Quão eficiente é um gerador de gás natural?

Os geradores de gás natural normalmente convertem apenas parte da energia química do combustível em eletricidade, enquanto a energia restante sai do sistema principalmente na forma de calor. Para os compradores industriais, contudo, a eficiência do gerador não deve ser avaliada por uma única percentagem. O tamanho do motor, o fator de carga, a qualidade do combustível, as condições ambientais, o modo de operação e se o calor residual é recuperado podem afetar o desempenho geral.

Para motores alternativos a gás natural, a eficiência elétrica geralmente aumenta com o tamanho do motor e a operação otimizada. Quando o gerador é integrado num sistema Combinado de Calor e Energia (CHP) , o calor útil do motor e dos gases de escape também pode ser recuperado, aumentando significativamente a eficiência total do sistema.

DIYPOWER fornece grupos geradores industriais de gás natural e soluções de geração de energia para aplicações de energia contínua, principal, standby e distribuída. Este guia explica como a eficiência do gerador de gás natural é medida, o que a afeta e como os usuários industriais podem melhorar a utilização do combustível.

Eficiência do gerador de gás natural: resposta rápida

Existem dois valores de eficiência diferentes que os compradores devem compreender:

De acordo com a Parceria Combinada de Calor e Energia da EPA dos EUA , a eficiência total do sistema CHP é calculada a partir da produção elétrica e térmica útil dividida pela entrada total de energia do combustível. A EPA observa que os sistemas CHP normalmente alcançam eficiências totais de aproximadamente 60% a 80% , dependendo da tecnologia e do design do sistema.

Esta distinção é importante: a eficiência eléctrica de um gerador e a eficiência total de um sistema CHP não são a mesma métrica.

O que significa eficiência do gerador de gás natural?

A eficiência do gerador descreve a eficácia com que o motor-gerador converte a energia do combustível em energia elétrica utilizável.

Um cálculo simplificado de eficiência elétrica é:

Eficiência Elétrica = Produção de Energia Elétrica ÷ Entrada de Energia do Combustível × 100%

Por exemplo, se um motor recebe 100 unidades de energia combustível e produz 40 unidades de energia elétrica, sua eficiência elétrica é de aproximadamente 40%.

A energia restante é liberada principalmente através de:

• Gases de escape

• Sistema de refrigeração do motor

• Sistema de lubrificação

• Radiação

• Perdas mecânicas

Para um gerador convencional, grande parte desta energia térmica é rejeitada.

Para um sistema CHP industrial, parte dele pode ser recuperada e utilizada para água quente, aquecimento de processos, produção de vapor ou outras cargas térmicas.

Eficiência Elétrica vs. Eficiência Total CHP

Esta é uma das distinções mais importantes na avaliação de um gerador de gás natural.

Eficiência Elétrica

A eficiência elétrica mede apenas a produção de eletricidade.

Os motores alternativos a gás natural podem atingir eficiências diferentes dependendo da capacidade do gerador, projeto do motor, taxa de compressão, estratégia de combustão, turboalimentação, carga e condições de operação.

Os dados do Departamento de Energia dos EUA para sistemas CHP representativos de motores alternativos a gás natural mostram eficiências elétricas que variam de aproximadamente 30% para sistemas menores a acima de 40% para sistemas maiores com base em valores de aquecimento mais elevados.

Portanto, em vez de presumir que todo gerador de gás natural é “30–45% eficiente”, os compradores devem comparar os dados reais de consumo de combustível ou taxa de calor do fabricante para o motor e classificação específicos.

Eficiência Total de CHP

Um motor gerador produz calor substancial, além de eletricidade.

Os sistemas CHP recuperam parte deste calor de fontes como:

• Água na camisa do motor

• Gás de escape

• Sistema de lubrificação

• Intercooler

A energia recuperada pode então suportar:

• Processar água quente

• Aquecimento ambiente

• Secagem industrial

• Produção de vapor

• Aquecimento de instalações

• Outros processos térmicos

A EPA relata que os sistemas CHP normalmente atingem eficiências totais do sistema em torno de 65% a 80% , com algumas configurações aproximando-se de níveis mais elevados.

Para instalações industriais que necessitam de eletricidade e calor simultaneamente, isto pode tornar a cogeração substancialmente mais eficiente em termos energéticos do que a produção separada de eletricidade e energia térmica.

O que determina a eficiência do gerador de gás natural?

