Turbinas a gás vêm em uma variedade de tamanhos. Enquanto as grandes turbinas de combustão parecem receber a maior parte da publicidade, com empresas como a Siemens, GE e Mitsubishi Hitachi Power Systems fazendo mais barulho, várias empresas menores descobriram nichos no mercado das microturbinas. Seus designs inovadores estão encontrando interesse específico nos segmentos comercial e industrial.
Quando muitas pessoas pensam em microturbinas, muitas vezes imaginam pequenas unidades produzindo tão pouco quanto 30 kW de potência. Embora tais unidades sejam inovadoras, a indústria evoluiu muito na última década e as unidades multipack podem alcançar até 30 MW de capacidade total atualmente.
A empresa de consultoria ICF Inc. mantém uma base de dados de instalação de calor e energia combinada (CHP) para o Departamento de Energia dos EUA. É considerada a fonte de informação mais compreensiva sobre as instalações de cogeração no país. A ICF informou recentemente que as microturbinas capturaram uma quota de mercado de 25% das instalações de cogeração dos EUA na faixa de 100 kW a 5 MW durante o período de 2013-2017. Isso estabeleceu um novo recorde.
De acordo com a base de dados, a capacidade total instalada de sistemas de PCCE inferior a 5 MW era de 2.631,4 MW no final de 2017. A ICF prevê que a capacidade anual das instalações de cogeração dos EUA crescerá de 561 MW em 2017 para até 1.400 MW em 2026. Espera-se que o crescimento seja impulsionado por aplicações comerciais menores que são tipicamente compatíveis com a tecnologia de microturbinas.
“Considerando os preços recordes do gás e sua estabilidade para o futuro previsível, o desenvolvimento de projetos de cogeração apresenta uma oportunidade atrativa com múltiplos fluxos de receita – vapor vendido para hosts para processos industriais e energia elétrica vendida para a rede”, disse Siraj Taj, diretor e proprietário da ST Power Services Consultants, à POWER. “Consumidores comerciais e industriais estão avaliando a viabilidade econômica da cogeração por trás da cerca para reduzir custos operacionais, melhorar a confiabilidade, alcançar metas de eficiência energética e reduzir sua pegada de carbono”, acrescentou ele.
Powering Industrial Processes
Almost a decade ago, POWER estava relatando o crescimento dos sistemas de microturbinas (ver “Microturbine Technology Matures” na edição de novembro de 2010). Capstone Turbine Corp., que afirma ser a líder mundial no desenvolvimento e fabricação de sistemas de geração de energia com microturbinas, vendia unidades individuais com capacidades de até 1 MW, mesmo naquela época. Hoje, todas as unidades da Capstone podem ser paralelas até 30 MW de capacidade.
Para entender onde estes pacotes podem ser benéficos, considere a Felsineo La Mortadella. A empresa é um processador de alimentos italiano que produz uma salsicha de porco finamente moída e curada a quente. Foi apresentado num estudo de caso publicado no site da Capstone.
Felsineo estava a procurar actualizar o sistema de geração de energia na sua instalação primária de produção em Bolonha. Ela queria uma que pudesse lidar com um aumento na produção de vapor saturado para fabricação de embutidos.
A empresa decidiu instalar a microturbina C1000 a gás natural da Capstone (Figura 1) juntamente com um compressor a gás e uma solução geradora de vapor pós-combustão. O projeto Felsineo foi a primeira microturbina da Capstone a utilizar uma solução de vapor de pós-combustão, que satisfez com sucesso tanto as exigências elétricas quanto térmicas da instalação. A eficiência global da fábrica melhorou 30%, poupando à Felsineo cerca de 300.000 euros por ano, segundo o estudo de caso.
1. Capstone Turbine Corp. oferece uma linha de microturbinas desde o seu desenho C30 de 30kW (cutaway mostrado aqui) até à sua unidade C1000S de 1-MW. Cortesia: Capstone Turbine Corp.
“A nova linha de produtos Signature Series da Capstone está fazendo progressos significativos no mercado de CHP, que está especificamente focada no crescimento vertical do mercado de eficiência energética e continua a diversificar os negócios da Capstone”, disse Jim Crouse, vice-presidente executivo de Vendas e Marketing da Capstone, em um recente comunicado de imprensa sobre o crescimento do mercado de CHP.
A Turbina de Pequeno Gás Mais Eficiente do Mundo
Aurelia Turbines é uma empresa relativamente recente no mercado – a empresa foi estabelecida em 2013 – mas a sua tecnologia está em desenvolvimento há décadas. O escritório principal e as instalações de fabricação da empresa estão localizados em Lappeenranta, Finlândia. A localização é significativa porque a Aurelia trabalhou em colaboração com a Universidade Lappeenranta de Tecnologia para desenvolver sua nova turbina a gás.
De acordo com o CEO da Aurelia, Matti Malkamäki, a Lappeenranta é “um pouco como um Vale do Silício para tecnologia de alta velocidade”. Em uma entrevista exclusiva com POWER, Malkamäki disse que estabeleceu especificamente a empresa na Lappeenranta por causa do “know-how” que existia na área. “Nas fases iniciais, havia cinco professores diferentes da universidade e suas respectivas equipes de pesquisa, ao todo mais de 30, que estavam projetando a turbina”. Sem eles, este produto nunca teria visto a luz do dia”, disse ele.
A turbina a gás Aurelia utiliza o que a empresa chama de processo IRG2 (intercooler e gerador recuperado em dois bobinas). Embora existam turbinas multi-resfriadas e turbinas recuperadas/intercooled em outras formas, a turbina A400 da Aurelia é a primeira deste tipo a utilizar todas estas características na mesma unidade (Figura 2).
