BIOELETRICIDADE: A ENERGIA ELÉTRICA DA CANA

(1)

Palha

Bagaço

Açúcar

_Etanol

Bioeletricidade

Melaço

Cana-de-Açúcar

Caldo

Tecnologia atual

Tecnologia em

desenvolvimento

Biogás

Vinhaça

(2)

Conceitos de mercado de bioeletricidade

• Venda do excedente de energia elétrica ao SIN (Sistema Interligado Nacional) • Necessidade real surgiu em 2001, com o risco de apagão

• Curto prazo para instalação de novas fontes geradoras (média de 2 a 3 anos)

• A eletricidade produzida através do bagaço representa hoje 7% de todas as fontes instaladas, com capacidade de 9.339 MW. Próximo da potência da UHE Furnas, 2ª maior, com 9.665MW

Furnas (2ª maior) 9.665 MW

(3)

Conceitos de mercado de bioeletricidade

• No ano de 2013 evitou a emissão de 7,5 milhões de toneladas de CO₂

• A bioeletricidade fornecida à rede economizou 7% da água nos reservatórios das Regiões Sudeste/Centro-Oeste

• Equivalente a ter atendido 8 milhões de residências no ano inteiro

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 126 143 366 503 670 1002 1133 1381 1720*

22%

25%

Fonte: UNICA (2014), a partir de dados de CCEE (2014). *Previsão da UNICA (2014). **Com base nas emissões de 2012.

Projeção bioeletricidade ofertada ao SIN (2005 a 2014, em MW médios)

1/3 da geração de Belo Monte 13% da geração de Itaipu (2011) 45% do consumo de energia da cidade

(4)

USINA

COMERCIALIZAÇÃO AO SIN

ACR

(Ambiente de

contratação

regulada)

ACL

(Ambiente de

contratação livre)

• O leilão se tornou a porta de entrada para a bioeletricidade no sistema.

• Desde 2005 foram realizados 17 leilões dos quais as usinas de açúcar e álcool venderam em 11 deles. O total vendido é de 1,56 GW médio

• O fator médio de exportação de energia de acordo com a EPE é de 77,87 kWh / t de cana processada.

LEILÃO

(5)

UF Geração Total (GWh) Consumo Próprio EE (GWh) Vendas para o mercado (GWh) Número de usinas com vendas ao mercado RO 5 AC 6 AM 6 RR PA 6 AP TO 5 MA 19 PI 18 CE 24 RN 80 60 20 2 PB 189 163 27 1 PE 727 596 131 7 AL 657 506 152 10 SE 44 33 11 2 BA 73 54 19 1 MG 1.769 929 840 16 ES 82 70 12 1 RJ 36 36 SP 10.692 4.903 5.789 70 PR 1.248 745 503 6 SC RS 13 13 MS 1.284 636 648 5 MT 220 151 69 2 GO 1.300 746 554 6 DF Total 18.502 9.728 8.774 129

Fonte: UNICA e MME (2011).

30% das usinas do

país

(6)

4.158

8.610

15.287

0 5.000 10.000 15.000 20.000 2010/11 2015/16 2020/21 s a fr a MW médio mais de três Belo Monte em energia ou duas Itaipu em capacidade instalada Realizado 2013: só 1.720 MW médios

8,4 mil MWm (com bagaço) (mais palha)

2013

(7)

• Criação de um produto térmico (bioeletricidade, gás natural e carvão mineral concorrendo sem eólicas diretamente nos Leilões A-5).

• Projetos de bioeletricidade contratados em 2013 ainda representaram a continuação dos greenfields de 2008/09/10 e/ou tiveram aumento da moagem sustentando o projeto de cogeração.

• Preço-teto aumentou em torno de 30% comparativamente ao A-5 de 2012. Mas ainda muito distante de estimular o investimento consolidado em bioeletricidade.

Volume de bioeletricidade da cana comercializado nos leilões regulados, por ano de venda, 2005 a 2013 (MW médios)

Fo n te : UNI CA, a par ti r de CCE E ( 2013 ).

