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FACULDADE SATC
ADRIANO RENAN BERNARDINO
ESTUDO DE VIABILIDADE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA GERAÇÃO A GÁS
NATURAL NO HORÁRIO DE PONTA
Criciúma
Maio – 2017
ADRIANO RENAN BERNARDINO
ESTUDO DE VIABILIDADE DA IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO A GÁS
NATURAL NO HORÁRIO DE PONTA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade SATC, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. André Abelardo Tavares.
Coordenador do Curso: Prof. Dr. André Abelardo Tavares.
Criciúma
Maio – 2017
ADRIANO RENAN BERNARDINO
ESTUDO DE VIABILIDADE DA IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO A GÁS
NATURAL NO HORÁRIO DE PONTA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade SATC.
Criciúma, (dia) de (mês) de 2017.
______________________________________________________Professor e orientador André Abelardo Tavares, Dr.
Faculdade SATC
______________________________________________________Prof. Nome do Professor, Título.
Faculdade SATC
______________________________________________________Prof. Nome do Professor, Título.
Faculdade SATC
Dedico este trabalho à minha família, por
sempre me apoiar e me dar o amparo
necessário para seguir em frente.
AGRADECIMENTOS
Agradeço, primeiramente a Deus, por sempre me proteger e guiar meus caminhos
nos momentos bons e ruins de minha vida.
Agradeço a minha namorada, por ser tão companheira e especial em minha vida.
Agradeço a meu orientador André Abelardo Tavares, por seu constante empenho
na realização deste trabalho e pelos conhecimentos a mim ensinados.
“Se A é o sucesso, então A é igual a X mais Y mais Z. O trabalho é X; Y é o
lazer; e Z é manter a boca fechada.” (Albert Einstein)
RESUMO (NÃO ULTRAPASSAR 500 PALAVRAS)
O resumo precisará conter: a delimitação da pesquisa; o propósito da investigação; a
relevância da pesquisa; a fundamentação teórica empregada no estudo; a metodologia de
pesquisa e/ou tipo de estudo; o desenho de investigação; a modalidade de pesquisa (caso seja
necessário), tamanho de população, tamanho da amostra, técnica empregada para a coleta de
dados, tipo de instrumento de coleta usado, validez e confiabilidade (reportando o índice de
confiabilidade); de forma muito breve, faz-se referência aos resultados e às conclusões mais
significativas da pesquisa. O resumo não é dividido em parágrafos, apenas em frases e, além
disso, não apresenta citações.
Palavras-chave: Palavra 1; Palavra 2; Palavra 3. (máximo: 5 palavras)
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1 – Hierarquia do SEB[4].................................................................................................14
Fig. 2 – Matriz energética brasileira – 2016[10, adaptado].....................................................16
Fig. 3 – Estrutura GD[15]........................................................................................................18
Fig. 4 – Tipos de reservatórios petrolíferos[22].......................................................................20
Fig. 5 – Distribuição das reservas brasileiras provadas[16]....................................................22
Fig. 6 – Reservas provadas brasileiras de GN em 2015[25, adaptado]...................................22
Fig. 7 – Produção Brasileira de GN em 2015[25,adaptado]....................................................23
Fig. 8 – Trajeto do GASBOL[28]............................................................................................24
Fig. 9 – Porcentagens do gás natural estrangeiro adquiridas em 2016[26].............................24
Fig. 10 – Estrutura de Regaseificação em Pecém – CE[30]....................................................25
Fig. 11 – GASBOL em SC[27, adaptado]...............................................................................26
Fig. 12 – Modelo de ERPM – CPL Concordia[37, adaptado].................................................29
Fig. 13 – Gerações anuais a partir de fontes hídricas e de GN até 2014[16]...........................30
Fig. 14 – Composição de um ciclo combinado[38].................................................................30
Fig. 15 – GE Frame 7FA[40]...................................................................................................31
Fig. 16 – Ciclo simples a vapor - Rankine[functv]..................................................................32
Fig. 17 – GE 7F.05[42]............................................................................................................33
Fig. 18 – Turbina a gás – Circuito aberto[18]..........................................................................34
Fig. 19 – Turbina a gás – Circuito fechado[18].......................................................................34
Fig. 20 – Siemens SGT-05 AE[39]..........................................................................................35
Fig. 21 – GE 7F.06[43]............................................................................................................36
Fig. 22 - Tempos de partida para TGs GE[44]........................................................................37
LISTA DE TABELAS
Tab. 1 – Potência Instalada[10, adaptado]...............................................................................16
Tab. 2 – Tarifas sem impostos para GD industrial[35]............................................................27
Tab. 3 – Tarifas sem impostos para GD comercial[35]...........................................................27
LISTA DE ABREVIAÇÕES
SIGLAS (Exemplos)
AISI ___ American Iron and Steel Institute
SATC ___ Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina
SÍMBOLOS (Exemplos)
[º] Ângulo de parede [º] Metade do ângulo interior do cone formado pelo limite de contato
entre a ferramenta e a peça de trabalho [mm] Alongamento [º] Ângulo de dobramento ___ Deformação verdadeira
A [mm2] Área instantânea da chapa
B [mm] Largura instantânea da chapa
C [MPa] Constante do material
D [mm] Diâmetro do punção
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................11
1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES........................................................................11
1.2 OBJETIVO GERAL.........................................................................................................12
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...........................................................................................13
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...................................................................................14
2.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO..........................................14
2.1.1 BANDEIRAS TARIFÁRIAS......................................................................................15
2.1.2 MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA.................................................................15
2.1.3 CLASSIFICAÇÃO DOS CONSUMIDORES E MODOS TARIFÁRIOS.............16
2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA............................................................................................18
2.2.1 CLASSIFICAÇÃO DAS GD......................................................................................19
