ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA DE UM SISTEMA DE MICROGERAÇÃO DE ENERGIA PARA USO RESIDENCIAL alvaro antonio ochoa villa (Universo) ochoaalvaro@hotmail.com Helder Henrique Lima Diniz (Universo) helder.diniz@terra.com.br Este trabalho tem como finalidade a análise financeira de um sistema de microgeração de energia, conformado por uma microturbina, um chiller de absorção, trocador de calor e uma torre de resfriamento, para o fornecimento de energia elétricaa e térmica para uso residencial. A ideia principal é o estudo de viabilidade econômica a traves dos parâmetros econômicos tais como: valor presente líquido (VPL), tempo de retorno do capital investido, e da taxa interna de retorno, em função dos anos do investimento. Foi desenvolvida uma metodologia computacional na plataforma EES-32 (Engineering Equation Solver), para avaliar a influência dos custos e receitas geradas no sistema de geração de energia. A modelagem financeira baseia-se nos princípios da engenharia econômica a traves dos fluxos de caixa ao longo do tempo do investimento verificando os lucros gerados e os custos necessários para a operação e manutenção da planta de geração de energia, verificando as economias realizadas com o reaproveitamento dos gases rejeitados pela turbina como fonte de energia para produzir energia térmica de climatização, além da exportação de energia elétrica. Entre os principais resultados ressaltase o tempo de retorno do capital de 6 anos, com uma taxa interna de retorno de 39,13%, sendo esta muito maior que a taxa mínima atrativa (12%) escolhida para avaliar o sistema, fornecendo como conclusão final a aprovação no investimento, segundo estes parâmetros financeiros. Palavras-chaves: Cogeração, engenharia econômica, valor presente líquido.
1. Introdução A, cada vez maior, valorização dos aspectos ambientais e de sustentabilidade energética dos sistemas produtivos, ocasionaram uma preocupação com a racionalização e a otimização da energia com o propósito de aproveitar mais eficientemente o consumo energético. O uso mais eficiente da energia encontra na cogeração de energia um excelente aliado, como por exemplo, o aquecimento de água para a produção de água gelada, que servirá como energia de climatização. O uso de cogeração em na área de refrigeração está fortemente ligado aos sistemas de absorção, que usam a energia térmica para produzir frio, geralmente, para acondicionar espaços físicos, sem a necessidade de usar grande consumo de energia elétrica Vidal et al, (2006). O incremento nas tarifas elétricas tem levado à busca de melhores sistemas que ajudem à economia, além de aumentar a eficiência dos equipamentos que são utilizados para o conforto humano ou para qualquer outro processo industrial onde a eletricidade exerce um papel importante na estrutura econômica. Isto levou à utilização de novos sistemas térmicos com estas características mencionadas, entre eles; os Chillers de absorção, os quais têm como principal beneficio a utilização da cogeração, reutilizando o calor rejeitado por outros processos. A análise financeira, baseados nos custos energéticos através do Valor Presente Líquido (VPL), Taxa Interna de Retorno (TIR) e o Payback, permitem decidir se a cogeração é viável e, auxilia na escolha da tecnologia a ser implantada. Na instalação dos sistemas de cogeração existem três formas operacionais fundamentais: a primeira quando a unidade funciona como fornecedor de energia elétrica correspondendo à base do diagrama de carga elétrica e energia térmica produzida, sendo qualquer carência complementada com energia adquirida pela empresa pública fornecedora de eletricidade e a energia térmica produzida por outros componentes secundários; um segundo caso, quando o sistema opera exclusivamente para gerar energia elétrica em excesso comparativamente às necessidades da planta, sendo o excedente vendido à rede, enquanto que a geração de calor é utilizada para processo especifico no edifício ou local da planta; e finalmente, quando pode funcionar como fornecedor de energia elétrica para toda a planta, com ou sem exportação de eletricidade excedente à rede pública, sendo sua energia térmica produzida utilizada para processos da planta e possível venda para clientes ou plantas externas. 2. Metodologia de análise O objetivo deste sistema de geração de energia, mostrado na figura 1, é o reaproveitamento da energia rejeitada através dos gases da combustão ao ambiente pela microturbina, os quais são a fonte primária para o aquecimento da água quente que circula pelo chiller de absorção, para sua operação, e deste modo, poder gerar água gelada para o processo de resfriamento (climatização). 2
