2001); A efiiênia isentrópia de todas as turbinas a vapor foi adotada omo sendo de 86%, valor típio para esse equipamento; A perda de alor para o meio (η TC ) em ada troador de alor da aldeira de reuperação foi onsiderada sendo de 1% do alor transferido;

88 65 A taxa de vapor utilizada no desaerador foi onsiderada omo sendo de 1 kg/s para eliminar os gases dissolvidos na água; As temperaturas de saída em ada extração nas aldeiras de reuperação de 2 e 3 níveis devem ter uma diferença de no mínimo 22 ºC (approah do superaqueedor), segundo a Tabela 3.1; Os rendimentos isentrópios de todas as bombas foram tomados omo sendo de 75%; A pressão de ondensação para todos os asos foi definida omo 10 kpa, valor típio para esse tipo de instalação; Os rendimentos dos geradores elétrios foram assumidos omo sendo de 95%. Outros sistemas auxiliares omo os de resfriamento e sistemas de filtragem e tratamento de água, utilizam a água do Rio Paraná que passa próximo a loalidade da planta. O sistema de resfriamento apta a água do rio para ser utilizada no ondensador das plantas do ilo ombinado que retorna ao rio om um aumento de 7ºC em sua temperatura Caso 1 Cilo Aberto om Turbinas a Gás O primeiro aso a ser estudado onsidera quatro turbinas a gás operando em ilo aberto e produzindo 288 MW, sendo que os gases de exaustão produzidos são desperdiçados para o meio ambiente. Um esquema dessa onfiguração é apresentado Figura 5.1. As onsiderações adotadas para ada turbina a gás foram estabeleidas de aordo om algumas araterístias de operação da Usina Termelétria de Três Lagoas (PETROBRÁS) e segundo dados do fabriante (GE). Assim, as efiiênias isentrópias para o ompressor e expansor, as ondições limátias típias da região onde a planta está instalada, a efiiênia de ombustão e perda de arga na âmara de ombustão, podem ser estabeleidas onforme mostra a Tabela 5.1. Na Tabela 5.2 são mostrados os prinipais fluxos da planta om turbinas a gás apresentada na Figura 5.1.

89 66 Figura 5.1 Usina termelétria em ilo aberto. Tabela 5.1 Dados dos equipamentos das turbinas a gás da usina termelétria. Cilo a gás Efiiênia isentrópia do ompressor 87,0 % Efiiênia isentrópia da expansão 92,0 % Efiiênia dos geradores 95,0 % Efiiênia da turbina a gás 27,01 % Efiiênia da âmara de ombustão 90,0 % Razão de ompressão 14,5 Temperatura na entrada do expansor 1230 ºC Perda de arga na âmara de ombustão 2,6 % Temperatura dos gases de exaustão 602 ºC Fluxo de ar no ompressor 197,5 kg/s Fluxo de gases de exaustão 202,2 kg/s Consumo de gás em ada turbina 4,71 kg/s Potênia do ompressor kw Potênia do expansor kw Potênia de elétria de ada turbina a gás kw Potênia líquida kw

90 67 Tabela 5.2 Dados termodinâmios do ilo a gás. Fluxo Vazão (kg/s) Temperatura (ºC) Pressão (kpa) Entalpia (kj/kg) 1 197,50 35,0 101,3 308, ,50 428,2 1470,0 714,8 3 4,71 35,0 1470, , ,0 1431,0 317, ,21 602,0 101,3-462, Caso 2 Cilo Combinado om Um Nível de Pressão O ilo ombinado proposto para o Caso 2 é onstituído pelas mesmas turbinas a gás do Caso 1, sendo aoplada a ada uma delas uma aldeira de reuperação om um únio nível de pressão, e o vapor produzido pelo onjunto de ada duas aldeiras alimenta uma turbina a vapor de ondensação. A Figura 5.2 mostra apenas uma parte da planta do Caso 2, sendo a planta ompleta onstituída por duas dessas partes. Neste aso, a aldeira é onstituída por um onjunto de troadores de alor (eonomizador, evaporador e superaqueedor) que produzem o vapor de alta. Há também um evaporador de baixa pressão para a produção de vapor para o desaerador. A pressão em ada aldeira é dada por duas bombas: uma bomba de ondensado de baixa potênia e a bomba de alimentação responsável pela pressão do vapor na saída da aldeira. Os dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor de um nível de pressão são dados na Tabela 5.3. Na Tabela 5.4 são mostrados os prinipais fluxos da planta om turbinas a gás e aldeiras de reuperação de um nível de pressão apresentada na Figura 5.2.

91 68 BA - Bomba de Alimentação ECB - Eonomizador de Baixa BC - Bomba de Condensado EVA - Evaporador de Alta CC - Câmara de Combustão EVB - Evaporador de Baixa CO - Condensador G - Gerador Elétrio CP - Compressor SUA - Superaqueedor de Alta DA - Desaerador TB - Turbina a Gás ECA - Eonomizador de Alta TV - Turbina a Vapor Figura 5.2 Parte do ilo ombinado om aldeira de um nível de pressão. Tabela 5.3 Dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor e da turbina a gás om aldeiras de reuperação om 1 nível de pressão. Cilo a vapor 1 Nível de Pressão Rendimento isentrópio das turbinas a vapor 86,0 % Rendimento isentrópio das bombas 75,0 % Rendimento dos geradores 95,0 % Pinh point 17 ºC Approah 10 ºC Potênia elétria de ada turbina a vapor kw Potênia de ada bomba de ondensado 11,55 kw Potênia de ada bomba de alimentação 486,2 kw Potênia elétria de ada turbina a gás kw Potênia líquida da planta kw

92 69 Tabela 5.4 Dados do ilo ombinado om aldeiras om 1 nível de pressão. Turbina a gás e gases de exaustão Fluxo Vazão (kg/s) Temperatura (ºC) Pressão (kpa) Entalpia (kj/kg) 1 197,50 35,0 101,3 308, ,50 428,2 1470,0 714,8 3 4,71 35,0 1470, , ,0 317, ,21 603,0 101,6-462, ,21 506,0 101,5-575, ,21 336,6 101,5-767, ,21 220,0 101,4-895, ,21 209,5 101,4-906, ,21 175,0 101,3-943,2 Cilo a Vapor 11 29,57 45,8 300,0 192, ,57 104,9 291,0 439,7 13 1,00 122,5 291,0 514,5 14 1,00 132,5 291,0 2723, ,57 122,5 291,0 514, ,57 124, ,5 530, ,57 309, ,6 1396, ,57 319, ,5 2700, ,57 540, ,0 3465, ,13 540, ,0 3465, ,13 45,8 10,0 2301, ,13 45,8 10,0 191, ,57 45,8 10,0 191, ,0 150,0 117, ,0 145,0 146,7

93 Caso 3 Cilo Combinado om Dois Níveis de Pressão O ilo ombinado proposto no Caso 3 segue a mesma estrutura do Caso 2. No entanto, a aldeira possui dois onjuntos de troadores de alor (eonomizador, evaporador e superaqueedor) que produzem vapor de alta pressão (extração 1) e de baixa pressão (extração 2). O vapor de baixa é produzido a partir do vapor destinado ao desaerador, que é dividido e passa por um superaqueedor. O vapor de alta é expandido na turbina a vapor no estágio de alta pressão e depois se junta ao vapor de baixa que são expandidos até a ondensação no estágio de baixa, o vapor passa então por um ondensador onde é ondensado e separado para ser bombeado de volta às aldeiras. Os dois níveis de pressão em ada aldeira são dados por duas bombas: uma bomba de ondensado de baixa potênia que dita a pressão de baixa e a bomba de alimentação responsável pela pressão do vapor de alta da aldeira. A Figura 5.3 mostra apenas uma parte da planta do Caso 3, sendo a planta ompleta onstituída por duas dessas partes. Segundo Modesto (2004) é interessante que a pressão do vapor de alta seja sufiiente para atingir um bom aproveitamento dos gases e a pressão do vapor de baixa deve ser a mais baixa possível diminuindo assim a temperatura dos gases de esape reuperando a máxima quantidade de alor dos mesmos. Segundo Kehlhofer (1999) a menor pressão de baixa aeitável está em torno de 3 bar porque abaixo deste valor, a queda de entalpia disponível na turbina de baixa torna-se muito grande, aumentando os ustos dos equipamentos.

94 71 BA - Bomba de Alimentação DA - Desaerador G - Gerador Elétrio BC - Bomba de Condensado ECA - Eonomizador de Alta SUA - Superaqueedor de Alta CC - Câmara de Combustão ECB - Eonomizador de Baixa SAB - Superaqueedor de Baixa CO - Condensador EVA - Evaporador de Alta TB - Turbina a Gás CP - Compressor EVB - Evaporador de Baixa TV - Turbina a Vapor Figura 5.3 Parte do ilo ombinado om aldeira de dois níveis de pressão. Os dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor de um nível de pressão são dados na Tabela 5.5. Na Tabela 5.6 são mostrados os prinipais fluxos da planta om turbinas a gás e aldeiras de reuperação de dois níveis de pressão apresentada na Figura 5.3.

95 72 Tabela 5.5 Dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor om aldeiras de reuperação om 2 níveis de pressão. Cilo a vapor 2 Níveis de Pressão Rendimento isentrópio das turbinas a vapor 86,0 % Rendimento isentrópio das Bombas 75,0 % Rendimento dos geradores 95,0 % Pinh point 17 ºC Approah 10 ºC Potênia meânia da turbina a vapor de alta kw Potênia meânia da turbina a vapor de baixa kw Potênia elétria das turbinas a vapor kw Potênia de ada bomba de ondensado 13,7 kw Potênia de ada bomba de alimentação 494,2 kw Potênia de ada turbina a gás kw Potênia líquida da planta kw

96 73 Tabela 5.6 Dados do ilo ombinado om aldeiras om 2 níveis de pressão. Turbina a gás e gases de exaustão Fluxo Vazão (kg/s) Temperatura (ºC) Pressão (kpa) Entalpia (kj/kg) 1 197,50 35,0 101,3 308, ,50 428,2 1470,0 714,8 3 4,71 35,0 1470, , ,0 1431,0 317, ,21 602,4 101,6-462, ,21 505,3 101,6-575, ,21 337,4 101,5-766, ,21 225,4 101,5-888, ,21 221,5 101, ,21 152,3 101,4-967, ,21 101,2 101, Cilo a Vapor 12 35,37 45,82 297,6 192, ,37 117,8 288,7 494,6 14 6,89 122,2 288,7 555,9 15 6,89 132,2 288, ,00 132,2 288, ,89 132,2 288, ,89 200, ,48 132,2 288,7 555, ,48 134, , ,48 310, ,48 320, ,48 540, ,96 540, ,96 131, ,75 136, ,75 45, ,75 45, , ,37 45, , ,0 150,0 117, ,0 145,0 146,6

97 Caso 4 Cilo Combinado om Três Níveis de Pressão O ilo ombinado proposto no Caso 4 segue a mesma estrutura do Caso 2. Neste aso, as aldeiras têm três níveis de pressão e utilizam três onjuntos de troadores de alor (eonomizador, evaporador e superaqueedor) que produzem vapor de alta, média e de baixa pressão (extrações 1, 2 e 3). O vapor é expandido na turbina a vapor de três estágios até a ondensação e, depois de passar pelo ondensador, é separado e bombeado para as aldeiras. A pressão em ada aldeira é dada por três bombas: uma bomba de ondensado, responsável pela pressão de baixa, e duas bombas de alimentação para as pressões de média e de alta do vapor na aldeira. A Figura 5.4 mostra apenas uma parte da planta do Caso 4, sendo a planta ompleta onstituída por duas dessas partes.

98 75 BA - Bomba de Alimentação ECM - Eonomizador de Média BC - Bomba de Condensado EVA - Evaporador de Alta CC - Câmara de Combustão EVB - Evaporador de Baixa CO - Condensador EVM - Evaporador de Média CP - Compressor G - Gerador Elétrio DA - Desaerador SUA - Superaqueedor de Alta ECA - Eonomizador de Alta SAB - Superaqueedor de Baixa ECA1 - Eonomizador de Alta 1 SUM - Superaqueedor de Média ECA2 - Eonomizador de Alta 2 TB - Turbina a Gás ECB - Eonomizador de Baixa TV - Turbina a Vapor Figura 5.4 Parte do ilo ombinado om aldeira de três níveis de pressão.

99 76 Vale ressaltar, que a aldeira de reuperação de três níveis de pressão possui um nível de aproveitamento dos gases quentes melhor que as aldeiras de um e dois níveis de pressão, porém os níveis de omplexidade de onstrução e operação também são mais elevados que as anteriores, impliando em um usto muito maior dos equipamentos e de operação. Os dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor de um nível de pressão são apresentados na Tabela 5.7. Na Tabela 5.8 são mostrados os prinipais fluxos da planta om turbinas a gás e aldeiras de reuperação de três níveis de pressão apresentada na Figura 5.4. Tabela 5.7 Dados araterístios dos equipamentos do ilo a vapor om aldeiras de reuperação om 3 níveis de pressão. Cilo a vapor 3 Níveis de Pressão Rendimento isentrópio das turbinas a vapor 86,0 % Rendimento isentrópio das Bombas 75,0 % Rendimento dos geradores 95,0 % Pinh point 17 ºC Approah 10 ºC Potênia meânia da turbina a vapor de alta kw Potênia meânia da turbina a vapor de média kw Potênia meânia da turbina a vapor de baixa kw Potênia elétria da turbina a vapor kw Potênia de ada bomba de alimentação 1 101,9 kw Potênia de bomba de alimentação 2 419,3 kw Potênia de ada bomba de ondensado 13,98 kw Potênia de ada turbina a gás kw Potênia líquida da planta kw

100 77 Tabela 5.8 Dados do ilo ombinado om aldeiras om 3 níveis de pressão. Turbina a gás e gases de exaustão Fluxo Vazão (kg/s) Temperatura (ºC) Pressão (kpa) Entalpia (kj/kg) 1 197, ,3 308, ,50 428,2 1470,0 714,8 3 4,71 35,0 1470, , ,0 317, ,21 602,8 101,8-462, ,21 505,6 101,8-575, ,21 337,4 101,7-766, ,21 283,8 101,7-825, ,21 281,1 101,6-828, ,21 237,1 101,6-876, ,21 227,5 101,5-886, ,21 162,5 101,5-956, ,21 162,4 101,4-956, ,21 141,2 101,4-979, ,21 96,6 101, Cilo a Vapor 16 35,72 45,8 300,5 192, , ,5 452,8 18 2,10 122,5 291,5 514,7 19 2,10 132,5 291, ,0 132,5 291, ,10 132,5 291, ,10 140,5 290, ,62 122,5 291,5 514, ,62 122, ,6 25 5,10 122, ,6 26 5,10 210, ,3 27 5,10 220, ,10 261, ,52 122, , ,52 124, , ,52 232, ,52 310, ,52 320, ,52 540, ,05 540, ,05 323, ,25 313, ,25 132, ,45 132, ,45 45, ,45 45, , ,72 45, , ,0 150,0 117, ,0 145,0 138,3

101 Tempo de Construção, Investimento e Operação de Termelétrias Para a avaliação termoeonômia e o estudo de sensibilidade é neessário determinar os ustos de investimento das onfigurações, algumas araterístias de operação e os preços de omerialização do gás natural e da eletriidade gerada. A seguir são apresentadas essas araterístias para as plantas propostas neste trabalho Estimativa do Custo dos Equipamentos A estimativa do usto dos equipamentos que ompõem a termelétria em suas quatro onfigurações exige que se onheça o tipo de equipamento, dimensões, faixas de operação e materiais usados na onstrução. Segundo Bejan et al. (1996), a qualidade dos preços obtidos depende da qualidade e da quantidade de informações disponíveis, bem omo das fontes de informações utilizadas. As melhores estimativas de preço são obtidas através da onsulta a fabriantes. Para projetos de grande porte reomenda-se que pelo menos os preços dos equipamentos mais aros sejam obtidos desta forma. Esta metodologia, entretanto, pode ser muito demorada dependendo do tipo e porte dos equipamentos. Outra fonte de informação importante e que também deve ser onsiderada é baseada na opinião de pessoas experientes. Empresas oneituadas podem riar banos de dados espeífios para uso em proessos de estimativa de preços de equipamentos. Uma das formas de se fazer esta estimativa é através da extrapolação a partir de preços de equipamentos onheidos. A onversão de usto em relação à apaidade ou tamanho do equipamento pode ser feita omparando-se equipamentos iguais, mas de tamanho ou apaidade diferentes, de aordo om a seguinte orrelação (Bejan et al., 1996): α S y C = y Cx (5.1) S x onde: C y - Custo do equipamento y que se deseja determinar (US$); C x - Custo do equipamento x onheido (US$); S y - Variável de onversão (tamanho ou apaidade) do equipamento y ; S x - Variável de onversão (tamanho ou apaidade) do equipamento x ; α - Fator de esala em função do tipo de equipamento.

