UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
DCEEng – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS EGE - CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ALEXANDRE KUNKEL DA COSTA
A COGERAÇÃO DE ENERGIA E A SUA INSERÇÃO EM
INDÚSTRIAS ARROZEIRAS UTILIZANDO A CASCA DE ARROZ
IJUÍ, 2013
ALEXANDRE KUNKEL DA COSTA
A COGERAÇÃO DE ENERGIA E A SUA INSERÇÃO EM
INDÚSTRIAS ARROZEIRAS UTILIZANDO A CASCA DE ARROZ
Relatório de Estágio Curricular apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Estado do Rio Grande do Sul – Unijuí, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Sandro Alberto Bock
Ijuí, 2013
ALEXANDRE KUNKEL DA COSTA
A COGERAÇÃO DE ENERGIA E A SUA INSERÇÃO EM INDÚSTRIAS ARROZEIRAS UTILIZANDO A CASCA DE ARROZ
UNIJUÍ – UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DECEEng – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIA EGE – CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO COMO REQUISITO PARCIAL PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO ELETRICISTA
Agosto de 2013
BANCA EXAMINADORA:
___________________________________________ Prof. Me. Sandro Alberto Bock.
Orientador
____________________________________________ Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie
Dedico esse trabalho aos meus pais, pelo apoio, ajuda e conselhos que eles me proporcionaram em todos os momentos decisivos e marcantes da minha vida. Muito obrigado por tudo, vocês fazem parte dessa conquista!
AGRADECIMENTOS
Agradeço muito a Deus, por iluminar o meu caminho e me livrar de todo o mal.
Agradeço a minha família por estar comigo em todos os momentos bons e ruins.
Agradeço a minha namorada pelo amor, companheirismo e amizade.
Agradeço ao meu amigo Nestor e as pessoas que contribuíram e colaboraram para a realização dessa monografia, como o eng. Vitor Hartmann e a todo corpo técnico da
Camil.
Agradeço a todos os professores pela troca de conhecimento ao longo do Curso, em especial ao meu orientador Sandro Bock e ao professor Maurício de Campos.
A todos vocês, meu muito obrigado!
RESUMO
São características marcantes da atual civilização a forte dependência de insumos energéticos e o aumento incontrolado do consumo destes para atendimento de suas necessidades. Uma prova disso é a constatação do acréscimo da demanda de energia elétrica no Brasil, ano após ano. Com esse constante crescimento, buscam-se maneiras de controlar o descompasso entre consumo e oferta de eletricidade. Evidencia-se assim, a acentuada busca por novas formas de geração de energia, bem como a eficientização dos meios atuais. A cogeração de energia, definida como a geração simultânea de duas ou mais formas de energia por meio de um único combustível, surge como uma das alternativas para suprir tais necessidades, tendo em vista o seu potencial atrelado. Entre os pontos positivos da adoção desse meio está o uso de combustível renovável – mais especificamente a biomassa – e o aumento da eficiência energética – associada tanto na melhoria do aproveitamento da matéria prima, quanto no aumento de rendimento do processo. Assim, a presente monografia objetiva a apresentação do tema da cogeração de energia inserida em indústrias arrozeiras, utilizando a casca de arroz. Para isso, será realizada uma revisão bibliográfica relacionada às questões técnicas, legais e econômicas. Por fim, serão descritos dois casos práticos que fazem o uso dessa tecnologia.
ABSTRACT
Are striking features of the present civilization the strong dependence on energy inputs and uncontrolled increase in the consumption of these to meet their needs. Proof of this is the finding of increased demand for electricity in Brazil, year after year. With this steady growth is seeking ways to control the gap between consumption and supply of electricity. Evidence is thus marked search for new forms of energy generation, as well as the efficiency of the current means. The cogeneration of energy, defined as the simultaneous generation of two or more forms of energy by means of a single fuel emerges as an alternative to meet such needs in view of their potential trailer. Among the strengths of the adoption of this medium is the use of renewable fuel - specifically biomass - and increased energy efficiency - associated both in improving the utilization of raw materials, as the increase in process yield. Thus, this thesis aims to present the theme of energy cogeneration industries inserted into rice farms, using rice husk. This will be a literature review related to technical, legal and economic. Finally, we describe two case studies that make use of this technology.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Usina Termelétrica de Uruguaiana - RS ... 20
Figura 2 - Capacidade Instalada de Geração Elétrica no Brasil ... 20
Figura 3 - Capacidade instalada de energia elétrica por fonte em 2013 ... 21
Figura 4 - Composição setorial do consumo de eletricidade no Brasil ... 22
Figura 5 - Projeção total de eletricidade até o ano 2021 (TWh) ... 23
Figura 6 - Custo da eficientização ... 26
Figura 7 - O bagaço e a palha da cana-de-açúcar, respectivamente ... 31
Figura 8 - Participação na oferta de energia dos combustíveis referentes à biomassa ... 32
Figura 9 - Partes do grão de arroz ... 34
Figura 10 - Casca de Arroz... 35
Figura 11 - UTE São Borja Geradora de Energia S.A ... 36
Figura 12 - Unidade de cogeração na Cooperativa Agrícola Mista Itaquiense Ltda ... 36
Figura 13 - Configuração Topping Cycle ou Ciclo Montante ... 37
Figura 14 - Configuração Bottoming Cycle, ou Ciclo Jusante ... 38
Figura 15 - Faixa típica de temperaturas nas configurações de Ciclo Montante e Jusante . 39 Figura 16 - Ciclo Rankine, no modo Topping Cycle ... 41
Figura 17 - Ciclo Rankine, no modo Bottoming Cycle ... 42
Figura 18 - Comparação entre uma central termelétrica e uma central de cogeração, ambas utilizando o Ciclo Rankin, respectivamente ... 43
Figura 19 - Ciclo Brayton... 44
Figura 20 - Comparação entre uma central termelétrica e uma central de cogeração, ambas utilizando o Ciclo Brayton, respectivamente ... 44
Figura 21 - UTE TermoRio ... 45
Figura 22 - Ciclo Combinado ... 46
Figura 23 - Ciclos: Diesel e Otto ... 47
Figura 24 - Comparação entre uma central de geração pura e uma central de cogeração, ambas utilizando motor alternativo, respectivamente ... 48
Figura 25 - Grupo de geradores utilizados no AIZP ... 48
Figura 26 - Aplicação de turbinas de contrapressão e condensação ... 51
Figura 28 - Turbina a gás e seus principais componentes ... 53
