Um gerador a gás natural é geralmente a melhor escolha quando uma instalação dispõe de um abastecimento fiável de gás canalizado e o grupo vai funcionar muitas horas por ano como fonte de potência principal, contínua ou para redução dos picos de consumo, porque em muitos mercados o combustível é mais barato por unidade de energia, os intervalos entre mudanças de óleo são mais longos e as emissões são inferiores. Um gerador diesel é geralmente a melhor escolha para reserva de emergência, locais remotos e utilização móvel, porque armazena o seu próprio combustível no local, assume rapidamente grandes incrementos de carga e custa tipicamente menos a adquirir para a mesma potência em kW.
Pontos essenciais
- Os grupos geradores a gás natural utilizam motores alternativos de ignição por faísca; os grupos geradores diesel utilizam ignição por compressão e têm geralmente uma maior densidade de potência para a mesma cilindrada.
- Um gerador diesel armazena o combustível no local, enquanto o gás canalizado depende da rede de distribuição, o que é relevante para as cargas de reserva destinadas à segurança de pessoas e deve ser aceite pela autoridade competente.
- Os motores a gás funcionam frequentemente cerca de 1000 horas entre mudanças de óleo em serviço de reserva, em comparação com as cerca de 250–300 horas típicas dos motores diesel, segundo orientações publicadas pelos fabricantes.
- Os motores a gás de mistura pobre funcionam com excesso de ar para reduzir os NOx e melhorar a eficiência; os motores a gás de mistura rica necessitam de um catalisador de três vias, mas tradicionalmente têm aceitado a carga com maior facilidade.
- O diesel costuma ser mais vantajoso no custo inicial e na utilização pouco frequente em reserva; o gás tende a ser mais vantajoso nos custos de combustível e manutenção quando o número anual de horas de funcionamento é elevado.
- Para produzir eletricidade a 60 Hz, um gerador de quatro polos funciona a 1800 rpm e, para 50 Hz, a 1500 rpm, independentemente do combustível utilizado pelo motor.
Como funciona um gerador a gás natural?
É um motor alternativo de ignição por faísca acoplado a um alternador. O gás é doseado por um regulador e um misturador ou por injeção nos canais de admissão, misturado com ar, comprimido e inflamado por velas de ignição; a cambota faz girar o alternador à velocidade síncrona para produzir eletricidade.
Muitos motores industriais a gás derivam de blocos diesel. O bloco, a cambota e as chumaceiras são comuns, mas a cabeça, os pistões e a relação de compressão são alterados, um sistema de ignição substitui os injetores e o motor recebe um conjunto de alimentação de gás, uma borboleta de admissão e um controlo da relação ar-combustível. Como um motor de ignição por faísca tem de evitar a detonação, a versão a gás de um bloco tem geralmente uma potência nominal inferior à da versão diesel com a mesma cilindrada.
Predominam duas estratégias de combustão:
- Combustão com mistura rica (estequiométrica): funciona com a relação ar-combustível quimicamente correta. A temperatura dos gases de escape e as emissões de NOx são mais elevadas, pelo que normalmente é necessário um catalisador de três vias, mas a aceitação de carga é tradicionalmente boa.
- Combustão com mistura pobre: funciona com excesso de ar, o que reduz a temperatura de combustão e as emissões de NOx e, normalmente, melhora a eficiência do consumo de combustível. Os motores modernos de mistura pobre utilizam turbocompressão e sistemas de controlo rápidos para melhorar a aceitação de carga.
Gerador a gás natural ou a gasóleo: como se comparam?
Os dois combustíveis adequam-se a diferentes perfis de serviço. A tabela resume as vantagens e desvantagens habituais; os modelos variam, pelo que deve consultar a ficha técnica do grupo eletrogéneo.
| Fator | Grupo eletrogéneo a gás natural | Grupo eletrogéneo a gasóleo |
|---|---|---|
| Ignição | Ignição por faísca | Ignição por compressão |
| Abastecimento de combustível | Rede de distribuição, CNG ou LNG, gás de jazida, biogás | Armazenado no local num depósito na base ou num depósito diário |
| Problemas de armazenamento de combustível | Nenhum no local, no caso de gás canalizado | O combustível degrada-se e necessita de análises e filtração de limpeza |
| Aceitação de carga em bloco | Boa nos motores modernos concebidos para serviço de emergência, dependendo do modelo | Tradicionalmente a mais elevada |
| Densidade de potência | Inferior por litro de cilindrada | Superior |
| Custo inicial por kW | Normalmente superior | Normalmente inferior, sobretudo onde é permitido Tier 2 ou equivalente |
| Intervalo de mudança de óleo | Frequentemente cerca de 1000 h | Frequentemente 250–500 h, dependendo do modelo |
| Emissões | Menos partículas e NOx, sobretudo com mistura pobre | Necessita de pós-tratamento para cumprir limites rigorosos em aplicações não destinadas a emergência |
| Aplicações mais adequadas | Serviço principal, contínuo, cogeração (CHP), redução de picos de consumo | Reserva de emergência, locais remotos, aplicações móveis e marítimas |
Um gerador de reserva a gás natural é suficientemente fiável para serviço de emergência?