102 79 O ponto desfavorável em relação a esta metodologia é o fato de ada omponente ser araterizado por apenas um parâmetro assoiado a sua apaidade, sendo desprezada a qualidade do equipamento e o nível de tenologia usada na sua onstrução. Neste trabalho, os ustos dos equipamentos foram estimados através de informações obtidas om fabriantes de equipamentos, omparações om equipamentos de apaidades diferentes e, também, a partir de dados enontrados na literatura. A seguir são mostrados os ustos dos equipamentos que ompõem as plantas térmias propostas para esse trabalho: Turbina a Gás O usto total da turbina a gás utilizada (PG6101 6FA) foi obtido em Gas Turbine World Handbook ( ). O usto dos equipamentos da turbina foi dividido, seguindo a proposta utilizada por Gomes (2001), de aordo om o mostrado na Tabela 5.9. Tabela 5.9 Custo de investimento da turbina a gás. Equipamentos % Custo (US$) Compressor Câmara de Combustão Turbina Gerador Total Caldeira de Reuperação Foram propostos sistemas de ilo ombinado om aldeiras de reuperação om um, dois e três níveis de pressão. O usto de ada aldeira de reuperação varia onforme o número de troadores de alor (superaqueedores, evaporadores e eonomizadores) e da omplexidade em relação à instrumentação, ontrole e montagem, de aordo om a onfiguração esolhida. O usto total de ada aldeira foi estimado segundo Modesto (2004), que propõe que o usto total da aldeira de reuperação seja de 11 % do usto da turbina a gás para aldeira de reuperação om um nível de pressão, 23% para dois níveis de pressão e de 37% para três níveis de pressão.

103 80 Para enontrar o usto dos troadores de alor foi onsiderado o usto de ada omponente omo sendo proporional ao alor transferido por eles. Os valores enontrados para os ustos da aldeira de reuperação são mostrados na Tabela Tabela 5.10 Custos de investimento das aldeiras de reuperação. Equipamento 1 nível de pressão (US$) 2 níveis de pressão (US$) 3 níveis de pressão (US$) Superaqueedor alta Superaqueedor média Superaqueedor baixa Evaporador de alta Evaporador de média Evaporador de baixa Eonomizador de alta Eonomizador de alta Eonomizador de média Eonomizador de baixa Total Desaerador O usto do desaerador foi estimado tendo omo base um desaerador operando a uma pressão de 8,74 bar om usto de US$ , apliando-se um fator α igual a 0,6 (Modesto, 2004), resultando no usto dos desaeradores de ada sistema, omo mostrado na Tabela Tabela 5.11 Custo de investimento do desaerador. Desaerador Pressão de Operação (kpa) Custo (US$) 1 nível níveis 288, níveis 291,

104 81 Turbina a Vapor Para o usto da turbina a vapor utilizou-se o valor de α igual a 0,9. Segundo Gomes (2001), uma turbina a vapor de 265 MW tem um usto de US$ Considerando-se estes valores de referênia para o álulo do usto das turbinas a vapor onsideradas em ada ilo, temos a Tabela Tabela 5.12 Custo de investimento da turbina a vapor. Turbina a Vapor Potênia (MW) Custo (US$) 1 nível 2 níveis 3 níveis 1 nível 2 níveis 3 níveis TV Alta TV Média TV Baixa Total Condensador O usto do ondensador é alulado baseado no usto obtido por Modesto (2004), estimado em US$ 3000 para ada 10 kw de alor transferido. Entretanto, a quantidade de alor transferido em ada onfiguração é diferente, assim, utilizando-se a Equação (5.1) om α igual a 0,6, o usto para os ondensadores é mostrado na Tabela Tabela 5.13 Custo de investimento do ondensador. Condensador Calor Transferido (kw) Custo (US$) 1 nível níveis níveis Bombas O usto das bombas foi estimado onsiderando-se que uma bomba om potênia de 315 kw possui um usto estimado de US$ (Modesto, 2004) e utilizando-se o fator α igual a 0,48. Com a Equação (5.1) alulam-se os ustos para as bombas nas três onfigurações, mostrados na Tabela 5.14.

105 82 Tabela 5.14 Custo de investimento das bombas. Turbina a Vapor Potênia (kw) Custo (US$) 1 nível 2 níveis 3 níveis 1 nível 2 níveis 3 níveis Bomba de Condensado 11,5 13,7 13, Bomba de Pressão Intermediária , Bomba de Alta Pressão 486,2 494,2 419,

106 Investimentos de Capital e Suposições Eonômio-Finaneiras Introdução Várias são as araterístias que levam à tomada de deisão quanto à onfiguração do sistema de produção de energia a ser implementado. Mesmo assim, avaliar um novo sistema requer a introdução de diversos fatores que não dependem exlusivamente das tenologias utilizadas ou araterístias de demanda, mas também de parâmetros eonômios. Segundo Lima (2001), para um sistema de ogeração os três prinipais parâmetros eonômios para a instalação de uma planta são: o usto do ombustível onsumido, o usto da eletriidade omprada e o valor de venda de exedentes. Mas há também, outros parâmetros relevantes que servem omo dados de entrada para a elaboração de uma análise de sensibilidade do investimento de apital, em termos de ustos e tempo de retorno sobre o investimento, que são: taxas de interesse ou de desonto, usto da água, fator de arga da instalação, taxas de âmbio, impostos, vida útil da instalação, et Suposições para Análise de Sensibilidade Eonômia Cronograma de Investimentos Atualmente, om o número de plantas termelétrias de ilo ombinado aumentando em todo o mundo, os prazos de entrega de turbinas a gás têm aumentado, o que torna o tempo de espera inerto. A menos deste inonveniente, o prazo de onstrução de uma usina termelétria não exede 2 anos. Para os sistemas em análise, espera-se de 18 a 24 meses para implantação, om 1/3 do investimento total no primeiro ano de implantação e os outros 2/3 no segundo (Guarinello Júnior, 1997). Vida Útil da Instalação O período de amortização onsiderado é de 20 anos, pois aima deste período os ustos om manutenção elevam-se muito. Os valores de venda dos equipamentos ao fim de sua vida útil são desonsiderados.

107 84 Taxa de Juros A taxa de juros geralmente depende da origem do apital a ser utilizado. Guarinello Júnior (1997), por exemplo, reomenda uma taxa anual de 15% para investimentos de riso e 12% para investimentos mais seguros. Nesse trabalho, a taxa de juros adotada é de 12% ao ano, que é a mesma utilizada por Bejan et al. (1996) para sistemas de ogeração. Custos de Mão de Obra Operaional e de Manutenção Vários são os parâmetros para omparação entre os ustos de manutenção de uma planta térmia. Estes ustos representam uma onsiderável parela do usto total de produção e podem afetar sensivelmente a análise eonômia. Carvalho & Nogueira (1996), estimam o usto de manutenção entre 1 e 3% do usto total do apital investido. O usto de mão de obra operaional é mínimo, e pode-se indiar que, graças ao não manuseio de ombustível e ao alto grau de automação que se pode alançar em uma termelétria de ilo ombinado, o número de operários é omparativamente pequeno em relação às térmias tradiionais. Neste trabalho, é adotado um usto de operação e manutenção das plantas térmias da ordem de 5 % do apital investido nas mesmas (Bejan et al., 1996). Regime de Operação A jornada anual é determinada segundo os prazos requeridos para manutenção e eventuais períodos de redução de proessamento. Considerando que ada turbina a gás requer uma semana de parada para manutenção e que nesse mesmo tempo pode-se fazer a manutenção simultânea dos demais equipamentos, o tempo total de parada é de 160 horas anuais. Assim, a jornada de operação, exluindo-se o período de manutenção para a termelétria, orresponde a 8600 horas por ano, onsiderando a operação a plena arga. Custo do Combustível O preço do gás natural para as usinas térmias integrantes do PPT é estabeleido pela Portaria Interministerial N o 234, estabeleida pelos Ministérios de Minas e Energia e da Fazenda em 22 de julho de 2002 (MME, 2002). Atualmente, este preço é de US$ 2,581/MMBTU (US$ 2, /kj) tendo om data base 24 de Julho de 2002.

108 85 Levantamento do Capital Total Investido A segunda etapa no proesso de análise eonômia é o levantamento do apital total a ser investido. Este valor diferenia-se por inluir, além dos preços dos equipamentos, os ustos de transporte, instalação, onstrução ivil, infra-estrutura de apoio e outros. Em suma, todo o apital a ser gasto efetivamente no proesso de onstrução do sistema, inluindo os juros nesse período. Basiamente duas metodologias são usadas para o levantamento do Capital Total Investido (CTI), sendo que a primeira baseia-se nos preços dos equipamentos e, a partir deles, faz a estimativa do CTI e a segunda estima diretamente o CTI a partir de parâmetros operaionais da planta em questão (Logrado, 2000). Neste trabalho foi utilizada a primeira proposta, adaptada às ondições brasileiras, sendo que os valores da distribuição dos ustos são apresentados na Tabela Tabela 5.15 Distribuição dos ustos diretos e indiretos (apital e ustos de operação). Distribuição dos Custos Custo da Instalação (%) Cilo Combinado Turbina a Gás Custos Diretos Equipamentos Instalação Tubulações Instrumentação e ontrole 8 5 Instalações elétrias 5 5 Engenharia e arquitetura Infra-estrutura e apoio 5 5 Custos Indiretos Engenharia e supervisão 12,4 11,92 Construção ivil 15,5 14,90 Imprevistos 9,15 8,79 Custo de manutenção 5 5 Custo Total 197,5 189,61

109 86 Custos Totais O usto total de investimento em ada proposta de ilo é alulado pela soma de seus omponentes e são mostrados na Tabela Tabela 5.16 Custo de investimento total de ada onfiguração. Configuração Custo Total de Investimento (US$) Custo Espeífio (US$/kW) Caso ,6 Caso Caso Caso O usto total deve ser amortizado durante o período de vida útil da planta. Assim, o valor a ser amortizado pode ser alulado usando a formulação proposta por Bejan et al. (1996): A = CTI j( 1 + j) N ( 1 + j) N 1 (5.2) onde: A - Valor da amortização; CTI - Valor do investimento; j - Taxa anual de juros; N - Período de amortização. Utilizando um período de 20 anos para o período de amortização e a taxa de juros de 12% ao ano, além de um período de operação de 8600 horas por ano, alulam-se os ustos em (US$/s) durante o período de amortização. As Tabelas 5.17 a 5.20 mostram os valores alulados para os ustos de investimento, total, amortização anual e a taxa de amortização anual ( Z & ), de ada um dos equipamentos para as onfigurações adotadas. Com esses valores é possível determinar as variáveis neessárias para os balanços e os ustos monetários para ada aso. Os mesmos valores são mostrados grafiamente na Figura 5.5, permitindo a visualização dos prinipais equipamentos que formam o usto total dos investimentos para ada aso.

110 87 Tabela 5.17 Custos de amortização para os omponentes do ilo a gás (Casos 1 a 4). Componente Custo Investimento Custo Total Amortização Z & (US$) (US$) (US$/ano) (US$/s) Compressor ,04614 Câmara de Combustão ,00923 Expansor ,04614 Gerador ,08306 Tabela 5.18 Custos de amortização para ada omponente do ilo a vapor (Caso 2). Componente Custo Investimento Custo Total Amortização Z & (US$) (US$) (US$/ano) (US$/s) Caldeira ,02115 Turbina ,13195 Condensador ,00735 Desaerador ,00783 Bomba de Condensado , ,00066 Bomba Pressão , ,00395 Tabela 5.19 Custos de amortização para ada omponente do ilo a vapor (Caso 3). Componente Custo Investimento Custo Total Amortização Z & (US$) (US$) (US$/ano) (US$/s) Caldeira ,04422 Turbinas de Alta ,08957 Turbinas de Baixa ,06358 Condensador ,00818 Desaerador ,00779 Bomba de Condensado ,00071 Bomba Pressão ,00398

111 88 Tabela 5.20 Custos de amortização para ada omponente do ilo a vapor (Caso 4). Componente Custo Investimento Custo Total Amortização Z & (US$) (US$) (US$/ano) (US$/s) Caldeira ,07113 Turbina de Alta ,05003 Turbina de Média ,05396 Turbina de Baixa ,06341 Condensador ,00812 Desaerador ,00784 Bomba de Condensado ,00072 Bomba Alimentação ,00186 Bomba Alimentação ,00367 (US$) Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso TG CR TV CO DA Bombas Total Figura 5.5 Contribuição de ada equipamento na formação dos investimentos totais em ada aso estudado.