2. Este diagrama mostra o processo IRG2 (intercooled and recuperated generator on two spools). Os principais componentes do projeto Aurelia incluem compressores de baixa pressão (LP) e alta pressão (HP), turbinas e geradores. Cortesia: Turbinas Aurelia
O payoff é maior eficiência. A Aurelia afirma que tem as pequenas turbinas a gás mais eficientes do mundo com base na eficiência elétrica.
“Não estamos fazendo nenhum milagre aqui”, explicou Malkamäki. “A maior diferença para nós em relação a outras turbinas a gás de tamanho semelhante é simplesmente o fato de que estamos tendo dois eixos”. Nós temos o eixo de baixa pressão e temos o eixo de alta pressão”. Isto significa que temos dois geradores”. Ambos são sem engrenagens, por isso são eixos de alta velocidade. E temos o compressor de baixa pressão após o qual temos o intercooler e isso torna o resto do processo de conversão muito mais eficiente, pois o ar é então mais denso e mais frio. Depois temos um recuperador – então esta é uma turbina recuperada – mas temos uma relação de pressão um pouco mais alta na câmara de combustão do que todas as outras turbinas de tamanho semelhante. Isto nos dá um pouco de benefício”
Onde o projeto Capstone é bem adequado para instalações CHP onde o calor de exaustão pode ser utilizado para melhorar a eficiência geral, o Aurelia tem visado aplicações onde a eletricidade é a força motriz por trás da decisão de instalar uma turbina. A turbina Aurelia ainda pode ser usada em aplicações de PCCE, mas dependendo dos requisitos específicos do local, um queimador de canal também pode ser necessário.
“Estamos competindo mais com motores a gás”, disse Malkamäki. Nesse domínio, o Aurelia oferece mais flexibilidade de combustível e menos emissões. “Nós temos uma janela muito maior para os diferentes combustíveis. Podemos utilizar biogases muito magros que não são adequados para motores”. É aqui que vemos o primeiro nicho de mercado para nós”
Outra característica única concebida na turbina Aurelia são os rolamentos magnéticos activos. Os rolamentos não requerem óleo, o que elimina o potencial de vazamentos e reduz a manutenção. O design não é novo. A Sulzer, que também tem presença na Lappeenranta, está usando rolamentos similares em alguns de seus equipamentos, como em turbocompressores de alta velocidade para estações de tratamento de esgoto e vários outros. O sucesso nestas aplicações deu à Aurelia confiança no sistema de rolamentos que está sendo usado dentro do projeto da turbina.
“Neste negócio, é tudo uma questão de confiabilidade e mostrar que você é uma empresa confiável”, disse Malkamäki. Aurelia está tentando fazer tudo o que pode “para andar na conversa”, acrescentou ele.
Soluções Adicionais de Cogeração
A Centrax baseada no Reino Unido é outro pequeno fornecedor de soluções para turbinas a gás. Em outubro de 2017, ela também encomendou um projeto em Bolonha, Itália. Essa instalação está utilizando dois grupos geradores CX501-KB5 DLE, cada um fornecendo até 3,9 MW de energia elétrica, ligados a caldeiras industriais que têm a capacidade de fornecer aquecimento para cerca de 8.000 residências na cidade. Os dois conjuntos são alimentados por turbinas a gás Siemens 501-K.
Hera, a empresa multi-serviços que detém a instalação, investiu mais de 17 milhões de euros no projeto, que está localizado em uma usina que está em operação desde os anos 90. Segundo a empresa, o impulso para a modernização foi o de aumentar a eficiência energética e a sustentabilidade ambiental. Parte da antiga usina foi demolida em maio de 2015, e a central elétrica começou a alimentar a rede de aquecimento distrital em menos de 18 meses.
“Os grupos geradores 501-KB5 DLE são bem adequados para este projeto, proporcionando a Hera uma solução compacta mas potente que permite uma excelente flexibilidade à medida que e quando calor e energia são necessários”, disse Chris Dumont, gerente executivo de Vendas e Marketing da Centrax, em um comunicado de imprensa anunciando a abertura da usina. “Graças à nova tecnologia, a Hera é capaz de controlar as instalações a partir de um centro remoto, permitindo requisitos mínimos de pessoal no local”
OPRA Turbines, uma empresa do grupo holandês Dalian Energas, oferece mais um pequeno pacote de turbinas a gás. A sua turbina a gás OP16 tem um design totalmente radial. Diz-se que ela é única porque seus avançados sistemas de combustão oferecem a capacidade de lidar com uma ampla gama de combustíveis líquidos e gasosos. A razão de pressão moderada do OP16 torna possível operar com baixa pressão combustível-gás, e pode ser equipado com incineradores de baixa emissão ou incineradores de combustível de baixa Btu. De acordo com a empresa, sua tecnologia de combustão exclusiva pode transformar gás combustível sujo que de outra forma seria queimado, ventilado ou simplesmente desperdiçado em “energia verde e gás de exaustão limpo”
Um exemplo da solução OPRA em ação pode ser encontrado em uma unidade de produção de placas de gesso cartonado Siniat, na Holanda. O processo de Siniat exigiu o fornecimento contínuo de 5,8 MWth e 1,8 MWe. Depois de estudar suas opções, a empresa decidiu utilizar a turbina a gás OP16 em modo ilha. Os gases de escape que saem da turbina a 575C são canalizados diretamente para os secadores e calcinadores. Como resultado, a eficiência elétrica e térmica total da usina excede 85%. Os gases de escape contêm 15% O 2, o que permite uma fácil aplicação nas entradas do secador após a queima, caso seja necessária potência térmica adicional. Além disso, a unidade foi instalada em apenas duas semanas na mesma área que uma antiga turbina a gás radial existente anteriormente. ■
-Aaron Larson é o editor executivo da POWER.