Faculdade de Engenharia Mecânica
DANILO JOSÉ CARVALHO
Geração de Bioeletricidade em Usina
Sucroalcooleira Utilizando Bagaço, Palha de
Cana e Sorgo Biomassa
CAMPINAS 2015
Agradeço o apoio e as condições proporcionadas por diversas pessoas durante a realização deste trabalho.
Agradeço a minha família pela motivação, carinho e dedicação ao longo de toda a vida em especial a minha mãe pelo exemplo de dedicação e amor.
Ao Professor Waldir Antônio Bizzo pela orientação, apoio e amizade no desenvolvimento deste trabalho.
À Faculdade de Engenharia Mecânica aos funcionários e professores pelos ensinamentos que proporcionaram a realização deste trabalho.
Ao Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNANO), e a Dra. Talita Mazon pela valiosa contribuição para a realização das análises térmicas nesse trabalho.
Ao Instituto Agronômico de Campinas (IAC), pela parceria e fornecimento de matéria-prima para realização da pesquisa, e ao Pesquisador Engº Denizart Bolonhezi pela contribuição.
Aos amigos e pessoas especiais que fizeram parte da minha vida, nos diversos momentos hoje e sempre.
A Coordenação de Aperfeiçoamento Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo apoio e financiamento da pesquisa.
O avanço na geração de bioeletricidade nas usinas sucroalcooleiras em níveis economicamente atrativos depende da utilização de sistemas de cogeração mais eficientes e do melhor aproveitamento energético da biomassa residual da cadeia produtiva da cana. Este trabalho apresenta uma proposta conceitual de uma usina de geração de bioeletricidade anexa a uma usina sucroalcooleira, através do aproveitamento dos resíduos de biomassa (bagaço e palha de cana) e sorgo biomassa. A disponibilidade e a produtividade de palha de cana foram avaliadas e foi estimado o consumo de energia em três sistemas de recolhimento de palha. O recolhimento integral da palha junto a cana apresentou o menor consumo de energia, com um consumo 43% menor em relação a rota de enfardamento, e 56% menor em relação ao recolhimento granel por forrageira. A utilização da palha de cana em sistemas de cogeração está condicionada aos possíveis problemas de incrustações e corrosão em geradores de vapor. Foi realizada a caracterização das biomassas estudadas, considerando as propriedades críticas na formação de incrustações e depósitos em superfícies de troca térmica da caldeira. A análise do consumo e geração de energia em uma planta típica de produção de etanol apresentou baixa eficiência no ciclo térmico e alto consumo de energia no processo produtivo. Foram analisadas possíveis melhorias para redução do consumo nas etapas de produção, como a eletrificação dos acionamentos e a redução da demanda de vapor para o processo de produção. Neste trabalho foi considerado um ciclo térmico a vapor com temperatura máxima do vapor em 450 °C. Os casos avaliados foram configurados utilizando recursos tecnológicos para aumento do desempenho dos ciclos: aumento da pressão de vapor gerado, reaquecimento e regeneração, avaliando o desempenho térmico de uma usina com capacidade de processamento de 500 t h-1 de cana-de-açúcar. A produção de eletricidade excedente para comercialização no período de safra atingiu índices acima de 200 kWh t-1 com capacidade total de geração na safra entre 100 e 130 MW.
The growing of bioelectricity generation in sugar and alcohol plants in economically attractive levels depends on the use of more efficient cogeneration systems and better use of residual biomass from the sugar cane industry for energy production. This work presents a conceptual proposal of a bioelectricity plant attached to an ethanol mill, through the use of biomass waste (bagasse and sugarcane straw) and sorghum. The availability and productivity of sugarcane straw were assessed and it was estimated the energy consumption in three straw gathering systems. The whole plant harvesting presented the lowest energy consumption, approximately 43% lower than the baling route, and 56% lower than the forage system. The use of sugarcane straw in cogeneration systems is related to potential problems of fouling and corrosion in steam generators. The characterization of the biomass was performed, considering the critical properties related to fouling formation and deposits on heat exchange surfaces of the boiler. The analysis of consumption and energy generaton in conventional mills presented low thermal efficiency in eletricity generation an high energy consumption in the ethanol production process. We analyzed possible improvements for energy consumption reduction in the production steps, such as electrification of the drives and the steam demand reduction for the production process. In this work, it was considered a thermal steam cycle with maximum temperature of steam at 450°C. The evaluated cases were configured using technological solutions to increase the performance of the thermal cycle: increasing of steam pressure, reheating and regeneration, and we assessed the thermal performance of a plant with processing capacity of 500 t h-1 of sugar cane. The production of surplus electricity for sale in harvest period reached values above 200 kWh t-1 with total of power generation between 100 and 130 MW.
Figura 3.1.Curva da densidade de carga em relação ao percentual de palha transportada na carga de cana...52 Figura 3.2. Consumo total de diesel nas rotas de recolhimento de palha...54 Figura 3.3. Comparação entre o consumo de diesel na colheita convencional e na rota de colheita integral da cana...57 Figura 4.1. Análise termogravimétrica do bagaço de cana em atmosfera inerte e oxidante com taxa de aquecimento de 10 K/min...66 Figura 4.2.Análise termogravimétrica das folhas secas de cana em atmosfera inerte e oxidante com taxa de aquecimento de 10 K/min...67 Figura 4.3. Análise termogravimétrica da palha de cana misturada no solo em atmosfera inerte e oxidante com taxa de aquecimento de 10 K/min...68 Figura 4.4 Análise termogravimétrica do sorgo biomassa em atmosfera inerte e oxidante com taxa de aquecimento de 10 K/min...69 Figura 5.1. Fluxograma do sistema de cogeração de energia de uma usina típica com produção exclusiva de etanol de cana-de-açúcar...79 Figura 5.2. Fluxograma da configuração de um sistema de cogeração tradicional no Cyclo-Tempo. ...84 Figura 6.1 Diagrama T-s Ciclo Rankine com reaquecimento (Moran e Shapiro, 2006)...96 Figura 6.2. Esquema do ciclo regenerativo com aquecedor de água de alimentação (Borgnakke e Sonntag, 2009)...98 Figura 6.3. Resultado da temperatura mínima do vapor gerado para garantir um título na saída da turbina...103 Figura 6.4. Fluxograma de ciclo térmico convencional com regeneração...108 Figura 6.5. Fluxograma representativo do sistema de cogeração com reaquecimento do vapor gerado...110 Figura 6.6. Fluxograma de ciclo térmico a vapor com reaquecimento e regeneração...113 Figura 6.7. Resultados de simulação do Caso 1 – Comparativo da produção de eletricidade
excedente em unidade com vapor gerado à 22 bar/320°C para 50% e 75% de palha de cana
recolhida...118 Figura 6.8. Resultados de simulação do Caso 2 – Comparativo da produção de eletricidade
excedente em três níveis de pressão no período de safra...121 Figura 6.9. Resultados de simulação do Caso 3 – Índice de geração de eletricidade em quatro níveis de pressão no período de safra...126 Figura 6.10. Resultados de simulação do Caso 3 – Índice de geração de eletricidade em quatro
Figura 6.11. Fluxograma do ciclo considerado na geração de eletricidade no período de entressafra.