2.3 GÁS NATURAL..............................................................................................................19
2.3.1 RESERVAS, PRODUÇÃO E IMPORTAÇÃO DE GN NO BRASIL...................21
2.3.2 PROCESSAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO GN..................................................25
2.3.3 O GN EM SC................................................................................................................26
2.3.3.1 COMPOSIÇÃO DA TARIFA....................................................................................26
2.3.3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS CLIENTES........................................................................27
2.3.3.3 SOLICITAÇÃO E INSTALAÇÃO DA REDE GN...................................................28
2.4 GERAÇÃO TERMELÉTRICA A GÁS NATURAL......................................................29
2.4.1.1 TURBINA A VAPOR................................................................................................31
2.4.1.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA TURBINA A VAPOR........................31
2.4.1.1.2 CLASSIFICAÇÃO E APLICAÇÕES DAS TV......................................................32
2.4.1.2 TURBINAS A GÁS....................................................................................................33
2.4.1.2.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS TG.....................................................33
2.4.1.2.2 CLASSIFICAÇÕES E APLICAÇÕES DAS TG....................................................34
2.4.1.3 COMPARAÇÕES ENTRE TURBINAS A GÁS E VAPOR.....................................37
3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS (MANTENHA O NOME)......................42
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS (MANTENHA O NOME).............43
5 CONCLUSÕES (MANTENHA O NOME)....................................................................44
REFERÊNCIAS......................................................................................................................45
APÊNDICES...........................................................................................................................51
APÊNDICE A – FOTOGRAFIA AÉREA DA CIDADE....................................................51
ANEXOS..................................................................................................................................53
ANEXO A – TIRA-DÚVIDAS NA ELABORAÇÃO DO TCC..........................................53
ANEXO B – ANTES IMPRIMIR..........................................................................................54
ANEXO C – TITULAÇÕES..................................................................................................55
1 INTRODUÇÃO
A energia elétrica, com o passar dos anos, se tornou um commodity
elementar na vida das pessoas e se faz presente em todos os âmbitos da sociedade
moderna. É como se fosse a “roda” que faz o mundo girar.
Desde o início da industrialização, as empresas sempre buscaram otimizar
os processos, de modo que se faça mais pelo mesmo preço ou que se faça o mesmo por
uma despesa mais baixa, dessa forma, sempre se procura reduzir os custos fixos como
as tarifas de água e energia elétrica.
É nesse contexto de redução dos valores da conta de energia das
organizações que é empregado o conceito de geração distribuída, o qual denota uma
fonte geradora instalada próxima à carga que supra, parcial ou integralmente, a demanda
elétrica da empresa.
Se houver excedentes na geração, estes podem ser entregues à
concessionária de energia elétrica como doações ou para ganhar crédito em futuras
faturas de energia. Percebe-se assim a importância da descentralização da produção de
energia elétrica, pois a geração distribuída, dentro de alguns anos, terá parcela ainda
mais relevante no sistema elétrico brasileiro[1].
Este trabalho exporá um estudo sobre a exequibilidade de uma geração
termelétrica a gás natural, em uma empresa hipotética do ramo plástico, situada em
Criciúma, Santa Catarina. Justifica-se a escolha pelo gás natural pelo fato deste ser um
vantajoso combustível para a produção de energia elétrica, do ponto de vista ecológico,
pois possui uma queima que libera um baixo nível de poluentes. Destaca-se também que
não há a necessidade de armazenamento, já que o mesmo é canalizado[2].
O sucesso deste material científico se dará quando o acadêmico interessado
na leitura conseguir compreender os conceitos abordados na realização do estudo e, se
houver interesse, que desenvolva novos estudos acerca das gerações distribuídas.
1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES
A presente monografia detalhará quais devem ser os elementos e condições
considerados em estudos de viabilidade de sistemas desse modelo. Destacar-se-á o custo
de canalização do gás natural até a localização da empresa, que deve, de modo
preferencial, estar localizada próxima a um ramal de derivação da rede de gás. Esse
aspecto é relevante, pois a distância entre o ponto de ramificação e a sede da empresa é
proporcional ao valor de canalização.
Muitas pequenas cidades brasileiras, como o caso de Siderópolis, ainda não
possuem postos de combustível que sejam abastecidos com GNV. Essa situação
acontece, pois a demanda dos consumidores finais por esse gás seria baixa, frente ao
fator populacional. Faz-se o adendo de que há uma estação de compressão de GN da
TBG dentro do território do referido município, localizada a cerca de 1km dos eventuais
solicitantes da linha de gás.
Será intrínseco à monografia também, referir-se ao preços do gás natural e
instalação das máquinas e elementos necessários ao bom funcionamento do sistema.
Além das compras do combustível, de turbinas a gás natural e motogeradores,
evidenciar-se-ão os sistemas de segurança que devem ser implantados em projetos desse
modelo.
A geração termelétrica a gás natural, destaca-se frente as demais formas de
produção de energia, pela ausência da obrigação fazer estoque de combustível dentro da
empresa. Tem-se essa diferença como um fator a ser considerado na escolha de um
sistema de geração distribuída, visto que os equipamentos ocupariam uma menor área
para a instalação do processo em questão[2].
Este estudo, além de prover uma contribuição à sociedade, tornar-se-á um
material de apoio à realização de novas pesquisas e análises de viabilidade para a
execução de projetos nesse âmbito. Diversos universitários têm feito seus trabalhos de
conclusão de curso embasados nas energias eólica e solar e, é na contramão desse fato,
que foi elegido o tema.
1.2 OBJETIVO GERAL
- Analisar a viabilidade econômica da utilização de uma geração
termelétrica a gás natural durante o horário de ponta em uma empresa do ramo plástico.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
-Apontar os preços de compra e canalização do gás natural;
-Descrever o sistema de tarifação de energia elétrica;
-Discriminar os equipamentos principais para a geração termelétrica a gás
natural; e
-Sintetizar os conceitos acerca das gerações distribuídas.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo, serão revisados os conceitos elementares englobados pela
pesquisa, de modo que o acadêmico interessado na leitura possa ter uma boa
compreensão de como se dá o sistema de geração distribuída de energia elétrica a gás
natural.
