TM-024 - Geração de Energia

Objetivos da disciplina

Aprofundar os conhecimentos dos alunos na área de geração/transformação e uso de energia nas diversas formas, renováveis e não renováveis.

Aplicar conceitos de engenharia econômica a projetos de geração de energia e de eficiência energética.

1) Centrais hidro e termelétricas,

Zulcy de Souza et. al., 1983.

2) Hidrogênio - Evoluir sem poluir,

Emilio Hoffman Gomes Neto, 2005.

3) Wind and Solar Power Systems,

Mukund R. Patel, 1999.

4) Petróleo - do Poço ao Posto,

Luiz Cláudio Cardoso, 2006.

5) Fundamentos da Engenharia Econômica,

Donald. G. Newnan et. al., 2000.

6) Decifrando a terra,

Wilson Teixeira et. al., 2000.

7) Atlas de energia elétrica no Brasil,

ANEEL, 2002.

Bibliografia:

Conteúdo

Cap. 1 - Conceitos fundamentais

Cap. 2 - Engenharia econômica

Cap. 3 - Máquinas e sistemas elétricos

Cap. 4 - Energia hidráulica

Cap. 5 - Energia da biomassa

Cap. 6 - Energia eólica

Cap. 7 - Energia solar

Cap. 8 - Energia de combustíveis fósseis

Cap. 9 - Energia nuclear

Cap. 10 - Células de combustíveis (Fuel

Cell)

Cap. 11 - Eficiência energética

Cap. 12 - Transporte

Capítulo 1 - Conceitos fundamentais

1.1 - Conceito de energia

Energia = Capacidade de realizar trabalho (termodinâmica)

Energia Trabalho Torque mecânico [J] = [N.m] (Força aplicada ao longo de um comprimento)

Energia térmica = Máquina térmica realiza trabalho mecânico

Energia elétrica = trabalho mecânico “produz” energia elétrica

Energia química = Reação química “produz” energia térmica

Reserv.Energia A

Máquina Reserv.Energia B

EA EB

Quanto à utilização da matéria associada a transformação de energia pode-se classificá-la em processo cíclicos ou de fluxo:

a) Cíclicos : ciclo a vapor, ciclos de refrigeração, circuitos elétricos e outros.

b) Fluxo : Combustão, escoamento de fluidos e outros.

Sendo uma grandeza em fluxo e que pode ser acumulada (normalmente associada a uma quantidade de matéria), qualquer forma de energia provém de uma fonte e será transformada em outra forma ao longo do tempo, dos processos naturais e dos processos de utilização desta energia pelo homem.

1.2 - “Fontes” e formas de energia

Hipótese Energia Nuclear = Fonte primáriaEnergia Térmica da terra = Fonte primária

Todas as demais FORMAS de energia derivam destas duas.

Energia nuclear =É a fonte primária da energia solar

Estas fontes primárias se formaram durante a origem do sistema solar

1) Energia química dos combustíveis fósseis:

Material orgânico, vegetal e animal, decomposto em rochas sedimentares que se transformaram em hidrocarbonetos devido a ação de pressão e temperatura no subsolo.

Exemplos:

Fonte de energia: Solar (nuclear) e geotérmica

Matéria associada: Carbono, Hidrogênio, Oxigênio, Nitrogênio e outros

2) Energia elétrica produzida nas hidrelétricas:

Ciclo hidrológico movido pela energia solar.

Matéria associada: Água

Energia renovável:- Energia hidrelétrica- Energia de biomassa

Centrais térmicas e outras- Energia eólica- Energia solar

Energia térmicaAquecedores solares

Energia elétrica indiretaCentrais solares

Energia elétrica diretaCélulas fotovoltaicas

Energia não renováveis:- Combustíveis fósseis- Combustíveis nucleares- Resíduos de petróleo- Gás Natural - Metano

Célula de combustível:- Hidrogênio (pode ser renovável ou não)- Metano (pode ser renovável ou não)

1.3 - Potência e eficiência

Reserv.Energia A

Máquina Reserv.Energia B

EA

EP

Potência é energia transferida por unidade de tempo

P = E / t = E/t

W = J / s (Watt = Joule / segundo)

EB

GeradorElétrico de

10 MW

EA

EP

Energia entregue pelo gerador em uma hora:Es = Ps.t = 10.000.000 x 3.600 (W.s = 3,6 x 1010 J) Es = Ps.t = 10.1 = 10 MWh

EB

Exemplo:Considere um gerador elétrico (acionado por uma turbina

hidráulica) de 10.000 kW ou 10 MW (Potência efetiva de saída) com eficiência de 96% .