...130
Figura 8.1. Fluxograma do processo de recolhimento da palha de cana pelo sistema de enfardamento...146
Figura 8.2.Fluxograma do processo de recolhimento por forrageira...148
Figura 8.3. Fluxograma do sistema de colheita integral...150
Figura 9.1. Diagrama Txs do ciclo térmico convencional...151
Figura 9.2. Diagrama Txs do ciclo térmico - Caso 1...152
Figura 9.3. Diagrama Txs do ciclo térmico simulado - Caso 2...153
Tabela 2.1. Parâmetros de processo típico de produção de etanol e açúcar...23
Tabela 2.2. Projeção para os avanços nos parâmetros na produção de etanol...24
Tabela 2.3. Produtividade de resíduos após a colheita sem queima...31
Tabela 2.4. Relação entre o teor de umidade e o tempo que o resíduo é deixado no solo após a colheita...32
Tabela 2.5. Análise imediata dos constituintes da palha da cana e do bagaço de cana...40
Tabela 2.6. Análise elementar dos constituintes da palha da cana e do bagaço de cana...40
Tabela 2.7. Composição elementar das cinzas dos resíduos da colheita da cana...41
Tabela 2.8. Composição elementar das cinzas do bagaço de cana...41
Tabela 3.1. Quantidade de resíduo disponível para recolhimento...46
Tabela 3.2. Operações envolvidas em cada rota de recolhimento da palha...47
Tabela 3.3. Índices de consumo adotados nas várias operações envolvidas nas rotas de recolhimento...48
Tabela 3.4. Índices de consumo de diesel das colhedoras de cana...48
Tabela 3.5. Capacidade operacional e consumo específico de energia de dois protótipos de separador e triturador de palha...49
Tabela 3.6. Consumo de combustível (L t-1 palha) nas operações dos três sistemas de recolhimento de palha...55
Tabela 3.7. Equipamentos necessários nas operações envolvendo as três rotas de recolhimento de palha...56
Tabela 3.8. Previsão do aumento de viagens devido o transporte de palha, comparado ao transporte convencional de cana, para uma unidade de 500 t cana h-1...58
Tabela 3.9. Disponibilidade de energia por hectare de área plantada com cana-de-açúcar...60
Tabela 4.1. Composição estrutural típica do bagaço e palha de cana...62
Tabela 4.2. Resultados de diferentes análises imediatas do bagaço e da palha de cana obtidos neste trabalho e em outros estudos...63
Tabela 4.3. Resultados das análises de cinzas das amostras de palha de cana e de sorgo biomassa. ...63
Tabela 4.4. Análise elementar do bagaço e palha de cana (%)...64
Tabela 4.5. Análise elementar da palha de cana e do bagaço e comparativo com outros autores.. .70 Tabela 4.6. Índices de probabilidade de formação de incrustações calculados para o bagaço de
Tabela 4.7. Índices de probabilidade de formação de incrustações calculados de acordo com as análises de cinzas...73 Tabela 4.8. Resultados das temperaturas de amolecimento das cinzas do bagaço de cana em (°C) ...74 Tabela 5.1. Propriedades dos fluxos de produtos em cada etapa do processo e parâmetros de consumo de vapor são indicados no fluxograma de uma unidade típica...80 Tabela 5.2. Parâmetros operacionais médios em usinas típicas...82 Tabela 5.3. Índices de produtividade umidade e conteúdo energético dos resíduos estudados...86 Tabela 5.4. Parâmetros de produção de etanol, geração de vapor e cogeração em uma usina típica de etanol...86 Tabela 5.5. Energia requerida para produção de trabalho mecânico em uma usina típica, vapor à 22 bar/320°C...87 Tabela 5.6. Consumo de vapor em cada etapa do processo de produção de etanol...88 Tabela 5.7. Parâmetros para simulação das configurações dos sistemas convencionais analisados. ...89 Tabela 5.8. Resultados da simulação – Usina típica configuração C1 com vapor gerado a 22bar – 320 ºC...89 Tabela 6.1. Disponibilidade de combustível para geração de energia em uma usina de capacidade média, no período de safra...105 Tabela 6.2. Parâmetros adotados nas simulações dos sistemas de cogeração avançados com
reaquecimento do vapor...105 Tabela 6.3. Energia disponível na biomassa e aproveitada no gerador de vapor...107 Tabela 6.4. Parâmetros adotados nas simulações para aproveitamento de 50% e 75% de palha recolhida...109 Tabela 6.5. Parâmetros especificados para os componentes no procedimento de simulação...111 Tabela 6.6. Parâmetros adotados nas simulações das configurações R1, R2, R3 e R4 com uso de 100% do bagaço e aproveitamento de 50% e 75% de palha de cana...111 Tabela 6.7. Parâmetros especificados para os componentes no procedimento de simulação...114 Tabela 6.8. Parâmetros adotados nas simulações da configuração RRG1 em quatro níveis de pressão de vapor...114 Tabela 6.9. Parâmetros adotados nas simulações da configuração RRG2 em quatro níveis de pressão de vapor...115 Tabela 6.10. Parâmetros adotados nas simulações da configuração RRG3 em quatro níveis de pressão de vapor...115
pressão de vapor...115 Tabela 6.12. Resultados simulação Caso 1 – Processo iterativo da pressão no regenerador
configuração RG1...116 Tabela 6.13. Resultados de simulação do Caso 1 – Configuração RG1 e RG2 com consumo de vapor no processo de 335,0 kg/t.cana no período de safra...117 Tabela 6.14. Resultados de simulação do Caso 2 – Configuração R1 com 50% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 335 kg/t.cana no período de safra...119 Tabela 6.15. Resultados de simulação do Caso 2 – Configuração R2 com 50% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 280 kg/t.cana no período de safra...119 Tabela 6.16. Resultados de simulação do Caso 2 – Configuração R3 com 75% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 335 kg/t.cana no período de safra...119 Tabela 6.17. Resultados de simulação do Caso 2 – Configuração R4 com 75% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 280 kg/t.cana no período de safra...119 Tabela 6.18. Resultados de processo iteração da pressão no regenerador – Configuração RRG1. ...122 Tabela 6.19. Resultados de simulação do Caso 3 – Configuração RRG1, com 50% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 335 kg t-1 cana no período de safra...123 Tabela 6.20. Tabela 6.20. Resultados de simulação do Caso 2 – Configuração RRG2, com 50% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 280 kg/t.cana no período de safra...123 Tabela 6.21. Resultados de simulação do Caso 3 – Configuração RRG3, com 75% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 335 kg/t.cana no período de safra...123 Tabela 6.22. Resultados de simulação do Caso 3 – Configuração RRG4, com 75% de palha recolhida e consumo de vapor no processo de 280 kg/t.cana no período de safra...124 Tabela 6.23. Projeção de produção de eletricidade em usina media de 500 [t/h] no período de safra...128 Tabela 6.24. Projeção de produção de eletricidade em usina media de 500 [t/h] no período de safra ...131 Tabela 6.25. Projeção de área de cultivo do sorgo biomassa para uma usina media de 500 t h-1 cana...131
Letras Latinas
A – Componentes ácidos [%]
B – Componentes Básicos [%]
R – Correlação de fusibilidade das cinzas e formação de incrustações [%] t – Tonelada
...