Sim, para muitas instalações comerciais, mas a fonte de combustível tem de ser aceite pela autoridade responsável pela aplicação das normas. Os sistemas NFPA 110 Type 10 têm de restabelecer a alimentação elétrica em 10 segundos, e os grupos eletrogéneos a gás atuais dos principais fabricantes conseguem cumprir esse requisito, embora a capacidade de aceitação de carga continue a variar mais entre modelos a gás do que entre modelos a gasóleo.
A questão mais importante é a segurança do abastecimento de combustível. Um gerador de emergência a gás natural depende da manutenção da pressão na rede durante a falha de energia. O abastecimento de gás pela rede resiste frequentemente melhor a tempestades e inundações do que a logística de entrega de gasóleo, mas sismos ou cortes deliberados podem interrompê-lo. Para hospitais e outras cargas essenciais à segurança de pessoas, o engenheiro projetista, a empresa distribuidora de gás e a autoridade competente têm normalmente de concordar que o gás da rede constitui uma fonte fiável. Quando tal não é aceite, a solução habitual é o gasóleo ou um sistema de duplo combustível.
Onde fazem mais sentido os grupos eletrogéneos a gás natural?
Os grupos eletrogéneos a gás natural compensam quando as horas de funcionamento são elevadas e o gás é barato e está disponível. As aplicações típicas incluem:
- Produção principal de energia em instalações petrolíferas e de gás, onde o gás de jazida ou associado, que de outro modo seria queimado em tocha, alimenta o motor. É necessário verificar a qualidade do gás, o índice de metano e o poder calorífico, e a potência dos motores é frequentemente reduzida quando funcionam com gás rico ou com compostos de enxofre.
- Produção combinada de calor e eletricidade (CHP) em fábricas, estufas e hotéis, recuperando o calor da água de arrefecimento das camisas e dos gases de escape.
- Redução de picos de consumo e resposta da procura, em que os grupos funcionam durante períodos de tarifa elevada.
- Projetos de biogás e gás de aterro, normalmente com tratamento do gás e uma potência nominal do motor específica para esse combustível.
- Reserva de emergência em instalações comerciais onde a autoridade aceita gás canalizado e os proprietários pretendem evitar a manutenção do gasóleo armazenado.
O gasóleo continua a ser a opção habitual para minas remotas, alimentação elétrica de obras, navios e unidades offshore, bem como para qualquer local onde seja necessário transportar o combustível.
Motor alternativo ou turbina a gás natural?
Na maioria dos projetos abaixo de alguns megawatts, um motor alternativo é a escolha habitual. Um grupo gerador com turbina a gás natural é compacto e leve para a potência que fornece e adequa-se a grandes instalações de funcionamento contínuo e a centrais a gás de ciclo combinado, mas as turbinas de ciclo simples perdem eficiência a carga parcial e são sensíveis à temperatura ambiente. Os motores a gás, por sua vez, mantêm uma boa eficiência a carga parcial e podem ser instalados em conjunto, ligando e desligando unidades para acompanhar a procura.
Esta abordagem modular explica por que razão muitas centrais de produção a gás com vários megawatts são constituídas por vários grupos motor-gerador de 1 MW ou mais, em vez de uma única turbina. Os compradores de grandes geradores devem comparar a eficiência a carga parcial, o tempo de arranque, a manutenção e a rede de assistência local, e não apenas a potência indicada na placa de características.
Qual é o custo de propriedade de um gerador a gás natural?
O custo total depende mais das horas de funcionamento do que do preço de compra. Um grupo a gás tem normalmente um custo inicial por kW superior ao de um grupo a gasóleo, acrescido dos custos da tubagem de gás, do regulador e do licenciamento, mas apresenta custos de combustível e manutenção por hora de funcionamento inferiores em muitas regiões. O gasóleo é frequentemente mais económico no conjunto quando o grupo funciona apenas para ensaios e falhas ocasionais de energia.
Os principais fatores de custo são:
- Potência nominal e dimensão: uma unidade de 20 kW e uma unidade de 2 MW são produtos inteiramente diferentes, e o preço por kW diminui à medida que a dimensão aumenta.
- Requisitos de emissões: nos EUA, os grupos a gasóleo de emergência podem geralmente utilizar motores certificados Tier 2 ou Tier 3, mas os motores diesel para aplicações não destinadas a emergência necessitam normalmente de Tier 4 Final, o que acrescenta pós-tratamento e reduz a diferença de custo face ao gás.
- Relação entre os preços dos combustíveis, nomeadamente gás canalizado, CNG e gasóleo, no seu mercado.