Não existe uma percentagem única de eficiência que se aplique a todos os geradores.

Várias variáveis ​​influenciam a conversão real de combustível em eletricidade.

1. Tamanho do gerador e projeto do motor

Motores alternativos industriais maiores geralmente alcançam eficiências elétricas mais altas do que motores de reserva pequenos porque podem usar mais avançados:

• Sistemas de combustão

• Turbocompressão

• Controles do motor

• Tecnologia Lean Burn

• Gerenciamento de combustível aéreo

• Sistemas de gerenciamento de calor

Por esta razão, devem ser feitas comparações de eficiência entre geradores de potências e ciclos de trabalho semelhantes.

A linha de geradores a gás natural da DIYPOWER inclui equipamentos destinados a aplicações de energia comercial e industrial de maior porte, onde a eficiência operacional se torna um importante fator de custo do ciclo de vida.

2. Carga do Gerador

O fator de carga tem um grande impacto na eficiência.

Um gerador operando muito abaixo de sua potência nominal ainda deve superar o atrito interno, operar sistemas de refrigeração, acionar auxiliares e manter a temperatura operacional. Como resultado, o consumo de combustível por kWh pode aumentar com carga baixa.

Em vez de aplicar uma “porcentagem de carga ideal” universal, os compradores industriais deveriam revisar a curva de consumo de combustível do fabricante em vários pontos operacionais, como:

• 25% de carga

• 50% de carga

• 75% de carga

• 100% de carga

Isto fornece uma imagem muito mais confiável do custo operacional esperado.

O dimensionamento correto do gerador é, portanto, essencial.

Um gerador superdimensionado que opera com carga baixa durante a maior parte de sua vida útil pode proporcionar pior utilização de combustível do que uma unidade de tamanho adequado operando mais perto do ponto de operação pretendido.

3. Operação em espera, principal ou contínua

A eficiência do gerador também deve ser avaliada de acordo com o serviço.

Os geradores de reserva operam principalmente durante interrupções de serviços públicos e normalmente acumulam relativamente poucas horas de operação anuais.

Os geradores de energia principal operam por períodos mais longos quando a energia da rede não está disponível ou é insuficiente.

Os sistemas de energia contínua podem operar por longos períodos com cargas relativamente estáveis.

Para aplicações industriais com muitas horas de trabalho, mesmo uma pequena diferença na taxa de aquecimento ou na eficiência elétrica pode afetar significativamente o consumo anual de combustível.

DIYPOWER categoriza soluções de gerador por Prime Power , Emergency Standby Power e Continuous Power , permitindo que a configuração do gerador seja mais adequada à tarefa necessária.

Quanto gás natural um gerador usa?

O consumo de combustível não deve ser estimado apenas a partir da capacidade do gerador.

A necessidade real de gás natural depende de:

• Saída kW do gerador

• Eficiência do motor

• Porcentagem de carga

• Valor de aquecimento a gás natural

• Pressão do gás

• Ajuste do motor

• Condições ambientais

• Cargas auxiliares

Um relacionamento de engenharia útil é:

Entrada de energia de combustível = saída elétrica ÷ eficiência elétrica

Por exemplo, um gerador que produz 1.000 kW com 40% de eficiência elétrica requer aproximadamente 2.500 kW de entrada de combustível-energia antes de contabilizar a base exata e as cargas auxiliares.

Para decisões de compra, entretanto, use a tabela oficial de consumo de combustível do fabricante do motor, em vez de uma calculadora on-line genérica.

Compare o consumo de combustível nos pontos de carga que melhor representam o perfil real da sua instalação.

Taxa de calor: uma métrica melhor para compradores industriais

Os compradores de geradores industriais também devem compreender a taxa de calor.

A taxa de calor descreve quanta energia de combustível é necessária para produzir uma unidade de energia elétrica.

Em termos simples:

Taxa de calor mais baixa = melhor eficiência de combustível para eletricidade

A eficiência e a taxa de calor estão, portanto, intimamente relacionadas.

Ao comparar dois geradores industriais de gás natural de produção semelhante, analise:

• Eficiência elétrica nominal

• Taxa de calor

• Consumo de combustível com 50% de carga

• Consumo de combustível com carga de 75%

• Consumo de combustível a 100% de carga

• Cargas parasitas/auxiliares

Isso fornece uma comparação mais útil do que depender apenas de uma porcentagem de eficiência de marketing.