Abreviações e Siglas
ASTM – American Society for Testing and Materials
b.s – base seca b.u – base úmida
CGEE – Centro de Gestão e Estudos Estratégicos CTC – Centro de Tecnologia Canavieira
CTBE – Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol daf – seco e livre de cinzas
DETF - Departamento de Engenharia Térmica e Fluidos DSC – Espectometro de calorimetria diferencial
DTG – Diferencial de termogravimetria EDS – Espectrometria de energia dispersiva GL – Grau Gay Lussac
ha – Hectare
CTBE – Laboratório Nacional de Ciências e Tecnologia do Bioetanol CTC - Centro de Tecnologia Canavieira
I.A – Índice de Álcalis
IPT – Instituto de Pesquisa Tecnológico
LNANO – Laboratório Nacional de Nanotecnologia n/a – Não analisada
PCI – Poder Calorífico Inferior PCS – Poder Calorífico Superior TGA - Termogravimetria
1INTRODUÇÃO...17
1.1.Objetivo...17
2REVISÃO LITERATURA...19
2.1.Geração elétrica no Brasil...19
2.2.Setor sucroenergético...20
2.3.Consumo de energia nas usinas...22
2.4.Geração de energia nas usinas...24
2.5.Integração e avanços na eficiência energética no processo produtivo das usinas...25
2.6.Possíveis avanços nos ciclo térmicos das usinas...27
2.7.Potencial e recuperação dos resíduos da colheita da cana...29
2.8.Produtividade e composição dos resíduos deixados em campo...31
2.9.Métodos de recolhimento da palha de cana...33
2.10.Composição química da palha e problemas de combustão de biomassa...34
2.11.Problemas operacionais na combustão de biomassa em superfícies de transferência de calor...37
2.12.Produtividade e aproveitamento do sorgo biomassa na geração de energia...38
2.13. Análises das propriedades da palha da cana...39
3ANALISE DO CONSUMO DE ENERGIA EM TRÊS SISTEMAS DE RECOLHIMENTO DE PALHA DE CANA...43
3.1.Manutenção dos resíduos da colheita no solo...44
3.2.Objetivo...47
3.3.Consumo de energia no recolhimento da palha de cana...47
3.4.Quantidade de palha recolhida...52
3.5.Resultados do consumo de combustível nas rotas de recolhimento de palha...54
3.6.Conclusões e considerações sobre os sistemas de recolhimento...58
4CARACTERIZAÇÃO DO BAGAÇO DE CANA E DO SORGO BIOMASSA COMO COMBUSTÍVE...61
4.1 Resultados da caracterização química do bagaço e da palha de cana...62
4.2 Resultados da análise termogravimétricas...64
4.3 Resultados de análises das cinzas de palha de cana, sorgo biomassa e bagaço de cana...70
4.4 .Índices de fusibilidade das cinzas e índices de álcalis...71
5ANÁLISE DO ANÁLISE DO CONSUMO E GERAÇÃO DE ENERGIA EM UMA PLANTA TÍPICA DE PRODUÇÃO DE ETANOL...75
5.3.Ciclo térmico a vapor típico...81
5.4.Caracterização e simulação do sistema de cogeração...82
5.5.Procedimento de simulação...82
5.6.Configuração do ciclo a vapor de uma usina típica...84
5.7.Resultados do consumo de energia em uma usina típica...85
5.8.Resultados da simulação do ciclo térmico convencional...88
6PROPOSTA DE MELHORIA NO CONSUMO E GERAÇÃO DE ENERGIA EM USINA DE CAPACIDADE MÉDIA...91
6.1.Redução do consumo de vapor em etapas do processo de produção...91
6.2.Melhorias no desempenho de ciclos térmicos...95
6.3.Problemas na combustão de biomassa, incrustações e corrosão...99
6.4.Limitação da temperatura do vapor gerado...101
6.5.Caracterização dos sistemas de cogeração estudados...104
6.5.1.Configurações do ciclo térmico...106
6.5.2.Caso 1 – ciclo convencional com regeneração e turbina condensação...107
6.5.3.Caso 2 – ciclo com reaquecimento...109
6.5.4.Caso 3 – ciclo com reaquecimento e regeneração...112
6.6.Resultados da simulação dos ciclos térmicos...115
6.6.1.Resultados caso 1 – ciclo convencional com regeneração e turbina condensação...116
6.6.2.Resultados caso 2 – Ciclo com reaquecimento...118
6.6.3.Resultados caso 3 – ciclo com reaquecimento e regeneração...121
6.7.Resultados – Comparativo dos casos avaliados...126
6.8.Resultados – Projeção de consumo de sorgo na entressafra de cana...128
7CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHO FUTUROS...133
7.1. Sugestões para trabalho futuros...135
8APÊNDICE A – Sistemas de Recolhimento de Palha de Cana...145
1 INTRODUÇÃO
O potencial de geração de eletricidade nas unidades sucroalcooleiras é elevado, principalmente devido à grande disponibilidade de resíduos ainda não aproveitados como insumos energéticos. No entanto, a geração elétrica nas usinas depende ainda de uma melhora em sua eficiência energética, como também de um conjunto de medidas econômicas e políticas favoráveis ao setor sucroalcooleiro.
Os avanços na colheita mecanizada de cana nos últimos anos têm proporcionado a geração de uma expressiva quantidade de biomassa residual no campo, com excelente potencial de aproveitamento energético como combustível. Sua recuperação e aproveitamento ocorre ainda de forma modesta e ineficiente em relação ao potencial disponível. Atualmente, não existe um sistema de recolhimento da palha de cana como padrão e com comprovada eficácia e viabilidade.
A capacidade de geração de eletricidade nas usinas sucroalcooleiras poderia ser significativamente ampliado pelo uso de parte da palha de cana como combustível e pela utilização de sistemas de cogeração de alta eficiência.
Atualmente o Brasil possui uma potência elétrica instalada de 126,74 GW, e a participação da biomassa, está em torno de 6,4%, sendo que desse total o bagaço de cana contribui com quase 80%. A indústria sucroalcooleira possui uma capacidade instalada em torno de 6,0 GW e produção de eletricidade excedente na safra 2009/2010 foi de 7,32 milhões MWh (Conab, 2011).
O desenvolvimento de técnicas mais adequadas para o tratamento da palha são fundamentais para viabilizar seu aproveitamento na geração de vapor em caldeiras. As técnicas empregadas visam a remoção de impurezas, principalmente terra que é transportada junto com a cana e a palha e, em alguns casos, a redução do teor de cinzas e o controle da umidade. As técnicas aplicadas com melhores resultados envolvem processos de separação e limpeza a seco (Hassuani, 2005).
1.1. Objetivo
Este trabalho tem como objetivo a elaboração de proposta de uma usina de geração de bioeletricidade anexa às usinas de produção de etanol, utilizando os resíduos de biomassa (bagaço, palha de cana e sorgo biomassa), tornando a eletricidade um produto de alta relevância na cadeia produtiva da cana, através da redução do consumo de energia térmica no processo de produção e do melhoramento tecnológico do ciclo de produção de energia.
Os objetivos específicos são:
palha de cana e o consumo de energia em três sistemas de recolhimento de palha;
- Caracterizar o bagaço, a palha de cana e o sorgo biomassa, como combustível para geração de energia;
- Avaliar o consumo e geração de energia térmica e elétrica em um planta convencional de produção de etanol;
- Propor melhorias nos sistemas de geração de energia nas usinas, utilizando recursos tecnológicos disponíveis para aumento de desempenho dos ciclos térmicos e avaliar o potencial de produção de energia em diversas configurações. Os estudos realizados neste trabalho tem foco na avaliação de configurações de sistemas de cogeração operando a partir do uso de bagaço e palha de cana no período de safra e de sorgo biomassa no período de entressafra.
A estrutura deste trabalho está dividido em seis capítulos, descritos a seguir:
O Capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica sobre a produção de energia elétrica no setor sucroenergético brasileiro, o consumo de energia nas usinas típicas e a integração térmica nas usinas. São apresentados estudos sobre produtividade e composição dos resíduos da colheita da cana e o potencial de recuperação e os métodos de recolhimento de palha. São apresentados estudos das propriedades do bagaço e da palha de cana como combustível.
O Capítulo 3 apresenta um estudo sobre o consumo de energia em três sistemas de recolhimento de palha de cana. Foram estudadas as rotas de enfardamento, forrageira e colheita integral da cana, apresentando os equipamentos e as etapas de cada rota de recolhimento.
No capítulo 4 é feita a caracterização das biomassas estudadas nesse trabalho, através de análises térmicas segundo as normas de caracterização dos combustíveis. Foram realizadas as seguintes análises: análise imediata e poder calorífico, analise elementar, análise termogravimétrica (TGA/DSC) e análises da composição das cinzas.
O Capítulo 5 apresenta um estudo sobre o consumo e geração de energia nas usinas convencionais de produção de etanol. São apresentadas as hipóteses consideradas e os resultados das simulações das configurações do caso analisado.
No Capítulo 6 são apresentados os resultados da avaliação de desempenho de sistemas de cogeração com melhorias no ciclo térmico e redução no consumo de energia no processo produtivo, considerando o aproveitamento da palha de cana e do sorgo biomassa na geração de vapor. São estudados ciclos térmicos com aumento da pressão do vapor, reaquecimento e regeneração, e também considerado a eletrificação dos acionamentos de moendas e redução de consumo de vapor na destilação. Finalmente no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões e sugestões de trabalhos.
2 REVISÃO LITERATURA
Neste capítulo são reunidos estudos relacionados com os temas investigados nesse trabalho. Foram pesquisados trabalhos referentes a cadeia produtiva da cana-de-açúcar, o aproveitamento energéticos dos resíduos da cadeia produtiva, análise da composição de biomassas, combustão de sólidos em cadeiras, produção e geração de energia nas usinas do setor sucroalcooleiro, e ciclos térmicos á vapor de alta eficiência.
2.1. Geração elétrica no Brasil
A produção de energia elétrica Brasileira atingiu, no ano de 2013 um total de 570 TWh, a partir de uma matriz elétrica predominantemente composta por fontes renováveis, que representam 80,1% do total instalado (Aneel, 2015). As principais fontes de geração de energia elétrica no Brasil são, Hidráulica com 63,5%, Gás natural 9,1%, Biomassa 8,7%, derivados do petróleo 6,8%, carvão mineral 2,5%, energia nuclear 1,4%, e energia eólica 4,3%.
