Conversão de Motores Diesel para Combustíveis Indutores de Menores Emissões Jorge Mendonça e Costa Consultor da Cogen Portugal / Prof. Coordenador (ISEL)
Conteúdo 1. Motivação 2. Funcionamento e aspectos construtivos de motores Diesel 3. Caracterização das emissões de motores de combustão interna 4. Combustíveis com menor impacto ambiental 5. Levantamento do parque de Motores Diesel existente 6. Tipificação das unidades passíveis de conversão 7. Levantamento das diferentes tecnologias utilizadas na conversão de motores Diesel 8. Análise económica da conversão de motores 9. Simulador 10. Conclusões
Motivação Fonte: WÄRTSILÄ 1. Parque importante de motores Diesel longe do termo de vida útil; 2. Equipamento, na maior parte dos casos, já amortizado; 3. Impacte ambiental e custo associado; 4. Equipamento com rendimento térmico elevado.
Componentes de um motor Diesel colectores de escape injector câmara de combustão êmbolo camisa admissão de ar biela cambota cabeça do motor alimentação de combustível circuito de refrigeração câmara de pleno árvore de cames bomba de injecção bloco do motor cárter Fonte: WÄRTSILÄ
Emissões em Motores Alternativos (Diesel e Otto) 1. Dióxido de carbono (CO 2 ) 2. Monóxido de Carbono (CO) 3. Óxidos de Azoto (NO x ) 4. Óxidos de Enxofre (SO x ) 5. Compostos orgânicos voláteis (COV) 6. Partículas O Decreto Lei nº 78/2004 de 3 de Abril estabelece o regime da prevenção e controlo das emissões de poluentes para a atmosfera, fixando os princípios, objectivos e instrumentos apropriados à garantia da protecção do recurso natural ar, bem como as medidas, procedimentos e obrigações dos operadores das instalações abrangidas. A Portaria 677/2009 de 23 de Junho fixa os Valores Limite de Emissão (VLE) aplicáveis às instalações de combustão abrangidas pelo Decreto Lei 78/2004, nomeadamente no que concerne a motores de combustão interna (motores alternativos).
Emissões de Óxidos de Azoto (expresso como NO 2 em mg/nm 3 para um teor de O 2 de 15%) Potência Térmica (MW th ) Combustíveis Líquidos Combustíveis Gasosos N 750 rpm N < 750 rpm Motores de ciclo Diesel P th 50 MW th 400 (440) 450 (495) (*) 150 (165) 20 MW th P th < 1500 (1650) 1650 (1815) (*) 500 (550) 50 MW th P th < 20 MW th 1750 (1925) 1900 (2090) (*) 500 (550) Motores de ciclo Otto P th 20 MW th 500 (550) 500 (550) 300 (330) P th < 20 MW th 500 (550) 500 (550) 350 (385) (*) Considerando queima dual em modo combustível gasoso Valores em parêntesis valores majorados em 10% para o caso de motores de combustão interna integrados em centrais de cogeração (nº 1 do art.º6ºda Portaria 677/2009 de 23 de Junho)
φ = ( F / A) ( F / A) esteq. Emissões em Motores Alternativos (Diesel e Otto) Ciclo Otto Ciclo Diesel Fonte: Heywood, J.B, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill, 1988
Medidas de mitigação (combustão estratificada) Fonte: Wärtsilä Engine Technology
SCR Selective Catalytic Reduction Fonte: Wärtsilä
Características do gás natural distribuído em Portugal Gás Natural (Portugal) Gasoduto Magreb Terminal de SINES Constituinte mol (%) mol (%) Metano (CH 4 ) 87,885 92,215 Etano (C 2 H 6 ) 8,056 4,841 Propano (C 3 H 8 ) 1,378 2,111 i Butano (C 4 H 10 ) 0,108 0,360 n Butano (C 4 H 10 ) 0,158 0,381 i Pentano(C 5 H 12 ) 0,022 0,018 n Pentano(C 5 H 12 ) 0,018 0,003 n Hexano(C 6 H 14 ) 0,020 0,000 Azoto (N 2 ) 1,088 0,071 Dióxido de Carbono (CO 2 ) 1,266 0,000 Σ 99,999 100,000 Massa molar (kg/kmol) 18,192 17,646 Massa volúmica (kg/m 3 (n)) 0,8141 0,7897 Densidade relativa 0,6297 0,6107 MJ/m 3 (n) MJ/m 3 (n) Poder calorífico superior 42,47 43,21 Poder calorífico inferior 38,39 39,05 Índice de Wobbe (c/ base pcs) 53,52 55,30
Levantamento do parque existente 1. Realizadas 28 visitas a instalações com motores Diesel; 2. Elaboração de uma ficha de especificações para recolha de informação; 3. Salvaguarda de informação sensível (i.e. identificação da instalação);
Conteúdo das fichas de especificações 1. Identificação da Instalação Localização geográfica e caracterização do local, incluindo temperatura média ambiente; Sector empresarial; Potência instalada; Ano de arranque. 2. Especificações da Instalação Quantidade de Motores Diesel instalados; Marca e modelo; Potência unitária dos grupos geradores; Sistemas de recuperação de calor (tipo, potência térmica, temperaturas de escape, circuitos de água de baixa e alta temperatura, etc.).