112 Apresentação do Modelo de Análise Termoeonômia Conforme dito anteriormente, a teoria do usto exergétio foi a metodologia empregada para determinação dos ustos dos prinipais fluxos dos sistemas onsiderados. Para determinar os ustos exergoeonômios são neessários as equações de balanço e o usto de amortização anual ( Z & ) de ada equipamento nos volumes de ontrole do sistema e as equações auxiliares. Nas Tabelas 5.21 a 5.24 são apresentadas as equações para ada um dos quatro asos propostos, respetivamente. Vale ressaltar, que a numeração das equações segue a numeração apresentada nas Figuras 5.1 a 5.4. O usto exergétio para ada onfiguração foi alulado utilizando as mesmas equações de balanço, omitindo apenas os ustos de amortização anuais e onsiderando o usto exergétio do gás omo sendo unitário ( gn = 1) Tabela 5.21 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso 1. Componente Entradas Saídas Eq. Auxiliar Compressor 1E & + 1 Z& 2E & 2 TGW& 0 1 = Câmara de ombustão Turbina de potênia Gerador & & + & 2E2 + 3 E3 Z gn gn 4 TG 4 E4 Z exp 4E & 3gn & + & 5E & 5 + TGW& 0 exp 5 = W& & + & exp TGW Z W ge TGele TGele & -

113 90 Tabela 5.22 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso 2. Componente Entradas Saídas Eq. Auxiliar Compressor 1E & + 1 Z& 2E & 2 TGW& 0 1 = Câmara de ombustão Turbina de potênia Gerador Superaqueedor Evaporador de alta Eonomizador de alta Evaporador de baixa Eonomizador de baixa Desaerador Bomba de alimentação Bomba de ondensado Turbina a vapor Condensador Gerador da turbina a vapor Custo Médio & & + & 2E2 + 3 E3 Z gn gn 4 TG 4 E4 Z exp 4E & 3gn & + & 5E & + 5 TGW& exp 4 = 5 W& & + & exp TGW Z W ge TGele TGele & & + & 5E5 + 18E18 Z SA 6 E6 19E19 & & + & 6 E E17 Z EVA 7 E7 18E18 & & + & 7 E E16 Z ECA 8E8 17 E17 & & + & 8E8 + 13E13 Z EVB 9E9 14E14 & & + & 9E9 + 11E11 Z ECB 10E10 12E12 & & + & 12E E14 Z DA 13E13 15E15 15E15 Z BA & - & + & 5 = 6 & + & 6 = 7 & + & 7 = 8 & + & 8 = 9 & + & 10 = 0 & + & 13 = 15 & + & 16 E& 16 TV W& BA - & + & 11E& 11 TV W& BC - 23E23 Z BC & + & 21E & 21 + TVW& TV 20 = 21 20E20 ZTV & & + & 21E E31 ZCD 32E32 22E22 TVele TVW & + TV Z& W ge TVele TV ele TVele TGele TGele ele ele & + & 21 = 22 & - W & + 2 W& (W& + 2W& ) - m TV ele TGele

114 91 Tabela 5.23 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso 3. Componente Entradas Saídas Eq. Auxiliar Compressor 1E & + 1 Z& 2E & 2 TGW& 0 1 = Câmara de ombustão Turbina de potênia Gerador Superaqueedor de alta Evaporador de alta Eonomizador de alta Superaqueedor de baixa Evaporador de baixa Eonomizador de baixa Desaerador Bomba de alimentação Bomba de ondensado Turbina a vapor de alta & & + & 2E2 + 3 E3 Z gn gn 4 TG 4E4 Z exp exp 4E & 3gn & + & 5E & + 5 TGW& exp 4 = 5 W& W& + Z& TG & & + & ge W & - TGele TG ele 5E5 + 22E22 Z SA 6 E6 23E23 & & + & 6 E6 + 21E21 Z EVA 7 E7 22E22 & & + & 7 E7 + 20E20 Z ECA 8E8 21E21 & & + & 8E E17 Z SB 9E9 18E18 & & + & 9E9 + 14E14 Z EVB 10E10 15E15 & & + & 10E E12 Z ECB 11E11 13E13 & & + & 13E E16 Z DA 14E14 19E19 19E19 Z BA & + & 5 = 6 & + & 6 = 7 & + & 7 = 8 & + & 8 = 9 & + & 9 = 10 & + & 11 = 0 & + & 14 = 19 & + & 20E& 20 TV W& BA - & + & 12E& 12 TV W& BC - 29E29 Z BC & + & 25E & 25 + TVAW& TVA 24 = 25 24E24 ZTVA Junção 25E & E& E& 26 - Turbina a vapor de baixa Condensador Gerador das turbinas vapor Custo Médio TVA & + & 27 E& 27 + TVBW& TVB 26 = E26 ZTVB & & + & 27 E E30 ZCD 28E28 31E31 W& + W& + Z& TVele TVA TVele TVB TVB TGele TGele ge ele ele & + & 27 = 28 W & - TVele TV ele W & + 2 W& (W& + 2W& ) - m TV ele TGele

115 92 Tabela 5.24 Balanço dos ustos exergoeonômios para o Caso 4. Componente Entradas Saídas Compressor Câmara de ombustão Turbina de potênia Gerador Superaqueedor de alta Evaporador de alta 1E1 Z Equação Auxiliar & + & 2E & 2 TGW& 0 1 = & & + & 2E2 + 3 E3 Z gn gn 4 TG 4 E4 Z exp 4E & 3gn & + & 5E & + 5 TGW& exp 4 = 5 W& & + & exp TGW Z W ge TGele TGele & & + & & - 5E5 + 33E33 ZSA 6 E6 34E34 & & + Eonomizador de alta 2 7 E& 7 31E& 31 + Z& ECA2 Superaqueedor de média Evaporador de média Eonomizador de média & 6 E6 + 32E32 Z EVA 7 E7 33E33 + 8E8 32E32 & & + & 8E E27 Z SM 9E9 28E28 & & + & 9E E26 Z EVM 10E10 27 E27 & & + Eonomizador de alta 1 11E & E& 30 + Z& ECA1 Superaqueedor de baixa Evaporador de baixa Eonomizador de baixa Desaerador & 10E E25 Z ECM 11E11 26 E E12 31E31 & & + & 12E E21 Z SB 13E13 22E22 & & + & 13E E18 Z EVB 14E14 19E19 & & + & 14E E16 Z ECB 15E15 17 E17 & & + Bomba de alimentação 1 23E & 23 + Z& BA1 Bomba de alimentação 2 29E & 29 + Z& BA2 Bomba de ondensado Turbina a vapor de alta & 17 E E20 Z DA 18E18 23E23 42E42 Z BC & + & 5 = 6 & + & 6 = 7 & + & 7 = 8 & + & 8 = 9 & + & 9 = 10 & + & 10 = 11 & + & 11 = 12 & + & 12 = 13 & + & 13 = 14 & + & 15 = 0 & + & 18 = 23 & & - 24E24 TV ele WBA 1 & & - 30 E30 TV ele WBA 2 & + & 16 E& 16 TV W& BC - & + & 36 E& 36 + TVAW& TVA 35 = 36 35E35 ZTVA Junção E& E& E& 37 - Turbina a vapor de média & + & 38 E & + 38 TVMW& TVM 37 = E37 ZTVM Junção E& E& 38 & 39E39 - Turbina a vapor de baixa Condensador Gerador turbinas a vapor Custo Médio do ilo TVA TVA & + & 40E & 40 + TVBW& TVB 39 = 40 39E39 ZTVB & & + & 40E E43 ZCD 41E41 44E44 W & + W& + W& + Z& TVele TVM TVele TMA TVB TGele TVB TGele ge ele & + & 40 = 41 W & - TVele TV ele W& + 2 W& (W& + 2W& ) - m TV ele TGele

116 93 Capítulo 6 Resultados e Disussões 6.1. Análise de Parâmetros Apresenta-se nessa seção, a influênia de alguns parâmetros no estudo de ilos ombinados, tais omo: temperatura ambiente, pressão na saída da turbina a gás, pinh point, pressão de irulação, extrações e pressão de alta. Temperatura Ambiente A Figura 6.1 mostra a variação do rendimento do ilo e da potênia total produzida em função da temperatura ambiente, para o aso om aldeira de reuperação om 1 nível de pressão. 0,41 0, ηilo 0, W T (kw) 0, , T amb (ºC) Figura 6.1 Variação do rendimento e da potênia total produzida em função da temperatura ambiente, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão. Pode-se pereber a grande influênia da temperatura ambiente no rendimento, de até 2,8 pontos perentuais, e na potênia do ilo, de até 32,5 MW, para uma variação típia de 15 a 45ºC, sendo esta influênia ainda mais signifiativa para os ilos om mais de 1 nível de pressão. Arrieta & Lora (2003) sugerem omo alternativa para diminuir a influênia da temperatura ambiente para manter a potênia do ilo onstante, a utilização de queima suplementar na aldeira, mesmo que isso diminua ainda mais seu rendimento.

117 94 Pressão na Saída da Turbina a Gás Um parâmetro bastante sensível é a pressão de saída na turbina a gás. A Figura 6.2 mostra a variação da potênia e da temperatura de saída em função da pressão de saída W TG (kw) T saída (ºC) P saída (kpa) Figura 6.2 Variação da potênia da turbina a gás e da temperatura de saída em função da pressão de saída na turbina a gás, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão. Como pode ser visto na Figura 6.2, para uma variação de 5 kpa, a potênia na turbina a gás pode variar em até 2 MW. Entretanto, há um aumento na entalpia dos gases na saída da turbina a gás e essa energia é aproveitada na aldeira de reuperação, porém de forma menos efetiva devido às menores efiiênias dos omponentes do ilo a vapor se omparado aos omponentes do ilo da turbina a gás no proesso. A Figura 6.3 mostra a variação da potênia da turbina a gás e da potênia da turbina a vapor, separadamente, em função da pressão de saída da turbina a gás e a Figura 6.4 mostra a influênia da perda de arga do lado dos gases na potênia total do ilo ombinado om aldeira de reuperação om 1 nível de pressão. Em ambas as figuras observa-se que é importante o ontrole da perda de arga na aldeira de reuperação através da limpeza e manutenção de seus equipamentos, prinipalmente do lado dos gases.

118 W TG W (kw) W TV P saída (kpa) Figura 6.3 Variação da potênia da turbina a gás e da turbina a vapor, em função da pressão de saída na turbina a gás, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão W T (kw) P saída (kpa) Figura 6.4 Variação da potênia total do ilo ombinado em função da pressão de saída na turbina a gás, para ilo ombinado om aldeira om 1 nível de pressão. Pinh Point A Figura 6.5 mostra a variação da potênia produzida na turbina a vapor e da efiiênia da aldeira de reuperação de aordo om a temperatura do pinh point, para ilo ombinado om aldeira de reuperação om 1 nível de pressão.

119 ,76 0,74 W TV (kw) ,72 0,70 0,68 0,66 0,64 0,62 ηcr T PP (ºC) 0,60 Figura 6.5 Variação da potênia da turbina a vapor e da efiiênia da aldeira de reuperação om 1 nível de pressão em função do pinh point. Como pode ser visto, para um menor pinh point, maior é a efiiênia da aldeira de reuperação e, onseqüentemente, há um aumento na potênia produzida, entretanto, quanto menor o pinh point, maior é o usto da aldeira de reuperação, pois a área de troa de alor aumenta onsideravelmente (Tolmasquim et al., 1999). Pressão de Cirulação A Figura 6.6 mostra a influênia da pressão do ondensado que entra na aldeira de reuperação om 1 nível de pressão sobre a sua efiiênia. 0,7453 0,7452 ηcr 0,7451 0, P ond (kpa) Figura 6.6 Variação da efiiênia da aldeira de reuperação om 1 nível de pressão em função da pressão do ondensado.

120 97 Como pode ser visto, a efiiênia da aldeira de reuperação varia pouo om a pressão de entrada do ondensado, devido à pequena influênia da pressão sobre a entalpia da água. Apesar de pouo modifiar a efiiênia da aldeira, esse parâmetro influenia o usto de alguns equipamentos e aessórios, omo a bomba, o desaerador e as tubulações. Extrações A extração de vapor na aldeira de reuperação é uma questão interessante na análise, pois, além de influeniar no rendimento do ilo omo um todo, pode ser um parâmetro importante se o vapor for onsiderado um produto da planta. A Figura 6.7 mostra que a potênia e a efiiênia da aldeira de reuperação om 2 níveis de pressão se elevam em função do vapor extraído , ,89 W TV (kw) ,88 0,87 0,86 0,85 ηcr , ,83 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 m (kg/s) Figura 6.7 Variação da potênia e da efiiênia da aldeira de reuperação om 2 níveis de pressão em função da extração de vapor. Uma maior extração de vapor a baixa pressão tem influênia direta na efiiênia da aldeira e, onseqüentemente, na potênia produzida na turbina a vapor, devido ao melhor aproveitamento do alor dos gases de exaustão. Por sua vez, a extração é limitada pela temperatura dos gases de exaustão na saída da aldeira de reuperação para evitar a orrosão devido ao áido sulfúrio formado a partir do enxofre presente no gás ombustível. A ondensação provoa a diminuição da vida útil dos equipamentos. Vale ressalta que o omportamento da aldeira de reuperação om 3 níveis de pressão é similar. Pressão de Alta A Figura 6.8 mostra a variação da potênia na turbina a vapor e a efiiênia da aldeira

121 98 de reuperação om 1 nível de pressão em função da pressão de alta na turbina a vapor. Foi observado que, quanto maior a pressão de operação na aldeira menor será a produção de vapor, diminuindo o aproveitamento dos gases de exaustão. Como onseqüênia disso, menor será sua efiiênia. Por sua vez, a potênia na turbina a vapor aumenta om a pressão, pois o salto entálpio entre a entrada e saída da turbina a vapor também aumenta ,92 0,91 W TV (kw) ,90 0,89 0,88 ηcr 0, P alta (kpa) Figura 6.8 Variação da potênia da turbina a vapor e da efiiênia da aldeira om 1 nível de pressão em função da pressão de alta na turbina a vapor. O aumento da potênia pode ser observado pelo omportamento do título na saída da turbina a vapor, que diminui onforme o aumento da pressão, omo mostra a Figura 6.9. Isso signifia que uma maior parte da energia do vapor esta sendo onvertida em potênia elétria no gerador. 0,94 0,92 x 0,90 0,88 0, P alta (kpa) Figura 6.9 Título do vapor em função da pressão de alta na turbina a vapor na aldeira de reuperação om 1 nível de pressão.