(8)

Fo n te : E PE ( 20 14 ). _MW/ano+6.300

Temos espaço para todas as renováveis. Precisamos de UMA POLÍTICA DE LONGO

PRAZO ADEQUADA PARA AS FONTES RENOVÁVEIS! 3000 Demais 2000 Eol 1000 500 Bio PCH

+6.300

MW/ano

? ? ? ? 500 MW ? 1.000 MW ? 2.000 MW ? 3.000 MW ? Precisamos de uma

Itaipu a cada 2,2 anos

(9)

BIOELETRICIDADE

1) Os leilões de energia tem como

objetivo fomentar a modernização das

instalações de cogeração

2) Aumentar a eficiência da conversão

de energia de biomassa

3) Gerar excedentes para o SIN

Fonte: CTC (2010).

Amostra: 128 indústrias / 285 caldeiras. Estados de SP, PR, GO, ES, AL, MG, PE, MS

Idades das Caldeiras

O PROBLEMA

Bioeletricidade X Outras fontes

Impossibilidade de cumprir

princípios da isonomia e da

competitividade.

1) Fósseis competindo com

fósseis

2) Escalas diferentes

3) Contratos finais, cláusulas

e financiamento

diferenciados

4) Benefícios fiscais e

momento tecnológico

diferente

5) Impacto diferenciado do

câmbio

(10)

Cana-de-açúcar: uma visão energética

• A produção de energia elétrica por bagaço de cana representa 82% de todas fontes de biomassa

• Traz benefícios do ponto ambiental, com redução de queimadas e emissão de CO₂ • Estudos para viabilizar a queima da palha e pontas da cana

• Comparada com hidrelétrica (também renovável) o impacto ao meio ambiente é muitas vezes inferior devido áreas alagadas, desapropriação de terras, etc.

Bagaço de Cana 9.339 Licor Negro 1.530 Madeira 428 Biogás 81 Casca de Arroz 36 11.414 Total Biomassa (MW)

(11)

1/3 Caldo da cana

1/3 Bagaço 276 kg

50% umidade

1/3 Palha 165kg

15% umidade

608x10³ kcal

598x10³ kcal

512x10³ kcal

1.718x10³kcal

Cana-de-açúcar: uma visão energética

• 1 barril de petróleo = 1386 x 103 kcal • 1 ton de cana = 1,2 barril de petróleo

• Petrobras produziu em 2013: 1,93 milhão de bpd (diminuição de 2,5% em relação a 2012) • Safra 2013-2014: 694 mi ton cana (aumento 12% em relação a 2012)

• Apenas no centro-sul foram esmagadas 596,2 mi ton cana = 715,2 mi barris de petróleo por ano • Representa 1,96 mi barris de petróleo por dia

(12)

Potencial adicional de biomassa de 30% a 65% (em massa base seca)

140 kg de açúcar 280 kg de bagaço (50% umidade)

280 kg palha (50% umidade)

2.300 2.100 2.100 0,35 BEP TOTAL 6.500

1 tonelada de cana (COLMOS) Energia (MJ) Biomassa Disponível e Energia da Palha

Objetivo

Disponibilizar biomassa adicional, em quantidades significativas, às indústrias sucroalcooleiras/biorrefinarias de forma sustentável e economicamente viável.

(13)

Mercado de bagaço instável - OSCILAÇÕES DE OFERTA E PREÇO Tendência de escassez

Os valores atuais variam (preço por tonelada base úmida 50%):

R$100/t (Us. Sta. Adélia) R$60/t (Us. Sta. Maria) R$22/t (Us. São Martinho/2012) 3 Preço Bagaço R$120/t (Nordeste)

Biomassa Disponível e Energia da Palha

(14)

Processamento da palha para 4 mercados

Geração de Utilidades –

Outras agroindústrias

Péletes

Etanol 2G

Energia Elétrica

Mercados

(15)

Equipamentos Agrícolas

Fonte: CTC 2013

(16)

Planta de Demonstração Industrial

(17)

Fonte: CTC 2013

Planta de Demonstração Industrial

(18)

(19)

Futuro: o que esperar...

• Aproveitando a palha da cana e as pontas, a exportação de energia pode atingir a marca de 22.000 MW (equivalente a duas Itaipu), o que representará cerca de 20% da matriz elétrica brasileira.