3. Dados operacionais Número total de grupos geradores em funcionamento; Regime de funcionamento; Produção média anual de electricidade no período 2005 2010; Tipo de fuelóleo consumido e consumo médio anual no período 2005 2010; Emissões médias (NO x, SO x, Partículas); Manutenção dos grupos geradores. 4. Diversos Disponibilidade de gás natural no local e características de fornecimento; Potencial de consumo adicional de energia térmica (vapor, água quente, gases quentes). 5. Outra informação relevante.
Ficha de especificações (layout típico)
Fichas de especificações (Resumo) DATA ARRANQUE UNID. INST. POT. E. UNIT. [MWe] Nº DISTRITO CONCELHO Sector Act. MARCA MODELO Nº CILIND. RPM RPM TPF 1 PORTO SANTO TIRSO TÊXTIL KRUPP MAK 12M453C 12 600 600 1994 1 4,24 4,24 2 LISBOA ALENQUER CERÂMICA SULZER 8ZAL40S 8 500 500 1 1994 1 5,63 5,63 3 SANTARÉM ALMEIRIM ALIMENTAR MAN B&W 9L32/40 750 750 1998 1 3,82 3,82 4 BRAGA FAMALICÃO TÊXTIL Man 9L32/41 750 750 1 1998 1 3,82 3,82 6 SETÚBAL BARREIRO ALIMENTAR WÄRTSILÄ W18V32D 750 750 1 1997 1 6,51 6,51 7 SETÚBAL MONTIJO CORTIÇA KRUPP MAK 9M32 600 600 1 1998 1 4,17 4,17 8 PORTO S. TIRSO TÊXTIL SULZER 6ZAL40S 6 500 500 1 1995 1 4,18 4,18 9 AVEIRO V. CAMBRA EMBALAGENS KRUPP MAK 12M453C 12 600 600 1994 1 4,24 4,24 10 BRAGA GUIMARÃES TÊXTIL WÄRTSILÄ W18V32D 18 750 750 1 1994 1 6,51 6,51 11 BRAGA GUIMARÃES TÊXTIL WÄRTSILÄ W16V32D 16 750 750 1993 1 5,70 5,70 13 BRAGA GUIMARÃES TÊXTIL KRUPP MAK 6M32 600 600 1 1997 2 2,76 5,53 14 BRAGA BARCELOS TÊXTIL KRUPP MAK 12M453C 12 600 600 1996 1 4,24 4,24 15 AVEIRO OVAR ALIMENTAR SULZER 12ZAL40S 500 500 1996 1 8,29 8,29 16 AVEIRO ESTARREJA QUIMICA WÄRTSILÄ W9R32D 18 750 750 1994 2 3,26 6,52 17 AVEIRO ESTARREJA QUIMICA MITSUBISHI 18KU30 18 750 750 1 1994 1 5,65 5,65 18 PORTO AMARANTE SERVIÇOS WÄRTSILÄ W16V32D 750 750 1997 1 5,78 5,78 19 AVEIRO ANADIA CERÂMICA WÄRTSILÄ W16V32D 750 750 1997 1 4,20 4,20 20 BRAGA GUIMARÃES TÊXTIL SULZER 6ZAL40S 6 500 500 1996 1 4,18 4,18 21 AVEIRO S. M. FEIRA PAPEL MAN (BAZIN) 8L40/45 8 600 600 TP 1996 1 5,23 5,23 22 BRAGA GUIMARÃES TÊXTIL WÄRTSILÄ W18V32D 18 750 750 TP 1996 1 6,51 6,51 23 V. CASTELO BARROSELAS CERÂMICA WÄRTSILÄ W12V32D 750 750 1 1997 1 4,27 4,27 24 VISEU NELAS MADEIRA WÄRTSILÄ W18V32D 36 750 750 1994 2 