Este sistema de cogeração é basicamente composto por uma microturbina Capstone modelo 330 com capacidade nominal de 30 kw de energia (condições ISO), um recuperador de calor (trocador de calor de contracorrente, de fabricação local, Correia, 2006), bombas de circulação, um chiller de absorção e uma torre de resfriamento (Segundo os dados mencionados anteriormente). 2.1. Análise Financeira Figura 1 Sistema de absorção integrado a um conjunto de cogeração A finalidade desta análise é fornecer os elementos para uma melhor compreensão de comparação entre alternativas de projeto em função dos lucros oriundos do mesmo. 2.1.1. Custos envolvidos na análise financeira de projetos de cogeração O custo total de qualquer instalação é função de diferentes custos parciais como: i. O custo de investimento ( ): o qual representa a soma dos custos de aquisição de equipamentos e maquinaria de energia térmica e geração de energia elétrica, de armazenagem de combustível, recuperadores de calor, mão-de-obra, instalações específicas do edifício, tubulações, cabeamento, sistemas de controle e de segurança, ou seja, além de todos os trabalhos referidos à engenharia e respectivos estudos. ii. Os custos de operação e manutenção: representam os custos devido ao combustível do componente principal motriz de geração de energia (elétrica e térmica) e consiste no maior custo operacional. Acrescentado um balanço aplicado aos custos com a eletricidade, entre as receitas resultantes (lucros) das vendas de excedentes à rede e as despesas com aquisições à rede. Os custos com mão-de-obra e peças sobressalentes são calculados para a manutenção periódica do sistema, e adicionam-se aos custos operacionais. iii. Custos adicionais: Eles se referem aos outros custos consideráveis na análise econômica para a determinação de melhores resultados. Para sua estimação poder ser tomada os dados de compras anteriores, ou a informação fornecida por relatórios sobre o projeto a dimensionar. É 3
importante lembrar, que estes dados, são muitos difíceis de obter ou achar. A tabela 1 mostra valores percentuais que podem ser utilizados em caso não possuir suficiente informação, uma boa aproximação é a utilização da tabela como referência para outros projetos. iv. Custos Totais: Resultam da soma dos custos fixos e variáveis, entre eles os custos antes mencionados, além dos custos devido aos impostos e empréstimos solicitados para a operação da planta. Tabela 1 - Valores percentuais sobre os custos envolvidos em analise econômicos de projetos. Custos Diretos Tipo de Custos Faixa de valores em função do investimento inicial Compra de equipamentos adicionais 15 40 % Instalação dos equipamentos 6 14 % Tubulações 3 20 % Instrumentação e controle 2 8 % Equipamentos e materiais elétricos 2 10 % Terreno 0 2 % Trabalho civil, arquitetura e estrutura 5 23 % Serviços 8 20 % Custos indiretos Engenharia e supervisão 4 21 % Construção e montagem 6 22 % Contingências 5 20 % Outros custos Custos de partida da planta 5 12 % Capital de operação 10 20 % (1) Fonte: Bejan et al (1996). 2.2. Receitas do investimento As receitas consideradas são aquelas obtidas anualmente até o final do projeto, e geradas pelo custo da energia evitada ou consumida. Refere-se à economia no consumo de energia pela decisão de aplicar em um sistema de geração convencional ou cogeração. As receitas de investimentos são determinadas pela diferença dos custos operacionais anuais entre as duas formas de geração de energia. É importante lembrar que no caso do chiller de refrigeração por absorção é suprida por energia térmica, eliminando quase em totalidade a energia elétrica consumida por um chiller de refrigeração por compressão mecânica. Daqui a importância do uso destes equipamentos para a economia elétrica da planta, sendo esta economia de energia elétrica excedente, ser convertida em receitas do projeto (Ochoa, 2010). (2) 4