Figura 29 - Relação entre a temperatura ambiental e o rendimento e a potência da turbina ... 54
Figura 30 - Caldeira com queima Flamotubular. ... 56
Figura 31 - Caldeira com queima Aquatubular ... 56
Figura 32 - Visão geral do modelo de geração ... 61
Figura 33 - Representação elétrica e térmica de um sistema de cogeração ... 65
Figura 34 - Desconto de Fluxo de Caixa (DFC) para aplicação de técnicas de atratividade em um empreendimento ... 75
Figura 35 - Diagrama simplificado da UTE São Borja ... 82
Figura 36 - Caldeira e chaminé, respectivamente, utilizadas na UTE São Borja ... 83
Figura 37 - Turbina de Condensação empregada na UTE São Borja ... 83
Figura 38 - Gerador elétrico usado na UTE São Borja ... 84
Figura 39 - Condensador utilizado na UTE São Borja ... 85
Figura 40 - Torre de resfriamento pertencente a UTE São Borja ... 85
Figura 41 - Desaerador e empregado na UTE São Borja ... 86
Figura 42 - Diagrama simplificado da unidade de cogeração da Camil ... 91
Figura 43 - Gerador, redutor de velocidade e turbina, respectivamente, aplicados na Camil ... 92
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Usinas termelétricas qualificadas como cogeradoras ... 27 Tabela 2 - Fatores de ponderação (X) e cogeração (Fc%) ... 30 Tabela 3 - Caracterização dos consumidores livres ... 59
LISTA DE ABRIVIATURAS
Abreviatura Significado
ACL Ambiente de Contratação Livre
ACR Ambiente de Contratação Regulado
AIZP Aeroporto Internacional Zumbi dos Palmares
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
APE Autoprodutor de Energia Elétrica
BIG Banco de Informações de Geração da ANEEL
CAMIL Cooperativa Agrícola Mista Itaquiense Ltda
CCD Conexão à Distribuição
CCEAR Contratos de Comercialização de Energia Elétrica no
Ambiente Regulado
CCEAL Contrato de Compra e Venda de Energia Elétrica no
Ambiente de Contratação Livre
CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica
CCEI Contrato de Compra de Energia Incentivada
CCT Conexão à Transmissão
CL Consumidor Livre
CMSE Comitê de Monitoramento do Sistema Elétrico
COE Cost of Energy
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CUSD Contrato de Uso do Sistema de Distribuição
CUST Contrato de Uso do Sistema de Transmissão
DFC Desconto de Fluxo de Caixa
IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos
LI Licença de Instalação
LO Licença de Operação
LP Licença Prévia
MAE Mercado Atacadista de Energia Elétrica
MME Ministério de Minas e Energia
ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico
PIE Produtor Independente de Energia Elétrica
PND Plano Nacional de Desestatização
PPD Período de Payback Descontado
PPT Programa Prioritário de Termelétricas
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Renováveis de Energia
RAS Relatório Ambiental Simplificado
RESEB Reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro
SIN Sistema Interligado
SISNAMA Sistema Nacional do Meio Ambiente
TIR Taxa Interna de Retorno
TUSD Tarifa de Uso dos Sistemas de Distribuição
TUST Tarifa de Uso dos Sistemas de Transmissão
UHE Usina Hidrelétrica
UNICA União da Indústria de Cana-de-Açúcar de São Paulo
UTE Usina Termelétrica
LISTA DE SÍMBOLOS
Abreviatura Significado Unidade Adotada
η Rendimento ou eficiência -
E Energia Wh
F Frequência Hz
M Massa ton
P Pressão Bar ou N/m³
R Rotações por minuto rpm
S Potência aparente VA
T Trabalho W
Temp Temperatura °C
V Tensão V
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 16
1.1. Considerações iniciais ... 16
1.2. A evolução da matriz energética brasileira ... 18
1.3. Objetivo ... 23
1.4. Estrutura do trabalho ... 24
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SOBRE A COGERAÇÃO TERMELÉTRICA INDUSTRIAL ... 25
2.1. A Cogeração Termelétrica Industrial ... 25
2.2. Legislação específica sobre a Cogeração de energia... 28
2.3. Aplicação em indústrias sucroalcooleiras ... 31
2.4. Aplicação em indústrias de papel e celulose ... 33
2.5. Aplicação em indústrias arrozeiras ... 34
3. PRINCÍPIOS TÉCNICOS DA COGERAÇÃO DE ENERGIA ... 37
3.1. As configurações de plantas ... 37
3.2. Os ciclos termodinâmicos ... 40
3.2.1. Ciclo Rankine ... 40
3.2.2. Ciclo Brayton ... 43
3.2.3. Ciclo Combinado ... 45
3.2.4. Ciclos: Diesel e Otto ... 46
3.2.5. Sistemas de Trigeração ... 49
3.3. Descrição dos Principais Equipamentos ... 49
3.3.1. Turbinas a vapor ... 50
3.3.2. Turbina a Gás... 52
3.3.3. Motores Alternativos ... 54
3.3.4. Equipamentos complementares ... 55
3.3.5. Sistemas Auxiliares ... 57
4. ABORDAGEM LEGAL E REGULAMENTAÇÃO ... 58
4.1. O contexto histórico do Mercado Brasileiro de Eletricidade frente às reformas do Setor Elétrico ... 58
4.3. Conexão à Rede... 64
4.4. Tarifas referentes ao Transporte de Energia ... 66
4.5. Exportação de Energia Elétrica ... 67
4.6. Importação de Energia Elétrica e Energia de Reserva ... 68
4.7. Benefícios legais da cogeração de energia ... 69
4.8. Questões ambientais ... 71
5. ASPECTOS ECONÔMICOS ... 73
5.1. Método do Desconto de Fluxo de Caixa (DFC) e técnicas para averiguar a atratividade de investimentos ... 73
5.2. Custo da Energia (Cost of Energy - COE)... 76
5.3. Visão geral para análise de projetos de Cogeração ... 79
6. CASOS PRÁTICOS ... 80
6.1. Caso Prático 1 – UTE São Borja ... 80
6.1.1. Histórico ... 80
6.1.2. Descrição das características de Geração e Combustível ... 81
6.1.3. Descrição técnica da Planta ... 81
6.1.4. Fatores Legais e Econômicos ... 87
6.2. Caso Prático 2 – Camil ... 88
6.2.1. Histórico ... 88
6.2.2. Descrição da unidade de cogeração ... 89
6.2.3. Características dos Equipamentos e da Operação ... 90
6.4.4. Questões Ambientais e Econômicas ... 93
7. CONCLUSÃO ... 94
1. INTRODUÇÃO
1.1. Considerações iniciais
Atualmente, o aumento incontrolado do consumo energético é algo característico do progresso da civilização em todo mundo. O crescimento populacional e a consequente mudança de hábitos desta – visando maior comodidade e bem-estar – bem como o extenso desenvolvimento econômico – alavancado pelo maior desenvolvimento industrial, de produção e comercialização –, são alguns dos principais fatores que contribuem para o avanço da demanda energética. (COSTA, 2003). Subentendem-se como principais matérias energéticas: petróleo, carvão mineral, gás natural, eletricidade, dentre outras.
Não obstante, o desenvolvimento prescrito acarreta o comprometimento da existência dos recursos naturais como também contribui para degradação ambiental, uma vez que é grande a dependência dos recursos não renováveis, como, por exemplo, nos combustíveis fósseis.
