MUDANÇA DA MATRIZ ENERGÉTICA DE UMA INDUSTRIA DE MALTE

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MUDANÇA DA MATRIZ ENERGÉTICA DE UMA INDUSTRIA DE MALTE

Carvalho,M.B.;Sobrinho,P.M.;Silveira,J.P.

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA-Campus de Guaratinguetá Av. Ariberto Pereira da Cunha ,333-Guaratinguetá-S.P.-Brasil-CEP12516-410

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RESUMO

Na atual circunstância em que o governo brasileiro decidiu expandir a importação do gás natural, para suprir a demanda crescente de energia no país e dada a necessidade da racionalização do uso em nível mundial, buscando a otimização dos recursos naturais (ou seja, utilizar a energia, minimizando as perdas de eficiência dos ciclos e processos) este estudo visa modificar a matriz energética de um processo de transformação da cevada em malte. As características deste processo permitem a aplicação de técnicas de conversação de energia e cogeração, caracterizando assim uma alternativa para racionalizar o consumo de gás natural e por conseguinte, reduzir o indesejável impacto ambiental. Os resultados encontrados demonstram o quanto às técnicas associadas poderão colaborar com a minimização dos custos energéticos.

Palavra chave; Cogeração , Gás Natural, Análise econômica, Paridade elétrica, Paridade térmica

1. INTRODUÇÃO

No Brasil, a oferta de gás natural, com custos competitivos e disponibilidade garantida, tem favorecido a prática da cogeração. O gás natural, no panorama energético brasileiro, tem uma importância muito significativa para cogeração no presente momento. Com o gasoduto Brasil – Bolívia aumentou a sua oferta, privilegiando a região sudeste, na qual sua utilização poderá ser aplicada como combustível industrial e para geração termoelétrica. Nesse campo de aplicação, a cogeração pode e deve participar, principalmente porque traz benefícios ambientais e econômicos, a partir do momento em que proporciona um uso mais eficiente da energia suprida pelo combustível. O uso racional dos combustíveis tem como conseqüência a redução nas emissões de poluentes. Neste sentido o uso do óleo BPF e o carvão vêm sendo substituídos pelo uso do gás natural, cuja composição é metano a 89,35% em média, (COMGÁS 2002) e ainda possibilita uma queima completa, gerando baixos níveis de emissões de poluentes. O uso do gás natural pode ser recomendado tanto para caldeiras, turbinas a gás e motores de combustão interna, mostrando assim várias possibilidade de uso para cogeração. Nas indústrias que trabalham em ciclos contínuos, nas quais, quaisquer eventos indesejáveis em relação à energia, acarretam perdas como: financeira, tempo de retomada de produção e outras, a viabilidade técnica e econômica da cogeração, devem ser consideradas como solução apropriada. Este trabalho apresenta os resultados de análise realizada em uma indústria de malte do subsetor cervejeiro, que trabalha em um processo semicontinuo, procurando evidenciar especialmente sistemas de cogeração, empregando turbinas a gás.

2. PROCESSO DE PRODUÇÃO DO MALTE

O processo em estudo, apresenta as características para a obtenção do malte, o qual será descrito a seguir. O processo é composto por quatro etapas distintas. Inicia-se com a cevada sendo levada ao topo de um silo o qual é dividido em 3 compartimentos, conforme figura 01. Em seguida inicia-se a primeira etapa, no topo do silo, formado pelo 1° compartimento, onde a cevada é mantida a uma temperatura de 16°C, durante um período de 36 horas. Esta etapa é chamada de Maceração. Ao término deste período, a cevada é descarregada em outro compartimento, e 1• comportamento é novamente carregado com outra remessa de cevada.

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Figura 01- Processo de malteamento – silo

A segunda etapa é denominada de Germinação • • na qual a cevada permanece a uma temperatura de 14°C por um período de 36 horas. Completando o ciclo já em processo de germinação a cevada é descarregada em outro compartimento, terceira etapa, o compartimento de germinação • • é então novamente carregado com outra remessa, proveniente do compartimento maceração.A terceira etapa, é denominada de Germinação • e consiste em permitir que a cevada termine o processo de germinação. A mesma, é mantida também a 14°C durante um período de 36 horas. Encerrado este ciclo, o produto já germinado, é levado para uma estufa dando continuidade ao processo, então o compartimento de germinação • é novamente carregado, com outra remessa proveniente do compartimento germinação • • . Esta quarta etapa, refere-se a submeter o produto já germinado à temperatura de 80°C, durante um período de 36 horas, visando a retirada da umidade existente no produto. Tal processo é ilustrado na figura 02.