6,51 13,02 26 LISBOA T. VEDRAS ALIMENTAR SULZER 6ZAL40S 6 500 500 1994 1 4,60 4,60 27 LISBOA T. VEDRAS ALIMENTAR MAN 8L32/40 8 750 750 1996 1 3,40 3,40 28 SANTARÉM TORRES NOVAS ALIMENTAR MAN 9L32/40 750 750 1 1997 1 3,82 3,82 BRAGA GUIMARÃES TÊXTIL SULZER 6ZAL40S 6 500 500 1994 1 4,18 4,18 PORTO MATOSINHOS MADEIRA SULZER 8ZAL40S 16 500 500 1994 1 5,58 5,58 PORTO MATOSINHOS MADEIRA SULZER 16ZAL40S 16 500 500 1999 1 11,15 11,15 5 SETÚBAL PAPEIS INAPA, SA (2) PAPEL SULZER 12ZAV40S 500 500 500 1997 1 8,64 8,64 12 VISEU MANGUALDE MADEIRA WÄRTSILÄ W18V32D 18 750 750 1993 1 6,33 6,33 25 COIMBRA O. HOSPITAL MADEIRA WÄRTSILÄ W16V32D 16 750 750 1992 1 6,16 6,16 8 PORTO S. TIRSO TÊXTIL SULZER 6ZAL40S 8 500 500 1993 1 4,18 4,18 LISBOA V. F. XIRA VIDRO WÄRTSILÄ W18V32D 18 750 750 1993 1 6,51 6,51 PORTO V. CONDE TÊXTIL KRUPP MAK 12M453C 12 600 600 1995 1 4,24 4,24 SANTAREM ALCANENA CORTUMES MAN 7L32/40 7 750 750 1996 1 3,07 3,07 POT. GLOBAL [MWe]
Unidades Diesel para conversão e/ ou substituição completa por novas unidades a gás Tipo de Unidade Número Wärtsila 32 10 MAK 32/40 9 Sulzer 8 MAN L32/40 n/d Pielstick 2 Mitsubishi 1
Motor Dual Fuel Pode funcionar àsua máxima carga com quantidades diminutas de combustível líquido para promover a ignição da carga do cilindro. O combustível líquido, gasóleo (GO) ou fuelóleo pesado (HFO), assegura menos de 15% da energia necessária por ciclo e os restantes 85% da energia necessária provém do gás natural; Motor Bi Fuel A energia por ciclo proveniente do gás éda ordem dos 65% enquanto os restantes 35% da energia necessária provém do combustível líquido (i.e. GO ou HFO). HFO Heavy Fuel Oil
Poluentes nos gases de escape de um motor a operar em modo Diesel e modo Dual Fuel (66% Gás natural+34% HFO) Modo de Operação COV (g/kwh) NOx (g/kwh) PM10 (g/kwh) 100% Diesel 9,517x10 2 4,636 2,583x10 1 66% Gás Natural + 34% HFO 4,215x10 1 3,916 1,632x10 1
Análise Económica da Conversão de Motores Diesel 1. Potência eléctrica da instalação em kw; 2. Consumo específico da instalação g/kwh; 3. Número de horas de funcionamento por ano; 4. Preço do combustível HFO em /kg; 5. Preço do combustível gasoso em /Nm 3 ; 6. Taxa de substituição de HFO por Gás Natural em %; 7. Custo da conversão; 8. Custos de manutenção.