Por isso, com esse descompasso entre demanda e oferta de recursos, têm sido cada vez mais expressiva a pesquisa e o desenvolvimento de novas formas de geração de energia e a melhoria da eficiência dos sistemas atuais. Paralelamente a isso, organizações em todo mundo estão percebendo que é necessário implantar estratégias para um desenvolvimento que seja sustentável, isto é, um modelo que contempla o crescimento econômico ligado ao bem-estar social e a preservação ambiental. Ou seja, o interesse comum é o de associar o crescimento energético e garantir a redução máxima de impactos ao meio ambiente. (DANTAS, 2010)
A biomassa, então, é considerada como uma das principais alternativas para a não dependência ou diversificação da matriz energética no Brasil e também no mundo, tendo em vista que é avaliada como uma das fontes mais promissoras e com maior potencial de crescimento e geração energética sustentável nos próximos anos. A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) define a biomassa como todo recurso renovável constituído, principalmente, de substâncias de origem orgânica e que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica. De acordo com sua origem, ela pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz, cana-de-açúcar, dentre outros) e rejeitos
humanos, industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo, por exemplo) e animais. Os derivados obtidos dependem diretamente da matéria-prima utilizada, uma vez que cada tipo de insumo possui valor energético diferente, e da tecnologia de processamento para a transformação energética. (MME, 2012; ANEEL, 2008)
A biomassa também pode ser considerada como uma forma indireta de energia solar, uma vez que esta é a responsável pela fotossíntese – que é a base dos processos biológicos que preserva a vida da planta e considerada a produtora de energia química que se converterá em outras formas de energia mais tarde. A última, em seu processo, permite a liberação de oxigênio e a captura de dióxido de carbono, assim, contribuindo para a contenção do aquecimento global (ANEEL, 2008)
Estima-se que o planeta Terra tenha uma quantidade de biomassa avaliada em 1,8 trilhões de toneladas. Relacionando tal dado com a eficiência da atual estrutura de geração, equivale dizer que a capacidade de geração de eletricidade global giraria em torno de 11mil TWh anual. Com o total montante de energia gerado, equivale dizer que supriria mais da metade do consumo de eletricidade do mundo, no ano de 2007. (ANEEL, 2008)
Ainda, conforme apontam estudos referentes ao Plano Nacional de Energia 2030, a melhor região do planeta para produção da biomassa é entre a faixa tropical e subtropical (entre o Trópico de Câncer e o Trópico de Capricórnio). Mesmo assim, os Estados Unidos bem como a União Europeia, ambos situados no hemisfério Norte, lideram rankings de produção de bioenergia, etanol e biodiesel. De qualquer maneira, o Brasil possui um imenso potencial a ser explorado da biomassa, porquanto o país apresenta grande quantidade de terra agriculturável, solo e condições climáticas adequadas. Além disso, a biomassa ainda não faz parte das pautas de exportações, embora alguns analistas e pesquisadores projetem que daqui a alguns anos surgirá e se consolidará o chamado
biotrade, isto é, um comércio internacional de energia renovável. (ANEEL, 2008)
Portanto, esse insumo energético tem sido aplicado de forma crescente em todo mundo, principalmente para usos finais como energia térmica, geração de eletricidade e obtenção de combustíveis líquidos – como o biodiesel e etanol. No Brasil, a utilização de biomassa tem sido crescente principalmente no que diz respeito aos sistemas de cogeração de energia no setor industrial, que corresponde a produção simultânea de energia elétrica e térmica. (HENRIQUES, 2009)
1.2. A evolução da matriz energética brasileira
Atualmente, devido à abundância de recursos hídricos e das características de relevo, o sistema de geração de energia elétrica brasileiro é predominantemente hidrelétrico. Outrossim, há um grande potencial a ser explorado, o que faz essa forma de obtenção de energia o maior potencial para geração de eletricidade. Ainda, esse tipo de exploração é beneficiado pelo sistema interligado brasileiro e pela capacidade de acumulação plurianual (característica dos reservatórios). (GOÉS, 2001)
Entretanto, diante de um ponto de vista estratégico, é recomendável que a oferta de energia elétrica não dependa única e exclusivamente de um tipo de geração predominante. Basta recorrer a um histórico do setor elétrico brasileiro para averiguar tal constatação.
Com o grande crescimento e expansão na geração hidrelétrica a partir da década de 60, parecia que nenhuma outra forma de energia fizesse frente a ela. Porém, devido à necessidade de investimentos econômicos cada vez maiores e a largos ciclos de tempo para funcionamento – contemplado tanto na construção das usinas, quanto na obtenção de licenças ambientais para as construções destas -, a partir da década de 90, notou-se um decrescimento percentual desta fonte de geração na matriz elétrica nacional. Para suprir o aumento da demanda energética que se instalava, naquele tempo, foi adotado o sistema de geração termoelétrica, sendo o gás natural o principal combustível utilizado. (PARO, 2011)
Diante dos fatos prescritos, é notável que a matriz energética brasileira venha se modificando, ano após ano. Em 1997, foi instituído um novo marco regulatório para o setor elétrico, de nome Reestruturação do Setor Elétrico Brasileiro (RESEB), prevendo grande participação do capital privado, com intuito de expansão do sistema de geração e orientada ao preço de mercado da energia elétrica. Contudo, mesmo que instalado um novo marco regulatório, existia uma grande dificuldade em se obter energia abundante, ao menos para acompanhar o passo da demanda crescente (entre 1980 a 1999 o consumo de eletricidade aumentou 5%, enquanto que a capacidade instalada cresceu 4%). (PELLEGRINI, 2009) Tais fatos obrigaram o governo brasileiro aderir ao Programa Prioritário de Termelétricas (PPT), em 1999, onde o país passou a importar gás natural da Bolívia (existia uma grande oferta do combustível naquele país) e, por meio das usinas
termelétricas, a energia foi injetada na rede a fim suprir o déficit energético que se anunciava. Em 2000, 83% da geração de energia era de base hidráulica, e diante da escassez de chuva naquele período, culminou em baixo volume pluviométrico. Como consequência desses acontecimentos, em 2001, ocorreu o chamado “apagão” – ou seja, um blecaute no sistema de fornecimento de energia. Naquele ano, a sociedade não teve alternativa, a não ser, reduzir compulsoriamente o consumo de energia elétrica em todos os setores. Superada essa fase, o governo federal lançou, em 2002, o Programa de Incentivo às Fontes Renováveis de Energia (PROINFA) e, em 2004, instituiu um novo marco regulatório instituindo a comercialização centralizada de energia elétrica e a modicidade tarifária, como forma de obter mais alternativas e opções para geração de energia e equilibrar a capacidade instalada com a energia demandada. (PARO, 2011)
No início do ano de 2013 o Brasil passou por mais uma crise no setor energético. Semelhantemente a 2001, esse colapso se instalou devido ao baixo índice pluviométrico, obrigando o governo federal a realizar reuniões emergenciais com órgãos que monitoram e planejam a matriz energética brasileira, induzindo o mesmo a tomar algumas decisões pontuais a fim de controlar um possível pânico que se instalava. Uma das alternativas foi a ativação de usinas termelétricas que previamente estavam desabilitadas (uma vez que são consideradas mais caras que centrais hidrelétricas), como a Usina Termelétrica (UTE) de Uruguaiana (Figura 1), com capacidade de geração de 650 MW e que utiliza gás natural liquefeito (GNL) como combustível. No entanto, alguns apagões que aconteceram no ano de 2013, nas regiões Norte, Nordeste, Sudeste e Centro-Oeste podem ter precedentes e motivos técnicos - falta de investimento no setor energético - e motivos políticos envolvidos. (Fonte: EXAME, 2012)
Essas crises energéticas não influenciam negativamente somente o setor elétrico como também a economia, o setor industrial, o comércio, a política e o cotidiano da população em geral. (MAGALHÃES, 2008)
Portanto, é interessante concluir que, independente das alterações tecnológicas e do tratamento diferenciado que se dê entre a geração hidrelétrica e termelétrica, é importante manter a complementação hidrotérmica do sistema elétrico equilibrada, o suficiente para garantir a maior confiabilidade do suprimento de energia elétrica, principalmente nos horários de ponta que a energia é maior.
Figura 1 - Usina Termelétrica de Uruguaiana - RS
Fonte: http://uruguaianars.com.br/fotos/ute%20uruguaiana_43.jpg
Figura 2 - Capacidade Instalada de Geração Elétrica no Brasil
A Figura 2 mostra um gráfico relativo à capacidade instalada de geração de eletricidade no Brasil de 1974 a 2011. De acordo com o gráfico e com o que foi prescrito, é notável que a partir de 1999 a capacidade instalada evoluiu, consideravelmente, em centrais termelétricas - passando de 10 GW, em 1999, para aproximadamente 33 GW, em 2011-, chegando a um acréscimo superior a 300% nesse período. As centrais termelétricas supracitadas compõem a matriz energética tanto utilizando combustíveis fósseis para geração, quanto combustíveis renováveis.