• O Protocolo Agroambiental do Estado de São Paulo, firmado em 2007, prevê o fim da prática da queima nas áreas onde já é possível a colheita mecanizada em 2014, e nas áreas em que não existe tecnologia adequada para a mecanização para 2017. Fonte: ÚNICA (2014), em www.unica.com.br/protocolo-agroambiental/

• Considerando a projeção de crescimento médio do Brasil de 3,5% o risco de um apagão é grande:

Fonte: PDE 2022 (2014), Elaboração EPE

(20)

(21)

Fonte: PDE 2022 (2014), Elaboração EPE

Energia contratada x potencial de exportação de eletricidade gerada por bagaço

• Para atingir estas capacidades de exportação de energia, serão necessários ajustes a serem feitos pelo poder público que viabilizem e atraiam investimentos no setor

(22)

Futuro: o que esperar...

• São três os problemas centrais a serem equacionados:

 Definição de critérios econômicos para uma valoração adequada dessa forma de energia (níveis de preços, metodologia única, justa e transparente para leilões, separação em classes de biomassa por bagaço de cana de outras fontes como eólicas, etc.)

 As dificuldades de acesso e conexão das centrais às redes elétricas  A outorga difícil e morosa do licenciamento ambiental dos projetos.

• A otimização energética de uma indústria sucroalcooleira depende de fatores como:  Classe do vapor das caldeiras (pressão e temperatura)

 Tipo de tecnologia utilizada nos acionamentos dos equipamentos do preparo de cana, moenda e bombas (turbinas e/ou motores).

(23)

(24)

Estudo de caso: Usina Coruripe filial Iturama (MG)

PRIMEIRA USINA DO SETOR SUCROENERGÉTICO A SE CONECTAR À REDE

CEM IG

(25)

(26)

Classe do Vapor das Caldeiras:

Atualmente, as principais classes de vapor em uso nas usinas brasileiras (e que serão consideradas nesta apresentação) são:

• Foram desenvolvidos 8 balanços, adotando-se para cada um deles, os critérios mostrados na tabela a seguir: • Todos os balanços apresentam a mesma produção de açúcar e álcool, variando tão somente a quantidade de

energia gerada e exportada.

Pressão

[bar (a)]

Temperatura

[°C]

Entalpia

[kJ/kg]

Entropia

[kJ/kg.°C]

22

300 3018,42

6,72

43

400 3209,20

6,73

65

480 3369,03

6,78

520 3465,15

6,90

85

480 3343,07

6,63

520 3443,21

6,76

(27)

Critérios Utilizados nos Cálculos:

Pressão do

Vapor

[bar (a)]

Balanço

Temp. do

Vapor

[°C]

Consumo

Específico

Processo

[kg vapor/t.c]

Tipo

Acionamento

Preparo e

Moenda

22 B1

300 550,00

Turbinas

B2

300 410,00

Turbinas

43 B3

400 410,00

Turbinas

B4

400 410,00

Motores

65 B5

480 410,00

Motores

B6

520 410,00

Motores

85 B7

480 410,00

Motores

B8

520 410,00

Motores

(28)

DADOS DE ENTRADA

Cana Moída na Safra - ton

3.000.000 Cana Moída por Dia - tcd

15.000 Tempo Aproveitável de Moagem

88,00%

ART % Cana

16,00%

Fibra % Cana

12,50%

Eficiência de Recuperação de ART % ART da Cana

88,00%

% do ART Recuperado para Produção de Álcool

50,00%

% de Álcool Hidratado Produzido

0,00%

Pol % Açúcar

99,80%

Início da Safra

10-abr

(29)

Determinação da Quantidade Disponível de Vapor:

Cálculo da produção específica de vapor da caldeira (kg de vapor gerado / kg de bagaço queimado):

Gerador elétrico Turbina de contrapressão

~

Caldeira

Redutor de velocidade Processo Industrial

(30)

Cálculo da produção específica de vapor da caldeira (kg de vapor gerado / kg de bagaço queimado):

Pressão do Vapor [bar (a)] Temp. do Vapor [°C] Umidade Bagaço [%] Temp. da Água [°C] Eficiência Caldeira [%] Produção Específica [Kgv / kgb] 22 300 50,00 105,00 78,00 2,27 300 50,00 115,00 78,00 2,31 43 400 50,00 115,00 87,00 2,40 65 480 50,00 115,00 87,00 2,26 520 50,00 115,00 87,00 2,19 85 480 50,00 115,00 87,00 2,28 520 50,00 115,00 87,00 2,21

(31)

Quantidade de vapor disponível para cada balanço:

Pressão

Vapor

[bar (a)]

Balanço

Temp.