2.1 VISÃO GERAL DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO
O SEB é composto pelo SIN, Sistema Interligado Nacional, que abrange
quase toda capacidade produtiva de energia elétrica no Brasil, com exceção de alguns
pontos da região amazônica que compõe o SIB[3].
Os segmentos de geração, transmissão, distribuição e comercialização de
energia elétrica têm associados níveis de tensão e condições específicas individuais.
Estão submetidos ao controle ou associadas a órgãos específicos, conforme mostrado
pela Fig.1.
Fig. 1 – Hierarquia do SEB[4]
Diante de todos os estudos que são realizados por estes órgãos, pode ser
evidenciado o critério de segurança denominado n-K, cuja função é possibilitar o
planejamento e operação dos sistemas elétricos na ocorrência de faltas. K representa o
número de elementos danificados com contingências e, é de mais fácil estudo se
analisado com valores de 1 e 2 [5;6].
Estas avarias podem, por ventura, tornar o processo mais caro por causa das
manipulações realizadas pela operação e os adicionais acabam repassados ao
consumidor final. A ANNEL, constituinte do monopólio natural de transmissão e
distribuição, determina estes valores [7].
2.1.1 BANDEIRAS TARIFÁRIAS
Com o intuito de disponibilizar maior transparência na conta de energia dos
consumidores, foram instituídas quatro bandeiras tarifárias, que visam demonstrar as
momentâneas condições as quais o sistema de geração de energia elétrica está operando
sob e são explicadas a seguir:
- Bandeira Verde: sinaliza que o sistema está em boas condições de geração
e não acontecem cobranças de valores extras;
- Bandeira Amarela: aponta uma relativa dificuldade de produção de energia
e acarreta um encarecimento, na ordem de R$0,02/kWh solicitado à rede;
- Bandeira Vermelha Patamar 1: Indica o estado complexo à que o sistema
de geração está submetido e acrescenta à conta do consumidor por volta de R$0,03/kWh
consumido; e
- Bandeira Vermelha Patamar 2: Corresponde a mais crítica situação de
geração de eletricidade e desencadeia uma adição de aproximadamente R$0,035/kWh
utilizado[8].
Todas essas sinalizações dependem de maneira direta do nível das barragens
da usinas hidrelétricas, visto que quanto menor o nível de afluências, menor será a
produção de origem hidráulica. Dessa forma, uma maior potência será solicitada às
usinas térmicas, resultando em um maior custo para a energia elétrica.
2.1.2 MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA
A ANEEL, por meio do Banco de Informações de Geração, informa aos
consumidores o status da matriz energética do Brasil. Nesse periódico, constam os
dados das usinas que já estão em operação, as que estão em construção e as unidades em
fase de projeto. A Fig. 2 e a Tab. 1 representam a capacidade instalada relatada pelo
BIG[7;9;10].
Fig. 2 – Matriz energética brasileira – 2016[10, adaptado]
Tab. 1 – Potência Instalada[10, adaptado]
Tipo de Geração %Usinas Hidrelétricas – UHE 61,09Usinas Termelétricas – UTE 27,12Usinas Eolielétricas – EOL 6,86
Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCH 3,27Usinas Termonucleares – UTN 1,31
Centrais Geradoras Hidrelétricas – CGH 0,35Usinas Fotovoltaicas- UFV 0,02
A matriz energética brasileira, como visto, tem predominância na energia
hidráulica e é bem diversificada. Faz-se necessário esse panorama, pois a demanda está
em constante crescimento e há de se ter condições de atender à carga em condições
adversas, como nas bandeiras diferentes da verde[10;11].
2.1.3 CLASSIFICAÇÃO DOS CONSUMIDORES E MODOS TARIFÁRIOS
Os consumidores do SEB são atendidos em diferentes classes de tensões,
contratam demandas e consomem potências ativas distintas. Dessa forma, por
determinação do órgão regulador, são classificados como Grupos A e B. Informações
extras podem ser encontradas no Anexo A[11].
Esses conjuntos pagam por valores condicionados a sua respectiva classe e
estão sujeitos à condições específicas que estruturam a tarifa de energia elétrica mensal.
A seguir, serão enunciados os principais conceitos formadores da tarifação de EE no
Brasil:[11]
-Tarifa Monômia: Estrutura tarifária exclusivamente relacionada ao
consumo de energia elétrica e aplicável aos consumidores do Grupo B;
-Tarifa Binômia: Estrutura tarifária associada ao consumo de energia
elétrica e a demanda faturável, com abrangência restrita aos consumidores do Grupo A;
-Demanda Contratada: Demanda de potência que poderá ser cobrada pela
concessionária, independente se utilizada em sua totalidade ou não. Em caráter
obrigatório, deve ser disponibilizada à unidade consumidora durante o período de
vigência do contrato assinado entre as partes;
-Demanda Medida: Maior demanda de potência ativa aferida durante os
quinze minutos que compõe o período de faturamento;
-Demanda de Ultrapassagem: Valor que excede à demanda contratada. O
consumidor infrator fica sujeito a cobranças adicionais;
-Demanda Faturável: É a base de cálculo para o faturamento;
-Período Seco: Intervalo entre os meses de maio a novembro, quando se
espera um menor nível de precipitações no Brasil;
-Período Úmido: Intervalo entre os meses de dezembro a abril, quando se
acredita que as precipitações serão elevadas no território brasileiro;
-Horários de Ponta e Fora de Ponta: Considera-se horário de ponta, em
geral, o intervalo entre 17h30 às 20h30. As demais horas do dia se classificam como
fora de ponta;
-Tarifa Convencional: Caracteriza-se pela cobrança sobre o consumo e/ou
demanda de potência sem considerar os horários do dia e os períodos que tratam das
taxas de precipitação num ano. Abrange os consumidores do Grupo B;
-Tarifa Horo-Sazonal: Compreende o consumo de energia elétrica e a
demanda de potência ativa solicitada, em concordância com as definições de horários e
períodos diferenciados. Envolve os consumidores do Grupo A;
-Tarifas Horo-Sazonal Azul: Faz referência a cobrança à parte dos
subgrupos do Grupo A, utiliza os parâmetros de horários e períodos, e abrange
consumidores com tensão de fornecimento maior ou igual a 69 kV;
-Tarifa Horo-Sazonal Verde: Diferencia-se pelo fato de cobrar uma
demanda única durante todo o dia, e também enquadra consumidores do Grupo A;
-Tarifa Branca: Entrará em vigor em 2018. Proporcionará aos clientes uma
redução na conta de EE se os mesmos optarem pela utilização de energia no período
fora de ponta. Enquadra os consumidores do Grupos B, atendidos em tensões menores
ou iguais a 440 V, e os do Grupo A atendidos em baixa tensão [9;11;12].