122 Resultados da Análise Termodinâmia A análise termodinâmia foi realizada sobre ada equipamento que ompõe os asos estudados e, também, sobre os onjuntos apresentados na Tabela 6.1. Conjunto Turbina a gás Tabela 6.1 Conjuntos onsiderados na análise termodinâmia. Equipamentos Compressor, âmara de ombustão, expansor e gerador elétrio. Caldeira de Reuperação Eonomizadores, evaporadores e superaqueedores. Cilo Rankine Cilo global Caldeira de reuperação, bombas, turbinas a vapor, ondensadores e desaeradores. Todos equipamentos envolvidos. As Tabelas 6.2 a 6.5 apresentam as efiiênias pela segunda lei (ψ ), as potênias (W & ) produzidas, onsumidas ou troadas em ada equipamento, bem omo suas irreversibilidades ( I & ) geradas e o quanto elas ontribuem para a irreversibilidade total em ada aso estudado, destaando os onjuntos onsiderados na Tabela 6.1. Tabela 6.2 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso 1. Componente ψ W & (kw) I & (kj/kg) δ (%) Compressor (CP) 0, ,47 Câmara de Combustão (CC) 0, ,69 Turbina de Potênia (TB) 0, ,84 Gerador (G) Turbina a Gás 0, Cilo Global 0,

123 100 Tabela 6.3 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso 2. Componente ψ W & (kw) I & (kj/kg) δ (%) Compressores (CP) 0, ,89 Câmaras de Combustão (CC) 0, ,66 Turbinas de Potênia (TB) 0, ,74 Geradores (G) Turbinas a Gás 0, ,29 Superaqueedores (SUA) 0, ,92 Evaporadores de Alta (EVA) 0, ,78 Eonomizadores de Alta (ECA) 0, ,71 Evaporadores de Baixa (EVB) 0, ,24 Eonomizadores de Baixa (ECB) 0, ,42 Caldeiras de Reuperação 0, ,07 Desaeradores (DA) 0, ,34 Bombas de Condensado (BC) 0, Bombas de Alimentação (BA) 0, ,08 Turbina a Vapor (TV) 0, ,73 Condensador (CO) 0, ,49 Cilo Rankine 0, ,71 Cilo Global 0,

124 101 Tabela 6.4 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso 3. Componente ψ W & (kw) I & (kj/kg) δ (%) Compressores (CP) 0, ,91 Câmaras de Combustão (CC) 0, ,34 Turbinas de Potênia (TB) 0, ,74 Geradores (G) Turbinas a Gás 0, ,00 Superaqueedores Alta (SUA) 0, ,79 Evaporadores de Alta (EVA) 0, ,77 Eonomizadores de Alta (ECA) 0, ,47 Superaqueedores Baixa (SUA) 0, ,09 Evaporadores de Baixa (EVB) 0, ,32 Eonomizadores de Baixa (ECB) 0, ,88 Caldeiras de Reuperação 0, ,32 Desaeradores (DA) 0, ,03 Bombas de Condensado (BC) 0, Bombas de Alimentação (BA) 0, ,08 Turbina a Vapor Alta (TV1) 0, ,45 Turbina a Vapor Baixa (TV2) 0, ,12 Misturador (M) ,04 Condensador (CO) 0, ,96 Cilo Rankine 0, ,00 Cilo Global 0,

125 102 Tabela 6.5 Efiiênia de 2ª lei, potênia e irreversibilidade dos equipamentos do Caso 4. Componente ψ W & (kw) I & (kj/kg) δ (%) Compressores (CP) 0, ,96 Câmaras de Combustão (CC) 0, ,53 Turbinas de Potênia (TB) 0, ,83 Geradores (G) Turbinas a Gás 0, ,32 Superaqueedores Alta (SUA) 0, ,83 Evaporadores de Alta (EVA) 0, ,81 Eonomizadores de Alta 1 (ECA1) 0, ,38 Superaqueedores Média (SUM) 0, ,05 Evaporadores de Média (EVM) 0, ,51 Eonomizadores de Média (ECM) 0, ,10 Eonomizadores de Alta 2 (ECA2) 0, ,39 Superaqueedores Baixa (SUB) 0, ,01 Evaporadores de Baixa (EVB) 0, ,25 Eonomizadores de Baixa (ECB) 0, ,74 Caldeiras de Reuperação 0, ,07 Desaeradores (DA) 0, ,07 Bombas de A1 (BA1) 0, ,02 Bombas de A2 (BA2) 0, ,07 Bombas de Cons (BC) 0, ,5 0 Turbina a Vapor Alta (TV1) 0, ,90 Turbina a Vapor Média (TV2) 0, ,41 Turbina a Vapor Baixa (TV3) 0, ,15 Misturador (M1) - - 0,5 0,00 Misturador (M2) ,02 Condensador (CO) 0, ,97 Cilo Rankine 0, ,68 Cilo Global 0, A Tabela 6.6 apresenta os rendimentos dos equipamentos omo um todo (Turbinas a gás e aldeiras de reuperação) e dos ilos Rankine e globais para os asos estudados, alulados a partir dos parâmetros forneidos.

126 103 Tabela 6.6 Rendimentos dos onjuntos, dos ilos Rankine e dos ilos totais. Componente Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Turbinas a Gás 0,2701 0,2697 0,2696 0,2693 Caldeiras de Reuperação - 0,7452 0,8686 0,8765 Cilo Rankine - 0,3485 0,3290 0,3435 Cilo Global 0,2701 0,3878 0,3990 0,4057 Diante da apresentação dos resultados foi possível estudar melhor ada onfiguração proposta e observar mais uidadosamente ada omponente do ilo e sua importânia para o onjunto em ada aso, além de possibilitar uma omparação riteriosa entre os asos. A Figura 6.10 mostra a potênia meânia líquida gerada em ada aso proposto para a planta termelétria. Tomando o Caso 1 (ilo aberto) omo referênia, pode se notar um aumento de potênia de 128,3 MW, 140,5 MW e 147,8 MW para os Casos 2, 3 e 4 (ilos ombinados), respetivamente, devido ao melhor aproveitamento do ombustível, através da reuperação dos gases de exaustão das turbinas a gás. Comparando a potênia líquida entre os ilos ombinados verifia-se um aumento do Caso 2 para o Caso 3 de 2,8 % (12,2 MW), e do Caso 3 para o 4 de 1,6 % (7,3 MW). Isso se deve, prinipalmente, a melhoria da efiiênia da aldeira de reuperação à medida que se aumenta o número de níveis de pressão. O menor aumento do Caso 3 para Caso 4 oorre devido à proximidade das efiiênias das aldeiras de reuperação de 2 e 3 níveis e a perda de pressão dos gases de exaustão nos seus equipamentos que reduzem a potênia da turbina a gás. 500,0 422,8 435,0 442,3 400,0 (MW) 300,0 294,5 200,0 Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.10 Comparação entre as potênias líquidas produzidas em ada aso estudado.

127 104 Com relação a variação do rendimento térmio baseado na primeira e na segunda lei da termodinâmia para as turbinas a gás, verifia-se que em todos os asos os valores dos rendimentos são próximos, sendo que as variações são devidas às diferentes perdas de pressão do lado dos gases na aldeira de reuperação, ausadas pelos diferentes números de equipamentos nas aldeiras em ada aso. Com o aumento dessas perdas, a pressão na saída da turbina a gás deve ser maior, diminuindo a efiiênia e a potênia. Essa araterístia meree atenção espeial no que diz respeito à manutenção, pois é preiso garantir a mínima perda de arga do lado dos gases para que não haja a diminuição da potênia do ilo. Essa araterístia foi disutida no item 6.1, onde é mostrada a influênia da pressão na saída da turbina a gás sobre a potênia. A Figura 6.11 mostra o aumento dos rendimentos om base na primeira lei e na segunda lei para o ilo global, para ada onfiguração de aldeira de reuperação. Pode-se observar o aumento do rendimento do ilo ombinado om relação ao ilo aberto de 11,7 até 13,6 pontos perentuais no rendimento da primeira lei, onforme o aso. O aumento do rendimento global da primeira lei nos Casos 2, 3 e 4, respetivamente, é pequeno porque esse parâmetro sofre maior influênia da potênia produzida nas turbinas a gás, que são próximas em todos os asos, ou seja, mesmo om o ganho de potênia nas turbinas a vapor, devido aos diferentes níveis de pressão na aldeira de reuperação, o rendimento global é pouo afetado. Na avaliação do rendimento global baseado na segunda lei, o aumento do ilo ombinado om relação ao o ilo aberto é de 14,8 até 17,1 pontos perentuais, onforme o aso. Entre os Casos 2, 3 e 4, o aumento é de 1,41 pontos perentuais do Caso 2 para o Caso 3 e de 0,84 pontos perentuais do Caso 3 para o Caso 4. 0,60 0,50 0,40 0,3403 0,4887 0,5028 0,5112 0,3878 0,399 0,4057 0,30 0,20 0,10 0,00 0,2701 Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Rendimento da 1ª Lei Rendimento da 2ª Lei Figura 6.11 Comparação entre o rendimento térmio global da primeira lei e da segunda lei em ada aso estudado.

128 105 Na Figura 6.12 são mostradas as efiiênias térmias da primeira lei e da segunda lei para as aldeiras de reuperação. 1,00 0,80 0,7452 0,7426 0,8686 0,8095 0,8765 0,8377 0,60 0,40 Efiiênia da 1ª lei Efiiênia da 2ª lei 0,20 0,00 Caso CR 12nível CR Caso 2 níveis 3 CR 3 Caso níveis 4 Figura 6.12 Comparação entre as efiiênias térmias da primeira lei e da segunda lei para as aldeiras de reuperação em ada aso estudado. O melhor desempenho das aldeiras de reuperação leva a um aumento de 6,18 MW na potênia gerada pelas turbinas a vapor da aldeira de 2 níveis om relação à de 1 nível de pressão e pelo arésimo de 3,87 MW na potênia gerada pelas turbinas a vapor da aldeira de 3 para 2 níveis de pressão. Segundo Böhm (1994), o uso de vários níveis de pressão onduz, de fato, ao aumento na efiiênia da planta, mas seu efeito é maior quando é ombinado om parâmetros mais elevados do vapor e é implementado o reaqueimento do vapor intermediário na turbina a vapor. Como era esperado, as maiores irreversibilidades oorrem na âmara de ombustão devido as diversas reações químias inerentes do proesso de ombustão do gás natural. As irreversibilidades que oorrem nos evaporadores de alta e superaqueedores de alta também são signifiativas em vista dos maiores saltos de temperaturas entre a entrada e saída de ada fluxo nesses equipamentos. Como pode ser observado, as vazões de vapor nas aldeiras são diferentes para os três asos. Assim, para fins de omparação, as irreversibilidades geradas nas aldeiras e nos ondensadores serão ponderadas om relação aos seus respetivos fluxos de vapor e os resultados obtidos são apresentados nas Figuras 6.13 e Como era esperado, o Caso 4 om aldeira om três níveis de pressão apresenta o melhor desempenho, pois as diferenças de temperatura entre seus fluxos são menores.

129 Ir/m (kj/kg) Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.13 Comparação entre as irreversibilidades geradas pelas aldeiras de reuperação em ada aso estudado Ir/m (kj/kg) Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.14 Comparação entre as irreversibilidades geradas pelos ondensadores em ada aso estudado. Para omparação entre as irreversibilidades das turbinas, foi utilizada a relação entre as irreversibilidades e a potênia produzida, os resultados estão na forma gráfia na Figura 6.15.

130 107 0,16 0,12 W/Ir Ir/W 0,08 0,04 0,00 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.15 Comparação entre as irreversibilidades geradas pelas turbinas a vapor em ada aso estudado.

131 Resultados da Análise Termoeonômia Conforme a metodologia apresentada na seção 5.4, foram obtidas as Tabelas 6.7 a 6.10 onde são mostrados os fluxos exergétios, os ustos exergétios unitários e os ustos exergoeonômios (US$/MWh), além dos ustos para as potênias produzidas nas turbinas a gás e nas turbinas a vapor e o usto médio da potênia para ada aso estudado. Tabela 6.7 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso 1. Fluxo Fluxo Exergétio Custo Exergoeonômio Custo Exergétio (kw) (US$/MWh) 1 34, , , ,085 20, Potênia ,093 36,26 Tabela 6.8 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso 2. Turbina a gás e gases de exaustão Fluxo Fluxo Exergétio Custo Exergoeonômio Custo Exergétio (kw) (US$/MWh) 1 34, ,4 1,776 21, , ,2 1,640 16, ,0 1,640 16, ,3 1,640 16, ,7 1,640 16, ,5 1,640 16, ,6 1,640 16, ,2 0 0 Cilo a Vapor 11 93,1 2,344 52, ,5 12, , ,7 9, , ,6 3,013 35, ,6 9, , ,6 8, , ,5 3,071 37, ,7 2,353 27, ,3 2,221 25, ,6 2,221 25, ,0 2,221 25, ,4 2,221 25, ,2 2,221 25,19 Pot. TG ,796 23,23 Pot. TV ,693 42,39 Média - 2,072 29,13

132 109 Tabela 6.9 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso 3. Turbina a gás e gases de exaustão Fluxo Fluxo Exergétio Custo Exergoeonômio Custo Exergétio (kw) (US$/MWh) 1 34, ,775 21, , ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, Cilo a Vapor ,3 2,178 51, ,347 53, ,2 3,884 60, ,407 31, ,4 2,407 31, ,407 31, ,402 31, ,884 60, ,727 64, ,268 31, ,043 25, ,001 24, ,001 24, ,001 24, ,076 25, ,076 25, ,5 2,076 25, ,8 2,076 25,59 Pot. TG ,795 23,22 Pot. TV ,423 41,55 Média - 2,001 29,22

133 110 Tabela 6.10 Fluxos de exergia e ustos exergétio unitário e exergoeonômio do Caso 4. Turbina a gás e gases de exaustão Fluxo Fluxo Exergétio Custo Exergétio Custo Exergoeonômio (US$/MWh) 1 34, ,775 21, , ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, ,640 16, Cilo a Vapor ,5 2,072 52, ,521 62, ,1 3,943 68, ,172 32, ,8 2,172 32, ,172 32, ,6 2,189 32, ,943 68, ,899 71, ,5 3,899 71, ,564 40, ,008 27, ,006 27, ,899 71, ,726 74, ,373 39, ,108 32, ,981 27, ,957 25, ,957 25, ,957 25, ,965 26, ,965 26, ,972 26, ,972 26, ,5 1,972 26, ,8 1,972 26,36 Pot. TG ,795 23,23 Pot. TV ,320 42,85 Média - 1,973 29,89

134 111 O usto exergétio unitário reflete as inefiiênias de ada subsistema sobre as potênias geradas nas turbinas a gás e nas turbinas a vapor. De aordo om a proposição adotada nas equações auxiliares, o usto exergétio unitário da potênia gerada nas turbinas a vapor aumenta, omo pode ser observado no Caso 2, onde o usto dos fluxos 12, 13, 15 e 16 são maiores omparados aos demais. Isso oorre pela atribuição de ustos iguais para todos os fluxos de gases de exaustão que passam pelos equipamentos da aldeira de reuperação e pela atribuição do usto nulo para o fluxo de esape, além da sua baixa efiiênia, pois os gases de exaustão nesse aso são liberados a temperatura mais alta do que nos Casos 3 e 4. Por exemplo, no eonomizador de baixa da aldeira do Caso 2 o usto exergétio do fluxo de esape (fluxo 10) é atribuído omo zero, fazendo om que o usto exergétio do fluxo 12 seja elevado. Nos Casos 3 e 4 a formação dos ustos dos fluxos oorre de maneira mais distribuída na aldeira de reuperação porque o maior número de equipamentos reduz as diferenças entre as temperaturas dos fluxos e, assim, diminuem os ustos exergétios dos mesmos, proporionando uma situação mais ondizente para a variação da formação dos ustos. A Figura 6.16 apresenta a omparação gráfia de ada usto exergoeonômio das potênias nas turbinas a gás, nas turbinas a vapor e o usto médio para os quatro asos onsiderados ,39 41,55 42,85 (US$/MWh) ,26 36,26 29,13 23,23 29,22 23,22 29,89 23,23 Pot. Média Potênia TG Potênia TV Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.16 Custo da potênia gerada nas turbinas a gás, nas turbinas a vapor e usto médio de geração em ada aso estudado. Pode-se observar que os ustos exergoeonômios médios são menores nos Casos 2 e 3, nos quais se empregam aldeiras de reuperação om 1 e 2 níveis de pressão, respetivamente. Isso oorre porque o aumento da efiiênia e da potênia gerada no Caso 4,

135 112 não supre os ustos dos equipamentos neessários da planta. Apesar dos ustos exergétios médios serem próximos nos Casos 3 e 4 (Figura 6.17), os ustos relativos à planta são onsideravelmente maiores no Caso , ,072 2,001 1, Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.17 Custo exergétio unitário médio da eletriidade em ada aso estudado. Os ustos de produção de vapor em ada onfiguração, em US$/ton, são apresentados na Figura 6.18, e podem ser uma alternativa para flexibilizar a produção da planta a ser omerializada. 12,00 10,00 10,37 10,03 10,67 (US$/Ton) 8,00 6,00 4,00 5,88 5,80 7,53 Vapor de baixa Vapor de alta Vapor de média 2,00 0,00 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Figura 6.18 Custo do vapor nas aldeiras de reuperação nos asos de ilo ombinado. A opção pela ampliação da planta através da reuperação de alor dos gases de exaustão da turbina gás, mostra-se uma alternativa de investimento eonomiamente interessante, pois usto unitário da geração de energia na planta operando em ilo aberto era

136 113 de US$ 36,26/MWh e foi reduzido para US$ 29,13/MWh na operação em ilo ombinado om um nível de pressão. Isso representa uma eonomia de 19,6 % no usto unitário da energia elétria produzida. Outro benefíio deorrente das modifiações implementadas está relaionado à redução do impato ambiental ao se manter os níveis de poluentes emitidos e reduzir drastiamente a temperatura dos gases de exaustão, mesmo om o aumento da potênia elétria da planta. Segundo a ANP (2004), o usto de geração termelétria médio em ilo ombinado é de era de US$ 31,91/MWh ao passo que o usto da geração hidráulia está em torno de US$ 17,61/MWh. Apesar dos problemas de ompetitividade om as usinas hidráulias, a proposta do novo modelo e as diretrizes esperadas de polítia energétia podem resultar num aumento no despaho das térmias, hoje em torno de 20% da apaidade de geração das usinas. Diante desse ontexto, as situações propostas mostram-se bastante promissoras, pois apresentam valores abaixo da média esperada para o usto de produção de energia, além dos prováveis inentivos proporionados pela atual polítia energétia brasileira.