Figura 3 - Capacidade instalada de energia elétrica por fonte em 2013
Fonte: BIG – ANEEL (2013)
A Figura 3 ilustra a capacidade instalada de energia elétrica por fonte, no ano de 2013. De acordo com a figura 2 e com o que foi prescrito, a geração hidrelétrica detém a maior capacidade instalada de energia (aproximadamente 65% do total). É importante destacar que a geração termelétrica – seja através de combustíveis renováveis ou fósseis – representa um índice superior a 26% de toda matriz energética. Outro fato interessante é que cerca de 30% da geração termelétrica é oriunda da biomassa – considerada um combustível renovável. 64,6% 5,97% 7,92% 10,46% 1,55% 0,15% 2% 6,33% Hidro Petróleo Biomassa Gás Nuclear Eólica Carvão Mineral Importação
Quanto à composição setorial do consumo de eletricidade, a Figura 4 faz referência a esse contexto no Brasil em 2011. É importante notar que o setor industrial corresponde a quase metade do consumo total de energia elétrica no Brasil. Esse dado é tratado com fundamental importância, uma vez que o foco desse trabalho, a ser discutido e detalhado posteriormente, é a descrição e aplicação de um caso prático industrial e eventuais aplicações poderão contribuir para eficientizar a demanda energética industrial.
Figura 4 - Composição setorial do consumo de eletricidade no Brasil
Fonte: MME (2012)
O consumo total de energia elétrica no Brasil no ano de 2011 foi de 480 TWh, enquanto que a autoprodução de energia atingiu 77 TWh. Além disso, de acordo com os dados de um estudo de Projeção de Demanda de Energia Elétrica (de 2012 a 2021), feita pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), encomendada pelo Ministério de Minas e Energia (MME), levando-se em conta premissas demográficas, macroeconômicas e setoriais, o aumento de consumo até 2021 será superior a 50% da atual demanda, conforme pode ser visualizado na figura 5.
Ademais, torna-se claro que a autoprodução de energia tende a evoluir e agregar valores significativos na produção de eletricidade até o ano de 2021, bem como a conservação de energia – que pode ser entendida como a diminuição de perdas, seja na geração, transmissão, distribuição de energia, como na eficiência energética do
43,6%
23,3% 15,4%
8% 9,7%
consumidor –, onde o sistema “poupará” energia que, até então, era consumida desnecessariamente.
Figura 5 - Projeção total de eletricidade até o ano 2021 (TWh)
Fonte: MME (2012)
Enfim, a questão de geração de energia fica vinculada ao ritmo de crescimento e desenvolvimento do país. O Brasil, diferentemente da grande parte dos países em desenvolvimento, é capaz de suprir o seu desenvolvimento por meio de recursos renováveis, e a geração termelétrica através da biomassa pode ser considerada uma opção atraente, tendo em vista o potencial atrelado, e as formas atuais de eficientizar a conversão de energia e melhor aproveitar o combustível em questão. (PELLEGRINI, 2009).
1.3. Objetivo
Diante da perspectiva do avanço de crescimento do consumo energético e da larga oferta e potencial de geração de energia por meio da biomassa, o presente trabalho tem por objetivo realizar a revisão bibliográfica sobre a cogeração termelétrica de energia associada a ambientes industriais, utilizando biocombustíveis – mais especificamente a casca de arroz. Para isso, serão abordadas questões técnicas, legais e econômicas dessa aplicação e, por fim, apresentados dois casos práticos que fazem uso dessa tecnologia.
1.4. Estrutura do trabalho
Esta monografia foi dividida em sete capítulos. O primeiro capítulo introduz o tema de assunto e estabelece seus objetivos. O segundo capítulo descreve a cogeração termelétrica industrial, cita a legislação inserida a qualificação de seu uso, e, por fim, analisa as seguintes aplicações nos seguintes setores: sucroalcooleiros, de papel e celulose e arrozeiro.
No terceiro capítulo serão descritos os princípios técnicos ligados cogeração de energia, compreendidos pelas configurações das plantas, os principais ciclos termodinâmicos e os equipamentos que compõe a sua estrutura.
A seguir, o quarto capítulo descreve os aspectos legais e regulatórios que tangenciam a aplicação e o uso da cogeração. Primeiramente, será empregado o contexto histórico do mercado brasileiro de eletricidade com a ideia de situar e nortear as atividades de comercialização de eletricidade frente aos ambientes de contratação da mesma. Além disso, serão abordados temas que regulamentam a instalação de centrais de cogeração como: a outorga de exploração, a conexão à rede e as tarifas de transporte energético, a exportação e importação de eletricidade, questões ambientais e benefícios legais da aplicação.
O quinto capítulo aborda questões econômicas, consistindo de métodos e técnicas para averiguar a atratividade de investimentos atrelados aos empreendimentos energéticos.
No sexto capítulo serão expostos dois casos práticos que ilustram a aplicação dos sistemas de cogeração. Para isso, serão relatadas questões históricas, técnicas das plantas, fatores legais, econômicos e ambientais de cada caso.
Por fim, é apresentada a conclusão do estudo desenvolvido, abordando desfechos de cada item pesquisado, ressaltando os benefícios do potencial e da eficiência energética associados à cogeração de energia industrial.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SOBRE A COGERAÇÃO TERMELÉTRICA INDUSTRIAL
2.1. A Cogeração Termelétrica Industrial
O conceito que envolve a cogeração de energia existe há muitos séculos, todavia os sistemas mais próximos aos que existem hoje ocorreram a partir do século XX, onde em algumas cidades europeias passaram a utilizar o calor - oriundo do processo termodinâmico de geração de eletricidade – para aquecimento residencial. A partir da década de 40 o sistema de geração de eletricidade começou a expandir, conseguindo fornecer energia em abundância e a baixo custo, assim, os sistemas de cogeração ficaram confinados a aplicações industriais ou em pequenas regiões. Somente a partir das décadas de 70 e 80, com a maior preocupação referente à energia e ao meio ambiente, o sistema de cogeração ganhou novo impulso, motivados pelo maior rendimento do sistema global, bem como pelo maior aproveitamento do combustível. (PARO, 2011)
Ao analisar diversas formas de geração de eletricidade mantendo um ponto de vista de eficiência energética – neste caso representado pela relação entre a energia do combustível e aquela, efetivamente, transformada em outra forma de energia -, há diferenças qualitativas e quantitativas. Por exemplo, no caso da geração hidrelétrica, tal eficiência chega próxima a 100% (correspondendo à baixa perda de energia na transformação), mas no caso da geração termelétrica – seja usando combustível renovável ou não – a eficiência, segundo Goés (2009) está na faixa de 45% a 55%, tendo em vista às limitações tecnológicas teórica dos ciclos termodinâmicos. Ou seja, se por um lado as termelétricas oferecem maior suporte energético, por outro são limitadas a baixo rendimento. (PARO, 2011)
Como forma de suprir o baixo rendimento e aumentar a eficiência global do sistema termelétrico a cogeração de energia ganha destaque, podendo elevar a uma eficiência, segundo Góes (2009), de até 85%. A cogeração de energia corresponde à produção simultânea de duas ou mais formas de energia, através de um único combustível; sendo mais popular a produção de energia eletromecânica, consequentemente elétrica, e energia térmica – seja na forma de aquecimento ou resfriamento. Em casos industriais, é comumente utilizado a geração de eletricidade e o aproveitamento do calor que já não
serviria para a geração de eletricidade, elevando, portanto, o aproveitamento energético do combustível. Entretanto, a sua aplicação se limita a casos onde se necessite, indubitavelmente, as duas formas de energia supracitadas.
Uma questão que traz em pauta o uso da cogeração de energia é referente à economia de recursos energéticos e uma consequente racionalização econômica. Contudo, como em qualquer outra maneira de se eficientizar um processo, há um investimento e, como tal, deve ser estudado para realmente comprovar e averiguar se o mesmo trará o retorno esperado.
“... o que dizemos sobre racionalização energética, aplicado a todos os setores – industrial, comercial, serviços e residencial – pode ser entendido, num primeiro momento, como racionalização econômica. O que se objetiva na busca da redução do consumo de insumos energéticos, de fato, é a redução de custos ou a maximização do lucro para alguns setores econômicos. Em contrapartida, o que se encontra no caminho dessa racionalização é o custo do investimento que se realiza para o alcance deste objetivo. Em resumo, de forma quase paradoxal, a redução do consumo de insumos energéticos custa dinheiro.” (BARJA, 2006, pg. 17)
Dessa forma, vale lembrar que quanto maior a economia de insumos energéticos, ou seja, quanto maior o rendimento da planta a ser projetada, maior será a necessidade de investimentos, o que acarretará para análise, um balanço de investimento Vs. custo de operação, conforme pode ser visualizado na figura 6.