A participação das fontes renováveis na produção de energia primária do país representa atualmente 46,4%, e desse total a biomassa representa 24,2%. A biomassa energética é formada essencialmente por lenha e por produtos da cana-de-açúcar. No caso da matriz composta por fontes renováveis, apenas os produtos da cana-de-açúcar tiveram um aumento de participação na produção de energia primária, nos últimos 10 anos, e representam 19,1% da produção de energia interna
(EPE, 2014).
A produção de eletricidade mundial está distribuída em fontes renováveis e não renováveis, as fontes renováveis representam apenas 20,3% da matriz elétrica mundial e as principais fontes são: carvão mineral com 41,3%, o gás natural com 22%, a energia nuclear 11,7%, a energia hidráulica 15,8%, o petróleo 4,8%, e outros 4,5%. A produção de energia elétrica mundial atingiu, em 2013 um total de 22.126 TWh (EPE, 2014), indicando que produção de energia elétrica brasileira representa 2,6% de toda energia produzida no mundo. Nos últimos 5 anos a matriz elétrica mundial apresentou uma redução de 17,2% no consumo de derivados de petróleo e reduziu em 20,1% o consumo de energia nuclear para a produção de eletricidade (EPE, 2014), refletindo em um aumento de 95% no consumo de outras fontes renováveis como a biomassa e energia eólica.
A matriz elétrica brasileira é baseada principalmente na geração hidrelétrica, que no início dos anos 2000 representava mais de 80% da geração de eletricidade teve sua participação reduzida nos últimos 12 anos, em mais de 18% (EPE, 2014), seguido de investimentos principalmente na geração
termelétrica, resultando um crescimento rápido na participação de outras fontes na geração elétrica, incluindo as usinas de açúcar e álcool que usam o bagaço como combustível, e o gás natural. Nos últimos 12 anos, as termelétricas tiveram um aumento de 51% na sua participação na matriz elétrica brasileira, entretanto as usinas e destilarias que o usam o bagaço de cana como combustível, tiveram um aumento na participação de cerca de 230%, (Conab, 2011).
2.2. Setor sucroenergético
O setor sucroenergético representa cerca de 2,3% do PIB brasileiro (UNICA, 2012) e abrange quase 54% de toda economia agrícola brasileira (EPE, 2012) e ainda contribui com 19,1% de toda produção de energia primária no Brasil, (EPE, 2014). O crescimento da produção do setor sucroalcooleiro no Brasil nos últimos 15 anos, foi superior a 100%, passando de 302 milhões de toneladas de cana na safra 1997/1998, para cerca de 648,1 milhões de toneladas de cana na safra 2012/2013 (Conab, 2014).
Atualmente o Brasil possui uma potência elétrica instalada de 126,74 GW, a participação da biomassa representa 6,4%, sendo que desse total o bagaço de cana contribui com quase 80%. A indústria sucroalcooleira possui uma capacidade instalada em torno de 6,0 GW e a produção de eletricidade excedente na safra 2009-10 foi de 7,32 milhões MWh. (Conab, 2011).
A geração e o consumo de energia térmica e elétrica nas unidades sucroalcooleiras são baseados exclusivamente na utilização do bagaço de cana residual do processo de produção, procedimento possível e adotado há muitos anos, devido principalmente à disponibilidade de resíduo e ao desenvolvimento de equipamentos como geradores de vapor com capacidade de aproveitamento do bagaço como combustível para cogeração de energia.
No segmento de cana no Brasil a maioria das usinas produzem açúcar e etanol em uma planta integrada, onde o bagaço de cana é obtido a partir do processo de obtenção do caldo que contém sacarose. A partir do caldo pode ser produzido o açúcar, através de um processo de concentração, ou o etanol através de um processo de fermentação seguido da destilação. A obtenção do caldo é feita através de dois processos básicos: a preparação da cana e a extração do caldo. O processo de preparação da cana começa com a limpeza da cana e esmagamento, quando o caldo é separado a partir do bagaço. No processo de extração do caldo podem ser utilizadas duas técnicas diferentes: a extração por moagem ou a extração por difusão. Ambos os processos dão origem ao bagaço de cana com características ligeiramente diferentes (Bizzo et al., 2014).
O bagaço de cana-de-açúcar produzido nas usinas depende da quantidade de fibras presente na planta, em geral o teor de fibras está em torno de 125 kg t-1 de cana. Ao longo dos anos o bagaço
deixou de ser um resíduo e se tornou um insumo energético importante, sendo tradicionalmente empregado na geração de vapor utilizado nas plantas de concentração do açúcar e na destilação do álcool. No Brasil, na década de 1970, teve início o Proálcool, que foi o primeiro grande programa de substituição de combustível fóssil por um combustível renovável: o etanol hidratado. Naquele período o bagaço era considerado um resíduo e como qualquer resíduo, era necessário seu descarte. Assim a queima em caldeira era a alternativa dada a esse resíduo, que produzia o vapor e ainda gerava parte da energia elétrica consumida na planta de produção. O funcionamento das usinas de açúcar e álcool demanda energia térmica, mecânica e elétrica, assim o vapor gerado expande nas turbinas de contrapressão para geração de energia elétrica e mecânica que é utilizada no acionamento das moendas e bombas de grande porte, e o vapor expandido nas turbinas é utilizado no processo de produção de açúcar e etanol. Até meados dos anos 1980, a maioria das usinas não eram autossuficientes na produção de energia elétrica, isso devido principalmente aos padrões das caldeiras estabelecidos na época e pelo baixo custo da energia elétrica.
A partir dos anos 1990 com o aumento do custo da energia elétrica e avanços tecnológicos na fabricação de caldeiras, observou-se um crescimento na geração interna de energia elétrica nas usinas atingindo o nível de autossuficiência na produção de eletricidade, usando o vapor para a geração de energia elétrica (Camargo et al., 1990). Assim ao longo dos últimos 40 anos o bagaço passou, de resíduo a ser descartado, a uma fonte relevante de energia, que progressivamente aumentou seu potencial de aproveitamento em função da elevação dos preços da energia no mercado internacional. Desta forma, esse subproduto deixou de ser considerado um resíduo e constituiu-se em um insumo energético importante.
Outro resíduo sólido importante gerado na cadeia de produção de açúcar e álcool é a palha de cana que é formada por folhas e pontas da cana no processo de colheita. Até a recentemente, no Brasil, a palha da cana era queimada em campo, antes da colheita, a fim de facilitar o corte e a colheita manual da cana. A introdução da colheita mecanizada da cana no Brasil iniciou-se no final da década de 90, com aumento gradativo, atingindo atualmente cerca de 90% da produção de cana no estado de São Paulo, a região de maior produção de cana. Esta palha atualmente é deixada no campo, mas representa uma parcela importante da energia da cana (Unica, 2012).
A busca pelo aumento de eficiência energética nas usinas de açúcar e álcool é um processo relativamente recente, o que indica que há ainda muito a ser desenvolvido no aproveitamento energético do bagaço de cana. O conhecimento das características e propriedades físicas do bagaço e de outros resíduos é necessário para o desenvolvimento de qualquer processo ou equipamento que utilize essas biomassas como combustível.
2.3. Consumo de energia nas usinas
As unidades do setor sucroenergético são classificadas conforme a sua dimensão e capacidade que é definida em toneladas de cana processada. No Brasil, o perfil das unidades pode ser definido a partir de uma tendência ou padrão no que se refere à dimensão, indicando a partir de levantamentos que o setor pode ser caracterizado por uma unidade típica. Cerca de 330 usinas estão em operação atualmente no Brasil e em um levantamento realizado para o detalhamento das unidades em operação no Estado de São Paulo, que processa cerca de 60% de toda a produção nacional, indicou que 80% das unidades apresentam capacidade de processamento abaixo de 3 milhões toneladas por safra, e desse montante cerca de 76% produz energia elétrica exclusivamente para o consumo próprio e apenas 24 % comercializa energia elétrica externamente (Conab, 2011).
Normalmente as caldeiras à vapor queimam bagaço para geração de vapor à 300 ºC e 22bar de pressão que é expandido em turbinas de contrapressão (CSPE, 2001). As turbinas são responsáveis pela demanda eletromecânica da usina, e vapor à 2,5 bar é usado para suprir a demanda de vapor do processo e seu condensado retorna à caldeira. Normalmente a energia eletromecânica produzida é somente para uso interno. No entanto, algumas usinas já operam com vapor em níveis de pressão mais elevados entre 42 a 67 bar, gerando um excesso de eletricidade que é comercializado no mercado de distribuição. Além disso, existe uma tendência no setor de substituir as caldeiras antigas por novas caldeiras de alta pressão e maior capacidade, 65 à 120 bar, por exemplo. Esses sistemas são baseados em turbinas a vapor de contra pressão e de extração/condensação. Avaliações sobre o potencial de geração de energia usando esses sistemas convencionais têm sido feita por diferentes autores (Pellegrini e Oliveira Junior, 2011).