137 Resultados da Análise Eonômia Com o auxílio da análise eonômia, foi avaliada a viabilidade de implantação de ada um dos asos, já que oorrem variações onsideráveis de alguns parâmetros, tais omo: potênia produzida, usto de investimento, usto do gás natural e preço de venda da energia. A avaliação do investimento de apital através da análise de sensibilidade permite obter resultados para que se estabeleça o potenial eonômio do empreendimento levando-se em onta as inertezas futuras e as premissas eonômio-finaneiras adotadas. No presente trabalho são variadas somente as tarifas de venda de eletriidade. A taxa de juros foi mantida a 12%, a vida útil da planta foi onsiderada de 20 anos. O usto do gás natural foi onsiderado omo sendo de US$ 2,581/MMBtu (US$ 2, /kj), que é um valor próximo ao usto pago pela Usina Termelétria de Três Lagoas, estabeleido pelo PPT, e será mantido ao longo de toda vida útil da planta. Segundo Alonso (2004), os ontratos de ompra e venda de energia são fehados por prazos longos, om tarifas aluladas em reais, o que leva a uma inerteza devido à flutuação do dólar. Além disso, existe a perspetiva da atuação do Merado Ataadista de Energia para ontratos de urto prazo, om preços liberados. Desde 2004, os ontratos de longo prazo em vigor foram também liberados para livre negoiação. Todas estas variáveis impedem que se visualize om lareza o valor do MWh de origem termelétria que será vendido no país. Dessa forma, a tarifa elétria base da energia elétria é assumida omo sendo de US$ 46/MWh para os asos estudados. As análises são feitas onsiderando o investimento na instalação dos equipamentos do ilo aberto e do ilo ombinado, para ada aso estudado. As Figuras 6.19 a 6.22 mostram o fluxo de aixa ao longo da vida útil da planta para vários preços de venda de energia, onsiderando um período de implantação da planta de dois anos, no qual oorrem os desembolsos. A interseção das urvas om o eixo horizontal india o tempo de retorno dos investimentos, ou seja, o tempo a partir do qual o fluxo de aixa passa a ser positivo. As Tabelas 6.11 a 6.14 mostram a Taxa de Retorno do Investimento (TRI), o Valor Líquido Atual (VAL) e a Taxa Interna de Retorno (TIR), em função do preço da energia.

138 US$/MW 42 US$/MW 44 US$/MW 46 US$/MW 48 US$/MW 50 US$/MW US$ Anos Figura 6.19 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso 1. Tabela 6.11 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso 1. Preço de Venda (US$/MWh) VAL (US$) TIR (%) TRI (%) , , , ,24 78, ,61 51, ,83 39,25

139 US$/MW 42 US$/MW 44 US$/MW 46 US$/MW 48 US$/MW 50 US$/MW US$ Anos Figura 6.20 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso 2. Tabela 6.12 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso 2. Preço de Venda (US$/MWh) VAL (US$) TIR (%) TRI (%) ,95 70, ,06 49, ,06 38, ,99 31, ,87 27, ,72 23,70

140 US$/MW 42 US$/MW 44 US$/MW 46 US$/MW 48 US$/MW 50 US$/MW US$ Anos Figura 6.21 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso 3. Tabela 6.13 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso 3. Preço de Venda (US$/MWh) VAL (US$) TIR (%) TRI (%) ,38 91, ,31 59, ,12 44, ,86 36, ,54 30, ,17 26,75

141 US$/MW 42 US$/MW 44 US$/MW 46 US$/MW 48 US$/MW 50 US$/MW US$ Anos Figura 6.22 Variação do fluxo de aixa aumulado para diferentes preços de venda de energia elétria para o Caso 4. Tabela 6.14 Taxa de Retorno do Investimento, Valor Líquido Atual e Taxa Interna de Retorno, em função do preço de venda da energia para o Caso 4. Preço de Venda (US$/MWh) VAL (US$) TIR (%) TRI (%) , ,83 84, ,49 58, ,06 45, ,56 37, ,02 31,80 Os resultados obtidos mostram que para operação em ilo aberto (Caso 1) o preço mínimo aeitável para a venda de energia é de US$ 46/MWh para que a TIR se mantenha aima do 12 %, que é a taxa de juros admitida, porém, esse valor não estabelee um alto VAL, o que pode não ser atrativo para a empresa investir nesse empreendimento. Nos asos de operação em ilo ombinado (Casos 2, 3 e 4) verifia-se uma diminuição sensível no preço de geração da energia, graças as maiores efiiênias, entretanto esse tipo empreendimento requer um maior investimento iniial.

142 119 Comparando todos os asos, observa-se que as melhores taxas oorrem no Caso 2, prinipalmente porque os investimentos a serem realizados são menores e, apesar da energia produzida ser menor, o benefíio onseguido om a venda possibilita uma taxa de retorno e valor líquido maior para o investidor, entretanto, pelo aspeto ténio isso diminuiria a flexibilidade da produção de vapor om relação aos Casos 3 e 4. Os resultados mostram que a implantação do Caso 1 pode ser viável para um preço ompetitivo de venda de energia (a partir de US$ 46/MWh) tendo omo vantagem ustos menores de investimento, um menor tempo de implantação e a possibilidade de uma expansão futura para o ilo ombinado. Isso justifia, de erto modo, o motivo pelo qual a maior parte das usinas termelétrias brasileiras onstruídas reentemente opere iniialmente em ilo aberto. A Figura 6.23 mostra a variação do usto de produção de energia em função do usto do gás natural para ada aso estudado. Pode-se observar o aumento linear dos ustos de produção de energia em função do usto do gás natural, onforme esperado. No entanto, o usto do gás natural afeta de forma mais signifiativa o Caso 1, omo pode ser visto através da inlinação mais aentuada da reta. É interessante observar que no Caso 3, om aldeiras de 2 níveis de pressão, o usto de produção de energia se torna menor a partir do usto gás natural em torno de US$ 10,5/MWh Custo da Energia (US$/MWh) Caso 4 Caso 3 Caso 2 Caso Custo do Gás (US$/MWh) Figura 6.23 Custo da energia produzida em função do usto do gás natural para ada aso estudado.

143 120 Vale ressaltar que foi onsiderado neste trabalho o usto do gás natural omo sendo de US$ 8,81/MWh, de aordo om o valor estabeleido pelo PPT. No entanto, o usto do gás natural para geração elétria é dado em função do volume onsumido. Segundo a COMGÁS (www.omgas.om.br), o usto do gás natural está em torno de US$ 16,0/MWh, para onsumo aima de m 3 por mês, para geração termelétria.

144 121 Capítulo 7 Conlusões O Brasil vem passando por uma grande reestruturação em seu sistema elétrio e uma das metas é a diversifiação da matriz energétia, assim, uma das alternativas é a utilização de do gás natural. Diante deste ontexto esse trabalho prourou mostrar um estudo das alternativas possíveis, tanto sob o aspeto ténio omo eonômio, para uma usina termelétria a gás natural. Foi apresentada uma análise omparativa entre quatro diferentes onfigurações de ilos de potênia de uma usina termelétria a gás natural, onsiderando um primeiro aso om as turbinas a gás operando em ilo aberto e, depois, nos outros três asos, operando em ilo ombinado, om a instalação de aldeiras de reuperação om 1, 2 ou 3 níveis de pressão, turbinas a vapor e demais aessórios. A análise termodinâmia possibilitou verifiar os rendimentos das plantas estudadas e as efiiênias dos prinipais equipamentos envolvidos, também foi possível identifiar os equipamentos que ontribuem om as maiores irreversibilidades e, dessa forma, avaliar os seus efeitos sobre o desempenho das plantas. Como se esperava, o Caso 4, om aldeiras de reuperação om 3 níveis de pressão, apresentou os melhores rendimentos baseados na primeira e na segunda lei e, onseqüentemente, possibilitou a geração de uma maior potênia elétria. Os parâmetros não onstrutivos que mais afetam a produção de potênia em ilos ombinados são a temperatura ambiente e a perda de arga dos gases na aldeira de reuperação. No que diz respeito às araterístias onstrutivas os prinipais parâmetros que influeniam a potênia são as extrações e o pinh point. A teoria do usto exergétio mostrou-se defiiente ao atribuir ustos iguais a diferentes fluxos, pois isso provoa um aumento exessivo do usto a fluxos que podem não ser signifiativos à análise. No entanto, para os produtos da planta os ustos mostraram-se oerentes às expetativas da análise. O álulo dos ustos dos fluxos exergétios permitiu estabeleer o usto final da geração de energia elétria para ada aso onsiderado, sendo de US$ 36,26/MWh, US$ 29,13/MWh, US$ 29,22/MWh e US$ 29,89 /MWh, para os Casos 1, 2, 3 e 4, respetivamente. Uma análise mais apurada dos ustos de produção da energia exigiria um levantamento mais rigoroso das ondições operaionais da instalação e dos ustos reais de aquisição dos equipamentos, permitindo que se verifique, desta forma, as melhores

145 122 onfigurações para a planta. Essa questão é de suma importânia, pois a partição dos ustos da planta pode ser dada de maneira diferente da utilizada no trabalho. Outros fatores, tais omo inentivos governamentais ou isenção fisal, também podem modifiar os resultados eonômios obtidos. Foi verifiado que o Caso 2, om aldeira de reuperação de um nível de pressão, é o investimento mais atrativo. No entanto, a deisão por esse tipo de onfiguração limita a planta para a produção apenas de energia elétria, desartando a possibilidade de geração de vapor de proesso para omerialização. O prinipal empeilho para o investimento privado em usinas termelétrias é a inerteza quanto ao preço de venda de energia, pois este preço é estabeleido por vários fatores que variam muito, omo: os ontratos de ompra e venda de energia de longos prazos om tarifas aluladas em reais, o que leva a uma inerteza devido à flutuação do dólar; a perspetiva da atuação do Merado Ataadista de Energia para ontratos de urto prazo, om preços liberados; a variação dos reservatórios hídrios brasileiros, entre outros. Outro ponto ruial pela tomada de deisão sobre a implantação de termelétrias a gás natural é o usto do ombustível, que pode inviabilizar o investimento. O ontrato de forneimento de gás natural utilizado para estabeleer o seu preço de venda é baseado no Programa Prioritário de Termelétrias (PPT) e mostra-se bem vantajoso sobre o preço normal de omerialização pratiado pelas distribuidoras a outros agentes onsumidores. Observa-se que, para ustos do gás natural aima de US$ 10,5/MWh, o Caso 3 passa a ter um usto de produção de energia menor se omparado aos outros asos. Apesar da atratividade do Caso 2, pode-se estudar a implantação de entrais termelétrias de maior apaidade de geração onde a demanda de gases de exaustão seja maior ou haja opção pela queima suplementar de ombustível, de modo que a maior efiiênia das aldeiras de 2 e 3 níveis de pressão possibilite um aumento na produção de energia que justifique o usto de investimento, devido aos menores ustos exergétios médios e de suas maiores efiiênias de primeira lei. Como sugestão para trabalhos futuros pode-se utilizar um método de otimização para alançar os melhores níveis de pressão e temperatura para as aldeiras de reuperação nos asos propostos, estudar a viabilidade finaneira para os Casos 2 e 3 onsiderando a venda de vapor para proesso e utilizar outras metodologias para distribuição do usto exergétio que não penalizem demasiadamente a potênia produzida nas turbinas a vapor.

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152 129 Anexo A Fontes e Tenologias para Geração de Energia É de suma importânia o onheimento do estágio atual e das tendênias das prinipais tenologias de energia, pois as veloidades dos avanços tenológios e das mudanças nos enários impliam diretamente nas tomadas de deisões para o estabeleimento de novos projetos do setor. As onsiderações relevantes para investimentos em produção e distribuição de eletriidade e ombustíveis são: Metodologias para ajuste diário do planejamento para ontratação de energia para os diversos segmentos do merado; Avaliação do potenial eonômio de efiiênia por segmento do merado e identifiação de programas prioritários; Melhoria dos ritérios de avaliação dos programas de efiiênia energétia; Intensifiação dos esforços para as tenologias de ogeração, om aumento da geração distribuída e, em partiular, para sistemas de uso de gás natural. De um modo geral, existe uma forte tendênia mundial em se priorizar o desenvolvimento da produção e distribuição de energia na direção de tenologias que ontribuam para onferir maior sustentabilidade ambiental, maior qualidade dos serviços e segurança de forneimento de energia. Os maiores desafios são a difusão de tenologias para uso efiiente e limpo de fontes renováveis e a disseminação de tenologias de geração distribuída e armazenamento. A seguir, são apresentadas, de forma onisa, as prinipais tenologias para ada forma de produção e suprimento de energia elétria, bem omo suas perspetivas, limitações e alguns aspetos ambientais. A.1. Energia Hidrelétria No Brasil, a importânia da energia elétria de base hidráulia é signifiativamente maior do que a grande maioria dos países desenvolvidos. A partiipação hidrelétria na apaidade instalada é superior a 90% e o potenial dessa fonte no país atinge era de 260 GW, dos quais 164 GW já inventariados. Do total inventariado, 62 GW estão em operação, 7,5 GW em onstrução, 9,3 GW om projeto básio e era de 37 GW om estudo de viabilidade. Assim, a energia hidrelétria ontinuará a ser, sem dúvida, a mais importante fonte de energia elétria no país nas próximas déadas.