Figura 6 - Custo da eficientização
A aplicação da cogeração de energia poderá existir tanto no setor terciário (aeroportos, hotéis, hipermercados, shopping center, universidades, etc.), quanto no setor agrícola, no sistema isolado (microgeração), ou no setor industrial. Como a ênfase do trabalho é na área industrial, será dado um maior destaque para esse caso. Dentre os principais potenciais para cogeração na área industrial estão:
Indústrias sucroalcooleiras; Indústrias de papel e celulose; Indústrias arrozeiras;
Indústrias químicas e petroquímicas;
A Tabela 1 apresenta o número de usinas de geração termelétricas, com destaque na descrição dos combustíveis associados à biomassa, e a associação dessas com o número de unidades consideradas cogeradoras qualificadas no Brasil, no ano de 2013.
Tabela 1 - Usinas termelétricas qualificadas como cogeradoras
Fonte: BIG – ANEEL (2013)
A Tabela 1 quantifica um número relativamente baixo de unidades cogeradoras consideradas qualificadas frente a grande quantidade de fontes geradoras. Entretanto, de acordo com Paro (2011), a grande maioria das plantas industriais atuantes como geradoras termelétricas aplicam a cogeração de energia, e, mais precisamente, nos setores industriais sucroalcooleiras e de papel e celulose, pode-se afirmar que 100% das plantas empregam a cogeração de energia – aplicação de geração de eletricidade e aproveitamento térmico. Isso demonstra o desinteresse e/ou a dificuldade dos agentes geradores em obter a qualificação das centrais de cogeração.
Do ponto de vista estratégico e supervisionário dos agentes de fiscalização aos atuantes geradores, esse baixo índice reflete, consequentemente, em um baixo poder de contribuição no que tange a melhoria desses sistemas (redução de perdas relacionadas às transformações energéticas). Contudo, é inegável o quão importante é tornar mais eficiente um sistema de geração termelétrica utilizando combustíveis renováveis, uma vez que esse último já é considerado de grau diferenciado frente à geração termelétrica empregando combustíveis fósseis.
2.2. Legislação específica sobre a Cogeração de energia
No que diz respeito à lei quanto ao tipo de agente gerador de eletricidade, este poderá ser classificado como atuante de autoprodução ou produção independente de energia. O segundo foi criado em decorrência das transformações ocorridas no setor elétrico nas últimas décadas (item 4.1). A partir do dia 07/07/1995, entrou em vigor a Lei Federal n° 9.047, onde a comercialização do excedente de energia foi permitida. Assim passou a existir dois tipos de agentes geradores:
I. Produtor Independente de Energia Elétrica - a pessoa jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebam concessão ou autorização para produzir energia elétrica destinada ao comércio de toda ou parte da energia produzida;
II. Autoprodutor de Energia Elétrica - a pessoa física ou jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebam concessão ou autorização para produzir energia elétrica destinada ao seu uso exclusivo.
De acordo com Barja (2006), mesmo que insuficientes, a legislação brasileira concede diversos benefícios às centrais cogeradoras, considerando sua racionalidade energética. Especificamente aos casos de cogeração, é permitida ao produtor independente a comercialização com consumidores de energia elétrica integrantes de complexo industrial ou comercial, aos quais forneça vapor ou outro insumo oriundo de processo de cogeração, mesmo que esses consumidores sejam cativos (conforme será descrito no item 2.4.1, os consumidores cativos, diferentemente dos consumidores livres, deveriam ser supridos apenas por concessionário ou permissionário de distribuição), o que ressalta uma
“vantagem” dos agentes cogeradores. Ainda é autorizada a venda de energia elétrica para os consumidores livres e para concessionário ou permissionário de distribuição.
A partir da criação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), em 26/12/1996, pela Lei Federal n° 9.427, novas resoluções têm regulamentado atual estrutura cogeradora e incentivado novos agentes.
Em 20/01/2000, a ANEEL criou a Resolução Normativa n° 21, que estabeleceu condições para qualificação de centrais termelétrica cogeradoras. Tal resolução seria revogada e substituída em 14/11/2006, pela Resolução Normativa n° 235. Quanto à diferença entre a cogeração e a cogeração qualificada, fica claro que:
Cogeração: processo operado numa instalação específica para fins da produção combinada das utilidades calor e energia mecânica, esta geralmente convertida total ou parcialmente em energia elétrica, a partir da energia disponibilizada por uma fonte primária;
Cogeração qualificada: atributo concedido a cogeradores que atendem os requisitos definidos nesta Resolução, segundo aspectos de racionalidade energética, para fins de participação nas políticas de incentivo à cogeração; Independente do caso a resolução afirma que a atividade de cogeração de energia contribui para a racionalidade energética, possibilitando melhor aproveitamento e menor consumo de fontes de energia, quando comparada à geração individual de calor e energia elétrica.
Outrossim, a resolução estabelece requisitos mínimos para ser considerada uma central cogeradora qualificada:
Onde:
Energia da fonte (Ef): energia recebida pela central termoelétrica cogeradora, no seu regime operativo médio, em kWh/h, com base no
conteúdo energético específico, que no caso dos combustíveis é o Poder Calorífico Inferior (PCI);
Energia da utilidade eletromecânica (Ee): energia cedida pela central termoelétrica cogeradora, no seu regime operativo médio, em kWh/h, em termos líquidos, ou seja, descontando da energia bruta gerada o consumo em serviços auxiliares elétricos da central;
Energia da utilidade calor (Et): energia cedida pela central termoelétrica cogeradora, no seu regime operativo médio, em kWh/h, em termos líquidos, ou seja, descontando das energias brutas entregues ao processo as energias de baixo potencial térmico que retornam à central;
Fator de cogeração (Fc %): parâmetro definido em função da potência instalada e da fonte da central termoelétrica cogeradora (de acordo com a Tabela 2), o qual aproxima-se do conceito de Eficiência Exergética;
Fator de ponderação (X): parâmetro adimensional definido em função da potência instalada e da fonte da central termoelétrica cogeradora, obtido da relação entre a eficiência de referência da utilidade calor e da eletromecânica, em processos de conversão para obtenção em separado destas utilidades (de acordo com a Tabela 2).
Tabela 2 - Fatores de ponderação (X) e cogeração (Fc%)
Por fim, a resolução ainda estabelece esclarecimentos da solicitação da qualificação e das obrigações do cogerador qualificado.
Na sequência do capítulo, serão listados e descritos alguns empregos de plantas cogeradoras industriais.
2.3. Aplicação em indústrias sucroalcooleiras
A cogeração de energia em indústrias produtoras de álcool e açúcar utiliza como principais combustíveis o bagaço (sobra do processo industrial) e a palha (sobra dos canaviais) de cana-de-açúcar (ver Figura 7). Conforme dados do Banco de Informações (BIG) da ANEEL, atualmente existem no Brasil 366 usinas – de acordo com Paro (2011), todas operando em cogeração - ofertando um montante de eletricidade de aproximadamente 8,52 GW, o equivalente a 6,5% de toda oferta de eletricidade. Contudo, fontes da União da Indústria de Cana-de-Açúcar de São Paulo (Unica), afirmam que até o ano de 2020 a eletricidade produzida pelo setor, atinja patamares de 14,4 GW médios – o que seria equivalente a 15% da oferta nacional e a três usinas de Belo Monte.