Vapor

[°C]

Produção

Específica

[Kgv / kgbag]

Vapor

Disponível

[kg vapor/ t.c.]

22 B1

300 2,27

539,37

B2

300 2,31

548,37

43 B3

400 2,40

568,85

B4

400 2,40

568,85

65 B5

480 2,26

537,35

B6

520 2,19

520,03

85 B7

480 2,28

542,23

B8

520 2,21

523,88

(32)

Consumo de Vapor nas Turbinas de Contrapressão:

Foram considerados os seguintes tipos de acionamentos:

Pressão

Vapor

[bar (a)]

Balanço

Temp.

Vapor

[°C]

Tipo

Acionamento

Preparo

Tipo

Acionamento

Moenda

Tipo

Acionamento

Geradores

22 B1

300 Turbinas

Turbinas

B2

300 Turbinas

Turbinas

43 B3

400 Turbinas

Turbinas

B4

400 Motores

Motores

Turbinas

65 B5

480 Motores

Motores

Turbinas

B6

520 Motores

Motores

Turbinas

85 B7

480 Motores

Motores

Turbinas

(33)

(34)

Consumos específicos de vapor nas turbinas de contrapressão:

Pressão

Vapor

[bar (a)]

Balanços

Temp.

Vapor

[°C]

CE

Preparo

[kg vapor / kW]

CE

Moenda

[kg vapor / kW]

CE

Geradores

[kg vapor / kW]

22 B1

300 13,53

14,66

12,00

B2

300 13,53

14,66

12,00

43 B3

400 8,85

9,53

7,21

B4

400 0,00

0,00

7,21

65 B5

480 0,00

0,00

5,81

B6

520 0,00

0,00

5,47

85 B7

480 0,00

0,00

5,56

B8

520 0,00

0,00

5,24

(35)

Consumo de energia elétrica pela indústria:

Consumo Específico de Energia Elétrica pela Indústria (kW/t.c.)

Acionamentos

Moenda e

Preparo

com Turbinas

Moenda e

Preparo

com Motores

Preparo de Cana

-

6,71

Moenda

-

8,50

Motores / Equipamentos de Processo

17,50

Consumo Específico Total

17,50

32,71

(36)

Vapor consumido nas turbinas de contrapressão:

Pressão do Vapor [bar (a)] Balanço Temp. do Vapor [°C] Consumo de Vapor Preparo + Moenda [kg/h] Geradores Cons. Próprio [kg/h] Total [kg/h]

22 B1

300

134.630

131.292

265.922 B2

300 _134.630

131.292 _265.922

43 B3

400

87.738

78.863

166.601 B4

400 - 147.418

_147.418

65 B5

480 - 118.712

118.712 B6

520 - 111.936

_111.936

85 B7

480 - 113.658

113.658 B8

520 - 107.187

_107.187

(37)

(38)

Disponibilidade de Energia para Exportar em Contrapressão:

 É conhecido o consumo de vapor de escape pelo processo.

 É conhecido a quantidade de vapor de escape gerada pelas turbinas a vapor.

 É possível calcular o excedente de energia, possível de ser gerado por contrapressão, para exportação.