Figura 02- Estufa para secagem

3. ANÁLISE DE VIABILIDADE TÉCNICA DA COGERAÇÃO

Considerando a energia necessária no processo descrito e visando uma redução dos insumos energéticos da planta industrial, utilizamos para a seleção de sistemas turbinas a gás comercialmente disponível na empresa em estudo são considerados os seguintes dados:

Fluxo de calor no processo: 34260 kW Potencia elétrica: 2200 kW

Consumo de gás natural: 80000 Nm³/dia; Poder Calorífico Inferior (P.C.I.): 37000 kJ/Nm³

Calor especifico a pressão constante dos gases de exaustão da turbina Cp = 1,055 kJ/kg.K (Pantalena,1997) As condições locais da planta são:

Altitude: 600m;

Umidade Relativa: 80% ; Temperatura ambiente: 25 °C

4. Propostas de aplicação de modelos de cogeração

No estudo emprega-se turbinas a gás, sendo consideradas para a seleção do ciclo, condições operacionais da paridade elétrica e paridade térmica. Para a seleção das turbinas foram considerados os fatores de correção apresentados a seguir, em função das condições locais (Pantalena, 1997):

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F.C. (temperatura-Weixo) = 0,93; F.C. (temperatura-T.saída ) = 1,058

• gerador = 95% = 0,95 ( eficiência do gerador elétrico)

As equações utilizadas para estas correções foram as seguintes (Pantalena 1997):

Tsaída* = Tsaída F.C.( temperatura- T.saída) (1) Temperatura de exaustão corrigida

mg* = mg F.C.( altitude) (2) Fluxo mássico dos gases de exaustão corrigidos Ep* = Ep F.C.( altitude ) F.C. ( temperatura - Weixo ) (3) Potencia elétrica

mc* = mc FC(altitude) (4) Consumo de gás natural corrigidos 5. Seleção de Turbinas por Paridade Elétrica

Considera-se neste caso, o sistema produzindo toda a eletricidade requerida. Para o estudo de cogeração de energia considerando a questão de paridade elétrica, além da demanda elétrica de 2.200 kW, a demanda de energia térmica será parcialmente suprida pelos gases de escape da turbina selecionada. As turbinas selecionadas, para estudo, com características já corrigidas, em função das condições locais, são apresentadas na tabela 1. Neste caso gases de escape, são utilizados para pré-aquecer o ar no queimador 1, economizando com isso gás natural na estufa (figura 03)

Figura 03- sistema de cogeração para paridade elétrica.

Tabela 1- Seleção de turbinas gás para operação em paridade elétrica.

MODELO Potência de Eixo (kW) Vazão gases (kg/s) Temperatura dos gases ( °C ) 1 KAWASAKI HEAVY INDUSTRIES M1T-O3 2293,01 16,64 571,32 2 KAWASAKI HEAVY INDUSTRIES M1T-13 2482,95 15,95 548,04 3 KAWASAKI HEAVY INDUSTRIES M1T-13B 2482,95 14,68 559,68

6. Seleção de Turbinas por Paridade Térmica (sistema opera visando a produção total de energia térmica) Para paridade térmica o sistema visará a produção total de energia térmica (figura 04), neste caso, as turbinas selecionadas geram excedentes da eletricidade que poderão ser vendidos a um concessionária, podendo apresentar mais uma receita para empresa.

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Figura 04 -sistema de cogeração para paridade térmica.

As turbinas selecionadas, com características já corrigidas em função das condições climáticas, são apresentadas na tabela 2.

Tabela 2- Seleção turbinas a gás para paridade térmica.

MODELO Potência de

Eixo (kW) Vazãogases (kg/s)

Temperatura dos gases

( °C )

1 EUROPEAN GAS TURBINES RLM6000PA 34703,14 116,11 488

2 EUROPEAN GÁS TURBINES RLM6000PC 36818.18 111,4 475

3 GE MARINE & INDUSTRIAL LM-5000PC 29475,42 114,8 458 7. ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA COGERAÇÃO

Para realizar os cálculos econômicos foram considerados os valores: H = 7000 horas/ano;

Ccomb= 0,1424 US$ /Nm3_{(COMGÁS,2002 );}

Ccomb-cogeração= 0,042 US$/ Nm3_{(COMGÁS,2002);}

Cmstg = 0,015 US$/kW (Pantalena1997); Pvel = US$ 0,05 US$/kWh (Pantalena 1997);

As formulas utilizados para realizar estes cálculos foram as seguintes (Silveira,1994):

Cel = ( ( Ipl ) x f ) / (HxEp)) + ( C comb ( Ecomb – Ec- Per/2 ) ) / Ep + Cmstg (5)

F= qk_(q-1)k_{/ q-1} ₍₆₎

G Pel = Er x H( Pel – Cel ) + ( Ep – Er )xH x ( Pvel – Cel ) (7)

R = G Pg + G Pel (8)

Per = Ecomb - E p – Ec (9)

Ipl = ( Istg + Itr ) x 1,30 (10)

Cel - Custo de produção de eletricidade na cogeração [US$/kWh] Ipl - Investimento total na planta de cogeração [US$]

f - Fator de anuidade [1 / ano]

k - Período de amortização do capital investido [anos] q - 1 + J/100

J - Taxa anual de juros [%]

H - Período equivalente de utilização [h / ano] Ep - Eletricidade produzida na cogeração [kW] Er -Energia requerida no processo [kW]

Ccomb - Custo combustível em unidades energéticas (gás natural) [US$/kWh] Ec - Fluxo de calor entregue à estufa [kW]