Na utilização sustentável da biomassa da cana-de-açúcar para gerar eletricidade por meio de usinas termelétricas, o balanço de emissão dos gases do efeito estufa (GEE) é praticamente nulo, pois as emissões das atividades são absorvidas pela planta durante o seu período de crescimento.
Figura 7 - O bagaço e a palha da cana-de-açúcar, respectivamente
Figura 8 - Participação na oferta de energia dos combustíveis referentes à biomassa
Fonte: BIG – ANEEL (2013)
Em conformidade com a Figura 8, é possível ver a dominância da geração de eletricidade associada à cana-de-açúcar, correspondendo a 83% de todo montante de geração através da biomassa. Também é possível observar que capacidade instalada no Brasil referente a biomassa equivale a 10,25 GW, correspondendo à 7,83% da oferta atual.
Paro (2011) ressalta, no entanto, que muitas usinas sucroalcooleiras não exportam o excedente de energia, operando apenas como autoprodutores, e com equipamentos classificados antigos que não possuem uma arquitetura eficiente e com alto rendimento. Até mesmo existem casos recentes que receberam outorga, em que o agente gerador optou por não fazer investimentos elevados para, por exemplo, adquirir caldeiras de última geração para maximizar exportações de excedentes de energia. Tal situação retrata um potencial reprimido, tendo em vista a grande capacidade energética que poderia ser injetada na rede. Nesse ponto caberia interferência do próprio órgão regulador, de forma a evitar esse desperdício de energia. Uma solução seria a possibilidade de abertura para investimento de setores externos ao empreendimento ou até mesmo do próprio governo federal, através da concessão de financiamentos com juros atrativos.
Ademais, outro fator de suma importância desse setor, é que a participação na geração de eletricidade dessas usinas acontece após período da safra da cana-de-açúcar e
83% 8,52 GW 12% 1.25 GW 1% 36,43MW 5% 453MW Cana-de-Açúcar Licor Negro Casca de Arroz Outros
que coincide exatamente no período de maior estiagem na região Sudeste/Centro-Oeste, local onde se concentram as principais hidrelétricas do país. Portanto, a eletricidade fornecida nesse período auxilia a preservação dos níveis dos reservatórios das Usinas Hidrelétricas (UHE).
2.4. Aplicação em indústrias de papel e celulose
O segmento de papel e celulose é um ramo industrial altamente globalizado, de capital intensivo e requer grande período para maturação. Anualmente, no Brasil, são produzidos 10,3 milhões de toneladas de celulose e 8,6 milhões de toneladas de papel, o que da a nação a 7ª e a 11ª posição no ranking mundial, respectivamente. (BERNI, 2010)
O setor industrial do papel e celulose, bem como o setor sucroalcooleiro representam os maiores consumidores de biomassa e de energia no setor industrial, entretanto, ambos apresentam perfis energéticos adequados aos processos mais eficientes de cogeração. De acordo com Paro (2011) a totalidade das usinas - tanto as indústrias de celulose quanto as indústrias integradas (papel e celulose) - atuam como cogeradoras, gerando grande parte de sua demanda elétrica, até mesmo, vendendo o excedente. Outrossim, utilizam o calor oriundo do processo termodinâmico para fornecer energia térmica a algum processo industrial. O principal combustível renovável adotado para a cogeração é a lixívia preta – popularmente conhecida como licor negro -, sendo adquirida e produzida através do processo industrial e também da biomassa em geral (resíduos de madeira). (BERNI, 2010; VELÁZQUEZ, 2000)
De acordo com a Figura 8, a geração de eletricidade através do licor negro, representa 1,25 GW, o equivalente a 12% do montante gerado através da biomassa e 1% da oferta nacional. Diversos fatores contribuem para o aumento da produção nacional e da instalação de novas sedes industriais, como, por exemplo, a demanda nacional, as exportações e as condições macroeconômicas como renda, juros e câmbio. Contudo, devido aos custos de produção – considerados os mais baixos do mundo - se prevê uma evolução ainda maior nos próximos anos, com maiores investimentos de capitais e acesso ao crédito, o que resulta em uma maior inserção no mercado nacional.
2.5. Aplicação em indústrias arrozeiras
O Brasil está entre os 10 maiores produtores de arroz do mundo, produzindo o equivalente a 2% do consumo mundial e, atualmente, em relação a safra, representa a quinta maior colheita no país – somente atrás do soja, milho, cana-de-açúcar e feijão. Dentre os estados brasileiros, o Rio Grande do Sul oferta cerca de 60% do total, que o consolida como maior estado produtor de arroz. A safra record gaúcha ocorreu nos anos de 2010/2011, gerando o equivalente a 9 milhões de toneladas do produto. (HENRIQUES, 2009; GAZETA, 2012)
O grão do arroz pode ser divido em três partes: a casca, o farelo e o grão (como pode ser visualizado na Figura 9). Após o beneficiamento do arroz – processo que o grão passa desde sua colheita até a embalagem – resulta que o próprio grão detém, em média, cerca de 72%, 19% resulta em casca de arroz e 9% em farelo de arroz. (LAM-SANCHEZ ET AL 1994 apud LUDIWIG, 2004; OLIVEIRA, 2011)
Figura 9 - Partes do grão de arroz
Fonte: Ludiwig (2004)
O arroz é normalmente consumido sem a casca, existindo processos industriais para removê-la. Sendo assim, a indústria do arroz tem como subprodutos mais volumosos as cascas (ver Figura 10), podendo estas serem aproveitadas de inúmeras formas. Estima-se que as cascas repreEstima-sentam de 19 a 22% do peso do arroz. (HENRIQUES, 2009)
Através da casca de arroz, tendo em vista as questões tecnológicas, econômicas e ambientais, surge um grande potencial para cogeração de energia, através da combustão (queima ou gaseificação). Ainda, as cinzas advindas da combustão poderão ser utilizadas,
direta ou indiretamente, para algum fim comercial – as cinzas têm como principais destinos e aplicações ramos: da eletrônica, da construção civil, da cerâmica, da química, etc. (HENRIQUES, 2009)
Figura 10 - Casca de Arroz
Fonte: do autor
Atualmente, um dos destinos mais empregados para a casca do arroz, senão do aproveitamento energético, é a compostagem com intuito de redução de carga orgânica. Entretanto, os maiores problemas com a utilização desse tratamento são: alto tempo de decomposição – em média 5 anos -, grande volume de metano (CH4) emitido à atmosfera (possui um poder de efeito estufa 21 vezes maior que o dióxido de carbono). (MAYER, 2006; HAAS, 2012)
Portando, a aplicação total desse insumo agroindustrial, além de solucionar o problema ambiental e melhor aproveitar o potencial de uma matéria-prima, poderá ser fonte de um grande potencial energético (cogeração de energia, ou seja, produção simultânea de eletricidade e calor), além de alavancar retorno financeiro de forma direta e indiretamente – com a comercialização das cinzas.
Atualmente, segundo o BIG (2013), no Brasil existem 9 usinas termelétricas em atividade utilizando a casca de arroz. O Rio Grande do Sul abriga 6 destas usinas, sendo uma delas a maior em atividade nessa competência, que é a UTE São Borja Geradora de Energia S.A (Figura 11) com capacidade de geração de 12,4 MW. Nessa usina será
realizado um estudo de caso (ver item 6.1.) abordando questões técnicas, legais e econômicas do empreendimento.
Figura 11 - UTE São Borja Geradora de Energia S.A
Fonte: do autor
A Cooperativa Agrícola Mista Itaquiense Ltda (Camil) é uma empresa que utiliza a cogeração de energia em sua unidade industrial. Por se tratar de um caso prático do presente estudo, será apresentada no item 6.2. A Figura 12 ilustra a unidade de cogeração aplicada na Camil.