Casos de estudo considerados na conversão de Motores Diesel 1. Conversão integral de um motor Diesel para motor a gás (ciclo Otto); 2. Conversão de um motor Diesel para queima dualfuel, mantendo a possibilidade de queima de fuelóleo pesado. Fonte: MAN TecnoVeritas
Conversão de Motores Diesel Dados de input Propriedades dos combustíveis: Despacho 17313/2008 do Diário da República 2ª série, nº 122 de 26 de Junho. Consumo específico: Com base nos rendimentos eléctricos típicos dos motores Diesel instalados em Portugal (η e = 40 a 45%) é possível determinar o heat rate (taxa de calor) e com base no poder calorífico inferior do combustível utilizado obtémse o consumo específico do motor expresso em g/kwh.
Conversão de Motores Diesel Dados de input Rendimento da cogeração: Rendimento típico da geração de calor alternativa η t = 85 a 95%, baseado no pci do combustível; Valorização de energia térmica a produção de energia é realizada a partir de gás natural com um preço idêntico ao que será utilizado no motor após conversão; Aumento do rendimento da cogeração melhor aproveitamento do calor dos gases de escape do motor (ponto de orvalho dos fumos mais baixo); Caudal típico de gases de escape 1 a 2 kg/s/mw; Calor específico dos gases de escape 1,1 a 1,2 kj/kg. C
Conversão de Motores Diesel Dados de input Consumo de óleo lubrificante: Consumo de óleo lubrificante 1,2g/kWh; Épossível contabilizar uma diminuição de 50% no consumo de óleo após conversão; Assumiu se que o preço do lubrificante ascende a 2 / kg. Custos de manutenção: Motor Diesel 0,011 a 0,012 /kwh; Motor a gás ou dual fuel 0,008 a 0,009 /kwh.
Conversão de Motores Diesel Dados de input Tarifa de energia eléctrica: Simulador de cálculo da tarifa de energia eléctrica Decreto Lei nº 313/2001 de 10 de Dezembro e respectivas Portarias (i.e. Portarias 57, 58, 59, 60/2002 de 15 de Janeiro) www.cogenportugal.com; Valor médio de venda de energia eléctrica àrede 110 /MWh Preço do fuelóleo e gás natural: Fuelóleo 52 /kg (46,14 /MWh); Gás natural 40 /MWh.
Conversão de Motores Diesel Dados de input Factores de emissão* e valorização do CO 2 : Fuelóleo 77 kg CO 2 e/gj (278,28 g CO 2 e/kwh); Gás natural 64,1 kg CO 2 e/gj (230,76 g CO 2 e/kwh); Valorização do CO 2 20 /t CO 2. * Despacho 17313/2008 do Diário da República 2ª série, nº 122 de 26 de Junho.
Custos de Conversão de Motores Diesel Diesel Ciclo Otto (100% GN) 250 a 350 /kw (Wärtsilä); Diesel Dual fuel (95% GN + 5% gasóleo) 190 a 300 /kw (MAN); Diesel Dual fuel (95% GN + 5% gasóleo / 100% HFO) 400 /kw (Wärtsilä); Diesel Bi fuel (70% GN + 30% HFO) 80 a 100 /kw (TecnoVeritas).
Conversão Integral: Motor Diesel Motor a gás (ciclo Otto) TIR Projecto 27,96%
Conversão de um motor Diesel para motor Bi Fuel TIR Projecto 89,88%
Conclusões Existência de um parque interessante de motores Diesel com potencial de transformação para gás natural e/ou gás natural + fuelóleo; Contenção de custos de investimento propiciando recurso a capitais próprios num momento em que o acesso ao crédito está estrangulado; Impacte ambiental favorável e futura diminuição dos custos com aquisição de licenças de emissão de CO 2 ; Manutenção em funcionamento de equipamento que se encontra ainda longe do término da sua vida útil; Dinamização de um mercado de transformação de motores com players nacionais.