Como o calor e a energia combinados melhoram a eficiência geral

Para muitas aplicações industriais, a cogeração é onde o gás natural se torna particularmente interessante.

Um gerador convencional produz eletricidade enquanto rejeita energia térmica substancial.

Em vez disso, um sistema CHP captura o calor utilizável.

O fluxo de energia se torna:

Gás Natural → Motor → Eletricidade + Calor Recuperável

Em vez de:

Gás Natural → Motor → Eletricidade + Calor Desperdiçado

A EPA explica que a cogeração reduz as necessidades de combustível ao produzir eletricidade e energia térmica útil a partir do mesmo combustível, ao mesmo tempo que evita algumas perdas de transmissão e distribuição associadas à eletricidade gerada centralmente.

Onde o calor recuperado pode ser usado?

As aplicações industriais de cogeração podem utilizar o calor recuperado para:

• Água de processo

• Vapor

• Secagem

• Aquecimento ambiente

• Pré-aquecimento da água de alimentação da caldeira

• Processos de fabricação

• Água quente hospitalar

• Aquecimento de edifícios comerciais

A cogeração faz mais sentido quando a demanda elétrica e térmica ocorre simultaneamente por períodos substanciais.

Uma instalação com pouca demanda térmica utilizável pode ganhar muito menos com a recuperação de calor.

Gerador de gás natural vs. eficiência do gerador a diesel

Os geradores a gás natural e a diesel não devem ser comparados apenas com base na eficiência.

Os motores a diesel são amplamente utilizados para energia de reserva e para serviços pesados ​​devido à sua alta densidade de energia, forte resposta transitória, armazenamento de combustível no local e durabilidade industrial comprovada.

Os sistemas de gás natural oferecem diferentes vantagens, especialmente quando existe uma infra-estrutura de gasodutos fiável.

DIYPOWER fornece uma comparação mais detalhada em Gerador a Diesel vs. Gerador a Gás: Qual é Melhor?.

O ponto importante é que o gás natural não é automaticamente mais eficiente que o diesel, e o diesel não é automaticamente o melhor gerador.

A escolha correta depende do ciclo de trabalho, da disponibilidade de combustível, do perfil de carga, dos requisitos de emissões, da estratégia de resiliência, da capacidade de manutenção e do custo total de propriedade.

Fornecimento de gasodutos: vantagem, mas não uma garantia

Uma vantagem de um gerador de gás natural alimentado por gasoduto é que ele pode reduzir a dependência do armazenamento local de combustível líquido e das entregas programadas de combustível.

Contudo, o fornecimento de gasodutos não deve ser descrito como “ilimitado” ou garantido durante cada emergência.

O planeamento da resiliência industrial deve considerar:

• Confiabilidade da rede de gás local

• Pressão de gás necessária

• Restrições de pico de demanda

• Exposição a terremotos ou inundações

• Políticas de redução de serviços públicos

• Planejamento de emergência local

• Requisitos de combustível duplo ou combustível reserva

Para instalações críticas, a resiliência da fonte de combustível deve ser avaliada juntamente com a eficiência do gerador.

Condições Ambientais e Derating

A saída do gerador pode mudar com as condições ambientais.

A altitude elevada reduz a densidade do ar. As altas temperaturas ambientes também podem reduzir o desempenho do motor e do sistema de arrefecimento.

Dependendo do motor, isso pode exigir desclassificação.

Os projetos industriais devem, portanto, proporcionar ao fornecedor do gerador:

• Altitude de instalação

• Temperatura ambiente máxima

• Temperatura ambiente mínima

• Umidade

• Instalação interna/externa

• Condições de ventilação

• Composição do gás

• Pressão do gás

Esses fatores permitem que o gerador seja selecionado de acordo com as condições do local , em vez de apenas com a potência nominal.

Qualidade do Gás Natural e Pressão do Gás

A qualidade do gás é outro fator importante que muitas vezes é esquecido.

A composição do gás natural e o valor calorífico podem variar de acordo com o local.

A seleção de geradores industriais deve considerar:

• Conteúdo de metano

• Valor de aquecimento inferior/superior

• Pressão de fornecimento

• Estabilidade de pressão

• Contaminantes

• Temperatura do gás

• Regulação de pressão necessária

Se a pressão do gás cair fora da faixa especificada pelo fabricante do motor, a potência e a estabilidade do gerador poderão ser afetadas.

