Neste trabalho, uma planta termelétrica de ciclo combinado foi analisada com o intuito de identificar pontos com dissipação de calor com potencial termodinâmico para serem aproveitados para geração de energia elétrica adicional por meio da integração de ciclos Rankine orgânicos (ORC) no sistema. A planta foi simulada no programa GateCycle e foram identificados quatro fluxos mássicos com possibilidade de recuperação de calor: dois fluxos de ar quente de extrações dos compressores das turbinas a gás a temperatura de 411ºC (sendo um fluxo em cada uma das duas turbinas a gás) e dois fluxos de gases de combustão na exaustão das caldeiras de recuperação a temperatura de 130ºC (sendo um fluxo em cada uma das duas caldeiras).
Para a simulação do ORC, foram consideradas duas configurações: básica e com recuperação. No ponto de maior temperatura foi proposto um ciclo ORC subcrítico e no ponto de temperatura mais baixa foram avaliados cenários considerando ORCs subcríticos e supercríticos. Para a escolha dos fluidos, uma seleção foi realizada com base nos critérios recomendados pela literatura. As propriedades dos fluidos foram obtidas através da ferramenta CoolProp. Para cada fluido selecionado, o comportamento do ORC foi simulado com base em condições pré-estabelecidas, para diferentes pressões de evaporação. Em seguida, análises técnicas e econômicas foram realizadas a fim de avaliar a viabilidade dos ciclos Rankine orgânicos propostos.
Para recuperação do calor dos fluxos de ar quente nas turbinas a gás, o etil benzeno apresentou os melhores resultados na análise termodinâmica, alcançando eficiência de 27,1% na configuração de ORC com recuperador. Isto representa uma potência líquida extra de 2.300 kW para cada turbina. Como são duas turbinas, a potência extra total é de 4.600 kW. Estes resultados foram obtidos para uma temperatura de evaporação de 331ºC e uma pressão de 3,069 MPa. Os fluidos o-xileno, p-xileno, m-xileno e tolueno, os quais são fluidos da mesma classe do etil benzeno, apresentaram resultados parecidos, mas um pouco inferiores.
Para os fluxos de gases na saída das caldeiras, o fluido novec649 apresentou os melhores resultados termodinâmicos alcançando eficiência de 9,29%, também na configuração com recuperação. A potência líquida gerada para cada ORC é de 1.822 kW. Estes resultados foram obtidos para uma temperatura de evaporação de 94ºC e pressão de 384 kPa. Considerando as
duas caldeiras da planta, a potência extra gerada é de 3.644 kW. Os fluidos MM (hexametildisiloxano), isohexano, heptano e hexano apresentaram resultados um pouco inferiores.
Ainda para os fluxos de exaustão das caldeiras, o dióxido de carbono CO2 apresentou eficiência 5,80% para o ciclo supercrítico com recuperador. Isso representa uma potência líquida de 1.138 kW para cada ORC, sendo 2.276 kW ao se considerar as duas caldeiras. No entanto, este resultado é obtido por meio de uma alta pressão de evaporação (12,1 MPa) e um alto valor de BWR (47,3%).
Ao se comparar os resultados dos dois pontos analisados no ciclo combinado, observa-se que para o primeiro ponto (411ºC), todos os fluidos alcançam eficiência bem maiores na configuração de ORC com recuperação, um aumento médio de 64%. No entanto, para o segundo ponto (130ºC), o aumento médio na eficiência dos fluidos foi menor que 3%. Isto se deve a dois fatores principais: diferença entre as temperaturas de evaporação e condensação e limitação do pinch point.
Na análise econômica, apesar do etil benzeno ter apresentado a maior eficiência, o tolueno apresentou os melhores resultados para os Custos Nivelados de Energia (LCOE) para o ponto de temperatura de 411ºC. Para uma taxa de juros de 2%, o LCOE calculado foi de 19,80 US$/MWh e para uma taxa de 14%, de 56,25 US$/MWh, ambos para configuração com recuperador. Os custos de investimento para o caso foram de 6,62 milhões de dólares por ORC.
Para o segundo ponto da planta analisado (saída da caldeira de recuperação), apesar do fluido novec649 ter apresentando a maior eficiência térmica, o fluido com menores valores de LCOE foi o ciclopentano na configuração básica (para uma temperatura de evaporação de 89ºC). A eficiência máxima alcançada para este fluido foi de 8,92% gerando uma potência líquida de 1.749 kW. Considerando as duas caldeiras de recuperação com um ORC cada, a potência adicional seria de 3.498 kW. Para este cenário, o LCOE é de 34,59 US$/MWh para uma taxa de juros de 2% e de 98,23 US$/MWh para uma taxa de 14%. Os custos de investimento foram estimados em 9,17 milhões de dólares por ORC.
Ainda considerando o fluxo de escape das caldeiras, para um ORC supercrítico de CO2, os menores valores de LCOE foram alcançados na configuração básica com uma eficiência de 4,91% e uma potência líquida de 963 kW para cada ORC, ou 1.926 kW no total, ao se considerar as duas caldeiras. Esses valores estão bem abaixo daqueles obtidos com ciclopentano. Ao se comparar os custos, os valores de LCOE para o CO2 são cerca de 148% maiores. Para uma taxa de 2%, o LCOE é de 85,88 US$/MWh e para uma taxa de 14%, é de 242,97 US$/MWh. Este custo mais elevado é explicado pela alta pressão de evaporação do sistema (12,3 MPa) que
geram alto valor de BWR (48%). Assim, para gerar a mesma potência líquida que um ORC subcrítico, a turbina deve gerar uma potência bem mais elevada, o que torna mais caro todos os equipamentos do ciclo.
Portanto, com base nas análises realizadas, a melhor alternativa para recuperação de calor residual na planta de ciclo combinado considerada se dá por meio da utilização dos fluidos tolueno e ciclopentano. O custo de investimento total para integração de quatro ORCs (dois com tolueno em cada turbina a gás e dois com na saída de cada caldeira) é de 31,58 milhões de dólares.
A integração dos quatro ORCs possibilitaria a geração adicional de 7,91 MW, o que significa um aumento de 1,31% na potência líquida total da planta e um aumento de 0,63 ponto percentual na eficiência global, além de uma redução de 1,31% no consumo específico de gás natural, com a consequente redução das emissões de gases de efeito estufa.
Por fim, a viabilidade econômica depende das condições econômicas, principalmente da taxa de juros, cotação do dólar e preço de venda de eletricidade. Independentemente disso, o ORC com tolueno apresentou menores valores de LCOE, e, portanto, neste cenário é o mais viável. Para uma condição intermediária, por exemplo, onde a taxa de juros é de 10% e o dólar valendo R$ 3,50, o LCOE para o ORC de tolueno seria de 149 R$/MWh. Portanto, perfeitamente viável para preços de venda de energia acima de 200 R$/MWh. Já o LCOE para o ciclopentano, nesta condição, seria de 261 R$/MWh, viável, portanto, apenas para um preço de venda de eletricidade acima de R$ 300 R$/MWh, aproximadamente.
Portanto, os resultados mostram que é possível recuperar o calor de baixa qualidade nas usinas de ciclo combinado e gerar energia elétrica adicional por meio da integração de ciclos Rankine orgânicos a custos razoavelmente viáveis. Este trabalho foi um estudo de caso da usina de Uruguaiana, mas a metodologia utilizada pode ser aplicada para qualquer planta podendo a alcançar resultados ainda mais promissores, aumentando a eficiência da planta e reduzindo as emissões.