UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DOUGLAS SANDRI ANÁLISE DE VIABILIDADE DO USO DE COGERAÇÃO A GÁS EM UMA FÁBRICA DE NÃOTECIDOS Porto Alegre 2014 DOUGLAS SANDRI ANÁLISE DE VIABILIDADE DO USO DE COGERAÇÃO A GÁS EM UMA FÁBRICA DE NÃOTECIDOS titulo de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Flávio Antônio Becon Lemos Porto Alegre 2014 DOUGLAS SANDRI Este trabalho de curso foi analisado e julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pelo Orientador e pela Banca Examinadora designada pela Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Orientador: Prof. Dr. Flávio Antônio Becon Lemos, UFRGS Aprovado em ........ de ........................... de 2014 BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. Flávio Antônio Becon Lemos, UFRGS Prof. Dr. Luís Alberto Pereira, UFRGS Eng. Everton Cecconello, FITESA Porto Alegre 2014 Aos homens livres que dedicam a vida a viver o sonho de um mundo justo. AGRADECIMENTOS A Deus pela criação de um universo justo e perfeito. À minha família que compreendeu cada momento da constante metamorfose que um estudante vive em sua graduação e sempre prestou-se de sobremaneira como ponto de apoio e base sólida para meu crescimento. À Bárbara, minha companheira, por viver comigo os mais felizes dos momentos durante estes seis longos anos e sempre servir um abraço como o melhor incentivo possível para seguir em frente. Aos meus Irmãos Fraternos por nunca me deixarem sentir-me sozinho. Aos colegas que fizeram-se amigos inseparáveis – os melhores que um homem pode ter – que andaram comigo e acreditaram em uma universidade melhor e que, assim como eu, defenderam as cores desta Escola de Engenharia em todos os pagos. Àqueles professores amantes deste curso que iluminam nosso caminho com seu saber, que defendem o ensino de qualidade e têm o esforço do desenvolvimento de uma sociedade como uma causa maior. Ao professor orientador deste trabalho, Prof. Dr. Flávio Antônio Becon Lemos, cuja capacidade e anos de prática de engenharia de verdade aliados ao desenvolvimento acadêmico trouxeram a este trabalho uma especial perspectiva prática e de aplicação. Ao Engenheiro Everton Cecconello pela coorientação neste trabalho, providencial para que o tratamento dos dados e das oportunidades se condensasse em uma proposta factível. Assim como aos meus demais colegas da Fitesa, empresa onde o estágio fez de mim um engenheiro: obrigado pela dedicação e por mais uma vez reforçarem como a liderança é o melhor caminho para se chegar onde se quiser ir. RESUMO Com o aumento do custo da geração centralizada de energia elétrica, cada vez mais a geração distribuída ganha espaço na matriz energética brasileira. Neste trabalho é apresentada uma proposta de projeto de um sistema de cogeração de energia elétrica e energia térmica a partir de gás natural. O sistema prevê o aproveitamento do calor para um sistema de vapor saturado e um sistema de água gelada utilizados em processos industriais. Será apresentado um estudo de caso avaliando a viabilidade técnica, estratégica e econômico-financeira de implantação de sistema de cogeração de energia em uma planta de fabricação de não tecido. O estudo mostra quais são as condições que tornam viável e vantajosa a implementação deste sistema de cogeração, levando em conta os custos e tempo de retorno do investimento, custos das matrizes energéticas equivalentes, projeções futuras, subsídios econômicos e demais variáveis. Palavras-chave: Cogeração. Energia Elétrica. Vapor Industrial. Gás Natural. Eficiência Energética. Geração Distribuída. ABSTRACT With the increasing cost of centralized power generation, distributed generation is increasingly gaining space in the Brazilian energy matrix. This work presents a project proposal of a cogeneration system of electricity and thermal energy from natural gas. The system foresees the recovery of heat for a saturated vapor system and a chilled water system used in industrial processes. A case study evaluating the technical, strategic, economic and financial feasibility of the power cogeneration system implementation in a non-woven manufacturing plant will be presented. The study shows which are the conditions that make viable and advantageous the implementation of this cogeneration system, taking into account the costs and payback time of the investment, the costs of equivalent energy matrixes, future projections, economic subsidies and other variables. Keywords: Heat and Power Cogeneration. Electrical Energy. Industrial Steam. Natural Gas. Energy Efficiency. Distributed Generation. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Carga Elétrica no SIN, histórico dos reservatórios e histórico do PLD ................ 16 Figura 2 – Consumo Mundial de Gás Natural ........................................................................ 