2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
A geração distribuída, por mais que pareça ser um tema recente, era a
maneira mais utilizada para a produção de energia elétrica nos anos 30. Todavia, viu-se
que a implantação de grandes usinas era de maior valia e produtividade. Nos dias de
hoje, devido ao grande aumento populacional e consequente ampliação da demanda
energética, faz-se necessária a utilização de meios que auxiliem à estabilidade do
SIN[13].
Rotula-se como geração distribuída toda forma de gerar energia de maneira
descentralizada, na qual não há a necessidade de longas linhas de transmissão, por meio
de micro e minigerações que atendem a um único ou um grupo de consumidores em
uma área de concessão autorizada. A Fig. 3 demonstra como é estruturado esse novo
velho padrão[14].
Fig. 3 – Estrutura GD[15]
Um dos grandes anseios das empresas é a redução do consumo no horário
de ponta, intervalo o qual tem valores mais impactantes cobrados pelas concessionárias.
Nesse âmbito, instaurou-se o Sistema de Compensação de Energia Elétrica que, de fato,
incentiva o consumidor buscar por alternativas em GD[1].
Para que os consumidores possam se introduzir no processo de geração
distribuída, e de forma eventual usufruir de descontos em suas tarifas de EE, faz-se
necessário o cumprimento de etapas determinadas pela ANEEL, conforme Resolução
Normativa Nº 687/2015. Cita-se, por exemplo, a instalação do sistema de medição que
tem por função descrever as quantidades de potência injetada à rede e consumida pela
carga. De maneira sucinta, esse sistema é composto por um medidor bidirecional ou
dois unidirecionais. A compra, instalação e manutenção deste material são competências
da distribuidora caso o consumidor seja optante pela microgeração, do contrário, é o
agente acessante que arca com os valores[1].
2.2.1 CLASSIFICAÇÃO DAS GD
Hoje em dia, há uma grande preocupação com a utilização de combustíveis
renováveis devido à emissão de poluentes. Porém, a GD, em determinada situação,
também engloba a queima de combustíveis fósseis. A seguir, descrevem-se quais
mecanismos de geração e em quais circunstâncias estes podem ser classificados como
geração distribuída: [1;13]
- Cogeração;
- Geração de emergência;
- Geração que usa como combustíveis resíduos processuais;
- Painéis Solares;
- PCHs; e
- Geração no horário de ponta, que pode utilizar fontes não-renováveis,
como o gás natural.
2.3 GÁS NATURAL
O gás natural é um combustível fóssil inodoro de grande valia para a
sociedade moderna e corresponde a terceira maior parcela da matriz energética do
mundo, atrás apenas do petróleo e do carvão. É composto, quando ainda em seu estado
bruto, por grandes porcentagens de metano, além de possuir valores de etano, propano,
butano, outros hidrocarbonetos, pequenas parcelas de água, HCl, CO2, N2, bem como
outras impurezas. O GN, após ser passar pelo processo de odorização, é utilizado nos
ramos industrial, comercial, residencial e de geração de energia. Trata-se de uma
importante fonte que entra em consonância aos rigorosos padrões ambientais, pois se
adequa, em termos, à crescente preocupação com o nível de poluentes liberados à
atmosfera. Entretanto, muitas discussões ainda ocorrem, pois a geração termelétrica só
perde para o setor de transportes quando o assunto é emissões de poluentes e
particulados[16;17;18;19].
Esse material é um dos elementos resultantes da decomposição de matéria
orgânica em pontos do subsolo e pode ou não estar adjunto ao petróleo. Define-se gás
associado como o composto que está dissolvido no petróleo ou na forma de uma capa de
gás dentro do local onde estão armazenados. Nesse caso, prioriza-se a extração do óleo,
de modo que o gás mantenha a pressão do reservatório. Caso o gás não possua
condições econômicas, além de poder ser reinjetado na jazida, o mesmo pode ser
queimado nos flares para evitar uma atmosfera de produção rica em gases
inflamáveis[16;18;20].
Já o gás natural não associado, é caracterizado por sua independência no
subsolo e é encontrado em rochas e livre de petróleo ou água, e logo pode ser extraído
de forma exclusiva [16;20].
Para que o gás obtenha condições comerciais padronizadas, a ANP definiu,
por meio da Resolução Nº 16 de 17 de junho de 2008, as especificações do gás natural,
seja nacional ou importado, que é entregue aos consumidores. Dentre essas
características, pode-se evidenciar o poder calorífico superior, definido dentro de uma
margem aceitável. Essa variável indica a quantidade de calor transferida à vizinhança
por uma porção de combustível, em condições de referência, quando queimado por
completo, de modo que os resultados desse processo também estejam em condições
padrão e a toda água produzida pela queima de H está em estado líquido. Estabeleceu-se
os valores desse parâmetro na faixa de 9,47 a 11,94 kWh/m³ [18;21].