Os principais co-produtos energéticos da produção de etanol são o bagaço e eletricidade excedente. Atualmente, a geração de energia nas usinas é baseado em sistemas puros de cogeração e ciclo a vapor (à pressão de 22 bar), que são capazes de atender a demanda de energia de toda a usina e ainda produzir pequenas quantidades de bagaço (5 à 15% da biomassa) e excedentes de eletricidade em torno de 10 kWh por tonelada de cana. No entanto, as novas unidades já estão equipadas com sistemas de vapor de alta pressão (por exemplo, 65 bar a 480 ºC, e algumas unidades com 90 bar), além da utilização de equipamentos mais eficientes e melhores projetos de integração de processos. A implementação e evolução na recuperação da palha de cana vai permitir a produção de uma maior quantidade de eletricidade excedente, facilmente superando o índice de 100 kWh t-1 de cana (Macedo, et al. 2008)
O consumo de vapor da maioria das usinas sucroalcooleiras é da ordem de 500 kg de vapor por tonelada de cana (Camargo et al., 1990; Rein, 2007). O mínimo consumo de vapor no processo,
com base na tecnologia atual disponível, pode variar de 340-350 kg de vapor por tonelada de cana, com uso intensivo de integração de processos (Rein, 2007), sangria nos efeitos da evaporação, trocadores de calor regenerativo e peneiras moleculares para a desidratação do etanol hidratado
(Seabra, 2008). O patamar de 280 kg vapor por tonelada de cana pode ser alcançado utilizando
tecnologias descritas para o patamar de 340-350 kg de vapor t-1 cana, e tecnologias não implementadas no Brasil, como, por exemplo, sangrias em todos os efeitos da evaporação (Seabra,
2008). Alguns fatores influenciam diretamente no consumo de vapor de processo, como elevadas
perdas devido a baixa recuperação de vapor condensado e perdas decorrentes de excesso de vazamentos em tubulação, que podem atingir até 5% do vapor vivo gerado (Ieda Neto, 2011).
Algumas oportunidades para reduzir a demanda de vapor de processo foram apresentadas
por Rein (2007) com o objetivo de equilibrar o consumo e gerar excedente de bagaço para a cogeração ou para oportunidades como subproduto. As opções apresentadas são a maximização da evaporação nos evaporadores de múltiplos efeitos, aumento do teor de sólidos no xarope; também o aumento do número de efeitos dos evaporadores; aumento da pressão em cada parte do evaporador e utilizar os vapores extraídos com maior eficiência, aquecimento do caldo usando vapor de todos os efeitos dos evaporadores, evitando perdas nos evaporadores, e também o uso de aquecedores líquido/líquido como primeiro estágio no aquecimento do caldo.
Um caso de usina típica foi estudado por Ensinas et al. (2007), representando um processo típico de açúcar e etanol no Brasil. A planta não é termicamente integrada e todas as necessidades de aquecimento são atendidas usando vapor de exaustão do sistema de cogeração. A Tabela 2.1 apresenta parâmetros de operação e de consumo na usina que foram adotados pelos autores para a simulação do processo e do sistema de cogeração de uma usina típica.
Tabela 2.1. Parâmetros de processo típico de produção de etanol e açúcar.
Parâmetros Valor Unidade
Pressão do vapor de processo 2,5 [bar]
Temperatura do vapor de processo 127,4 [ºC]
Demanda energia no acionamento Mecânico 16,0 [kWh t-1]
Demanda de eletricidade no processo 12,0 [kWh t-1]
Fonte: Ensinas et al. 2007
Algumas medidas de redução do consumo energético nas usinas convencionais são fundamentais para aumento da eficiência dos ciclos térmicos, como também avanços tecnológicos nos ciclos e o melhor aproveitamento dos resíduos da cadeia produtiva da cana. Em relação a algumas projeções do potencial de aumento na produção de etanol e de eletricidade nas usinas convencionais, Macedo et al. (2008) considerou avanços na produção de etanol, para o cenário em 2020, cujos resultados estão compilados na Tabela 2.2.
Tabela 2.2. Projeção para os avanços nos parâmetros na produção de etanol.
Parâmetro 2002 2006 2020 Unidade
Demanda de eletricidade no processo 12,9 14,0 30,0 kWh t-1
Demanda elétrica no acionamento 14,7 16 0 kWh t-1
Excedente eletricidade 0 9,2 135,0 kWh t-1
Palha recolhida 0 0 40,0 %
Excedente de bagaço 8,0 9,6 0 %
Produtividade etanol 86,0 86,3 92,3 L t-1
Fonte: Macedo et al, 2008.
2.4. Geração de energia nas usinas
A geração de energia térmica e elétrica no setor sucroenergético ainda necessita de um intenso processo de melhoramento para atingir elevados níveis de eficiência térmica. Medidas para promover o melhor aproveitamento energético, como melhorias nos ciclos térmicos, podem ser alcançadas através da integração térmica do processo e ciclos avançados e combinados como alternativa aos sistemas de cogeração das usinas açúcar e etanol.
A comercialização do excedente de energia elétrica gerada nas usinas não é um procedimento novo (existem usinas comercializando desde o final da década de 1980), no entanto, o baixo preço da eletricidade brasileira tornava pouco atrativo para as usinas investir em sistemas mais eficientes de geração de eletricidade, mesmo com os incentivos dados pelo governo após a crise brasileira de energia elétrica em 2001 (Pellegrini e Oliveira Junior, 2011).
De acordo com o Ministério de Minas e Energia, a demanda de eletricidade vai aumentar a uma média de 5% ao ano nos próximos 10 anos. Este aumento deve ser acompanhado de uma maior participação de combustíveis fósseis (gás natural e carvão), o que poderia aumentar o custo da eletricidade. No entanto, todos os novos projetos de usinas do setor sucroalcooleiro em desenvolvimento estão considerando a geração de eletricidade excedente para comercializar com a rede, como estratégia de diversificação de produtos. No caso da reconstrução das unidades de cogeração existentes, a viabilidade econômica é muito dependente do tamanho da usina, do consumo de vapor no processo, do preço de venda da eletricidade e da disponibilidade operacional
(Pellegrini e Oliveira Junior, 2011).
Estudos realizados com projeções em cenários futuros estimam que a geração de excedente de energia elétrica nas usinas sucroalcooleiras, atualmente em torno de 12 kWh ton.-1 cana, poderia atingir 135 kWh ton.-1 cana até o ano de 2020 (Conab, 2011), considerando a utilização da palha da cana-de-açúcar (40% de recuperação) como combustível adicional ao bagaço, em sistemas de alta pressão e processos com reduzido consumo de vapor (340 kg de vapor por tonelada de cana) (Macedo et al. 2008).
Um estudo realizado por Conab (2011) indica que as unidades sucroalcooleiras que comercializam energia elétrica representam menos de 30% do total de unidades em operação no Brasil, no entanto, sua participação representa quase 50% do total de cana processada na safra. Esse grande diferencial se deve ao fato de que as unidades que comercializam energia elétrica foram projetadas ou redimensionadas com uma capacidade de processamento muito acima da média. Segundo dados do total de energia gerada no país no ano de 2009, a quantidade de energia gerada pelas unidades sucroalcooleiras representa um percentual de 4,5% da geração nacional e a parcela comercializada na rede representa apenas 1,65% desse total. Essa parcela inexpressiva indica um grande desafio a ser superado para promover avanços compatíveis com o potencial do setor.