Para grandes instalações industriais, o sistema de fornecimento de gás deve, portanto, ser projetado em conjunto com o sistema gerador.

Aplicações industriais de geradores de gás natural

Os geradores de gás natural podem ser particularmente relevantes onde há gás gasoduto disponível e a instalação espera horas de operação substanciais.

As aplicações típicas incluem:

Fábricas

Instalações com necessidades simultâneas de electricidade e térmica podem ser adequadas para CHP.

O calor recuperado pode potencialmente suportar requisitos de água de processo, secagem, aquecimento ou vapor.

Data centers

Os geradores de gás natural podem fazer parte de uma estratégia energética local mais ampla, onde a infraestrutura de combustível, os requisitos de emissões, a redundância e a operação interativa na rede apoiam a sua utilização.

Hospitais e Instalações Institucionais

Instalações com procura de electricidade e água quente durante todo o ano podem ser candidatas à cogeração porque a energia térmica recuperada pode ser utilizada continuamente.

Parques Industriais

A geração centralizada de gás natural pode apoiar arquitecturas de energia distribuída, especialmente onde múltiplas instalações partilham infra-estruturas energéticas.

Energia Remota e Distribuída

Onde o gás natural ou gás associado estiver disponível localmente, a geração de motores a gás pode constituir uma alternativa ao transporte de combustíveis líquidos por longas distâncias.

Para projetos maiores, a DIYPOWER também fornece soluções para centrais elétricas a gás natural.

Exemplo: Geração de Gás Natural Industrial de Alta Tensão

Grandes instalações industriais podem exigir mais do que geração de reserva de baixa tensão.

Por exemplo, o gerador de gás natural de alta tensão JiChai de 2.000 kW da DIYPOWER foi projetado para grandes aplicações de energia industrial.

Para projetos desta escala, a avaliação do gerador deve incluir:

• Eficiência elétrica

• Taxa de calor

• Consumo de gás

• Tensão de saída

• Operação paralela

• Carregar perfil

• Requisitos de resfriamento

• Pressão do gás

• Sistema de proteção

• Aparelhagem

• Potencial de cogeração

• Custo operacional do ciclo de vida

Isto é mais significativo do que comparar a eficiência do gerador como uma percentagem única.

Como melhorar a eficiência do gerador de gás natural

Dimensione o gerador corretamente

Evite tamanhos excessivos desnecessários.

Comece com um estudo detalhado de carga da instalação abrangendo:

• Carga contínua

• Carga máxima

• Partida do motor

• Carregar etapas

• Expansão futura

• Cargas críticas

O objetivo é selecionar equipamentos que operem de forma eficiente em todo o perfil de carga real da instalação.

Compare o consumo de combustível em múltiplas cargas

Não compare geradores apenas com potência nominal de 100%.

Compare os dados do fabricante em vários pontos de carga que representam a operação real.

Manter o motor

A má manutenção pode reduzir a qualidade da combustão e aumentar o consumo de combustível.

Siga os requisitos de manutenção do fabricante do motor para:

• Filtros de ar

• Velas de ignição

• Lubrificação

• Sistema de refrigeração

• Sistema de ignição

• Regulamentação de gás

• Sensores

• Folgas de válvula

Monitore o desempenho

Os sistemas de controle e monitoramento industrial podem rastrear:

• Carga do gerador

• Consumo de combustível

• Pressão do gás

• Temperaturas

• Saída elétrica

• Horário de funcionamento

• Alarmes

Os dados de tendências podem revelar se o gerador está constantemente subcarregado ou operando fora das condições pretendidas.

Considere CHP onde existe demanda de calor

Se uma instalação tiver demanda elétrica e térmica simultânea, avalie se o calor residual do motor pode ser recuperado economicamente.

A CHP deve ser concebida em torno da procura térmica real – e não adicionada apenas para obter uma percentagem de eficiência teórica mais elevada.

Como escolher um gerador de gás natural industrial eficiente

Antes de adquirir um gerador a gás natural defina:

Para compradores industriais, o gerador mais eficiente não é necessariamente a unidade com maior eficiência anunciada . É o gerador que fornece a energia necessária de forma confiável nas condições reais de operação do local, com consumo de combustível e custo de ciclo de vida aceitáveis.

Soluções de gerador de gás natural DIYPOWER

A DIYPOWER fornece equipamentos de geração de energia para aplicações industriais, comerciais, de espera, principais e de energia contínua.