Pressão

do

Vapor

[bar (a)]

Balanço

Temp.

do

Vapor

[°C]

Vapor de Escape

Consumo

Processo

[ton/h]

Gerado

Turbinas

[ton/h]

Vapor

Necessário

[ton/h]

22 B1

300 343,75

265,92

77,83

B2

300 256,25

265,92

-9,67

43 B3

400 256,25

166,60

89,65

B4

400 256,25

147,42

108,83

65 B5

480 256,25

118,71

137,54

B6

520 256,25

111,94

144,31

85 B7

480 256,25

113,66

142,59

(39)

Disponibilidade de Energia para Exportar em Contrapressão:

Energia disponível para exportar em contrapressão:

Pressão

do

Vapor

[b]ar (a)

Balanço

Temp.

do

Vapor

[°C]

Vapor de Escape

Vapor

Disponível

[ton/h]

Consumo

Específico

[kgv/kW]

Energia

Gerada

[kWh]

22 B1

300 77,83

12,00

6.484 B2

300 -9,67

12,00

0

43 B3

400 89,65

7,21

12.433 B4

400 108,83

7,21

15.094

65 B5

480 137,54

5,81

23.688 B6

520 144,31

5,47

26.359

85 B7

480 142,59

5,56

25.650 B8

520 149,06

5,24

28.433

(40)

Disponibilidade de Energia para Exportar em Condensação:

Vapor disponível para exportar energia por Condensação:

Pressão do Vapor [bar (a)] Balanço Temp. do Vapor [°C] Vapor de Escape Vapor Disponível [kg/t.c.] Consumo Processo [kg/t.c.] Disponível Condensação [kg/t.c.]

22 B1

300 539,37

550,00

-10,63

B2

300 548,37

425,48

122,90

43 B3

400 568,85

410,00

158,85

B4

400 568,85

410,00

158,85

65 B5

480 537,35

410,00

127,35

B6

520 520,03

410,00

110,03

85 B7

480 542,23

410,00

132,23

B8

520 523,88

410,00

113,88

(41)

Disponibilidade de Energia para Exportar em Condensação:

Energia disponível para exportar em condensação:

Pressão do Vapor [bar (a)] Balanço Temp. do Vapor [°C] Vapor Direto Vapor Disponível [ton/h] Consumo Específico [Kgv/kW] Energia Gerada [KWh]

22 B1

300 -6,64

0,00

0 B2

300 76,81

6,14

12.508

43 B3

400 99,28

4,45

22.335 B4

400 99,28

4,45

22.335

65 B5

480 79,59

3,77

21.090 B6

520 68,77

3,61

19.064

85 B7

480 82,64

3,71

22.291 B8

520 71,18

3,54

20.107

(42)

Disponibilidade Total de Energia para Exportação:

Pressão

do

Vapor

bar (a)

Balanço

Temp.

do

Vapor

°C

Energia para Exportação

Contra-

pressão

KWh

Conden-sação

KWh

Total

KWh

22 B1

300

6.484

0

6.484 B2

300

0

12.508

43 B3

400

12.433

22.335

34.768 B4

400

15.094

22.335

37.428

65 B5

480

23.688

21.090

44.778 B6

520

26.359

19.064

45.423

85 B7

480

25.650

22.291

47.941 B8

520

28.433

20.107

48.540

(43)

Energia Total Exportada na Safra:

Pressão

do

Vapor

[bar (a)]

Balanço

Temp.

do

Vapor

[°C]

Energia para Exportação (Safra)

Cana

Safra

[ton.]

Energia

Exportada

[kW/t.c.]

Total

[MWh]

22 B1

300

3.000.000 10,37

31.121 B2

300

3.000.000 20,01

60.037

43 B3

400

3.000.000 55,63

166.887 B4

400

3.000.000 59,89

179.657

65 B5

480

3.000.000 71,64

214.935 B6

520

3.000.000 72,68

218.032

85 B7

480

3.000.000 76,71

230.119 B8

520

3.000.000 77,66

232.993

(44)

Conclusões:

 A Biomassa é energia de fonte renovável, apresentando significativa redução das emissões de Gases de Efeito estufa

 Considerando o potencial do bagaço e do palhiço, o setor sucroenergético poderia estar fornecendo ao Sistema Interligado Nacional 12.700MWMd, que equivalem a 23,5% de toda energia hoje consumida no Brasil  Um programa de contratação por meio de leilões regionais ou por fonte, concatenado com um plano de

modernização das redes, garantindo a conexão desta fonte renovável que é o gargalo histórico para o setor sucroenergético, certamente trarão benefícios líquidos para a sociedade civil em curto prazo de tempo.