Os reservatórios petrolíferos encontrados nessas regiões podem ser
qualificados como convencionais ou não-convencionais, cuja classificação é
determinada pela ocorrência desses na área subterrânea e pelos custos demandados para
a produção. A Fig. 4 proporciona mais informações sobre os mesmos.
Fig. 4 – Tipos de reservatórios petrolíferos[22]
Descreve-se o termo “reserva” como sendo todo ambiente armazenador de
recursos petrolíferos com níveis de qualidade operáveis. Realizam-se estudos
geológicos e de engenharia, que visam a qualificar as reservas conforme o nível de
incerteza de produção e se estas gerarão bons resultados econômicos, de acordo com os
enunciados abaixo:
-Reservas Provadas: Áreas nas quais se tem um alto nível de confiança de
que há materiais a serem recuperados.
-Reservas Prováveis: Jazidas que possuem um valor de incerteza de
produtividade maior do que as Reservas Provadas, porém, ainda, tem-se a chance de
extrair elementos restauráveis; e
-Reservas Possíveis: Referenciam as áreas em que os estudos indicam que
há baixa possibilidade de conterem gás natural e petróleo em condições executáveis,
porém, é válida a consideração para incrementos na reserva nacional[16].
2.3.1 RESERVAS, PRODUÇÃO E IMPORTAÇÃO DE GN NO BRASIL
A Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis(ANP), é o
agente da União que tem como funções regular, contratar e fiscalizar todos processos
que envolvam materiais sob sua outorga dentro do território brasileiro, ou seja, trabalha
“do poço ao posto”. Diante dessa série de atribuições, a ANP objetiva proporcionar
continuidade e qualidade no fornecimento ao consumidor final[23].
O Brasil dispõe de uma grande quantidade de gás natural em seus domínios,
visto que possui 29 bacias sedimentares que abrangem uma área de 7,175 milhões de
km², apesar de que apenas pequena parcela dessa imensa área tem sido utilizada. A
maior parte do GN produzido no Brasil é proveniente do mar e, em geral, encontra-se
associado ao petróleo. A Fig. 5 mostra a estimativa de como estão distribuídas as
reservas desse material no território brasileiro[20;24].
Fig. 5 – Distribuição das reservas brasileiras provadas[16]
Por se tratar de um recurso não-renovável, as jazidas de gás natural têm a
tendência de se esgotarem num horizonte de longo prazo, visto que há uma grande
demanda por esse elemento petrolífero no Brasil. A Fig. 6 mostra, em números, as
reservas exequíveis de gás natural no país em 2015 presentes no mar e na terra[25].
AmazonasMaranhão
CearáRio Grande do Norte
AlagoasSergipe
BahiaEspírito SantoRio de Janeiro
São PauloParaná
Santa Catarina0 50000 100000 150000 200000 250000 300000
4666212748
256395420282954
1828537464
25620749401
00
Reservas Provadas em 2015
Milhões de m³
Unid
ades
da
Fede
raçã
o
Fig. 6 – Reservas provadas brasileiras de GN em 2015[25, adaptado]
Segundo dados da ANP, as reservas factíveis de gás natural no país, em
2015, eram de 429.958 milhões de m³ e caíram 8,73% com relação ao ano anterior[25].
Em contrapartida, em 2015, produziu-se cerca de 35.126 milhões de m³ de
gás natural no Brasil. Essa quantidade, no geral, tem aumentado ano após ano. A Fig. 7
representa essa produção por UF no ano supracitado[25].
AmazonasMaranhão
CearáRio Grande do Norte
AlagoasSergipe
BahiaEspírito SantoRio de Janeiro
São Paulo
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
50601565
27.5427427.4
863.83040.8
4114.414062
5538.4
Produção de GN em 2015
Milhões de m³
Unid
ades
da
Fede
raçã
o
Fig. 7 – Produção Brasileira de GN em 2015[25,adaptado]
Nesse âmbito, a ANP realiza estudos com o objetivo de mensurar até que
ponto no tempo o Brasil terá gás natural próprio para ser beneficiado. A última
estimativa, feita em 2015, apontou uma relação reserva/produção de 12,2 anos[25].
Não obstante, em 2016, o Brasil importou cerca de 38% do gás que atendeu
à demanda nacional. Grande parte do GN não proveniente de reservas brasileiras foi
trazido da Bolívia, por meio do Gasoduto GASBOL, que é de posse da TBG. As Figs. 8
e 9 demonstram o traçado do Gasoduto Bolívia-Brasil e os volumes de importação de
gás natural no ano citado, respectivamente[26;27].
Fig. 8 – Trajeto do GASBOL[28]
Fig. 9 – Porcentagens do gás natural estrangeiro adquiridas em 2016[26]
A parcela restante das importações fazem referência ao Gás Natural
Liquefeito, GNL, que é transportado por navios supridores, aptos à trabalhar com
temperaturas por volta de -162 ºC, e que chegam ao país de diversas partes do mundo
[16;26;29].
O gás na forma líquida é comprado de países que não fazem fronteira com o
Brasil, como por exemplo o Catar, EUA, Nigéria e Trinidad e Tobago. Essas
quantidades, ao chegarem aos terminais de regaseificação localizados no Rio de Janeiro,
Ceará e Bahia, podem ser de imediato transformadas para a forma gasosa ou ficarem
armazenadas dentro dos próprios navios para posterior utilização. Há ainda a
possibilidade de reexportação de determinados volumes ociosos, desde que a demanda
nacional seja atendida em sua plenitude. A Fig. 10 mostra uma dessas estações
localizada em Pecém – CE[26].
Fig. 10 – Estrutura de Regaseificação em Pecém – CE[30]
Após passar pelos processos de extração e produção, o GN segue para novas
etapas, conforme mostrado na subseção que segue.