Para projetos que consideram a geração de gás natural, a DIYPOWER pode ajudar a avaliar:

• Classificação de potência do gerador

• Saída de baixa ou alta tensão

• Condições de fornecimento de gás

• Carga operacional

• Serviço principal ou contínuo

• Operação paralela

• Sistemas de controle

• Requisitos de resfriamento

• Potencial de cogeração

• Ambiente do local

Explore os geradores de gás natural DIYPOWER para soluções industriais disponíveis ou analise as soluções de usinas de energia a gás natural para projetos maiores de geração distribuída.

Perguntas frequentes

Quão eficiente é um gerador de gás natural?

A eficiência elétrica varia de acordo com o tamanho do motor, projeto, carga, combustível e condições de operação. Os motores alternativos a gás natural representativos nos dados do US DOE variam de cerca de 30% de eficiência elétrica para sistemas menores a acima de 40% para sistemas maiores.

Sempre compare os dados do fabricante do gerador específico.

Um gerador a gás natural pode atingir 80% de eficiência?

Um gerador que produz apenas eletricidade geralmente não deve ser descrito como 80% eletricamente eficiente.

No entanto, um sistema CHP pode atingir eficiências totais na faixa de 60-80% ou mais em configurações adequadas porque o calor útil do motor é recuperado além da eletricidade. A EPA relata eficiências totais típicas de CHP de aproximadamente 65–80%.

Qual é a carga mais eficiente para um gerador de gás natural?

Não existe uma porcentagem de carga universal que se aplique a todos os motores.

A eficiência geralmente muda ao longo da curva de carga, portanto, os compradores devem revisar os dados de consumo de combustível e taxa de aquecimento do fabricante em 25%, 50%, 75% e 100% de carga, quando disponíveis.

Um gerador de gás natural superdimensionado consome mais combustível?

Um gerador superdimensionado que passa a maior parte do seu tempo de operação em baixa carga pode ter menor consumo de combustível por kWh do que um gerador de tamanho adequado.

O dimensionamento correto deve, portanto, basear-se no perfil de carga real da instalação.

Os geradores a gás natural são mais baratos de operar do que os geradores a diesel?

Não necessariamente em todos os locais.

O custo operacional depende dos preços locais do gás natural e do diesel, da eficiência do motor, da autonomia anual, da manutenção, da infraestrutura de combustível, dos sistemas de emissões e do perfil de carga.

Compare o custo por kWh gerado e não apenas o preço do combustível.

O gás natural é melhor para energia contínua?

O gás natural pode ser atractivo para a produção a horas elevadas, onde existam infra-estruturas de gás fiáveis, especialmente quando a cogeração for viável.

A escolha final também deve considerar a resiliência, as emissões, a manutenção, a resposta à carga e a economia de combustível local.

O que é CHP?

A combinação de calor e energia, ou cogeração, produz eletricidade enquanto recupera energia térmica útil do mesmo combustível.

Para instalações que necessitam de electricidade e calor, a cogeração pode aumentar substancialmente a utilização total de combustível.

Que informações são necessárias para dimensionar um gerador industrial de gás natural?

No mínimo, forneça kW/kVA necessários, tensão, frequência, perfil de carga, maiores cargas do motor, classificação de serviço, altitude, temperatura ambiente, pressão do gás, composição do gás, ambiente de instalação e horas de operação anuais esperadas.

Conclusão

A eficiência do gerador de gás natural depende de muito mais do que uma percentagem anunciada. O tamanho do motor, a carga do gerador, o serviço operacional, a qualidade do combustível, as condições do local e a manutenção afetam a quantidade de eletricidade útil produzida a partir do combustível consumido.

Para projetos industriais, compare a eficiência elétrica, a taxa de aquecimento, o consumo de combustível em toda a faixa de carga esperada e o custo total do ciclo de vida.

Onde uma instalação também tem demanda térmica consistente, a cogeração pode recuperar o calor do motor e melhorar significativamente a utilização geral do combustível.

DIYPOWER fornece soluções industriais de geradores de gás natural e estações de energia para diferentes classificações de potência e requisitos operacionais. Combinar o gerador com o perfil real de carga, fornecimento de gás, tensão, condições do local e ciclo de trabalho é a maneira mais confiável de obter uma operação eficiente a longo prazo.