(3) (4) (5) (6) Onde, : Energia total produzida pela planta [kw-hr]; : Potência gerada pela planta [kw]; : Tempo de operação anual [hr]; : Energia consumida pela planta em geral [kw-hr]; : Fator de energia consumido pela planta [-]; : Energia exportada ou vendida às concessionárias [kw-hr]; : Fator de venda dado pelas concessionárias às empresas exportadoras de energia excedente [R$/MW-hr]; : Potência do sistema de refrigeração por absorção [kw]; : Tarifa elétrica que seria cobrada pela concessionária para o consumo elétrico de um chiller de compressão [R$/kWhr]; : Receita devido à energia excedente vendida às concessionárias [R$/ano]; e, : Receita devido à economia de energia elétrica ao usar o sistema de refrigeração por absorção, ou seja, energia que seria gasta pelo mesmo sistema de refrigeração por compressão mecânica [R$/kW-hr]. A metodologia de análise financeira envolve custos e receitas ao longo dos anos, ou seja, a diferença entre os recebimentos e gastos do investimento ao longo de um determinado tempo, que representa o denominado fluxo de Caixa. 3. Métodos de avaliação econômica de projetos. Como foi dito anteriormente, para a avaliação econômica do projeto foram selecionados como parâmetros para a toma de decisão final do projeto, o VPL, TIR e o payback. 3.1. Tempo de retorno do capital investido (Payback) Representa o método que determina o tempo em que a soma das receitas provenientes de determinado projeto reproduz o total do capital investido para sua implantação (Hirschfeld, 2007). O PayBack, tempo em que o investimento inicial ( ), é equivalente ao numero de receitas anuais ( ), é determinado por: (7) Sendo a forma mais correta de calcular o tempo de recuperação da capital quando o VPL troca de sinal negativo para positivo (Ochoa, 2010). 5
3.2. Valor presente líquido (VPL) É um método utilizado para longo prazo o qual é fundamentado no conceito do valor da soma de todos os investimentos e receitas referenciados a uma única data pela taxa de juros. No projeto, o investimento é único, e realizado na data inicial (Barros, 2006). As receitas anuais traduzem o custo da energia evitada, são acrescidas, no decorrer do tempo, taxa de crescimento do custo da energia elétrica. Este é o parâmetro financeiro mais usado no meio empresarial, devida a fácil assimilação, pois como o próprio nome indica, o VPL representa os valores dos fluxos de caixa trazidos para data atual (Ochoa, 2010). (8) O termo i da eq. 8 corresponde à taxa de atratividade usada por quem fará a análise do investimento. Para a maioria das empresas é comum adotar essa taxas mínimas aparentes de atratividade, ou seja, taxas de aplicação no mercado financeiro, tais como: Poupança, CDB, RDB, FIF, etc. Para a decisão da viabilidade do projeto a partir do VPL é realizada da seguinte maneira: para um VPL maior que zero ( ), o capital investido, será recuperado e ainda com resultado de caixa superior ao previsto com a taxa mínima atrativa (TMA); e, para um VPL menor que zero ( ), o capital investido, não será recuperado, portanto o projeto não será economicamente viável. 3.3. Taxa interna de retorno (TIR) Representa uma taxa equivalente de juros que, aplicada aos valores do fluxo de caixa e referenciada à data de inicio do projeto, torna o valor presente liquido. O critério de viabilidade econômica é que a taxa interna de retorno seja superior à taxa de investimento, ou de atratividade para o usuário ou investidor (Hirschfeld, 2007). Esta taxa é determinada, aplicando a definição de balanço monetário, o investimento inicial e os fluxos de caixa devem ser igualados a zero, ou seja, é a taxa necessária para igualar o valor do investimento inicial com os respectivos saldos do empreendimento (Ochoa, 2010). (9) Para a avaliação de o investimento através desse parâmetro, compara-se com a TMA, sendo: ; o investimento é atrativo do ponto de vista financeiro; ; o investimento é indiferente; e, ; o investimento não é atrativo do ponto de vista financeiro. 4. Resultados da análise Econômica 6
A análise econômica foi realizada considerando o sistema de cogeração, para determinar os custos principais de gerar energia elétrica e água gelada para o processo de climatização, além de visualizar o investimento ao longo dos anos. A primeira parte analisa os custos visando a analise financeira energética e posteriormente visando a análise exergoeconômica. Os dados relacionados à analise econômica visando a energia, foram selecionados os custos estabelecidos segundo (Bejan. et al., 1996). Além foi tomado como referencia o percentual para o custo devido a operação e manutenção fornecido pela literatura (Bereche, 2006). Outros dados usados na simulação econômica do chiller de