2.3.2 PROCESSAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO GN
O gás natural de origem brasileira é encaminhado às Unidades de
Processamento de Gás Natural (UPGNs), onde o material é convertido em diversas
matérias-primas e recebe o tratamento necessário para obtenção de condições
comerciais padronizadas. Depois desse passo, o gás é enviado às distribuidoras das UF
abrangidas pela malha duto-viária por meio das transportadoras de gás natural, assim
como ocorre com o GNL novamente transformado para o estado gasoso[29;31].
No mesmo sentido, o processo de transmissão do gás boliviano da
Transportadora Brasileira Gasoduto Bolívia-Brasil (TBG), é embasado nas Estações de
Compressão, que têm por função qualificar o gás natural às condições ideais de
transporte via gasodutos. Feito esse melhoramento, o GN é direcionado aos Pontos de
Entrega ou City Gates, onde a pressão desse material é reduzida e entra sob concessão
das distribuidoras estaduais. As distribuidoras, por sua vez, introduzem o gás natural em
suas respectivas redes de fornecimento e disponibilizam ao consumidor volumes gás em
condições normatizadas[29;31].
2.3.3 O GN EM SC
A Companhia de Gás de Santa Catarina (SCGÁS), foi fundada em 25 de
fevereiro de 1994 é a organização responsável pela distribuição de GN no estado.
Dispõe de grandes malhas duto-viárias, com a abrangência de 52 municípios cuja
maioria têm ligações radiais ao GASBOL. A Fig. 11 representa a parcela catarinense do
Trecho Sul desse gasoduto[27;32;33].
Fig. 11 – GASBOL em SC[27, adaptado]
A SCGÁS disponibiliza, em seu site, aos consumidores que tiverem
interesse, os mapas das redes de distribuição de GN de todas as cidades abrangidas pelo
atendimento. Esses documentos possuem elevada importância, pois podem fornecer
subsídios para que os clientes, sejam eles industriais, comerciais ou residenciais, possam
realizar projetos e prover na infraestrutura desses, processos e/ou equipamentos que
utilizem GN.
2.3.3.1 COMPOSIÇÃO DA TARIFA
Com o objetivo de remunerar o sistema de GN, a Agência Reguladora de
Serviços Públicos de Santa Catarina (ARESC), fixa valores tarifários, que recebem
atualizações periódicas, e são repassados pela SCGÁS aos consumidores finais. A Eq.
(1) descreve a estrutura da tarifa:
arifa = PV + MB + COA +
I
Onde:
PV: Custo do gás e transporte;
MB: Margem bruta;
COA: Custos operacionais e administrativos; e
I: ICMS + PIS/COFINS[34;35].
2.3.3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS CLIENTES
Os usuários da rede de distribuição de gás natural são diferenciados pelos
fatores enunciados a seguir:
-Faixa de consumo diário;
-Quantidade Contratada; e
-Área de atuação: Industrial, Comercial, Residencial, Veicular, Termelétrico
ou Geração Distribuída[34;35].
Dentre todos essas áreas, evidencia-se a GD por ser a mais recente e estar
em consonância com os anseios da política nacional energética. Esse segmento abrange
as empresas e comércios que trabalham com a cogeração qualificada, que, de maneira
geral, consiste nos aproveitamentos elétrico e térmico do GN. Inserem-se também, nessa
área, os estabelecimentos optantes pela geração termelétrica no horário de ponta,
intervalo no qual os valores cobrados pelas concessionárias de energia elétrica são
maiores. As Tabs. 2 e 3 mostram a tarifação vigente para o setor de Geração Distribuída
para os clientes industriais e comerciais de gás natural no ano de 2017,
respectivamente[35].
Tab. 2 – Tarifas sem impostos para GD industrial[35]
TGG – INDUSTRIALConsumo Diário (m³/dia) Margem bruta (R$/m³) PV (R$) Tarifa Líquida (R$)
0 a 10.000 0.1493 0.495 0.644310.001 a 90.000 0.0917 0.495 0.5867
90.001 a 200.000 0.0729 0.495 0.5679Maior que 200.000 0.0729 0.495 0.5679
Tab. 3 – Tarifas sem impostos para GD comercial[35]
TGG – COMERCIALFaixa de Consumo (m³/mês) Margem Bruta (R$/m³) PV (R$/m³) Tarifa Líquida (R$)
Única 0.1493 0.495 0.6443
Após ser tomado conhecimento da tarifação para unidades GD, faz-se
necessário uma explanação a respeito do processo de instalação da rede de gás, que
envolve a distribuidora estadual e os consumidores.
2.3.3.3 SOLICITAÇÃO E INSTALAÇÃO DA REDE GN
Conforme Gustavo Caldas dos Santos, Analista de Mercado da SCGÁS,
para que a última etapa de fornecimento seja concretizada, fazem-se necessários os
cumprimentos de responsabilidades da distribuidora e da empresa interessada, que são
listados a seguir:
-O consumidor interessado solicita a distribuição junto à SCGÁS por meio
dos canais de comunicação com o cliente;
-A distribuidora realiza estudos de viabilidade técnica e econômica, que
englobam o custo de instalação de um ramal devido à distância da empresa até a RD,
investimento para prover a montagem da estação de redução de pressão e medição
(ERPM), classificação do cliente quanto à estrutura tarifária e se haverá condições de
terminar a obra até a data limite especificada pelo consumidor. As estimativas devem
demonstrar um payback de até 20 anos, caso contrário, a distribuidora inviabiliza o
projeto;
-A área para instalação da estação ERPM, que tem um exemplar mostrado
na Fig. 12, deve ser disponibilizada pelo consumidor, bem como o acesso a mesma deve
ser liberado de modo restrito a agentes da SCGÁS ou terceiros a sua ordem; e
-O cliente deve organizar o processo que demandará GN, de modo que seja
possível a correta utilização do gás natural de acordo com os procedimentos de
segurança normatizados pela NBR 12123[36].
