Estudo de Viabilidade de Instalação de um Sistema de

Cogeração numa Unidade Hoteleira de Média Dimensão

Autor: Bruno Miguel Martinho Nº44297

Prof. Orientador: Prof. Dr. Mário Nery R. Nina 20-11-2001

Departamento de Engenharia Mecânica Instituto Superior Técnico

Projecto Final de Curso

Introdução ao Assunto

Os cada vez mais exigentes níveis de conforto levam ao aumento do consumo mundial de energia..

Sendo esta na sua grande maioria de origem fóssil, e por isso finita, a sua correcta utilização deverá ser preocupação não só dos agentes consumidores e produtores, como também de nível governamental.

Para que esses recursos possam ser melhor rentabilizados uma solução terá sempre de passar pela utilização de sistemas com elevada eficiência, permitindo não só uma redução de custos como uma redução das emissões, e em última análise, uma melhoria do Balanço Energético Nacional.

É precisamente um Estudo sobre a Viabilidade de Adopção de um Sistema de Cogeração, que de uma perspectiva termodinâmica, apresenta vantagens de eficiência energética, relativamente às alternativas disponíveis, que é apresentado neste trabalho.

A utilização de sistemas de Cogeração permite também a produção descentralizada de energia eléctrica evitando perdas de transporte.

O que é Cogeração? Uma definição poderá ser:

“ Processo de produção combinada de energia mecânica/eléctrica e de energia térmica, destinado a consumo próprio ou de terceiros “

A instalação analisada é uma unidade hoteleira de média dimensão.

Porquê um Hotel? A energia nas suas diferentes formas é consumida nos hotéis para criar uma atmosfera

de conforto e descanso a quem o frequenta, fazendo com que, a seguir às despesas com pessoal, seja o maior custo de funcionamento. Na União Europeia, cerca de 53% da energia produzida é consumida pelos sectores residencial e comercial.

Um Sistema de Cogeração eficiente permite a conversão de cerca de 80-85% da energia introduzida pelo combustível, em energia útil (térmica e eléctrica), ao invés dos cerca de 30-40% atingidos pelos sistemas convencionais de produção de energia eléctrica.

Objectivo

Efectuar um Estudo sobre a Viabilidade de Instalação de um Sistema de Cogeração numa unidade hoteleira de média dimensão, com base nos consumos e preços energéticos actuais e legislação em vigor.

Estrutura

Descrição da problemática associada a sistemas de Cogeração;

Caracterização da unidade hoteleira e seus consumos energéticos;

Apresentação de duas soluções de Cogeração; Enquadramento das soluções apresentadas na legislação

em vigor; Apresentação de conclusões.

Problemática Associada a um Sistema de Cogeração Locais adequados para a instalação de sistemas de Cogeração

Necessidade mínima de calor e electricidade, nos quais uma avaliação económica indique a sua viabilidade.

PB 3-4 anos4500-6000 horasRelativamente constante necessidade de

calor ao longo do ano.

Tipos de estabelecimentos em condições de viabilidade de instalação:

Hotéis;

Hospitais;

Indústrias;

Edifícios de escritórios;

Centros comerciais;

Hipermercados;

Ginásios, Piscinas e Centros de lazer.

Problemática Associada a um Sistema de Cogeração Breve descrição dos componentes constituintes

Calor Recuperado 55% Gases Escape 450 ºC para 120ºC

Rendimento - Característica de grande importância no sucesso económico

Disponibilidade - Um sistema está disponível se estiver pronto a funcionar.

Fiabilidade - Um sistema é fiável se não tiver paragens inesperadas - avarias.

elCombustívePotência

ElécticaPotênciaEléctricoenton dimRe tlCombustívePotência

TérmicaPotênciaTérmicoenton dimRe etTotal

Problemática Associada a um Sistema de Cogeração Rendimento, Disponibilidade e Fiabilidade em sistemas de Cogeração

30% 37-55% 80-85%

É aconselhável a existência de sistemas de segurança.

O impacto de um contrato de manutenção é considerável.