Atualmente existem diferenças regionais em relação à capacidade média de geração de energia elétrica nas unidades, de acordo com levantamento da Conab (2011) onde o Estado de São Paulo maior produtor nacional, apresenta uma capacidade total de geração das unidades de 3.250 MW, cerca 55% do total de gerado pelo setor. Os dados indicam também que a capacidade média de geração das unidades do estado atingiu 41 MW no período acumulado da safra 2010, a média de energia gerada por hora para o autoconsumo por unidade é da ordem de 5,8 MWh, e a média de energia elétrica excedente comercializada por hora por unidade é da ordem de 7,47 MWh. A partir das informações de geração de energia elétrica por unidades e por região produtora é possível identificar relevantes diferenças entre as regiões, onde a geração média das unidades da região Centro-sul que comercializam energia é cinco vezes maior que na região Nordeste que é a segunda maior produtora, e que a substituição por tecnologias mais atualizadas multiplica o aproveitamento energético do bagaço de cana.
2.5. Integração e avanços na eficiência energética no processo produtivo das usinas
Os sistemas de cogeração atuais das usinas sucroalcooleiras são quase todos autossuficientes em energia térmica, mecânica e elétrica. Geralmente são sistemas de cogeração de baixa eficiência, baseados em ciclos a vapor gerado à 22 bar e 300 ºC. A redução da demanda de vapor de processo e sistemas de cogeração mais eficientes podem aumentar o excedente de energia elétrica gerada. Atualmente, os sistemas de cogeração das novas plantas começam a operar com pressões acima de 60 bar, atendendo às necessidades energéticas da planta e a produção de eletricidade excedente que pode ser vendido (Ensinas et al. 2007).
Alguns estudos avaliam técnicas de integração térmica para melhorar a recuperação de energia no processo de produção de etanol, permitindo o aumento da geração de eletricidade pelo sistema de cogeração. Um caso proposto por Ensinas et al. (2007) considera a integração térmica
usando a extração de vapor, o aquecimento do caldo com condensado, fervura do açúcar com vapor de segundo efeito e uso de evaporadores de película descendente. A integração térmica do processo apresentada teve uma projeção com mínimo custo de operação e de investimento.
Usinas atuais não apresentam um alto nível de integração entre as suas demandas térmicas de aquecimento e refrigeração, apresentando consumos específicos de vapor mais elevados quando comparados com as usinas de açúcar de beterraba ou destilarias de etanol de milho (Hassuani et al.
2005). Além disso, o consumo de vapor interno e o nível de integração térmica são influenciados
pela estratégia de produção adotada, ou seja, a quantidade moída de cana direcionada à produção de açúcar ou a produção de etanol.
Com o intuito de avaliar a produção integrada de açúcar, etanol e eletricidade, em ciclos avançados de cogeração alguns modelos e aproximações foram desenvolvidos para simulação. Algumas medidas de melhorias, como o reaproveitamento de vapor no processo de evaporação do caldo e o aumento da eficiência de troca térmica na destilação, foram propostas por Pellegrini et al.
(2010). As modificações resultaram em uma diminuição de 43% no consumo de vapor no processo
em relação ao consumo de um processo convencional em uma usina típica.
O bioetanol de segunda geração, produzido a partir de materiais lignocelulósicos, tem sido considerado o biocombustível com o maior potencial para substituir os derivados de combustíveis fósseis e com menor impacto do que o bioetanol convencional de primeira geração (Martín e
Grossmann, in press; Ojeda et al, 2011; Seabra et al, 2010). No entanto, o recalcitrante de materiais
lignocelulósicos dificulta a transformação de holocelulose em açúcares fermentáveis; os processos de produção de etanol de segunda geração, portanto, exigem equipamentos mais sofisticados e de maiores investimentos do que a produção de etanol de primeira geração convencional (Dias et al.
2012).
Como a produção de etanol de segunda geração ainda não é uma realidade comercial, diferentes configurações de processo têm sido investigados, a fim de desenvolver processos de conversão eficientes. Vários autores têm analisado configurações de biorrefinarias através da modelagem e simulação de unidades de etanol de segunda geração (Dias et al. 2012).
Consumo de energia na destilação
O processo de destilação para produção de etanol utiliza energia para evaporar os voláteis no interior das colunas de destilação, normalmente através de borbulhamento de vapor de baixa pressão, disponíveis nas usinas e destilarias, como vapor vegetal e vapor de escape (Finguerut et al.
A qualidade do processo de fermentação é responsável pelos ganhos no teor alcoólico final, ganhos incrementais serão obtidos com adoção de boas práticas de condução do processo e soluções de técnicas conhecidas. O teor alcoólico final determina não só o consumo de vapor na destilação, como também a capacidade de centrífugas e dos aparelhos de destilação que são os equipamentos de maior custo na produção de etanol.
O sistema de destilação do processo do etanol consome uma grande quantidade do vapor de processo para suas necessidades térmicas. Segundo Rein (2007) a integração térmica das colunas com sistema de destilação de pressão dupla pode ser usado para reduzir a demanda de vapor.
Nas unidades industriais sucroalcooleiras é utilizado um processo convencional que realiza a concentração da mistura etanol-água até pontos próximos do azeótropo entre 92,6% e 93,8%, para a produção de álcool etílico hidratado carburante. A configuração tradicional na indústria sucroalcooleira inclui as colunas A e B, subdivididas em 5 estágios, a coluna A tem a função de concentração e é conhecida como conjunto de destilação, enquanto a coluna B compõe o conjunto de retificação (Palacios, 2008).
A destilação em múltiplo efeito das colunas de destilação e retificação permite uma significante redução no consumo de energia, uma vez que os condensadores e refervedores das diferentes colunas podem ser termicamente integrados (Junqueira, 2010).
A desidratação tem a função de purificação do etanol a partir de concentrações entre 92% a 93,3%, concentração do álcool hidratado, até concentrações de 99,5%. Os principais métodos de desidratação de etanol usados na indústria sucroalcooleira são: destilação azeotrópica com cicloexano, a destilação extrativa com monoetilenoglicol e adsorção com peneiras moleculares
(Palacios, 2008).
A etapa de desidratação para produção de etanol anidro, normalmente opera com destilação azeotrópica com benzeno ou cicloexano. A desidratação obtida a partir de peneira molecular pode ser usada pra reduzir consideravelmente o consumo de vapor nessa etapa Ensinas et al.(2007).
O consumo de vapor nas unidades de produção de hidratado está entre 1,8 a 2,6 kg de vapor por litro de etanol produzido, variando de acordo com o teor alcoólico do vinho alimentado, e existem grandes oportunidades para alcançar aumentos significativos no teor alcoólico final
(Finguerut et al. 2008).
2.6. Possíveis avanços nos ciclo térmicos das usinas
Os ciclos térmicos utilizados nas usinas sucroalcooleiras são baseados em configurações que usam turbinas de contrapressão (BPST), que configura um Ciclo Rankine tradicional, com objetivo
de garantir a autossuficiência elétrica. No entanto, não favorece a geração de energia elétrica excedente. Tradicionalmente as usinas do setor sucroalcooleiro utilizam o acionamento mecânico das moendas por turbinas de contrapressão que expandem e geram vapor de exaustão utilizado para atender as demandas de vapor do processo.
A viabilização de uma maior quantidade de potência elétrica excedente requer a substituição parcial dos equipamentos existentes ou a ampliação da instalação em seu conjunto. A configuração do sistema de cogeração é determinante na sua capacidade de geração de excedente de energia elétrica. Os ciclos avançados privilegiam esse objetivo, tal como o ciclo Rankine com turbinas de extração e condensação (CEST), e os sistemas que utilizam simultaneamente a combinação de turbinas de contrapressão, com o vapor extraído sendo utilizado no processo e o uso de turbinas de condensação para a geração de energia elétrica (Alves, 2011).
O ciclo Rankine com turbinas de extração e condensação, com denominação CEST, é uma modificação do ciclo Rankine tradicional usado pelas usinas sucroalcooleiras brasileiras. Para o sistema CEST, Camargo et al. (1990) recomendam a substituição de caldeiras de 19 bar, para níveis de pressão de 61 bar. As turbinas de extração e condensação são usadas neste tipo de sistema, expandindo um vapor de alta pressão (65 bar, por exemplo) e possuindo extrações a vários níveis de pressão, geralmente 22 e 2,5 bar.
Os sistemas com maior capacidade de produção elétrica têm geradores de vapor que operam na faixa de 32 a 80 bar e fazem uso de turbinas de extração e condensação com até 30 MW de capacidade. São turbinas com dupla extração, a primeira no nível de pressão em que o vapor requerido pelas turbinas de acionamento mecânico – entre 1,0 e 2,0 MPa e a segunda na pressão que o vapor é consumido no processo produtivo. O vapor de escape das turbinas é somado ao fluxo da segunda extração para atender a demanda de vapor de processo (Walter, 1994).