- Horas anuais de funcionamento, que multiplicam a diferença nos custos de combustível e manutenção.
- Canópia, comandos e aparelhagem de ligação em paralelo.
Como referência aproximada de consumo, um grupo eletrogéneo a gasóleo com uma carga adequada consome normalmente cerca de 0.25 litros por kWh, enquanto um grupo a gás de dimensão média necessita habitualmente de cerca de 0.3 metros cúbicos de gás canalizado por kWh. Ambos os valores variam com o modelo, a carga e a qualidade do gás, pelo que deve utilizar as curvas de consumo da ficha técnica em qualquer análise de viabilidade económica. O gás canalizado tem, em média, cerca de 1000 Btu por pé cúbico padrão (aproximadamente 37 MJ por metro cúbico), mas o poder calorífico real varia consoante o abastecimento.
É possível alimentar um gerador com gás natural comprimido?
Sim. O gás natural comprimido é normalmente armazenado a cerca de 200–250 bar (3000–3600 psi), sendo a pressão reduzida por um regulador até à baixa pressão exigida pelo motor. Os reboques de CNG são utilizados para fornecimento de energia temporário ou de transição onde não existe rede de gás, e o LNG pode servir instalações maiores de produção principal de energia, embora a evaporação do LNG o torne pouco adequado para serviço de emergência com longos períodos de inatividade. A infraestrutura de abastecimento de CNG construída para camiões e autocarros a gás natural raramente serve diretamente um grupo eletrogéneo estacionário; a maioria das instalações utiliza gás canalizado.
Escolher o motor para um grupo eletrogéneo a gás natural
Para os fabricantes de grupos eletrogéneos, o motor determina a potência nominal, os limites de qualidade do gás e o plano de manutenção. Verifique estes pontos antes de encomendar:
- Potência nominal a 1500 ou 1800 rpm, para serviço principal ou contínuo, à altitude e temperatura ambiente da instalação.
- Índice mínimo de metano e pressão de abastecimento de gás à entrada do motor.
- Compatibilidade da ignição, do controlo da relação ar-combustível e do regulador de velocidade com o seu controlador.
- Intervalos de substituição das velas e de mudança de óleo, e disponibilidade de peças.
Um exemplo de gama média é o motor a gás natural de 120 kW da plataforma WP6, uma unidade de seis cilindros utilizada em grupos eletrogéneos e equipamentos a gás; o projeto de grupos eletrogéneos a gás natural mostra como estes motores foram fornecidos a um montador. Para instalações diesel, motores de seis cilindros como o motor 6BT para grupos eletrogéneos e aplicações marítimas continuam a ser comuns. Compare mais opções nas páginas de motores a gás e a gasolina e motores diesel, e consulte o nosso guia sobre como dimensionar um gerador a gasóleo.
A MARS fornece motores a gás e diesel para grupos eletrogéneos em condições FOB ou CIF Shanghai, e cada motor pode ser submetido a um ensaio de funcionamento com relatório escrito e vídeo antes da expedição. Para confirmar uma potência nominal em função da análise do seu gás, envie os detalhes do seu projeto.
Perguntas frequentes
Um gerador a gás natural é melhor do que um gerador a gasóleo?
Nenhum é melhor para todas as aplicações. O gás natural é normalmente vantajoso para longos períodos de funcionamento onde existe gás canalizado, enquanto o gasóleo costuma ser vantajoso para reserva de emergência, locais remotos e menor custo inicial.
Durante quanto tempo pode funcionar um gerador a gás natural?
Com um abastecimento fiável pela rede, pode funcionar durante o tempo permitido pelo regime nominal do motor e pelo plano de manutenção, uma vez que não existe depósito para reabastecer. Para longos períodos de funcionamento sem supervisão, é necessário um regime nominal de serviço principal ou contínuo.
É possível converter um gerador a gasóleo para gás natural?
Um gerador a gasóleo pode ser equipado com um kit de duplo combustível que substitui parte do gasóleo por gás após o aquecimento, mas continua a necessitar de gasóleo para a ignição. A conversão completa para funcionamento a gás com ignição por faísca exige novas cabeças ou pistões, ignição e comandos, e raramente é económica.
De que potência de grupo eletrogéneo a gás natural necessito?
Dimensione-o como qualquer grupo eletrogéneo: some os kW de funcionamento, acrescente as cargas de arranque dos motores e converta para kVA com um fator de potência de 0.8. Depois, verifique se a resposta transitória do modelo a gás escolhido suporta a maior carga aplicada em bloco.
O que é um gerador a gás natural de 1800 rpm?
É um grupo de quatro polos que produz energia a 60 Hz, típico da América do Norte. Os grupos de menor rotação, de 1800 rpm e 1500 rpm, são preferidos para serviço principal e contínuo porque funcionam a temperaturas mais baixas e sofrem desgaste mais lento do que os grupos de 3600 rpm.