absorção integrado ao sistema de cogeração de energia estão colocados na tabela 2. Estes custos foram estabelecidos para os fluxos de gás natural, da água de alimentação e da eletricidade, sendo fornecidos pelas tarifas cobradas pelas empresas de água, eletricidade e gás natural da cidade de Recife. (Compesa, Celpe, Copergas. As tarifas consideradas para os custos de eletricidade, água e gás natural são do tipo comercial, já que a ideia principal deste sistema é a cogeração para estruturas comerciais e residenciais). Essas tarifas foram selecionadas para o ano 2009. Tabela 2 - Valores cobrados pela empresa de eletricidade, água e gás natural de Recife, valores obtidos para o ano vigente. Empresa Compesa [R$/m 3 ] Celpe [R$/kW-hr] Copergas [R$/m 3 ] Valores 1,17 0,4987 1,1151 Fonte: Compesa, Copergas e Celpe. Nesta análise econômica, a taxa de juros foi selecionada de 12 % ao ano, para um período de 20 anos. Estes dados são valores demonstrativos para a análise do sistema. (Bereche, 2007, Santos, 2005). Os cálculos foram realizados para 8000 horas de funcionamento por ano (Bereche, 2007 e Santos, 2005). A tabela 3 mostra os valores dos principais componentes do sistema de cogeração, ou seja, o investimento inicial de cada equipamento. Os valores são baseados segundos os fornecedores dos equipamentos (Alpina, Capstone, Yazaki Energy systems). Esses valores foram tomados diretamente dos fabricantes indicados para o ano de compra (2005) do chiller, micro-turbina, tanque e torre de resfriamento. Tabela 3 - Investimento inicial de cada componente que integra o sistema de cogeração. Componente Valor (R$) Micro-turbina 130000,00 Recuperador (trocador) 14000,00 Chiller de Absorção (WFC-SC10) 80000,00 Torre de Resfriamento 7000,00 7
Primeiramente, foram necessários vários dados econômicos para esta análise, entre eles tem-se: i. O fator de venda dado pelas concessionárias às empresas exportadoras de energia excedente ( ), para calcular as receitas devido ao excedente de energia elétrica. Dito valor é importante na determinação da viabilidade de vender a energia elétrica às concessionárias. Este valor é fornecido pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), que promove leilões de venda. Foi selecionada o valor de 0,170 R$/kW-hr (Ochoa, 2010). ii. O Percentual da energia consumida pela própria planta de cogeração,, Foi selecionado o valor de 10% fornecido pela literatura (Ochoa, 2010). iii. A tarifa elétrica que seria cobrada pela concessionária para o consumo elétrico de um chiller de compressão ( ); Neste caso, foi determinado mediante a seleção de uma unidade de refrigeração da mesma capacidade, ou seja, 35 kw, e calculando o consumo médio utilizado pela unidade. Para determinar o valor desta tarifa foi necessário avaliar o custo do investimento inicial dessa unidade. As seguintes equações apresentam esta metodologia. (10) (11) O valor do preço estimado foi em 1,9 R$/kW-hr. Esta receita fornece economia do consumo geral de energia elétrica que esta sendo aproveitado para a geração de água gelada para o processo de refrigeração. A tabela 4 mostra os resultados gerais para a análise financeira aplicada ao chiller de refrigeração por absorção integrado ao sistema de cogeração. Pode visualizar-se que o empreendimento é viável economicamente, já que os diferentes parâmetros econômicos, VPL, Payback e TIR, atingiram valores superiores aos mínimos estabelecidos pelos bancos mencionados anteriormente. Para esta configuração de tarifa de água gelada, a economia devido ao uso do sistema de absorção sobre o mecânico, o tempo real de recuperação da capital será de 4 anos, com uma TIR de 39,13%. Tabela 4 - Resultados dos parâmetros de viabilidade econômica para o chiller de refrigeração por absorção integrado ao sistema de cogeração Parâmetros Valores Taxa interna de Retorno (TIR) [%] 39,13 Valor presente líquido (VPL) [R$] 369702 Payback [anos] 6 As figuras 2 e 3 mostram os resultados de algumas variações de parâmetros econômicos que influenciam a análise financeira. Primeiramente a variação da tarifa economizada pelo sistema de refrigeração por absorção, e seu respectivo VPL. Pode observar-se na figura 2, que o tempo de retorno ou 8