Custos Fixos - independentes do n.º horas de funcionamento Custos de Equipamento Custos de Instalação Custos de Projecto

Custos Variáveis - dependentes do n.º horas de funcionamento Custos de Combustível Custos de Manutenção

Problemática Associada a um Sistema de Cogeração

Custos Associados a Sistemas de Cogeração

%1 Projecto 52 Construção civil e sistemas de redução acústica 103Unidade de Cogeração incluindo permutadores de calor 554 Instrumentação, regulação e controle 155 Ligação á rede 56 Sistemas auxiliares 57 Instalação e Comissão 5

Desagregação dos custos de investimento e sua importância relativa

Evita a emissão de 500 kg de CO2 por MWhe produzido Gás Natural é o combustível fóssil mais limpo mais valia ambiental Óleo de Lubrificação Depositado e Tratado Emissão ruído Exterior

Isoladas acusticamente

Cogeração e o Meio Ambiente

Categoria: 4 EstrelasN.º de Quartos: 125 Lotação máxima: 230 pessoas9 salas de conferênciaCliente típico: 85% Empresas e GruposEquipamentos

Chiller Eléctrico - 660 kWt Produção de FrioCaldeira - 373 kWt 2 AQS + Climatização

Circuitos independentes de Frio e Calor nos Quartos

Caracterização da unidade hoteleira

Caracterização dos Consumos Energéticos

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Mês

Tax

a d

e O

cupa

ção

%

Evolução da taxa de ocupação em 2000

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

0 2 4 6 8 10 12 14

Mês

kWh

Total Electricidade Gás

Evolução dos consumos de energia

TotalGás

Total = 1.678.145 kWh

Energia Eléctrica = 55%

Caracterização dos Consumos Energéticos - Electricidade

Características Situação ActualNível de Tensão Média Tensão

Utilização MédiaN.º de períodos horários 3

Potência contratada 500 kW

Preço da energia (esc/kWh) Horas dePonta

Horas deCheia

Horas deVazio

Período Húmido ( Novembro a Abril ) 17,09 9,93 6,75Período Seco ( Maio a Outubro ) 18,51 10,74 7,19

Preço da potência (esc/kW por mês) 817

Contrato de fornecimento de electricidade e respectivo tarifário EDP 2001

Distribuição dos períodos horários ao longo do dia

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

kW

Vazio Cheio Ponta

Potência média por período de contagem

Caracterização dos Consumos Energéticos - Gás Consumo Mensal de Gás Natural

Ano 2001 Ano 2000Mês

Ocupação Consumo m3 Ocupação Consumo m3

Jan 70 6985 51 5089Fev 78 5686 66 4811Mar 112 6942 93 5764Abr 116 6908 113 6729

Maio 121 6597 114 6215Jun 116 99 5385Jul 92 4995Ago 99 5401Set 116 6948Out 112 6926Nov 95 6962Dez 59 5877

Custo do m3 de Gás Natural

Consumo anual [m3/ano] Esc/m3

70.000 78100.000 – 350.000 70

> 350.000 60

Consumo Anual

71100 m3

Consumos Específicos

Área útil = 5600 m2

Consumo Anual Total = 1.678.145 kWh N.º de Quartos = 125

CE=13.425 kWh por Quarto

CE=299.669 kWh/m2

y = -33,685Ln(x) + 318,18R

2 = 0,7704

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1500 2000 2500 3000 3500 4000

Quartos ocupados por mês

kWh

/QO

Consumo Específico (kWh/QO) vs. QO

PCI

37,91 MJ/m3

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Horas

kWSolução de Cogeração 1

Julho

Horas

kW

Novembro

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Horas

kW

Consumo EléctricoProdução Eléctrica

Consumo TérmicoProdução Térmica

Consumo EléctricoProdução Eléctrica

Consumo TérmicoProdução Térmica

Motor:Consumo de Gás 397 kWPotência Eléctrica 125 kWPotência Térmica 209 kW

% Aprov. Calor 81%Rendimento Total 74% Preço 9.400 Cts

Verão - 10h DiaInverno - 5h Dia2.522h Ano450h de Manutenção

Consumo 137.953 m3 Produção 315.250 kWheVendas 5.260 kWhe

10.93$/kWhe

Solução de Cogeração 1Performance Eléctrica Performance Térmica

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

m3

ConsumoGanhoAdquiridos

81% Calor Aproveitado 29% Comprado

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

500000

Vazio kWh Cheio kWh Ponta kWhPeríodo horário

kWh

Consumo Produção

Análise Económica Resultado: - 8.800 CtsNão inclui Investimento Total nem Manutenção