Figura 12 - Unidade de cogeração na Cooperativa Agrícola Mista Itaquiense Ltda
3. PRINCÍPIOS TÉCNICOS DA COGERAÇÃO DE ENERGIA
O presente item abordará princípios técnicos aplicados a cogeração de energia. Serão descritas as configurações de plantas, bem como os principais ciclos termodinâmicos associados a sua aplicação e, por fim, serão apresentados os equipamentos básicos empregados.
3.1. As configurações de plantas
A cogeração de energia poderá ser aplicada em dois tipos de configurações possíveis: (Balestieri, 2002)
Geração anterior de energia eletromecânica, popularmente denominado Ciclo Montante, ou Topping Cycle;
Geração posterior de energia eletromecânica, comumente chamado Ciclo Jusante, ou Bottoming Cycle.
Figura 13 - Configuração Topping Cycle ou Ciclo Montante
Fonte: do autor
• Geração de
gases ou vapor
Combustível
• Geração de
eletricidade
Energia
Eletromecânica
• Aquecimento
ao processo
industrial
Calor Útil
No Ciclo Montante, de acordo com a Figura 13, primeiramente ocorre a geração de gases ou vapor (irá depender do tipo do ciclo térmico, a ser descrito no item posterior), através de um combustível, em decorrência desse fato acontece a geração de energia eletromecânica, por meio das turbinas, e com um gerador acoplado ocorre uma consequente geração de eletricidade. Posteriormente, na continuidade do processo, ao invés da energia térmica que deu origem ao movimento das turbinas ser descartada, dispõe-se de um potencial de calor útil para ser reaproveitado em algum processo industrial.
Figura 14 - Configuração Bottoming Cycle, ou Ciclo Jusante
Fonte: do autor
Diferente do Ciclo Montante, o Ciclo Jusante, de acordo com a Figura 14, após a geração de gases ou vapor em uma caldeira, por meio de um combustível, ocorre o fornecimento do calor ao processo industrial para, posteriormente, ocorrer a geração de energia eletromecânica e eletricidade.
A aplicação dessas duas configurações dependerá do caso industrial a ser analisado. Por exemplo, para casos em que o processo industrial contenha secagem, cozimento e evaporação, habitualmente necessita-se de temperatura variando na faixa entre 120 e 200°C, logo o Ciclo Montante é a configuração ideal, sob o ponto de vista da
• Geração de gases
ou vapor
Combustível
• Aquecimento ao
processo industrial
Calor Útil
• Geração de
eletricidade
Energia
Eletromecânica
racionalidade da cogeração; já a faixa para geração de eletricidade irá variar entre 400 e 950°C, utilizando turbinas de contrapressão. Este tipo de tecnologia é o mais empregado, uma vez que a maioria dos processos industriais demanda calor em temperaturas inferiores. Contudo, em casos onde a demanda de calor seja estimada para temperaturas superiores (na ordem de 1000 a 1200°C), como, por exemplo, em indústrias siderúrgicas, fornos cerâmicos, cimenteiras e refinarias de petróleo, faz-se uso da configuração de Ciclo Jusante. Após o aproveitamento industrial os gases de exaustão continuam em temperatura elevada (entre 500 e 600°C), então são direcionados a um trocador de calor que irá produzir o vapor necessário para geração de energia eletromecânica e consequentemente elétrica, por meio de uma turbina de condensação. O ponto negativo dessa forma é o baixo nível de temperatura advinda do processo industrial, geralmente sendo insuficientes para geração eletromecânica, o que torna em alguns casos a inviabilidade técnica-econômica de aplicação. Tal explicação poderá ser visualizada na Figura 15. (COSTA, 2003; PARO, 2011; BARJA, 2006)
Figura 15 - Faixa típica de temperaturas nas configurações de Ciclo Montante e Jusante
3.2. Os ciclos termodinâmicos
Os principais ciclos termodinâmicos aplicados na indústria para utilização da cogeração são: (BALESTIERI, 2002)
Ciclo Rankine; Ciclo Brayton; Ciclo Combinado;
No entanto, no setor terciário (hospitais, aeroportos, universidades, shopping
centers), residencial e em sistemas embarcados poderão ainda ser utilizados:
Ciclo Diesel e Ciclo Otto; Sistemas de Trigeração:
3.2.1. Ciclo Rankine
Este é considerado o ciclo do vapor, sendo utilizado na cogeração a partir da biomassa. É aplicado, por exemplo, em indústrias sucroalcooleiras por meio do bagaço da cana-de-açúcar, em indústria de papel e celulose por meio do licor negro, em indústrias arrozeiras por meio da casca de arroz, dentre outros. O que diferencia este ciclo dos demais é a combustão externa do fluído de trabalho (isto é, não há contato entre o combustível e o fluído de trabalho) e, em decorrência desse fato, poderá ser utilizado qualquer tipo de combustível, seja no estado sólido, líquido ou gasoso.
Conforme explicado no item 3.1., a aplicação do Ciclo Rankine, abrange as duas configurações de planta, contudo a predominantemente utilizada é a configuração Topping, em virtude do seu melhor rendimento em relação à outra. (PARO, 2011)
É possível observar a ilustração da configuração Topping através da Figura 16. O combustível, independente do tipo e do estado, é utilizado para aquecer a água em uma caldeira, ou seja, a energia térmica liberada na queima é transferida ao fluido de trabalho, este podendo atingir patamares de temperaturas superiores a 500°C. O fluido – vapor em movimento, caracterizando a energia cinética – é liberado passando primeiramente pela
turbina – popularmente a de contrapressão local onde acontece a transformação em energia eletromecânica – e por meio de um gerador acoplado, ocorre a geração de eletricidade. Depois, o vapor é transferido ao processo industrial, comumente encontrado em baixa pressão, fornecendo calor a uma determinada necessidade industrial. Após, a água já condensada pelo próprio processo industrial é bombeada, retornando à caldeira. Os gases oriundos da combustão são eliminados via chaminé. (BARJA, 2006; PARO, 2011)
Figura 16 - Ciclo Rankine, no modo Topping Cycle
Fonte: do autor
O Ciclo Rankine poderá ainda ser aplicado no modo Bottoming Cycle (Figura 17). O combustível é queimado em uma caldeira, transferindo energia térmica ao fluido de trabalho. Este, primeiramente irá transferir calor ao processo industrial, então os gases liberados deste processo são repassados à turbina ou ainda a uma caldeira de recuperação (como a demanda média de vapor de extração do processo pode ser baixa, é necessário expandir esse vapor até a pressão de condensação, por meio da caldeira de recuperação). A turbina, geralmente a de condensação, é acoplada a um gerador para produzir energia elétrica. O vapor de saída da turbina passa por um condensador que tem a função de
transformá-lo em líquido para ser bombeado e retornar à caldeira. (COSTA, 2003; PARO, 2011)
Figura 17 - Ciclo Rankine, no modo Bottoming Cycle
Fonte: do autor
Segundo Barja (2006), a potência destes ciclos geralmente é encontrada na ordem de 0,5 a 100 MW, podendo chegar, como no caso de Angra II, a 1,35 GW. A Figura 18 apresenta uma imagem de caráter comparativo entre uma central termelétrica à vapor com uma central industrial cogeradora de energia. A eficiência energética de uma usina termelétrica à vapor chega a patamares de 35%, possuindo 65% de perdas. Já as centrais de cogeração que também utilizam como fluído de trabalho o vapor d’água, poderão atingir patamares semelhantes de geração de eletricidade, contudo as perdas se restringem em aproximadamente a 18%, uma vez que o calor residual é aproveitado para o processo industrial, o que contempla aos sistemas de cogeração uma eficiência global de 82%.