17 Figura 3 – Reservas Comprovadas de Gás Natural que afetam diretamente ao Brasil........... 18 Figura 4 – Produção x Consumo de Gás Natural Brasil, Argentina e Bolívia........................ 19 Figura 5 – A atuação da Fitesa. ............................................................................................... 20 Figura 6 – Nãotecido. .............................................................................................................. 21 Figura 7 – Processo de fabricação de não tecido cardado. ..................................................... 21 Figura 8 – Uso do potencial energético do combustível ......................................................... 26 Figura 9 – Topologia Básica de um sistema de cogeração topping cycle. .............................. 27 Figura 10 – Topologia Básica de um sistema de cogeração bottoming cycle. ........................ 28 Figura 11 – Motor Scania fabricado para uso de combustíveis alternativos. ......................... 29 Figura 12 – Ciclo de Otto ideal ............................................................................................... 30 Figura 13 – Ciclo de Diesel ideal ............................................................................................ 30 Figura 14 – Funcionamento básico de um motor a combustão interna. ................................. 31 Figura 15 – Trocador de calor tubular. ................................................................................... 32 Figura 16 – Trocador de calor de placas paralelas. ................................................................. 33 Figura 17 – Circuito de aquecimento de óleo térmico na Fitesa Gravataí. ............................. 34 Figura 18 – Recuperação de calor dos gases de exaustão para geração de vapor. ................. 35 Figura 19 – Chiller de absorção de efeito simples. ................................................................. 36 Figura 20 – Caldeira de vapor. ................................................................................................ 37 Figura 21 – Placa de identificação e dados da caldeira. ......................................................... 38 Figura 22 - Placa de identificação e dados do queimador da caldeira. ................................... 38 Figura 23 – Instrumentos para medição de volume de gás natural consumido. ..................... 39 Figura 24 – Medidor mássico para determinar consumo de gás natural................................. 39 Figura 25 - Interface de controle da caldeira e queimador. ................................................... 40 Figura 26 – Interface do queimador. ....................................................................................... 40 Figura 27 – Foto dos das centrais de água gelada da linha RS8. ............................................ 41 Figura 28 – Placa de identificação e dados do fabricante do equipamento. ........................... 42 Figura 29 – Série histórica de consumo mensal de energia elétrica. ...................................... 43 Figura 30 – Série histórica de proporção de uso de vapor na linha de produção. .................. 44 Figura 31 – Medição na caldeira de vapor da linha de produção em estudo. ......................... 45 Figura 32 – Diagrama sinótico unifilar da Fitesa com o gerador proposto. ........................... 47 Figura 33 – Sistema de cogeração proposto. .......................................................................... 49 Figura 34 – Retorno do investimento cenário mais provável ................................................. 56 Figura 35 - Retorno do investimento cenário otimista ............................................................ 57 Figura 36 - Retorno do investimento cenário pessimista ........................................................ 57 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Dados técnicos da caldeira de vapor da linha. ...................................................... 38 Tabela 2 – Informações técnicas central de água gelada. ....................................................... 41 Tabela 3 – Dimensionamento do propulsor primário ............................................................. 50 Tabela 4 – Energia elétrica e gás natural sem cogeração ........................................................ 53 Tabela 5 – Expectativa de desempenho da linha de produção com cogeração ...................... 54 Tabela 6 – Estimativa de Custos ............................................................................................. 54 Tabela 7 – Fluxo de caixa para opção mais provável ............................................................. 55 Tabela 8- Fluxo de caixa para opção otimista ........................................................................ 55 Tabela 9 – Fluxo de caixa para opção pessimista ................................................................... 55