Análise de Sensibilidade

Preço do Gás 70 - 40 $/m3 ; Preço de Venda de En. Eléctrica até + 4%

Resultado: Não Viável em Qualquer dos Cenários

Solução de Cogeração 2

Consumo TérmicoProdução Térmica

Motor:Consumo de Gás 576 kWPotência Eléctrica 190 kWPotência Térmica 276 kW

% Aprov. Calor 45%Rendimento Total 55%

Preço 13.800 CtsInv. Total 26.000 Cts

Verão - 12h DiaInverno - 18h Dia4.572h Ano520h de Manutenção

Consumo 250.088 m3 Produção 868.680 kWheVendas 164.631 kWhe

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Julho

Horas

kW

Consumo EléctricoProdução Eléctrica

Consumo TérmicoProdução Térmica

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

kW

Horas

Novembro

Solução de Cogeração 2Performance Eléctrica Performance Térmica

45% Calor Aproveitado 5% Comprado

Vazio kWh Cheio kWh Ponta kWhPeríodo horário

kWh

Análise Económica Resultado: - 4.800 CtsNão inclui Investimento Total nem Manutenção

Análise de Sensibilidade

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

500000 Consumo Produção

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

m3

ConsumoGanhoAdquiridos

Preço Actual + 2% Preço Venda + 4% Preço Venda70 -4.832.198 Esc. -4.796.210 Esc. -4.760.221 Esc.60 -2.331.314 Esc. -2.295.326 Esc. -2.259.337 Esc.50 169.570 Esc. 205.558 Esc. 241.547 Esc.40 2.670.454 Esc. 2.706.442 Esc. 2.742.431 Esc.

Gás esc/m^3

Preço de Venda de Energia Eléctrica

50.7$/m3

+2.742.431 esc-0.0726.000.000 esc -1.570.000 esc (manutenção)

-647.569 esc

Enquadramento Legal das SoluçõesDecreto-Lei n.º 538/99 de 13 de Dezembro

55,0

2,09,0

C

CRT

C

EREE

Solução de Cogeração

1 2

REE 0.32 0.43

ETE

TEEer

)5,45,0

5,4( Eer

kVAPE

Timainstalada 2505 mín 5

E

T

Energia fornecida á rede < 60% 1.67% 19%

ConclusõesInstalação de um sistema de Cogeração na unidade hoteleira analisada, não é economicamente viável e não cumpre a legislação em vigor.

Razões:Necessidades térmicas e eléctricas não coincidem ao longo do diaQuase opostas no Inverno Baixa valorização da energia

Necessidade de calor mais constante ao longo de diaVariação das Necessidades Energéticas com a estação do ano e taxa de ocupação Elevado custo do gás natural8$ mais baratoAguarda-se nova Legislação

Clima mediterrâneo poucas necessidades de Calor

Tecnologia fornece + Calor que Energia Eléctrica Calor Desperdiçado

Excesso de calor fornecido no Verão

Adopção Chiller de Absorção para a

Produção de Frio

Investimento Adicional

Chiller Eléctrico Existente

Maiores vendas

de Energia EléctricaViável ?

Conclusões

O Preço de Venda de Energia Eléctrica Legislação extremamente complexaO Preço de Venda dependente de índices internacionais varia constantemente dificultando o estudo de viabilidade de novas instalações

Motor

SC 1

Valorização Total

+ Incentivos Governamentais Bem vindos

8760h

397 kW

2.639$

125 kWe

1319.5$

209 kWt

1548$

1h de Funcionamento

+228$

70$/m3

78$/m3

10.55$/kWhe

2.000 cts/ano

Inv. 20.000 cts

PB=10 anos

Fim