Turbina hidráulica

Energia recebida pelo gerador em uma hora:Ee = Pe.t = 3,6 x 1010 J / 0,96 = 3,75 x 1010 J Ee = Pe.t = 10,4166 .1 = 10,41 MWh

Potência da turbina deverá ser:Pt = 10,41 MW = 10.416 kW

Potência mecânica transformada em potência térmica:Pp = Pe - Ps = 10.416 - 10.000 = 416 kW

Cap. 2 - Engenharia Econômica

Engenharia Econômica:Auxilia no processo de tomada de decisão

Decisões a respeito de problemas e ações:

SimplesIntermediáriosComplexos

Processo de tomada de decisão:

• Reconhecimento de um problema ou ação necessária• Definição de um objetivo ou mais objetivos• Coleta de dados relevantes• Identificação de alternativas viáveis• Escolha de um critério de julgamento• Construção de inter-relações entre objetivo, alternativas, dados e critérios• Predição dos resultados para cada alternativa• Escolha da melhor alternativa

Tomada de decisão

Reconhecimento de um problema:

Conta de energia elétrica de uma empresa foi considerada altaPor exemplo: Acima de 10% do faturamento anual

Definição de um objetivo:

Estabelecer uma meta de redução de consumo ou meta de geração própriaPor exemplo: Reduzir 20% do consumo

ou gerar 30% do consumo

Coleta de dados relevantes:Por exemplo: Identificar processos de maior consumo energético

ou identificar potenciais de geração na região da empresa

Identificação de alternativas viáveis

Escolha de um critério de julgamento

Construção de inter-relações entre objetivo, alternativas, dados e critérios

Por exemplo: Troca de motores antigos por motores de maior eficiência

Por exemplo: Implantação de coletores solares para diminuir consumo de energia no refeitório (produzir água aquecida)

Por exemplo: Custo benefício

Por exemplo: TIR

Modelo matemático

Predição dos resultados para cada alternativa

Estudo de cenários com o modelo

Escolha da melhor alternativa

2.1 - Juros e Equivalência

F = 1.000,00 x [1+(7,5%/100)]4 = 1.335,47

P = 1.000,00 x [1+(7,5%/100)]-4 = 748,80

2.1.1

2.1.2

A = 100.000,00 x [0,075x(1+0,075)5 ]/[(1+0,075)5-1] =

A = 100.000,00 x FRC = 100.000,00 x 0,2471 = 24.716,41

Exemplo :

Uma máquina que realiza determinada tarefa em uma indústria deverá ser trocada por outra que consome menos energia.

A nova máquina irá consumir R$ 300,00 a menos de energia do que a antiga, sabendo que a vida útil desta nova máquina é de cinco anos qual deverá ser o custo desta máquina para que compense efetuar a troca, considerando uma taxa de juros de 6% a.a. ?

(P/A,i,n) = (P/300,6%,5) =

(P/A,i,n) = 300 x 0,3382 / 0,08029 = 1.263,71

2.1.3

2.1.4

F = 1.000,00 x (1,075)4 = 1.335,47

F = 1.000,00 x (e0,075 x 4) = 1.000,00 x 1,3498 = 1.349,86

2.1.5

2.2 - Métodos de avaliação

Situação Critério

Custos ou orçamentos fixos Maximizar os benefíciosBenefícios fixos Minimizar os custos

Nem custos nem benefícios fixos Maximizar (benefícios/custos)

Eficiência econômica:

2.2.1 - Método do valor presente

Uma das maneiras mais fáceis de comparar alternativass mutuamente excludentes é trazer suas consequências para a data zero.

Na análise do valor presente, devemos levar em conta cuidadosamente o prazo abrangido pela análise, denominado horizonte de planejamento.

Normalmente utiliza-se a vida útil de um equipamento como sendo o período de análise.