Diferentes alternativas para o aumento da geração de eletricidade excedente foram analisadas considerando a redução no consumo de vapor de processo de produção de etanol e açúcar e adotando sistemas de cogeração mais eficientes com ciclos avançados. Ensinas et al.
(2007) analisaram configurações de ciclo a vapor com turbina de extração condensação, e pressão
de condensação de 0.085 bar, como alternativa mais eficientes para o aumento da geração de excedente de eletricidade nas usinas sucroalcooleiras. Foram realizadas simulações considerando a geração de eletricidade apenas no período de safra.
Algumas tecnologias de integração são propostas como alternativa para aumentar a eficiência do processo de produção de etanol e geração de energia elétrica. A tecnologia de ciclo combinado com gaseificação integrada de biomassa (BIGCC) tem sido estudada e proposta por vários autores, desde a década de 1980. Esse sistema considera a gaseificação de biomassa residual
do processamento da cana-de-açúcar, viabilizando seu uso como combustível em sistemas de potência nos quais as máquinas motrizes principais são turbinas a gás.
A tecnologia de geração de energia elétrica a partir da biomassa que integra a gaseificação do combustível e turbinas a gás em ciclo simples é conhecida como BIG/GT (Biomass Integrated
Gaseification Gas Turbine). Neste ciclo a biomassa é gaseificada e o gás combustível gerado é
usado para o acionamento de uma turbina a gás acoplada a um gerador elétrico, produzindo a eletricidade. Como indicado por Carpentieri et al. (1993), este é o ciclo com gaseificação mais simples, de menor eficiência e menor custo de investimento. A recuperação de calor deste ciclo possibilita diferentes utilizações e aproveitamentos desta energia térmica, desde o simples atendimento à demanda térmica de um processo, até a utilização em sistemas mais sofisticados de geração de energia elétrica, apresentados a seguir (Corrêa Neto, 2001).
Diferentes autores têm mostrado técnicas de processos de integração que podem ser usados para melhorar a recuperação de energia no processo de açúcar e etanol, permitindo o aumento da geração de eletricidade pelo sistema de cogeração.
A integração térmica do processo por ciclo combinado com gaseificação de biomassa (BIG-CC) com a gaseificação da biomassa, para produção do combustível para uma turbina a gás, tem sido estudada para geração de excedentes de eletricidade em usinas de açúcar e etanol, e diversas técnicas para redução do consumo de vapor no processo de etanol tem sido recomendadas como uma medida importante da redução irreversibilidade (Ensinas et al, 2007).
O ciclo de geração termelétrica que utiliza uma combinação de turbinas a gás e a vapor, conhecido como ciclo combinado, integrado a um gaseificador de biomassa para produção do gás combustível resulta no sistema BIG/GTCC (Biomass Integrated Gasification Gas Turbine
Combined Cycle). Apesar das elevadas eficiências projetadas para os ciclos combinados baseados
em combustíveis gaseificados derivados da biomassa, os aspectos tecnológicos e a confiabilidade dos sistemas são ainda um o ponto crítico do seu desenvolvimento (Corrêa Neto, 2001).
2.7. Potencial e recuperação dos resíduos da colheita da cana
A colheita da cana-de-açúcar, até o início da década de 1990, era uma operação exclusivamente manual, sendo realizada a queima prévia das folhas secas da planta, visando garantir uma alta produtividade da mão de obra na colheita, eliminando assim a operação de corte manual das folhas. O aumento da preocupação com as questões ambientais têm imposto mudança na legislação e nas práticas de colheita, pois a queima prévia da cana está relacionada à emissão significativa de material particulado e de hidrocarbonetos poliaromáticos (Cetesb, 2002). Além
disso, existe redução do teor de açúcar nos colmos colhidos causada pelas altas temperaturas alcançadas durante a queimada (Borrero et al. 2003). A colheita mecanizada tem aumentado gradativamente ao longo dos anos e atualmente atinge por volta de 89% da cana colhida no Estado de São Paulo (Unica, 2012). Como consequência da significativa redução da queima da palha da cana no campo antes da colheita, resultou em um aumento da disponibilidade desses resíduos no campo, que atualmente são deixados no solo e aproveitados como proteção natural. A disponibilidade dos resíduos após a colheita da cana-de-açúcar depende de vários fatores, como o sistema de colheita, clima, variedade da cana, entre outros. Os resíduos são compostos por folhas verdes, folhas secas e pontas. Os índices de produtividade média desses resíduos foram investigados e medidos por alguns autores em experimentos conduzidos em campo (Ripoli, 2000; Gava et al,
2001; Franco et al, 2013).
Os sistemas de cogeração das usinas atualmente utilizam o bagaço de cana como combustível na geração de vapor, fornecendo energia térmica e elétrica para manter o processo industrial, permitindo em algumas usinas a geração secundária de energia elétrica excedente. No entanto, os sistemas de cogeração poderiam atingir elevados índices de geração de energia elétrica excedente se utilizassem parte dos resíduos gerados na colheita como combustível complementar na geração de vapor.
O aproveitamento da palha de cana como combustível, no entanto, apresenta algumas limitações, e em especial a dois fatores principais, o primeiro está relacionado à necessidade de adequação das operações que envolvem o processo de recolhimento da palha de cana, e o segundo são os problemas operacionais na geração de vapor, relativos à composição da palha e seu alto teor de cinzas.
A operação de recolhimento da palha de cana no campo ainda apresenta limitações quanto o desenvolvimento de equipamentos específicos e incertezas quanto a forma de recuperação mais eficiente tecnicamente e economicamente viável, gerando assim incertezas para o investimento e aplicação em larga escala.
As limitações relacionadas com a composição indicam que a palha é uma biomassa potencialmente problemática se a geração de vapor ocorrer a temperaturas elevadas, podendo haver a formação de depósitos, incrustações e corrosão das superfícies de troca térmica. Os pré-tratamentos convencionais sugerem a lavagem da biomassa, para redução da concentração de alguns componentes inorgânicos críticos, mas tal alternativa não é adequada dos pontos de vista ambiental, econômico e energético (Carvalho, 2011).
O aproveitamento do palhiço em larga escala envolve as operações de recolhimento adensamento, transporte e preparação para a queima em caldeiras, e em função da complexidade
desse processo, enfrenta restrições de competitividade, devido aos custos elevados dessas operações, restrições de qualidade devido aos altos teores de impurezas minerais associados aos métodos de recuperação atualmente disponíveis. A medida que se consolida o conceito de cana energia com aproveitamento integral da planta, a recuperação da palha passa a ser parte da colheita da cana-de-açúcar mesmo que esse processo envolva uma sequência de operações complementando a operação convencional da colhedora que recupera apenas os colmos (Braunbeck et al. 2008).
2.8. Produtividade e composição dos resíduos deixados em campo
Os índices de produtividade da cana-de-açúcar normalmente são referentes à produção de colmos, não incluindo pontas e folhas. A produtividade média no Brasil é de 85 t ha-1 ano. As áreas com colheita mecanizada podem atingir até 132 t ha-1 ano (Belardo, 2010). Em uma análise do potencial de produtividade no estado de São Paulo, maior produtor de cana-de-açúcar no Brasil,
Gouvêa, (2008) estimou valores entre 100 e 136 t ha-1 ano-1, considerando apenas a variabilidade
anual histórica de deficiência hídrica. Ao considerar medidas de aumento de performance, o autor chegou a valores potenciais de até 212 t ha-1 ano-1. No entanto, atualmente uma média que pode ser assumida para áreas onde é realizada a colheita mecanizada está em torno de 100 t ha-1 ano-1.
A produtividade e o tipo de resíduo deixado no solo, podem ser apresentados de forma separada, sendo classificados em folhas secas, folhas verdes e pontas,. Porém, uma certa variação na apresentação dos dados pode ser encontrada, devido a critérios de definição das partes e variações nas condições do solo. A Tabela 2.3 apresenta a produtividade de cana e dos resíduos da colheita medidos por alguns autores.
Tabela 2.3. Produtividade de resíduos após a colheita sem queima.