153 130 O Plano Deenal de Expansão do Setor Elétrio 2000/2009 registra a existênia no país de um onjunto de 136 usinas geradoras om apaidade superior a 10 MW, das quais 21 têm apaidade instalada superior a 1000 MW, dispondo um número expressivo delas de reservatórios de regularização plurianual. O estudo do desenvolvimento de modelos para previsão de vazão dos reservatórios om base em modelos limátios e meteorológios, levando-se em onsideração os vários usos da água (irrigação, abasteimento, et), é uma das áreas que meree atenção. Além disso, existe a neessidade do desenvolvimento da modelagem, da monitoração e do diagnóstio dos equipamentos geradores de pequeno e grande porte, além do melhoramento dos proessos de onstrução, reuperação e operação de barragens. No toante as pequenas entrais hidrelétrias (PCHs), até 2003 o Brasil dispunha de 349 usinas em operação, o que orrespondia a 1,9% da potênia hidrelétria instalada, sendo a maioria onentrada na região sudeste do país. Para aproveitamentos hidrelétrios de pequeno porte existem propostas para a produção de energia om turbinas para baixas quedas e hidroinétias, grupos geradores operando om rotação variável e automação na operação de reservatórios. Uma grande vantagem desse tipo de geração é que grande parte dos projetos de engenharia onta om profissionais e reursos modernos e as várias tenologias produzidas podem ser enontradas no país (fabriantes naionais e estrangeiros). A.2. Energia da Biomassa O uso de biomassa para fins de geração de energia é interessante para o país, espeialmente nos usos finais om maior onteúdo tenológio, omo geração de eletriidade, produção de vapor e ombustíveis para transporte. Os poteniais de geração são expressivos, sendo que para a indústria de ana de açúar, sistemas de queima direta poderão gerar de 2,4 a 2,7 GW, dependendo da quantidade de palha adiionada ao bagaço. Dos outros resíduos agríolas, apenas os de arroz e trigo são aproveitáveis hoje. Resíduos de milho e soja, que têm era de vinte vezes mais biomassa, não são aproveitáveis ainda, sendo importante o estudo para desenvolver tenologias para sua reuperação. Da mesma forma, resíduos de produção madeireira são utilizados em unidades relativamente pequenas ( MW), segundo uma avaliação reente do Centro Naional de Referênia em Biomassa (CENBIO).

154 131 Segundo o relatório do CGTEE (2003), o fator mais importante para a redução dos ustos da energia proveniente da biomassa, independentemente da tenologia empregada, é a redução dos ustos de oleta e transporte da matéria prima. Hoje, o Brasil possui a melhor tenologia no mundo para a implantação, manejo e exploração de florestas de eualiptos, por exemplo. Os ustos naionais são extremamente vantajosos e todo o desenvolvimento naional na área de papel e elulose oferee ondições bastante ompetitivas para o uso energétio de florestas plantadas e o desenvolvimento de tenologias baseadas em biomassa. O usto da biomassa no país e a alta efiiênia de sistemas modernos de geração de eletriidade, espeialmente através da gaseifiação de biomassa e uso do gás em ilos ombinados, justifiam uma maior atenção para o desenvolvimento dessas tenologias no Brasil. No entanto, ainda é neessário identifiar o onsumo da madeira om finalidade energétia no país, bem omo de resíduos agríolas om potenial utilização energétia. A ana de açúar representa um aso de suesso tenológio para o país. A indústria da ana mantém o maior sistema de energia omerial de biomassa do mundo, através da produção de etanol e do uso quase total de bagaço para geração de eletriidade. As neessidades de desenvolvimento tenológio estão bem mapeadas pelo setor e ompreendem as seguintes áreas: melhoramento genétio da ana, produção (agronomia e engenharia agríola), proessamento industrial, ampliação do merado de uso de etanol no país e melhoria nas tenologias da produção de energia. Como áreas de interesse para geração om o uso da biomassa podem ser relaionadas as seguintes: Desenvolvimento de proessos mais efiientes para uso de madeira omo energétio no setor residenial; Reuperação dos produtos gasosos ondensáveis na arbonização da madeira; Melhorias de ténias para a implementação e manejo de florestas energétias em áreas marginais à agriultura para alimentos e de outras biomassas, inluindo o melhoramento da produção da matéria prima (melhoramento genétio, agronomia, equipamentos, et); Desenvolvimento de projetos de demonstração de gaseifiadores de pequeno porte, verifiando efiiênias, ustos, impatos ambientais, desempenho e ondições de operação em regiões isoladas do país; Aompanhamento das atividades de demonstração no exterior om gaseifiadores de grande porte e implementação de projetos de demonstração no país;

155 132 Desenvolvimento de estudos da gaseifiação de biomassa no país; Análise do uso de ombustíveis omplementares para tenologias omeriais já existentes (ogeração ou queima direta nos setores de papel e elulose e ana de açúar). A.3. Energia Nulear A energia nulear fornee 16% da energia elétria no mundo, sendo que nos Estados Unidos é responsável por 20% da geração. Em 2001 operaram no mundo 440 reatores, om 353 GW. No momento, o desenvolvimento, bem omo o merado, está pratiamente parado nos EUA, e avança relativamente pouo no resto do mundo. A questão é saber se as difiuldades (segurança e usto) poderão ser venidas pelo interesse na energia limpa, sem emissões, prinipalmente de CO 2. No Brasil, estuda-se desenvolver os oneitos de sistema nuleoelétrios mais promissores, mapear as tenologias mais relevantes e viáveis. Segundo o relatório do CGTEE (2003), em paralelo, deve-se ampliar a partiipação do país para desenvolvimento de reatores avançados que possam ser onstruídos e operados, de forma a manter a omponente nulear de 3 a 5% da geração de eletriidade, e viabilizar o desenvolvimento da indústria naional nulear. A.4. Energia Eólia A energia eólia apresenta um panorama bastante diferente da energia solar, já possuindo maturidade tenológia e esala de produção industrial. Isso foi resultado de investimentos e de uma polítia de riação de merado através de inentivos em vários países, espeialmente na Alemanha, Dinamara, EUA e, mais reentemente, na Espanha. Hoje essa tenologia está prestes a se tornar eonomiamente viável para ompetir om as fontes tradiionais de geração de eletriidade, além de existir um grande potenial eólio a ser explorado em diversos países. Existem oportunidades de melhoramentos tenológios bem identifiados internaionalmente que deverão levar ainda a reduções de usto, permitindo estabeleer metas bastante ambiiosas para instalação de sistemas de geração nos próximos anos. No Brasil, a apaidade instalada é de 22 MW om a partiipação de diversos grupos naionais de universidades e grupos estrangeiros, espeialmente da Alemanha e Dinamara.

156 133 Já existe inlusive a produção de turbinas eólias no país. As áreas identifiadas para um programa de energia eólia, segundo Nasimento (2002), são: Desenvolvimento de máquinas para situações espeífias no Brasil, observando o regime de ventos e melhoria de efiiênias; Consolidação de dados de potenial eólio; Integração de parques eólios ao sistema interligado. A.5. Energia Fotovoltaia A onversão fotovoltaia tem mostrado maior desempenho e potenial que a onversão térmia para eletriidade. A geração de energia através da onversão fotovoltaia tem sido preferível à geração térmia. O silíio é o material predominantemente utilizado em sistemas fotovoltaios no mundo e o país possui 90% das reservas mundiais eonomiamente aproveitáveis. A esala variável, favoreendo sistemas distribuídos, desde potênias muito baixas, mostra apliações importantes para sistemas isolados e poderá ser de interesse para onexões de poteniais maiores à rede nos próximos anos. Segundo CGTEE (2003) estratégias têm sido desenvolvidas nessa área no Brasil, visando: Analisar as neessidades tenológias e viabilidade eonômia para a produção de silíio de grau solar no país, uma vez que a indústria de painéis fotovoltaios hoje utiliza restos de silíio de grau eletrônio, que são muito mais aros; Apoiar o desenvolvimento de élulas e painéis solares no país a partir de silíio de grau solar ; Desenvolver e produzir omponentes, sistemas eletrônios, onversores e inversores para painéis fotovoltaios; Desenvolver meanismos regulatórios e tarifários para inentivar a riação de um merado para essa tenologia, omo já é feito em diversos países; Criar normas ténias e padrões de qualidade. Muito embora a energia solar termelétria não tenha tido grandes apliações, é reomendável manter estudos, sobretudo em tenologias mais promissoras em iníio de operação na Europa e nos EUA, foalizando materiais ótios, fluidos de trabalho, sistemas de rastreamento, sistemas de armazenagem térmia e melhoria de aquisição de dados solarimétrios (radiação direta) para regiões de maior potenial.

157 134 O uso de energia solar para aqueimento a baixas temperaturas é feito om tenologias omeriais em todo o mundo, espeialmente para o aqueimento de água. É também utilizado para proessos de seagem e refrigeração (sistemas de absorção). As tenologias utilizam, em sua maior parte, oletores solares planos fehados ou abertos, dependendo da temperatura desejada. Esse setor possui grande potenial para expansão no país e os prinipais desenvolvimentos deverão ser feitos nas seguintes áreas: Redução de ustos: manufatura, materiais, qualidade da automação; Aumento da efiiênia de onversão: pelíulas, tintas, isolamento, novas oberturas; Análise de omponentes e sistemas ompletos; Novos tipos de oletores (tubos evauados, onentradores estátios); Suporte de engenharia a projetos: softwares, ontratos de desempenho; Demonstração no sistema habitaional: pré-aqueimento industrial, hotéis e esolas; Capaitação de profissionais. A.6. Células Combustíveis O uso do hidrogênio omo vetor energétio tem sido muito estudado e existe um razoável onsenso sobre suas vantagens em sistemas de energia do futuro. A expetativa é de uma grande omplementaridade entre o sistema elétrio e o de hidrogênio, mas ainda é difíil prever as formas de transporte e armazenamento a serem adotadas. Isso implia em desenvolver sistemas ompetitivos apazes de produzir hidrogênio e em esalas ompatíveis om as opções de geração de energia elétria no futuro. O uso ideal para energia elétria seria através de élula ombustível. Possivelmente, as apliações referentes à geração estaionária será o primeiro merado para hidrogênio. Atualmente, está sendo realizado um grande investimento para uso de hidrogênio no setor de transportes, porém, não se espera, além de algumas apliações iniiais, impatos signifiativos do uso de hidrogênio nos próximos anos. No aso do Brasil, e de alguns outros países, há uma grande atenção para a produção de energia através do uso de fontes renováveis (eólia, solar, exedentes de energia hídria). Evidentemente, isto passa pela ompetitividade destas alternativas. O uso futuro do hidrogênio em larga esala dependerá também do estabeleimento de uma infra-estrutura adequada. Esta infra-estrutura, assim omo toda a área de geração, deverá ontar om um trabalho essenial no estabeleimento de normas e padrões de segurança. A tenologia de élulas ombustível tem despertado muito interesse e reebido grandes investimentos internaionais, tanto para apliações móveis omo estaionárias. O

158 135 Brasil já possui o Programa Brasileiro de Sistemas de Célula Combustível, que identifia grupos de pesquisas e sugere um trabalho em rede, sendo que as seguintes linhas de geração são apontadas omo prioritárias: Desenvolvimento de élulas a ombustível de diferentes tipos; Produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis e tenologias para armazenamento, transporte e distribuição de hidrogênio; Integração de sistemas de engenharia e eletrônia de potênia, integração de omponentes e integração à rede de eletriidade. O setor de usos finais de energia apresenta grande diversidade tenológia e grande potenial de introdução de alternativas e modifiações. Estão inluídas aqui modifiações no omportamento dos usuários de energia, implantação de melhores sistemas de gestão de energia, além de desenvolvimento e difusão de tenologias mais efiientes. O Brasil ainda não possui uma estimativa do potenial eonômio de introdução de tenologias efiientes. Essa deve ser a primeira iniiativa para auxiliar na definição de prioridades para o desenvolvimento tenológio relaionado om os diversos usos finais.

159 136 Anexo B Aspetos do Sistema Elétrio Brasileiro B.1. Histório e Reestruturação do Sistema Elétrio Brasileiro Nos últimos dez anos, muitas mudanças têm oorrido em termos eonômios e polítios no mundo e, também, no Brasil. Na déada de 90 o Governo Federal iniiou uma série de reformas na eonomia brasileira, sendo que uma das mais importantes foi a redução de sua partiipação em vários setores da atividade eonômia. Desde então, o setor de energia elétria no Brasil omeçou a se reestruturar a partir da aprovação da lei que trata da onessão dos serviços públios e obteve, assim, as ondições neessárias para se organizar de forma ompetitiva. A partir de então, foram reunidos todos os fatores que poderiam ontribuir para o surgimento de uma rise no Setor Elétrio Brasileiro (SEB), sendo dentre eles destaado o esgotamento da apaidade de geração de energia elétria das hidrelétrias existentes, deorrente da falta de água em reservatórios, e o aqueimento da eonomia provoado pelo Plano Real (Pinhel et al. 2001). A neessidade de novos investimentos, a queda nas tarifas de geração das empresas, a esassez de reursos do Governo para atender a esta neessidade diante de outras prioridades, aliada a postergação da privatização do segmento, onduziu o Brasil a um panorama de inertezas quanto à garantia de oferta de energia (Figura B.1). Figura B.1 Investimento no setor elétrio de 1980 a Portanto, havia a neessidade de se enontrar alternativas que viabilizassem uma reforma e expansão do setor, om apitais privados e a entrada de novos agentes, onde o governo assumisse o papel de orientador e fisalizador dos serviços de energia elétria.