Exemplo 2.1

2.2.2 - Método da Taxa Interna de Retorno

2.3 – Financiamento - BRDE - BNDES

A forma de financiamento adotada pelo BNDES - Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social, cujo agente financeiro nos estados da região sul é o BRDE - Banco Regional de Desenvolvimento do Extremo Sul, é denominada SAC.

  O financiamento é realizado sobre 60% das obras civis e 80% dos equipamentos.

  O percentual restante destes itens e também custos de projetos e administração devem ser cobertos pelos investidores.

  O financiamento nessa modalidade é realizado com taxa de juros equivalente à TJLP - Taxa de Juros de Longo Prazo, acrescida da taxa do agente financeiro.

TJLP Mes 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997Jan 6,50 9,00 9,75 10,00 11,00 10,00 9,25 12,00 12,84 9,89 11,02Fev 6,50 9,00 9,75 10,00 11,00 10,00 9,25 12,00 12,84 9,89 11,02Mar 6,50 9,00 9,75 10,00 11,00 10,00 9,25 12,00 12,84 11,77 10,33Abr 6,50 8,15 9,75 9,75 12,00 9,50 9,25 11,00 13,48 11,77 10,33Mai 6,50 8,15 9,75 9,75 12,00 9,50 9,25 11,00 13,48 11,77 10,33Jun 6,50 8,15 9,75 9,75 12,00 9,50 9,25 11,00 13,48 10,63 10,15Jul 6,25 7,50 9,75 9,75 12,00 10,00 9,50 10,25 14,05 10,63 10,15Ago 6,25 7,50 9,75 9,75 12,00 10,00 9,50 10,25 14,05 10,63 10,15Set 6,25 7,50 9,75 9,75 12,00 10,00 9,50 10,25 14,05 11,68 9,40Out 6,25 6,85 9,75 9,75 11,00 10,00 10,00 9,75 12,50 11,68 9,40Nov 6,25 6,85 9,75 9,75 11,00 10,00 10,00 9,75 12,50 11,68 9,40Dez 6,25 6,85 9,75 9,75 11,00 10,00 10,00 9,75 12,50 18,06 9,89

TJLP

2.3.1 – Juros durante carência

Durante o período de carência, 6 meses após o início do financiamento, deverá ser paga somente a parcela do juros sobre saldo devedor equivalente à taxa do agente financeiro acrescido de 4%.

Os juros cobrados durante o período de carência podem ser calculados pela fórmula, considerando como 2% a taxa do agente financeiro: 

Juroscar = SLDant . [ (fat1+1)nd - 1]

onde :

SLDant = Saldo devedor anterior (no início do bimestre anterior)fat1 = fator 1 = [(1+0,06)(1 / 360) -1] = 0,0001618 = 0,0161% a.d.nd = número de dias (pagamentos bimestrais - depende do mês)

2.3.2 – Amortização

Durante o período de amortização, as parcelas de amortização são calculadas em função do número de meses restantes para completar 120 meses (10 anos), por exemplo, a primeira parcela de amortização é calculada pelo saldo devedor dividido por 120, a segunda é calculada pelo saldo devedor dividido por 119 e sucessivamente.  

Durante este período o saldo devedor é calculado pela fórmula anterior, sendo que, o número de dias passa a ser determinado mensalmente.

Os juros sobre o saldo devedor também passam a ser pagos mensalmente, pela fórmula acima exposta, sendo que o número de dias passa também a ser apurado mensalmente.

2.3.2 – Saldo devedor

O saldo devedor é reajustado conforme a seguinte fórmula, considerando uma TJLP de 6,5% :

SLD = SLDant . [ (fat2+1)nd - 1] + P.Fin. onde :

SLD = Saldo devedor no início do bimestreP.Fin. = Parcela do financiamento recebida no início do

bimestreSLDant = Saldo devedor anterior (no início do bimestre

anterior)fat2 = fator 2 = [(1+fat3)

(1 / 360) -1] = 0,0000659 = 0,0065% fat3 = fator 3 = (1,065/1,04) -1 = 0,024038 = 2,40 %

2.4 - Aspectos tributários

2.5 - Prazos de projeto e construção

Cap.3 – Máquinas e Sistemas elétricos