recuperação da capital ocorrerá para o sexto ano, sendo esta informação positiva para a avaliação do projeto de usar o chiller de absorção como sistema de refrigeração. A economia fornecida pelo uso deste equipamento ou tecnologia permite gerar grandes economias que serão convertidas em receitas para o projeto, e desta forma gerar lucros líquidos para o empreendimento. Figura 2 - Variação do VPL para diferentes valores de tarifa economizada devido ao uso do sistema de refrigeração por absorção, em vez do uso de sistemas mecânicos de refrigeração. A figura 3 mostra a variação da taxa interna de retorno em função da taxa de economia da energia consumida pelo mesmo sistema de refrigeração mecânica no sistema de cogeração. Os limites desta taxa foram estabelecidos a partir do critério mostrado no inicio, ou seja, o consumo de eletricidade necessário para acionar um sistema de refrigeração com a mesma capacidade. Pode observar-se que a medida esta tarifa tende ao valor máximo de consumo, também há um aumento da taxa interna de retorno, mas a partir deste valor máximo, seria mais rentável o uso do sistema de refrigeração mecânico, por isso, é recomendável manter valores baixos com taxas internas mais baixas, sendo mais lucrativos desde o ponto de vista energético. 9
Figura 3 - Variação do TIR para diferentes valores de tarifa economizada devido ao uso do sistema de refrigeração por absorção, em vez do uso de sistemas mecânicos de refrigeração. Finalmente, é avaliado o VPL e o PayBack, mostrado na figura 4, como parâmetros significativos na análise de viabilidade econômica. Para isto, foram selecionados vários valores da tarifa de consumo elétrico, dentre da faixa previamente determinado, para verificar os tempos de recuperação da capital. Figura 4 - Variação do VPL para diferentes valores de tarifa economizada devido ao uso do sistema de refrigeração por absorção, em vez do uso de sistemas mecânicos de refrigeração, com a finalidade de visar o tempo de recuperação da capital 5. Conclusões 10
Esta análise economica do sistema de micro geração de energia, usando a cogeração mediante o reaproveitamento dos gases de combustão para o acionamento do chiller, permitiu determinar os custos monetarios envolvidos no processo, o valor presente líquido, a taxa interna retorno, além do tempo de recuperação da capital para o sistema, portanto, avaliar a viabilidade financeira do empreendimento. Em referência ao sistema de cogeração, a eficiência energética permitiu verificar que o reaproveitamento dos gases da combustão para acionar o chiller de absorção é uma tecnologia viável para produzir água gelada sob o ponto de vista energético; Segundo os parâmetros financeiros aplicados na análise financeira, o tempo de recuperação da capital será de 6 anos, com uma tir de 39,13 % e um VPL de R$ 369702,00, determinando que o empreendimento seja, economicamente, viável; Este tempo de recuperação de capital, permite que o capital recuperado possa ser investido novamente, para a ampliação do sistema, com o objetivo de gerar novas receitas e estabelecer um melhor funcionamento técnico e econômico do projeto. Referências BEJAN A., TSATSARONIS G., MORAN M., Thermal design and optimization, Estados Unidos:John Wiley &Sons Inc., 542p, 1996. BERECHE R. Avaliação de sistemas de refrigeração por absorção H2O/LiBr e sua possibilidade de inserção no setor terciário utilizando gás natural. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Estadual de Campinas. Unicamp, São Paulo, 2007. CORREIA C. R. Relatório de estágio Curricular. Universidade Federal de Pernambuco. UFPE. Recife 2006. HIRSCHFELD HENRIQUE, Engenharia Econômica e análise de custos, Editora Atlas. São Paulo, Brasil, 2007. MISRA, R.D.; SAHOO P. K., GUPTA A., Thermoeconomic optimization of a single effect water/libr vapour absorption refrigeration system. International Journal of Refrigeration, n. 26, p. 158 169, 2003. OCHOA V., A. A., Estudo econômico de um sistema de refrigeração por absorção baseado na segunda lei da termodinâmica usando energia de cogeração para a produção de água gelada. V SEPRONE Maceió, AL, Brasil 2010. 11
SANTOS SILVA C. M. Análise exergoeconômica de uma unidade de cogeração a gás natural com refrigeração por absorção. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Universidade Federal da Paraíba, UFPB João Pessoa, 2005. TOMASZ M. MRÓZ., Thermodynamic and economic performance of the LiBr H2O single stage absorption water chiller. Applied Thermal Engineering, 26 (2006) 2103 2109. VIDAL, R. BEST, R. RIVERO, J. CERVANTES., Analysis of a combined power and refrigeration cycle by the exergy method. Energy 31. 3401 3414, 2006 12