160 137 Em 1996, através do Projeto RE-SEB (Projeto de Reestruturação do Setor Elétrio Brasileiro), iniiou a fase de onepção do novo modelo, sob a oordenação da Seretaria Naional de Energia do Ministério de Minas e Energia (MME), hegando-se à onlusão de que era preiso riar uma Agênia Reguladora (ANEEL Agênia Naional de Energia Elétria), um operador para o sistema (ONS Operador Naional do Sistema Elétrio) e um órgão onde fossem transaionadas as ompras e vendas de energia elétria (MAE Merado Ataadista de Energia Elétria), através de uma operadora (ASMAE Administradora de Serviços do Merado Ataadista de Energia Elétria). O Projeto RE-SEB foi onluído em agosto de 1998, om toda a onepção do novo arabouço setorial definida. A Tabela B.1 mostra omparativamente as mudanças entre o modelo antigo do monopólio estatal e novo modelo do setor elétrio, onde se pode destaar omo prinipal diferença, o inentivo à ompetição de geração e transmissão de energia favoreendo a onorrênia e, onseqüentemente, ofereendo melhores preços para o onsumidor. Tabela B.1 Quadro omparativo do Setor Elétrio Brasileiro. Modelo Antigo Finaniamento através de reursos públios. Empresas estatais vertializadas. Maioria de empresas estatais. Monopólios om ompetição inexistente. Consumidores ativos. Tarifas reguladas. Modelo Novo Finaniamento através de reursos públios (BNDES) e privados. Conessionárias divididas por atividade: geração, transmissão, distribuição e omerialização. Abertura para empresas privadas. Competição na geração e omerialização. Consumidores Livres e Cativos. Preços livremente negoiados na Geração e Comerialização. Fonte: MAE (www.mae.org.br). A reforma do setor provoou o surgimento de novas funções e modifiou o onteúdo e a forma de outras atividades, tornando neessária a riação de novas entidades om papéis bem definidos, dentre as quais podem ser destaadas: Agênia Naional de Energia Elétria (ANEEL) A mudança de papel do Estado no merado de energia, deixando de ser fundamentalmente exeutor para se tornar basiamente regulador, exigiu a riação de um

161 138 órgão altamente apaitado para normatizar e fisalizar as atividades do setor elétrio. Assim, foi riada a ANEEL, autarquia vinulada ao Ministério das Minas e Energia que tem por objetivos prinipais: Regular e fisalizar a produção, transmissão, distribuição e omerialização de energia elétria; Zelar pela qualidade dos serviços prestados e pela universalidade de atendimento; Cuidar do estabeleimento das tarifas para os onsumidores finais; Preservar a viabilidade eonômia e finaneira dos agentes e da indústria para ompatibilizar interesses. Operador Naional do Sistema Elétrio (ONS) O ONS é um órgão privado, sem fins lurativos, formado por agentes de geração, transmissão e distribuição, importadores e exportadores de eletriidade, onsumidores livres, Ministério de Minas e Energia (MME) e Assoiação de Consumidores de Energia Elétria. Dentre as responsabilidades do ONS, podem ser itadas as seguintes: Planejamento e programação da operação entralizada e ontrole da geração e transmissão, visando otimizar o sistema interligado brasileiro; Supervisionar e ontrolar a operação do sistema de transmissão interligado e as interligações internaionais; Contratação e administração dos serviços de transmissão e das ondições de aesso e dos serviços auxiliares; Propor à ANEEL expansões dos sistemas de transmissão da rede básia, assim omo reforços às redes existentes; Determinação do despaho ótimo (despaho ideal) das unidades de geração e da transmissão de energia elétria; Definição das regras e proedimentos de operação das unidades geradoras e das instalações da rede básia, sujeitas à aprovação da ANEEL. Na atividade de determinação do despaho ótimo, em ada instante é deidido quais usinas irão gerar energia, quanta energia ada uma delas irá produzir, e omo esta energia será esoada pelas redes de transmissão e distribuição de forma a atender a demanda. O despaho é baseado no usto marginal de geração das usinas disponíveis, o qual, nos asos das hidrelétrias, se baseia no usto de oportunidade do uso da água (utilizá-la naquele instante

162 139 para a geração ou estoá-la para uso futuro). O usto marginal da última unidade despahada irá determinar o preço da energia elétria naquele instante no Merado Ataadista de Energia. Merado Ataadista de Energia Elétria (MAE) O MAE é uma entidade de direito privado, sem fins lurativos, submetida à regulamentação por parte da ANEEL para ser o ambiente onde se proessam a ontabilização e a liquidação entralizada no merado de urto prazo. A riação do MAE e a determinação de ontratos bilaterais entre geradores e onsumidores foram aspetos haves à reestruturação do setor elétrio brasileiro, sendo o mesmo responsável pelas seguintes atividades: Promover registro dos ontratos e ontabilizar as transações no âmbito do MAE, que tenha por objeto a negoiação de energia elétria; Promover a liquidação finaneira das transações efetuadas no Merado de Curto Prazo; Promover a onfiabilidade das operações realizadas no âmbito do MAE; Assegurar aos agentes partiipantes do MAE o aesso aos dados neessários para a onferênia da ontabilização de suas transações no MAE; Prover o aesso às informações sobre as operações realizadas no MAE; Reeber e proessar soliitações e manifestações dos Agentes, referentes às atividades desenvolvidas no âmbito do MAE; Elaborar, atualizar de forma ontrolada, implantar e divulgar as Regras e Proedimentos de Merado. Os preços do MAE são determinados por quatros submerados: sul, sudeste/entrooeste, nordeste e norte, onde ada submerado tem seu próprio entro de gravidade e os preços são referidos ao seu entro de gravidade, apliando fatores de perda de transmissão. Em resumo, ada submerado possui um entro de gravidade, no qual é ontabilizada toda a energia produzida, onsumida, importada ou exportada. Para que isso oorra, são determinados fatores de perdas para a produção e o onsumo de energia em ada barra do sistema, de modo a transformar a energia medida em ada loal em energia produzida ou onsumida no entro de gravidade do respetivo submerado. A Figura B.2 mostra a estrutura físia e omerial do setor elétrio brasileiro.

163 140 Figura B.2 Estrutura físia e omerial do setor elétrio brasileiro. B.2. Evolução da Potênia Elétria Instalada no Brasil A Tabela B.2 apresenta a evolução da potênia elétria instalada do Sistema Interligado Naional (SIN), bem omo em seus quatro subsistemas. Estes valores foram obtidos a partir dos relatórios de aompanhamento das usinas termelétrias, inluindo as emergeniais; das usinas hidrelétrias; das pequenas entrais hidrelétrias e das entrais geradoras eólias, forneidos pela ANEEL.

164 141 Tabela B.2 Evoluão da potênia instalada no Brasil (MW). REGIÃO TIPO Hidráulia Sudeste + Centro Oeste Térmia PPT Térmia Emergenial Térmia (Outras) Nulear Total Hidráulia Sul Térmia PPT Térmia (Outras) Total Hidráulia Térmia PPT Nordeste Térmia Emergenial Térmia (Outras) Total Norte Hidráulia Total Hidráulia Térmia PPT Brasil Térmia Emergenial Térmia (Outras) Nulear Total ITAIPU (BR) (50% Total) BRASIL Reurso Próprio Argentina Importação (Sul) Paraguai Compras Itaipu BRASIL Total Fonte: Planejamento anual da operação energétia ano 2004 (www.ons.gov.br).

165 142 B.3. Programa Prioritário de Termoeletriidade O Brasil ruzou a déada de 80 e a primeira metade dos anos 90 onvivendo om um quadro rônio de falta de investimentos no setor elétrio. Em 1995, o Governo Federal, em pareria om a iniiativa privada, retomou as obras de 23 usinas que estavam paralisadas. Apesar desse esforço, o resimento da eonomia, em onseqüênia do Plano Real, não permitiu que se aliviasse, de imediato, o desequilíbrio entre oferta e demanda de energia. Para o período de 1999 a 2004 estimou-se a neessidade de um aumento de 40% da apaidade instalada ou 26 mil MW, de forma a atender a um resimento de demanda de 5% ao ano. Entretanto, as obras hidrelétrias em andamento e a onlusão de Angra 2 asseguravam apenas era de 15 mil MW de aumento da apaidade instalada. Desse modo, faltavam era de 11 a 12 mil MW para obrir o resimento projetado da demanda. Para atingir essa meta optou-se pelas usinas termelétrias movidas a gás natural que, além de poderem entrar em operação num prazo muito mais reduzido que outros tipos de usinas, aproveitavam a disponibilidade do gasoduto Bolívia-Brasil, inaugurado em Assim, foi riado o Programa Prioritário de Termeletriidade (PPT), para assegurar a expansão adiional da apaidade instalada de geração, tendo omo garantia a oferta de até 50 milhões de m³/dia de gás natural boliviano, om preço vinulado ao usto de energia e não do petróleo. Entre as prerrogativas deste programa, podem ser destaadas as seguintes: Suprimento garantido de gás natural por 20 anos, sujeito às regras do MME; Possibilidade das distribuidoras repassarem durante 20 anos o usto da energia elétria aos seus onsumidores ativos, respeitando às regras da ANEEL; Aesso garantido a um programa de suporte de finaniamento do Bano Naional de Desenvolvimento Eonômio e Soial (BNDES).

166 143 B.4. Crise Energétia Brasileira Com a redução dos investimentos em geração nos últimos anos, e om o atraso das obras previstas no PPT, o resimento do merado passou a ser atendido através da depleção dos reservatórios, fiando extremamente dependente da manutenção de ondições hidrológias favoráveis. No período úmido de 2001, oorreram afluênias extremamente baixas que, juntamente om os fatores abordados anteriormente, aabaram por oasionar um défiit de energia no País. Com a neessidade de rápidas providênias para enfrentar a rise no abasteimento de energia, o Governo Federal riou a Câmara de Gestão da Crise de Energia Elétria (CGCE) em Esta âmara teve omo objetivo propor e implementar medidas de natureza emergenial, deorrentes da situação hidrológia rítia para ompatibilizar a demanda e a oferta de energia elétria, de forma a evitar interrupções intempestivas ou imprevistas do suprimento de energia elétria. Mediante um proesso de aprimoramento do novo modelo do Setor Elétrio Brasileiro, a CGCE riou o Comitê de Revitalização do Modelo do Setor Elétrio para enaminhar propostas e, assim, orrigir suas disfunções e propor aperfeiçoamentos para o referido modelo. Foram adotadas algumas medidas para administrar a rise, das quais se destaaram: O programa de redução do onsumo em 20 %; A riação da Companhia Brasileira de Energia Elétria (CBEE), que ontratou aproximadamente 2000 MW de energia emergenial; A omerialização de otas de energia; A riação, no âmbito da CGCE, do Comitê de Revitalização do SEB om o objetivo de reavaliar as araterístias do modelo instituional do SEB e sugerir alterações para evitar novas rises. A rise de energia foi gereniada om suesso e, após um volume de huvas aima da média, foi possível reuperar os reservatórios a níveis aima de 60%, propiiando o término do raionamento em março de 2002.

167 144 B.5. Risos para a Implantação de Projetos Termelétrios A reestruturação do setor elétrio tem permitido o aumento da efiiênia do merado de energia elétria. Isso tem oorrido prinipalmente pela atuação dos agentes de omerialização de energia oordenados pelo governo, onsumidores livres e agentes do segmento de geração e transmissão, garantindo, no ambiente de ompetição, as ondições neessárias para aumentar a oferta do sistema e, assim, diminuir os preços quando omparados ao antigo regime monopolista estatal, benefiiando prinipalmente os onsumidores. Os prinipais pontos relaionados à apaidade dos agentes privados em investir na expansão do sistema elétrio de maneira a deixar os preços e a onfiabilidade de suprimento de energia em níveis aeitáveis são a onentração de merado, defesa da onorrênia, barreiras estruturais para a entrada de novos agentes, impedimentos de livre negoiação e pelo repasse dos preços entre geradores e onsumidores. A inexistênia de uma visão lara dos investidores om relação aos risos inorridos e suas onseqüênias e a falta de perspetiva onreta de meanismos de mitigação que podem araterizar os risos para projetos termelétrios tem oasionado difiuldades na fixação de novos ontratos para a venda de energia, impedindo a obtenção de finaniamentos, se tornando um obstáulo à viabilização desses projetos e trazendo preoupação ao Governo no toante ao umprimento das metas do Programa Prioritário Termelétrio. Existem vários fatores de riso estruturais e onjunturais para a implantação e viabilização de usinas térmias no país, omo a falta de turbinas no merado internaional, as inertezas do lieniamento ambiental, o repasse do preço do ombustível para as tarifas das distribuidoras, a eventual inexperiênia em projeto, onstrução e montagem de usinas termelétrias por empresas brasileiras. A operação de plantas termelétrias a gás natural no sistema elétrio interligado está assoiada a três fatores importantes: Vinulação ao regime de ontratos de ompra de ombustível do tipo take-or-pay, exigidos pelo forneedor de ombustível; Forma de operação das entrais termelétrias, que funionam em regime de omplementação térmia; Produção de energia dependente da natureza estoástia da hidrologia.

168 145 Uma série de risos é visualizada para a omerialização da energia termelétria produzida, omo é o aso do riso ambial; riso regulatório; volatilidade do preço spot de energia; além da eventual volatilidade dos enargos de transporte relativos ao uso das redes de transmissão e distribuição. O proesso deisório para implantação e ampliação de usinas térmias deve ser adequado visando minimizar possíveis perdas no merado de urto prazo em deorrênia das variações de preços devido à variabilidade das ondições hidrológias, prinipalmente para a modalidade de investimento do tipo projet finane, onde a estabilidade do fluxo de aixa e a minimização dos risos finaneiros inorridos no MAE devem ser enfatiamente busadas. A esta deisão assoiam-se as ondições operativas do sistema, as deisões de investimento do parque gerador, a omposição do parque gerador em sua onfiguração atual e a expetativa do plano indiativo de penetração de ada empresa no merado onsumidor e as taxas de resimento de onsumo previstas, permitindo onfigurar a expetativa de evolução do merado atendido ao longo do horizonte de deisão. Dentre os prinipais fatores de riso para os geradores termelétrios, podem ser destaados: Volatilidade do preço da energia no MAE; Reeitas dos ontratos de urto e longo prazo; Contratos de ombustível; Preço do ombustível e Taxa de âmbio. No novo ontexto omerial, a determinação do nível de ontratação bilateral de ada empresa geradora ou omerializadora de energia torna-se uma variável estratégia, pois determinará o montante de retorno finaneiro dos investimentos e da própria sobrevivênia finaneira das empresas. Os risos finaneiros onernentes a estas operações devem ser detalhadamente determinados, modelados e gereniados. Ramos et al. (2001) omentam que a imprevisibilidade quanto às vazões futuras é a prinipal omponente da inerteza sobre os agentes do setor, inerteza que não pode ser eliminada, mas que deverá ser estimada om preisão sufiiente para a tomada de deisão.