Per - Perda de energia no sistema [kW]

Cmstg - Custo de manutenção do sistema turbina a gás [US$/kWh] Pvel - Preço negociado para venda da eletricidade excedente [US$/kWh] R - Receita anual esperada [ US$/ano]

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Istg - Investimento no sistema turbina a gás [US$] Itr - Investimento na trocador de calor [US$]

G Pel - Ganho devido a produção da energia elétrica [US$/ano] G Pg - Ganho do Gás Natural [US$/ano]

H Período equivalente a utilização do equipamento [ h/ano] 8. Analise Econômica para a Paridade Elétrica

Os resultados obtidos da análise econômica, considerando a configuração na qual foram aplicadas as turbinas selecionadas pela análise técnica, são apresentados nos gráficos das figuras 5, 6 e 7 considerando as paridades elétricas, indicada na tabela 2. JUROS 4% -3000000 -2000000 -1000000 0 1000000 2000000 3000000 1 2 3 4 US$ ANOS TURBINAS 1 TURBINA 2 TURBINA 3

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juros 8% -3000000 -2000000 -1000000 0 1000000 2000000 3000000 1 2 3 4 US$ ANOS TURBINAS 1 TURBINA 2 TURBINA 3

Figura 06–Receita Esperada para Turbinas 1, 2 e 3 -juros 8% aa / paridade elétrica

juros 12% -4000000 -3000000 -2000000 -1000000 0 1000000 2000000 3000000 1 2 3 4 US$ ANOS TURBINAS 1 TURBINA 2 TURBINA 3

Figura 07–Receita Esperada para Turbinas 1, 2 e 3 -juros 12% aa / paridade elétrica 9. Analise Econômica para Paridade Térmica

Os resultados obtidos da análise econômica, considerando a configuração na qual foram aplicadas as turbinas selecionadas pela análise técnica, são apresentados nos gráficos das figuras 8, 9 e 10, considerando a paridade térmica. Nos gráficos estão identificadas às turbinas, consideradas no estudo indicado na tabela 3.

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JUROS 4% -35000000 -30000000 -25000000 -20000000 -15000000 -10000000 -5000000 0 5000000 1 2 3 4 US$ ANOS TURBINAS 1 TURBINA 2 TURBINA 3

Figura 08–Receita Esperada para Turbinas 1, 2 e 3 - juros 4% aa/ paridade térmica

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Figura 10–Receita Esperada para Turbinas 1, 2 e 3-juros 12% aa /paridade térmica

10. CONCLUSÃO

Baseando-se nos resultados apresentados diante das considerações efetuadas, comparando o tempo de retorno do investimento, nota-se que a cogeração de energia na planta industrial de beneficiamento de malte é viável, técnica e economicamente. Considerando o método de paridade elétrica, o tempo de retorno do investimento, varia de 2 a 3 anos, enquanto que no de paridade térmica, o mesmo varia de 3 a 4 anos. Entretanto, a partir deste período à receita esperada é consideravelmente maior no caso da paridade térmica. Com o estudo pode-se concluir que a opção melhor de configuração de cogeração é a que emprega a turbina gás da KAWASAKI HEAVY INDUSTRIES M1T-03, pois com esta escolha a empresa teria um tempo de retorno de investimento menor (2,2 anos), propiciando sua autonomia elétrica.

11. REFERÊNCIA:

[1] Silveira, José L.“ESTUDO DE SISTEMA DE COGERAÇÃO APLICADA A FABRICAÇÃO DE PAPEL E CELULOSE”, dissertação de mestrado, agosto de 1990, Itajuba, M.G.

[2] Silveira, José L. “COGERAÇÃO DISSEMINADA PARA PEQUENOS USUÁRIOS: ESTUDOS DE CASOS PARA O SETOR TERCIÁRIO” tese de doutorado, Setembro de 1994, Campinas, S.P.

[3] Pantalena,Antonio “COGERAÇÃO PARA LACTICÍNIO DE PEQUENOS E GRANDES PORTES” dissertação de mestrado, Agosto 1997, Guaratinguetá, S.P.

[4] Silveira, J.L. e Balestieri,J.A.P., “ COGERAÇÃO”, Publicação Interna, Departamento de Energia, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, UNESP,Guaratinguetá,S.P.

[5] COMGÁS. Gás natural-mais energia para o Vale do Paraíba. São Paulo

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www.comgas.com.br

copyright: Os autores são os unicos responsaveis pelo material impresso contido neste artigo ABSTRACT

In the current circumstance, when the Brazilian decided to expand the import of natural gas to supply the growing demand of energy in the country, and at the need of energy recuperation throughout the work looking for the natural for the resources optimization (it means, use the energy, minimizing the efficiency loss in the cycles and processes). This study aims to modify the energetic head office of a transformation process of barley in malt. The characteristics of this process allow the application of energy conversion techniques in cogeneration, characterizing in that way an alternative

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to rationalize the consumption of natural gas and, consequently, to reduce the undesirable environmental impact. The found results demonstrate how much the associated techniques can collaborate to minimize the energy costs.