Figura 18 - Comparação entre uma central termelétrica e uma central de cogeração, ambas utilizando o Ciclo Rankin, respectivamente
Fonte: Barja (2006)
3.2.2. Ciclo Brayton
O Ciclo Brayton é um ciclo de gás e é muito empregado na cogeração de combustíveis fósseis gasosos. Dentre os combustíveis, os principais são: gás natural, gás de coqueira, gás de refinarias, dentre outros. (PARO, 2011)
Neste ciclo, basicamente, o fluido de trabalho – o ar – é comprimido pelo compressor e entra na câmara de combustão juntamente com o combustível – o gás – onde reagem e entram em processo de queima, na câmara de combustão da turbina a gás. Os gases dessa combustão movimentarão o gerador de contrapressão, gerando energia elétrica. Na saída, esse gás, ao invés de ser eliminado, é destinado à caldeira de recuperação onde troca calor com a água. O vapor é enviado ao processo industrial, como forma de calor e é utilizado em determinadas aplicações. A água condensada é bombeada à caldeira, como mostra na Figura 19. Contudo, segundo Barja (2006), os gases de exaustão da turbina também poderão ser usados diretamente para o processo industrial, com as seguintes aplicações: secadores com atomização (argilas, leite, produtos químicos), secadores em estufas (placas de madeira, placas de gesso, produtos agrícolas e alimentícios) e em fornos metalúrgicos de alívio de tensões e reaquecimento. (COSTA, 2003; PARO, 2011; FLORES ARTEAGA, 2010)
A Figura 20 mostra o balanço térmico de duas formas de produção de eletricidade, sendo a primeira geração pura e a segunda aplicação de cogeração de energia.
Evidentemente, fica visível a maior eficiência global do processo da cogeração de energia: eficiência de 80% frente aos 35% da geração pura, o que comprova o melhor aproveitamento energético e eficácia do sistema.
Figura 19 - Ciclo Brayton
Fonte: do autor
Figura 20 - Comparação entre uma central termelétrica e uma central de cogeração, ambas utilizando o Ciclo Brayton, respectivamente
3.2.3. Ciclo Combinado
O Ciclo Combinado, como o próprio nome diz, é o arranjo de dois ciclos: Ciclo
Rankin com o Ciclo Brayton ou o Ciclo Diesel. No exemplo mostrado na Figura 22, o
ciclo Brayton foi utilizado com o ciclo Rankin, que também é considerado a forma mais utilizada. O início do processo acontece de forma idêntica ao modo Brayton, mas o vapor gerado pela caldeira de recuperação é repassado a um gerador de contrapressão para gerar mais eletricidade, e, somente após isso, ele é liberado para troca de calor com o processo industrial. Por fim, a água condensada é bombeada a caldeira.
De acordo com Barja (2006), a principal finalidade desse sistema é aumentar o rendimento global da planta, uma vez que tal aplicação poderá elevar a um rendimento de até 85%. Contudo, vale frisar que o investimento para construção desse tipo de sistema é relativamente alto (rever Figura 6) frente às demais formas – somente é aplicado em locais em que é necessária a maximização de produção de eletricidade e também sendo viabilizado pelo regime operativo industrial. Um exemplo dessa aplicação é a UTE TermoRio, localizada na cidade de Duque de Caxias – RJ, sendo a maior usina termelétrica a gás natural instalada no país, com capacidade de geração de 1,04 GW (Figura 21).
Figura 21 - UTE TermoRio
Figura 22 - Ciclo Combinado
Fonte: do autor
3.2.4. Ciclos: Diesel e Otto
Os Ciclos Diesel e Otto contemplam formas de cogeração de energia através de motores alternativos. São muito aplicados em sistemas de energia isolados, embarcações, hospitais, shopping centers, hipermercados, aeroportos; embora o sistema Otto seja mais empregado em situações menores, com um sistema de recuperação de até 160°C a uma pressão de até 20 bar. (FLORES ARTEAGA, 2010)
No Ciclo Diesel e no Ciclo Otto, o combustível é queimado no motor de combustão gerando força mecânica e por consequência eletricidade, e os gases, a serem eliminados da combustão, trocam calor com a água, em uma caldeira de recuperação. O vapor é destinado a algum processo e retorna para trocar calor novamente quando for condensado e bombeado após o aproveitamento. O processo descrito pode ser visualizado na Figura 23. A aplicação direta dos gases de exaustão em processos térmicos é outra configuração passível de ser empregada.
Figura 23 - Ciclos: Diesel e Otto
Fonte: Paro (2011)
No item subsequente serão descritas as principais diferenças entre os motores supracitados, entretanto o que vale destacar é o rendimento de motores diesel, que pode chegar a até 50%, enquanto que em motores otto o rendimento médio chega a 35%. (BARJA, 2006)
Conforme descrito anteriormente, tecnologicamente é possível empregar o Ciclo Combinado nessa topologia, porém dada a baixa temperatura dos gases de exaustão – que podem giram em torno de 300 a 400°C, no máximo – deixa de ser viável técnica e economicamente tal emprego.
A Figura 24 mostra a comparação entre um sistema de geração pura de eletricidade com um sistema de cogeração, aplicando a mesma quantidade de combustível. Quanto à geração de energia elétrica, ambos apresentam a mesma proporção, contudo a eficiência global aplicando o sistema de cogeração gira em torno de 75% frente aos 35% do modo convencional, uma vez que as perdas nos gases de exaustão, bem como as perdas no resfriamento de óleo e água, são reaproveitadas para geração de energia térmica.
Um exemplo prático referente à utilização de sistemas de cogeração por meio de motores alternativos é no Aeroporto Internacional Zumbi dos Palmares (AIZP), localizado em Maceió - Alagoas. O sistema, sendo o primeiro a utilizar cogeração de energia em aeroportos no Brasil, comporta capacidade de geração de aproximadamente 1 MVA, sendo
capaz de suprir cerca de 90% do seu consumo de eletricidade (ver Figura 25) além de produzir um terço da demanda de energia térmica. O combustível utilizado para geração é o gás natural. Outro caso prático do uso de motores alternativos para cogeração de energia é no Caxias Shopping, situado em Duque de Caxias – Rio de Janeiro. Nessa aplicação, a potência de geração elétrica gira em torno de 2 MW e se dá através de combustíveis como o gás natural e também o diesel. A geração térmica do processo satisfaz 100% a demanda energética do shopping. (COGEN, 2005; COGENRIO, 2009)
Figura 24 - Comparação entre uma central de geração pura e uma central de cogeração, ambas utilizando motor alternativo, respectivamente
Fonte: Barja (2006)
Figura 25 - Grupo de geradores utilizados no AIZP
3.2.5. Sistemas de Trigeração
Os sistemas de trigeração contemplam a geração de eletricidade e energia térmica na forma de aquecimento e de arrefecimento. A aplicação se dá em ambientes onde há a necessidade de calor e resfriamento como, por exemplo, em hospitais, shopping centers, universidades, aeroportos.
Geralmente são empregados motores alternativos para o princípio de geração, e o processo se assemelha ao Ciclo Diesel e Otto. A diferença acontece, porém, na utilização de chiller de absorção ou chiller de compressão (resfriadores de líquido), uma vez que o fornecimento de água quente (dado através de caldeiras de recuperação) é a fonte de energia para a transformação em água gelada, sendo a última destinada a sistemas de refrigeração de ar, seja para conforto ambiental (ar condicionado) ou conservação de alimentos.
Todavia, a questão financeira é o maior empecilho para a aplicação deste tipo de tecnologia, tendo em vista que o investimento para aquisição dos equipamentos é muito alto. Outro fator negativo é a demanda de um espaço físico para confinar os equipamentos a serem empregados no processo.
3.3. Descrição dos Principais Equipamentos
Na sequência serão descritos os principais equipamentos de um sistema de cogeração industrial: turbina a vapor (Ciclo Rankine), turbina a gás (Ciclo Brayton), motores alternativos (Ciclo Otto e Ciclo Diesel); também serão apresentados os equipamentos complementares, como as caldeiras (tanto de queima quanto de recuperação), geradores e os sistemas auxiliares.