169 146 Anexo C Aspetos do Gás Natural no Brasil O gás natural tem uma alta apaidade alorífia e é o mais limpo dos ombustíveis fósseis, tornando-se, assim, signifiativo na redução aentuada de emissões. A desoberta de reentes reservas em baias brasileiras e o forneimento proveniente do gasoduto Bolívia- Brasil têm olaborado para a diminuição dos ustos finais do gás natural, tornando-se uma das melhores alternativas para a produção de eletriidade, tanto sob aspetos ténios e eonômios, quanto sob aspetos de preservação ambiental. C.1. Histório Desde 1988 a Constituição Brasileira garante aos Estados a exlusividade da exploração do serviço de distribuição do gás analizado, porém, somente através de empresas estatais. Esse dispositivo alterou profundamente o setor, estimulando os Estados que não tinham a riarem suas próprias ompanhias de gás. Com isso, reseu o número de empresas de distribuição, pois até aquele ano apenas 3 empresas existiam e somente 2 operavam, a CEG (Rio de Janeiro) e COMGÁS (São Paulo). Hoje, o Brasil tem 18 empresas em operação, onforme mostra a Tabela C.1. A partir de 1995, várias mudanças vêm oorrendo no setor de petróleo e gás natural, om a aprovação pelo Congresso Naional de emendas onstituionais que trouxeram alterações substaniais na atual estrutura instituional de petróleo e derivados, nas quais foram mudadas as regras para a partiipação do apital privado no toante à exploração, produção e omerialização de petróleo e derivados. Dessa forma, alguns estados da Federação passaram a adotar programas de privatização de suas empresas de distribuição de gás natural, tendo omo base a perspetiva de que, om a transferênia da sua propriedade e operação para empreendedores privados, oorra um proesso simultâneo de aumento dos investimentos e efiiênia, resultando em melhor serviço ao menor preço para os onsumidores. Na nova estrutura reguladora federal do setor, além da Agênia Naional de Energia Elétria (ANEEL), foi riada a Agênia Naional do Petróleo (ANP), responsável pelas atividades regulatórias referentes ao petróleo, exetuando-se a distribuição, ontrole e da supervisão sobre o gás analizado, no sentido de assegurar que o seu poder de monopólio não se ontraponha às neessidades da soiedade. Dessa forma, o movimento de privatização de onessionárias estaduais de energia elétria e gás, mais a riação das agênias federais,

170 147 tiveram omo efeito imediato que vários estados riassem as suas próprias entidades de regulação. O rápido resimento e desenvolvimento do setor elétrio, aliado à entrada do gás liquefeito de petróleo (GLP) em botijões, resultaram num proesso de estagnação do gás analizado no Brasil. O GLP, através de uma polítia de subsídios, onquistou o merado de oção de alimentos, e a energia elétria dominou o setor de iluminação. Tabela C.1 Vendas de gás das distribuidoras brasileiras por segmento. UF Empresas Industrial Automotivo Residenial Comerial Cogeração Geração Elétria Total CE Cegas 188,54 156,04 0,22 0,28 36, ,9 1540,69 RN Potigás 160,34 157,89 0 0,22 0 0,44 318,89 PB PBGás 162,73 73, ,17 PE Copergás 664,93 144,27 0,06 0, ,7 AL Algas 331,61 69,31 1,63 2, ,14 SE Emsergás 139,99 6,5 0,05 0, ,55 BA Bahiagás 2.559,0 176,0 0,04 0,2 1136,0 0, ,26 MG Gasmig 1046,85 250, , , ,29 MS MSGás 10,24 15,94 0 0, , ,58 ES Petrobrás 1082,37 104,45 0,43 0, ,22 RJ CEG 1618,3 1480,8 330,6 168,1 196,1 726,4 4520,3 RJ CEG Rio 2166,8 188,1 2,6 1, ,5 3990,1 SP Gás Natural 519,06 44,76 7,69 11, ,03 SP Gás Brasiliano 173,36 13,04 0,22 1, ,9 SP Comgás 7874,0 1048,0 319,0 260,0 1209,0 190, ,0 PR Compagás 523,13 54,27 0,6 3,17 80,89 0,11 662,16 SC SCGás 1031,04 109,66 0 0, ,5 RS Sulgás 584,1 104,41 0 5,63 239,99 506, ,44 TOTAL 20836, ,25 663,14 467, , , ,92 Fonte: Revista Brasil Energia (Julho de 2004). C.2. Aspetos Regulatórios Na déada de 90, foram dados alguns passos no sentido da riação de estruturas do Governo Federal, já que este sempre teve atuante papel omo detentor das matérias-primas, dos prinipais investimentos e na infra-estrutura. Assim, além do Ministério de Minas e Energia (MME), foram riadas a Seretaria Naional de Energia (SNE) e o Departamento

171 148 Naional de Combustíveis (DNC), que substituiu o Conselho Naional de Petróleo (CNP). Ao Ministério de Minas e Energia, através da Seretaria Naional de Energia, abia a responsabilidade de formular polítias energétias no âmbito naional, omo, por exemplo, exerer o papel de supervisionar, ontrolar e fisalizar atividades energétias sob a égide da União, omo geração hidroelétria e as atividades no monopólio da União. No que se refere aos assuntos ligados ao petróleo, abia ao Ministério supervisionar e fisalizar a exeução de planos e atividades da Petrobrás e de suas subsidiárias. O Ministério da Fazenda, através da Seretaria de Aompanhamento Eonômio, ainda tem um grande peso nas questões tarifárias e de preços, relativo ao gás natural produzido pela Petrobrás. Em 1994, através de negoiações entre as empresas estaduais distribuidoras de gás natural, a Petrobrás e os órgãos federais, foi estabeleida pela primeira vez uma polítia de preço para o gás matéria-prima. O preço do gás natural no ity-gate, de origem naional, foi fixado em 75% do preço ao onsumidor do óleo ombustível do tipo A1. O gás importado da Bolívia tem regras próprias de preço. Com a aprovação pelo Congresso Naional da Lei 9.478, em agosto de 1997, fiou estabeleido finalmente, em âmbito federal, o oneito de regulação, pois, além das definições onernentes aos monopólios do setor de petróleo e gás natural, foram riados dois órgãos: a ANP - Agênia Naional de Petróleo e o CNPE - Conselho Naional de Polítia Energétia. C.3. Aspetos Ambientais A geração termelétria a gás natural tem omo prinipais poluentes gerados no proesso de ombustão o monóxido de arbono (CO), óxidos de nitrogênio (NO 2 ), hidroarbonetos (HCs) e dióxido de arbono (CO 2 ). A presença destes gases na atmosfera ontribui para a formação de oxidantes fotoquímios e huva áida, bem omo para a intensifiação das mudanças limátias globais, dado que o CO 2 e os HCs estão entre os prinipais gases que ausam o efeito estufa. Quanto aos aspetos ténio-ambientais, a utilização do gás natural reduz o tempo e o número de paradas de manutenção no maquinário, na medida em que as paradas têm impliações tanto no proesso produtivo, quanto na qualidade ambiental, uma vez que alguns equipamentos poluem mais durante as operações de partida e de parada do que quando trabalhando em regime normal. Outra vantagem é que o gás natural, em prinípio, é isento de enxofre e de inzas, o que torna dispensável as ustosas instalações de desulfurização e eliminação de inzas que são

172 149 exigidas nas térmias a arvão e a óleo. O problema da huva áida é mínimo em uma térmia a gás natural e a ontribuição para o aqueimento global, por kw gerado, é muito menor que nas orrespondentes a arvão e óleo, por força da melhor efiiênia térmia. Como o gás natural é rio em hidrogênio, quando omparado aos demais ombustíveis fósseis, a proporção de gás arbônio gerado por sua queima é signifiativamente mais baixa. O problema ambiental mais aentuado nas instalações a gás natural é o de emissão de óxidos de nitrogênio. Os últimos desenvolvimentos ténios prevêem a utilização de queimadores om injeção de água ou vapor na zona de ombustão das turbinas, o que, além de reduzir o NO x, ainda eleva a apaidade produtiva de máquina por aumento do fluxo de massa através da turbina. O meio ambiente meree espeial atenção para direionar o desenvolvimento tenológio do setor de gás, seja no país, ou internaionalmente. Estudos deverão ser onentrados em áreas omo o gereniamento de risos, atendimento de aidentes ambientais e reuperação de passivos ambientais (Mendes & De-Lemos, 2002). Reentemente, mudanças na matriz energétia dos países em desenvolvimento, motivadas pelo proesso de desregulamentação e ompetição de livre merado, tem ausado substanial impato ambiental devido a problemas assoiados om poluição atmosféria, ruído em áreas densamente povoadas, ontaminação de reservatórios de água, destruição de solos e sistemas naturais, inadequada gestão de reservas naturais, et. No aso partiular do Brasil, o resente uso de gás natural e de ombustíveis fósseis para produção de energia elétria tem sido fomentado pelo governo federal, trazendo, entretanto, inevitável impato ao meio ambiente e poluição, se omparado ao tipo de energia antes produzida de origem hidrelétria. De qualquer forma, diante de todos os ondiionantes de degradação, é importante que se trae uma matriz de impatos ambientais, que permita a identifiação dos impatos mais signifiativos, demonstrando sua intensidade e onde estão inseridos (Mendes & De-Lemos, 2002). A avaliação de impatos ambientais pode ser feita através de diversas metodologias, dentre as quais, tem-se: As matrizes de impato ambiental, apliadas em projetos de aproveitamentos múltiplos de reservatórios, onstrução de usinas termelétrias, de rodovias, et; Os índies de qualidade ambiental, que é a sistematização de informações oletadas através de monitoramento ou pesquisas intensivas de parâmetros apazes de

173 150 quantifiar o impato ausado pela instalação/implantação de projetos; Os modelos físios e matemátios, que simulam a distribuição espaial e temporal dos indiadores ambientais direionados a determinado problema, omo a qualidade do ar, da água, a disposição final de resíduos e emissões nos meios pedo-geológio, geomorfológio, atmosfério e hidrográfio. C.4. Redes de Distribuição e Perspetivas de Aumento de Consumo Em termos de infra-estrutura de transporte, o Brasil não é bem servido omo outros países. A Figura C.1 mostra a rede om os prinipais gasodutos do Brasil. Em termos de distribuição, somente duas idades possuem estrutura de rede mais ompleta nas respetivas regiões metropolitanas: Rio de Janeiro e São Paulo. Figura C.1 Gasodutos no Brasil As diretrizes da polítia energétia naional sinalizam que o gás natural deverá responder por 12% da energia primária em 2010 (CGTEE, 2003). As tenologias e neessidades indiam novos equipamentos, produtos e proessos relaionados ao uso de gás

174 151 natural no país, destaando-se: desenvolvimento de tenologias e proessos para auxiliar a agregação de valor a derivados, novos proessos de onversão para líquidos, transporte, distribuição, armazenamento, metrologia do gás natural, identifiação de gargalos tenológios para o desenvolvimento do merado naional de gás natural, e o aumento de efiiênia em sua apliação (equipamentos de uso final). C.5. Caraterístias Ténias A densidade do gás natural é menor que a do ar atmosfério e, por isso, ele se dispersa rapidamente por oasião de vazamento, eliminando-se, assim, o riso de inêndio. Antes de seguir para o onsumidor, o gás natural passa por um proesso de tratamento que onsiste na remoção do enxofre, que se onentra na forma de áido sulfidrio (H 2 S). A toxidez deste áido é semelhante à apresentada pelo áido ianídrio (HCN) e duas vezes maior que a do monóxido de arbono (CO). Em ontato om a água, forma o áido sulfúrio que é altamente orrosivo e que poderia danifiar os equipamentos. O dióxido de arbono (CO 2 ) é também removido, prinipalmente para evitar a formação de gelo seo nos proessos de ondensação do gás natural. A toxidez de um gás está relaionada om a porentagem de monóxido de arbono ontido no ombustível, ou nos produtos de ombustão, quando ela oorre de maneira inompleta. O gás natural é inodoro, não detetável pelos sentidos humanos e altamente tóxio e explosivo, quando misturado ao ar. As prinipais propriedades araterístias do gás natural boliviano e sua omposição média são desritas nas Tabela C.2 e C.3, respetivamente. Tabela C.2 Propriedades médias do gás natural boliviano. Propriedades Média Poder Calorífio Superior (kal/nm 3 ) 9,958 Poder Calorífio Inferior (kal/nm 3 ) 8,993 Densidade Relativa (ar = 1) 0,602 Massa Moleular Aparente (g/mol) 17,367 Relação Gás/Ar (m 3 /m 3 ) 1/9,96 Limite de Inflamabilidade Superior (% gás no ar) 14,9 Limite de Inflamabilidade Inferior (% gás no ar) 4,8 (Fonte:

175 152 Tabela C.3 Composição média em volume do gás natural boliviano. Substânia Fórmula Volume (%) Metano CH 4 91,8 Etano C 2 H 6 5,58 Propano C 3 H 8 0,97 Iso-Butano C 4 H 10 0,03 N-Butano C 4 H 10 0,02 Pentano C 5 H 12 0,10 Dióxido de Carbono CO 2 0,08 Nitrogênio N 2 1,42 (Fonte:

176 153 Anexo D Exemplos de Usinas Térmias Nesse anexo são apresentadas algumas Usinas Térmias que utilizam ilos de vapor e ilos ombinados. É possível visualizar algumas araterístias típias das onfigurações, bem omo os níveis de pressão e temperatura dos prinipais fluxos de ada planta. D.1. Usina Naistenlahti A usina Naistenlahti está loalizada na Finlândia e opera om gás natural produzindo energia e vapor para proesso. Em 1998 passou por um repoteniamento na qual a aldeira tradiional foi substituída por uma aldeira de reuperação de um nível de pressão e irulação natural e por uma turbina a gás do modelo 6FA da GE. A planta pode operar de duas formas: sem queima suplementar, quando atinge 94 MW, vazão de 30,9 kg/s de vapor a 525ºC e 50 bar ou om queima suplementar, quando sua apaidade produtiva hega a 98 MW, vazão de 60 kg/s de vapor e a 525ºC e 90 bar. A Figura D.1 mostra a planta térmia atual da Usina de Naistenlahti (Fonte: Figura D.1 Planta térmia da Usina de Naistenlahti (Finlândia).

177 154 D.2. Usina Korneuburg A usina Korneuburg, loalizada na Áustria, opera om gás natural produzindo 128,8 MW de energia, sua planta onsiste de uma aldeira de reuperação de dois níveis de pressão sem queima suplementar de ombustível, uma turbina a gás Brown Boveri Type 13 que produz 81,1 MW e uma turbina a vapor que produz até 48,7 MW, sendo 1 MW para onsumo próprio. A efiiênia da planta é de 47% no ilo ombinado. A Figura D.2 mostra a planta térmia da Usina Korneuburg (Fonte: Horlok, 1992). Figura D.2 Planta térmia da Usina Korneunburg (Áustria). D.3. Usina Hemweg A usina Hemweg, loalizada em Amsterdã na Holanda, passou por um proesso de repoteniamento em que foi adiionada ao ilo a vapor uma turbina a gás Brown Boveri tipo 13E que produz 134,9 MW passando de 500 para 600 MW de energia produzidos, sua planta possui turbinas a vapor que produzem até 465,1 MW e uma aldeira onvenional que aproveita dos gases de exaustão om exesso de ar para queima omplementar para produzir vapor de alta pressão e reaqueer uma parte do vapor das turbinas a vapor para aumentar a

178 155 efiiênia do ilo. A efiiênia da planta era de 41,3% e teve um arésimo de 4,6% após a repotenialização e um ganho de 28% na potênia total produzida. A Figura D.3 mostra a planta térmia da Usina Hemweg (Fonte: Horlok, 1992). Figura D.3 Planta térmia da Usina Hemweg (Holanda). D.4. Usina Nokia A usina Nokia também está loalizada na Finlândia e opera om gás natural produzindo energia e vapor para proesso a três níveis diferentes de temperatura e pressão e ainda fornee alor através da aldeira de reuperação para um distrito industrial e para um troador de alor de Glyol. Em 1997 passou por um repoteniamento onde a turbina de ontra pressão foi substituída por uma de extração ondensação e por uma aldeira de reuperação de dois níveis de pressão e irulação natural, e por uma turbina a gás do modelo 6FB da Thomassen International. A planta pode operar om e sem queima suplementar. A Figura D.4 mostra a planta térmia da Usina de Nokia (Fonte:

179 156 Figura D.4 Planta térmia da Usina de Nokia (Finlândia). D.5. Companhia Siderúrgia Naional A Companhia Siderúrgia Naional (CSN) está loalizada em Volta Redonda no Rio de Janeiro e tem hoje a maior planta térmia de ogeração do Brasil. A planta usa somente gases residuais de proessos siderúrgios. Ela tem três aldeiras que forneem vapor a 540 ºC e 130 bar para quatro turbinas a vapor, sendo duas para aionamento de sopradores utilizados em proessos da ompanhia de 17 MW ada e duas para produção de eletriidade (130 MW ada). O vapor sai das turbinas a 250 ºC e 12 bar e é utilizado no proesso industrial da siderúrgia. A Figura D.5 mostra a planta térmia simplifiada da CSN (Fonte: Lima, 2001). Figura D.5 Planta térmia simplifiada da CSN (Brasil).

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