As unidades produtoras de etanol a partir da cana-de-açúcar são auto-su cientes em sua produção de energia, pois utilizam o bagaço produzido nas moendas como combustível em sistemas de cogeração, gerando vapor para acionamentos diretos e aquecimento, além de energia elétrica em turbogeradores (PALACIO, 2010). No caso do uso de equipamentos de elevada e ciência, excedentes (de bagaço ou de eletricidade) podem ser produzidos. Além de vapor e eletricidade, pode ser produzida também água gelada para resfriamento.
2.4.1 Cogeração
Cogeração é um termo empregado para designar processos de produção conjunta de energia térmica e energia elétrica ou mecânica a partir de uma única fonte combustível, apresentando maior e ciência que aquela obtida em sistemas de geração exclusiva de vapor ou potência (WALTER, 1994).
Os sistemas de cogeração existentes hoje nas usinas de cana-de-açúcar são baseados em ciclos Rankine, e são ilustrados na Figura 2.5. O vapor gerado nas caldeiras é expandido em turbinas, gerando energia elétrica e produzindo vapor de escape para atender à demanda térmica do processo de produção de etanol.
No caso em que não ocorre aproveitamento do bagaço para produção de etanol (2G), todo o material lignocelulósico pode ser queimado, como mostrado na Figura 2.6, em que o excedente de vapor gerado é condensado usando-se turbinas de extração e condensação; no caso em que ocorre produção de etanol 2G, somente a quantidade de vapor necessária para atender à demanda térmica do processo é gerada, sendo utilizadas somente turbinas de contra-pressão (Figura 2.5), limitando a produção de vapor à demanda do processo (PALACIO, 2010).
Figura 2.5: Sistema de cogeração baseado no ciclo Rankine empregado no processamento da cana-de-açúcar (adaptado de Dias et al. (2011)), turbinas de contra-pressão.
Figura 2.6: Sistema de cogeração baseado no ciclo Rankine empregado no processamento da cana-de-açúcar (adaptado de Dias et al. (2011)), turbinas de condensação.
Devido ao fato que materiais lignocelulósicos (bagaço e palha) são utilizados tanto como matéria prima para produção de etanol quanto como combustível para geração de energia,
a quantidade de material lignocelulósico disponível para ser utilizado como matéria prima em um processo de produção de etanol de 2a geração, integrada ao processo de produção de
etanol de 1a geração, é proporcional ao consumo de energia do processo; este, por sua vez,
também é afetado pela quantidade de material lignocelulósico hidrolisado já que resíduos deste processo (por exemplo, lignina e celulose não consumida) podem ser utilizados como combustível, além do fato que o etanol produzido a partir da celulose aumenta o consumo de vapor do processo.
Assim, a quantidade de material lignocelulósico disponível para ser utilizado na hidró- lise é calculada iterativamente, considerando a demanda de energia do processo produtivo (1G e 2G) e da unidade de cogeração.
2.4.1.1 E ciência da produção de energia
O aumento dos parâmetros de vapor utilizado em sistemas de cogeração leva ao au- mento da e ciência do ciclo. A auto-su ciência em energia da planta é atingida com sistemas de cogeração baseados em caldeiras para produção de vapor a 21 kgf/cm2 e 300
(ARNAO, 2007); atualmente, caldeiras para produção de vapor a 120 kgf/cm2 e 530
estão disponíveis, permitindo a produção de grandes excedentes de energia elétrica (PA- LACIO, 2010). No entanto, como caldeiras e turbinas têm vida útil acima de 25 anos, muitas usinas ainda empregam caldeiras para produção de vapor de baixa pressão, sem produção de excedentes de energia elétrica. Na verdade, somente a partir de 1999, após a desregulamentação do setor elétrico, gerar excedentes de energia elétrica passou a ser uma meta no setor (SEABRA, 2008). A decisão entre investir ou não em sistemas de cogeração avançados para produção de excedentes de energia elétrica deve ser baseada nos preços da energia elétrica e no mercado existente na região onde se localiza a usina, dentre outros fatores.
Atualmente, as caldeiras fabricadas no Brasil apresentam e ciência entre 80 e 89% (base PCI). Caldeiras antigas, no entanto, ainda são amplamente encontradas nas usinas
brasileiras, e possuem e ciência mais baixa (entre 65 e 80%) (MANTELATTO, 2010).
2.4.2 Produção de água gelada
Algumas operações do processo de produção de etanol podem requerer água gelada como utilidade para manter a temperatura em níveis inferiores àqueles possíveis de serem obtidos utilizando-se água de resfriamento comum (produzida em torres de resfriamento). Uma das formas de se produzir água gelada é o processo de absorção com brometo de lítio, que vem sendo estudado em uma planta demonstração semi-industrial pela Dedini em uma usina do grupo Cosan (OLIVÉRIO et al., 2010) para produzir água gelada usada no resfriamento de dornas de fermentação.
Os sistemas de refrigeração por absorção utilizam uma fonte de calor para seu fun- cionamento, e apresentam consumo de energia mecânica menor que aqueles de sistemas de compressão de vapor, além de baixo consumo de energia elétrica. Um dos tipos mais comuns de sistema de absorção é o sistema de simples efeito, no qual calor ingressa no sistema no gerador, onde é alimentada a fonte de energia, e no evaporador, onde é retirado calor da corrente que se deseja resfriar. Outros componentes do sistema são o condensador e o absorvedor, onde o calor é removido do sistema (PALACIOS BERECHE, 2007).
O coe ciente de desempenho (COP) de sistemas de refrigeração por absorção é de nido de acordo com a equação 2.6:
COP = Fluxo de calor no evaporador
Fluxo de calor no gerador (2.6)
A água gelada pode ser empregada para resfriar dornas de fermentação ou condensado- res das colunas de destilação múltiplo efeito, aumentando a e ciência do processo (DIAS, 2008).
sucroalcooleira podem ser baseados em ejetores ou tanques para acúmulo de água resfriada em torres de resfriamento e cientes (DIAS et al., 2007).