Fig. 12 – Modelo de ERPM – CPL Concordia[37, adaptado]
Após a abordagem acerca do processo de adesão à rede, faz-se necessária
uma explanação sobre os conceitos intrínsecos à geração a gás natural, conforme
mostrado na seção 2.4.
2.4 GERAÇÃO TERMELÉTRICA A GÁS NATURAL
A geração termelétrica a gás natural tem importância estratégica na
produção de energia elétrica no Brasil e cresce ano após ano. O somatório das potências
instaladas das 160 usinas termelétricas a gás natural instaladas em território brasileiro,
em 2016, foi indicado na ordem de 13 GW, valor correspondente a 8,113% da matriz
elétrica brasileira. A Fig. 13 exibe o aumento da utilização do gás natural para geração
de energia elétrica no Brasil[38].
Fig. 13 – Gerações anuais a partir de fontes hídricas e de GN até 2014[16]
A relevância da geração a GN pode ser confirmada pelo fato do
combustível fóssil utilizado no processo oferecer boa continuidade de fornecimento às
termelétricas. Por essa razão, esse modelo de produção de energia elétrica atua como
complementação às gerações baseadas nas fontes renováveis eólica e solar, classificadas
como intermitentes[16].
Dentre todas as formas de geração de energia elétrica de viés térmico,
enfatiza-se a área das termelétricas de ciclo combinado. Essas usinas aproveitam os
gases aquecidos provenientes da exaustão das turbinas a gás (fim do ciclo simples) para
produzir vapor e iniciar a segunda etapa do processo. Esse arranjo possibilita às
termelétricas atingirem uma eficiência de até 58%. Alguns fabricantes, como a Siemens,
disponibilizam plantas de ciclo combinado flexíveis, compostas por turbinas a gás e a
vapor, geradores elétricos e demais componentes. A Fig. 14 mostra o funcionamento do
processo citado[39;40].
Fig. 14 – Composição de um ciclo combinado[39]
No estudo da geração termelétrica a gás natural, fazem-se necessária as
explanações sobre os ciclos, aplicabilidades e custos das turbinas, elementos-chave do
processo, sem desconsiderar a relevância dos outros componentes que podem ser
empregados de acordo com a forma de produção de energia[16]
2.4.1.1 TURBINA A VAPOR
Entende-se por turbina a vapor (TV), a máquina térmica que trabalha em
associação com a combustão externa de materiais, que podem ser o gás natural, carvão,
óleo diesel e entre outros[16].
O primeiro registro histórico desse tipo de máquina data de 175 a.C.,
quando Herón de Alexandria fez o primeiro experimento. Entretanto, outros
investigadores contribuíram para que os padrões atuais de turbinas desse tipo fossem
desenvolvidos. A Fig. 15 mostra um exemplar dessa turbina[18].
Fig. 15 – GE Frame 7FA[41]
As TVs são as máquinas de combustão externa que possuem maior índice
de utilização, pois podem compor usinas de alta potência, atreladas ao fato de serem
confiáveis, eficientes e duráveis[18].
2.4.1.1.1PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DA TURBINA A VAPOR
Para uma descrição mais completa, relata-se o funcionamento da TV em
associação à definição do processo ao qual está atrelada. O ciclo de Rankine se baseia
na combustão externa de ar e combustível, que aquece a água armazenada numa
caldeira a fim de vaporizá-la. Esse vapor passa por uma pressurização e é o agente que
fará o eixo da turbina girar e, por consequência, produzir trabalho mecânico. Com o
acoplamento do eixo da turbina a um gerador elétrico, tem-se o produto final
objetivado. Ao passar pelo condensador e pela bomba, o vapor se transforma em água
novamente e passa por um processo de resfriamento com o objetivo de ser outra vez
injetado na caldeira e assim, o processo recomeça. A Fig. 16 mostra o ciclo
supracitado[16].
Fig. 16 – Ciclo simples a vapor - Rankine[42]
2.4.1.1.2 CLASSIFICAÇÃO E APLICAÇÕES DAS TV
De acordo com Lora, as TVs podem ser diferenciadas pela finalidade e
princípio de funcionamento. Quando se trata do modo operante em que as máquinas
trabalham, pode-se diferenciá-las por turbinas a vapor de reação e de impulso, que se
baseiam nos arranjos dos estágios internos às máquinas térmicas[18]
Com relação às aplicações das TVs, as mesmas podem ser para
acionamentos mecânicos e elétricos, conforme segue abaixo:
-Cogeração;
-Geração de EE em sistemas simples e em plantas combinadas;
-Bombas;
-Compressores; e
-Propulsão naval[18;43].
Na subseção seguinte, far-se-á uma explanação a respeito das turbinas a gás,
que muito podem trabalhar em associação as turbinas a vapor.
2.4.1.2 TURBINAS A GÁS
Interpreta-se por turbina a gás (TG), convencionalmente, o conjunto
composto por compressor, câmara de combustão e pela própria turbina, que não
necessita de fluidos intermediários no processo de geração termelétrica[16;18].
O primeiro protótipo de turbina a gás desenvolvido com êxito foi feito por
Aegidius Elling, em 1903, após diversas tentativas de outros pesquisadores que não
obtiveram trabalho útil na ponta do eixo[18].
O maior salto tecnológico na produção das turbinas a gás ocorreu na
Segunda Guerra Mundial, quando se havia uma grande necessidade de incrementar a
velocidade dos aviões e, desde aquele tempo, diversas melhorias foram aplicadas. A
Fig. 17 mostra um dos modelos atuais[18]
Fig. 17 – GE 7F.05[44]
2.4.1.2.1PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DAS TG
O funcionamento de uma turbina a gás é baseado no ciclo de Brayton, que
pode ser aberto ou fechado. Esse ciclo se inicia com a admissão de ar no compressor,
local que aumenta a pressão e aquece esse material para posterior ingresso do mesmo na
câmara de combustão, onde o combustível é inserido. Essa queima gera uma expansão
de gases quentes e pressurizados que, por fim, fazem a turbina girar. Após a geração de
trabalho mecânico no eixo da turbina, por consequência, gera-se uma tensão nos bornes
do gerador elétrico[16].