Tipo de biomassa Produtividade t ha-1 ano-1 (b.u) Produtividade t ha-1 ano-1 (b.s) Produtividade (ton. b.s/ton. colmos b.u) Umidade % (b.u) Referência Colmos 73,44 13,46 -Ripoli, 2000 Pontas 12,01 2,49 0,034 79,2 Folhas verdes 9,66 2,9 0,039 70,0 Folhas secas 10,11 8,8 0,119 12,9 Total de resíduos 31,78 14,19 0,192 55,3 Colmos 68,5 21,0 -Gava et al. 2001 Pontas 18,5 4,0 0,058 78,4 Folhas secas 9,0 8,0 0,117 11,1 Total de resíduos - 12,0 0,175 Colmos 133 - - -Franco et al. 2013 Pontas 12,8 4,9 0,037 61,7 Folhas secas 6,3 5,8 0,044 7,9 Total de resíduos - - 0,081
(2005); Tufaile Neto (2005); e Conde et al, (2005) Pontas 1,69 0,3 0,003 82,3 Folhas verdes 5,14 1,66 0,016 67,7 Folhas secas 14,5 12,5 0,12 13,5 Total de resíduos 21,3 14,4 0,14 32,3
A umidade média presente no momento da colheita é apresentada também por alguns autores. Esta informação é importante, já que tem grande influência no Poder Calorífico Inferior dos resíduos. Em geral, observa-se uma produção de resíduos da ordem de 140 a 192 kg de matéria seca por tonelada de colmo fresco colhido. Os ponteiros e as folhas verdes apresentam alta umidade (da ordem de 65 a 78%) e as folhas secas têm umidade da ordem de 10% a 14%. A Tabela 2.4 apresenta a produtividade típica dos resíduos deixados no campo após alguns dias de colheita. A umidade dos resíduos deixados no campo após 15 dias é da ordem de 15% (b.u.).
Tabela 2.4. Relação entre o teor de umidade e o tempo que o resíduo é deixado no solo após a colheita.
Recolhimento de resíduos do solo Teor de umidade (%) (b.u)
Referência
Imediatamente após a colheita 50
Michellazzo e Braunbeck, (2008)
10 dias após a colheita 15 to 30
2 a 3 dias após a colheita 30
Paes e Oliveira, (2005)
15 dias após a colheita 15
A recuperação de 100% dos resíduos da colheita da cana torna-se inviável devido medidas agronômicas de proteção do solo, através da manutenção de parte dos resíduos no solo para prevenção de erosão e reposição de nutrientes.
As sugestões quanto à quantidade de resíduo que deve ser deixado no campo são variadas e justificadas por diversas razões. Ball-Coelho et al. (1993) obteve 17 t ha-1 a mais de produtividade para áreas colhidas de cana planta sem queima prévia da palha e com os resíduos deixados no solo.
Wilhelm et al. (2004) relata ganhos adicionais variando entre 0,8 e 14 t ha –1 considerando a manutenção de carbono orgânico no solo, em estudos relacionados com os impactos do recolhimento sobre a produção milho.
Estudos para determinação da taxa de degradação da matéria orgânica no solo devido à manutenção dos resíduos da colheita no solo foram realizados por vários autores. Considerando a matéria orgânica deixada no solo, as condições climáticas adotadas e as técnicas de cultivo, Bayer
et al. (2006), realizou uma estimativa indicando que uma reposição de carbono orgânico de 6 t ha-1
de carbono é suficiente para a manter o estoque inicial de carbono no solo durante um ciclo completo de plantação de cana, normalmente de 5 a 6 anos.
Os valores recomendados para o índice de remoção dos resíduos da colheita, ainda não são totalmente definidos na literatura, como também foram identificadas variações de concentração de nutrientes importantes em partes distintas dos resíduos. As ponteiras ou pontas da cana continham 65% do total de Nitrogênio presente em todo resíduo disponível (ponteiras e folhas), além de concentrar mais de 75% de K e P (Franco et al. 2013).
Em função do alto teor de nutrientes presentes e também pelo alto teor de umidade típico das ponteiras, é adequado considerar que os ponteiros possam ser deixados no solo no campo, (Franco
et al., 2013), quando o objetivo é gerar energia em processos térmicos. Segundo indicadores
fornecidos por (Rípoli, 2000), os ponteiros representam cerca de 34 kg de matéria seca por tonelada de colmo colhido. Para uma produtividade típica de 100 t ha-1, resultaria em 3,4 t ha-1 de matéria seca deixada no solo.
Outro fator importante a ser considerado é a proteção do solo quanto à erosão. Grigg, (2005) simulou uma cobertura de 5 t ha-1 (base úmida) e obteve reduções de 95% na erosão do solo em comparação com solos sem cobertura para áreas com 0,2% de inclinação e uma redução de 98% para inclinações de 1,5%. Lal (2009) obteve redução de 99% na erosão para áreas com declividade de 10% com 4 t ha-1 de cobertura vegetal morta e redução da mesma grandeza para áreas com 15% de inclinação com 6 ton. ha-1.
2.9. Métodos de recolhimento da palha de cana
Os métodos adotados de colheita da cana e de recolhimento da palha interferem diretamente na quantidade disponível de palha que pode ser utilizada como fonte de energia na usina. A quantidade de resíduos disponível para recuperação depende dentre outras razões, dos índices de matéria orgânica exigidos a ser deixado no solo como proteção. Alguns métodos de recolhimento foram investigados em trabalhos de campo por alguns autores.
Algumas investigações relativas às operações e rotas de recolhimento da palha de cana foram realizadas em campo por Hassuani et al. (2005), com o objetivo de avaliar o consumo de energia nas operações de recolhimento e obter índices de produtividade de resíduos de campo da cana-de-açúcar. Os métodos de recolhimento de palha frequentemente citados em estudos, envolvem a rota de recolhimento por enfardamento, recolhimento por forrageira e recolhimento a granel ou colheita integral da cana.
O sistema ou rota de recolhimento por enfardamento refere-se a um processo de recolhimento que permite o aumento da densidade e embalamento dos resíduos em fardos, utilizando enfardadora, visando padronizar e reduzir o custo de transporte dos resíduos. O sistema de
recolhimento por forrageira, é um processo de recolhimento que realiza a trituração dos resíduos deixados no solo, ainda no campo, utilizando uma forrageira, sendo carregado e transportado, separadamente da cana, até a usina. O sistema de recolhimento por colheita integral é um processo de recolhimento que realiza o carregamento e transporte dos resíduos junto a cana até usina, sendo realizada a limpeza e separação dos resíduos na usina, através de uma estação de separação da palha.
Nos métodos de enfardamento e recolhimento a granel, a palha é separada pela colheitadeira no momento da colheita e pode ser deixada no campo por alguns dias. Isso pode reduzir a umidade média dos resíduos para até menos que 20%, de acordo com a Tabela 3. No caso de recolhimento integral da cana, a palha é levada para a usina e deve ser separada em uma estação de limpeza a seco. Não há oportunidade para secagem natural e os resíduos são recolhidos com a umidade fresca. Ao deixar os ponteiros e as folhas verdes no campo, que somam cerca de 2 a 7 t ha-1 de matéria seca, na estação de separação deve ser possível produzir cerca de 12 t ha-1 de palha (base seca), com umidade média de 15% no máximo.
2.10. Composição química da palha e problemas de combustão de biomassa
A palha da cana como outras biomassas apresenta razoável variação em sua composição química, que dependem de fatores agronômicos como a variedade de cana, tipo de solo, sistema de limpeza e de colheita, o que torna inviável a generalização de suas propriedades.
O método comumente utilizado nas usinas sucroalcooleiras para geração de energia é a combustão do bagaço em geradores de vapor e o conhecimento das características físicas e químicas é necessário para o projeto dos equipamentos de geração de vapor. O aproveitamento energético da palha de cana exige também a determinação e análise das suas propriedades físico-químicas.
As biomassas herbáceas, incluindo a palha de cana, têm como elementos inorgânicos principais o potássio, o silício, o enxofre e o cloro, a combinação desses constituintes na composição do combustível potencializa a formação de depósitos fundidos nas superfícies metálicas, nas temperaturas normais de operação dos geradores de vapor (Jenkins et al., 1996).
As características da palha da cana dependem de vários fatores, no entanto, dificilmente estão disponíveis na literatura especializada as informações correlacionadas com a caracterização. A palha de cana ainda não é utilizada para geração de energia em larga escala, mas apresenta um grande potencial de aproveitamento. Por este motivo, o conhecimento de suas características como combustível é necessário (Bizzo et al. 2014).