No circuito aberto, a queima do gás natural é realizada dentro do sistema e o
fluido utilizado no processo é descartado, fator que traduz a reduzida eficiência desse
circuito, pois os gases exauridos possuem alto potencial energético. A Fig. 18 representa
esse tipo de circuito Brayton[16].
Fig. 18 – Turbina a gás – Circuito aberto[18]
Entretanto, no circuito fechado, a combustão acontece em um trocador de
calor instalado na parte externa da planta e os gases provenientes do processo
permanecem dentro do sistema. A grande vantagem da utilização de máquinas que
operam nesse formato é que há condições de utilizar altos valores de pressão dentro do
processo, fato que viabiliza a redução nas dimensões da máquina, bem como a alteração
da potência útil em função da pressão utilizada. A Fig. 19 retrata o arranjo de operação
citado[16].
Fig. 19 – Turbina a gás – Circuito fechado[18]
2.4.1.2.2 CLASSIFICAÇÕES E APLICAÇÕES DAS TG
Lora classifica as turbinas a gás como aeroderivativas ou heavy duty. As
mesmas são diferenciadas conforme suas composições, potências geradas, eficiências
térmicas e aplicações[18;40].
As TG aeroderivativas podem trabalhar em ciclo simples ou combinado.
Resultam da modificação dos projetos das turbinas de cunho aeronáutico, pois seria
inviável, do ponto de vista econômico, desenvolver um novo segmento. O processo se
decorreu dessa maneira, pois os investimentos militares no aprimoramento da eficiência
dessa tecnologia foram superiores aos industriais. Essas máquinas são compostas, em
geral, por um gerador de gás utilizado em aviões, alterado para combustão de
inflamáveis industriais, e por uma turbina de potência ou livre. Caracterizam-se por
terem tempos de partida curtos, consideráveis valores de eficiência, serem confiáveis,
ocuparem pequenas áreas para a instalação e possuírem baixa relação peso/potência.
Essas turbinas são aplicadas em muitos segmentos da indústria, conforme listado a
seguir:
-Propulsão naval;
-Bombeamento de gás; e
-Geração em termelétricas em picos de demanda e em
emergências[18;19;40].
Se uma empresa que representa uma carga de 6 MW possui operações que
geram muitas perdas quando há a falta de energia elétrica da concessionária, ou mesmo
deseja gerar a própria energia no horário de ponta para obter redução de custos, sugere-
se a instalação de um sistema de geração de energia para situações emergenciais e
esporádicas. Nesse caso, pode ser aplicada a turbina SGT-A05 AE 6 MW, pois as TGs
desse grupo da Siemens disponibilizam a potência total dentro de 60 segundos de
operação. A Fig. 20 mostra uma turbina desse segmento[40].
Fig. 20 – Siemens SGT-05 AE[40]
As turbinas heavy duty podem trabalhar em ciclo simples ou combinado e
têm suas concepções de projeto voltadas para utilização no ramo industrial. Em geral,
são compostas por um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina. Destacam-
se por terem uma estrutura muito robusta e poderem trabalhar em ambientes hostis.
Oferecerem boa confiabilidade, serem flexíveis quanto aos combustíveis usados no
processo e possuírem baixo custo, quando comparadas as demais. São aplicadas para
geração de energia elétrica em plantas de ciclos simples e combinado, utilizações em
cogeração, usos em horário de pico, intermediário ou mesmo na base[18;19;40].
Supõe-se que uma determinada termelétrica deseja expandir seu parque
produtivo com a construção de uma nova filial que terá uma potência instalada de 230
MW, mas objetiva um atendimento à carga de forma não demorada. Após a alocação
dos mecanismos processuais e posterior canalização do gás natural, conforme normas
vigentes, faz-se necessária a escolha de um grupo gerador de energia que atenda a
constante apreensão com os poluentes exauridos, como o óxido de nitrogênio (NOx),
liberados à atmosfera. Em situações como essa, em que se tenha a compreensível
preocupação com o nível de emissões de poluentes e rapidez na partida, pode-se
selecionar a turbina heavy duty GE 7F.06 em ciclo simples. A Fig. 21 mostra a turbina
citada[40].
Fig. 21 – GE 7F.06[45]
Um importante fator considerado para a seleção da melhor turbina, é o
tempo dispendido para que a máquina térmica possa estar apta para fornecer a potência
em sua totalidade. A Fig. 22 mostra um gráfico com os tempos de start-up de algumas
TG produzidas pela GE.
Fig. 22 - Tempos de partida para TGs GE[46]
Do gráfico, analisa-se que a relação entre potências e tempos de partida das
turbinas supracitadas não é linear, pois o start-up depende dos aspectos construtivos e
operacionais de cada máquina.
2.4.1.3 COMPARAÇÕES ENTRE TURBINAS A GÁS E VAPOR
As turbinas a gás possuem tempos de resposta baixos, logo os starts e as
paradas dessas máquinas possuem baixas inércias. Apresentam também, como
características positivas, os fatos de gerar menos vibrações em suas operações e quase
não solicitarem água para seus funcionamentos. Essa máquinas térmicas possuem como
desvantagens os fatos de possuírem menor durabilidade, baixas eficiências e
inviabilizarem a manutenção na planta[47].
As turbinas a vapor se destacam por possuírem versatilidade e alta
eficiência, quando comparadas as demais. Evidenciam-se, também, pelo fato de que
quando estão em modo de operação, têm as manutenções facilitadas e não precisam de
lubrificação em seus interiores. Pode-se citar que um dos aspectos negativos dessas
máquinas é que, quando a mesma possuir baixas potências e operar em ciclo simples,
trabalhará com baixas eficiências[48].
