Tecnologias, Oportunidades e Estudos para o Incremento da Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro

Ricardo Alan Verdú Ramos

Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de Energia

Departamento de Engenharia Mecânica – UNESP / Ilha Solteira nuplen@dem.feis.unesp.br – www.dem.feis.unesp.br/nuplen

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Palestra

Tecnologias, Oportunidades e Estudos

Tecnologias, Oportunidades e Estudos

para o Incremento da Cogera

para o Incremento da Cogera

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Energia no Setor Sucroalcooleiro

Roteiro da Apresentação

¾ Constituição da Matriz Energética Brasileira;

¾ Fontes de Energia nas Matrizes Energética e Elétrica Brasileira;

¾ Evolução da Oferta e Demanda de Energia Elétrica no Brasil;

¾ Projeções do Plano Decenal de Expansão da Eletricidade no Brasil;

¾ Cogeração no Setor Elétrico Brasileiro;

¾ Cogeração no Setor Sucroalcooleiro (Vantagens, Perspectivas de Expansão, Tecnologias, Fatores Importantes e Incentivos para Aumento da Produção de Eletricidade);

¾ Definição de Índices Termodinâmicos e de Parâmetros Importantes de Operação no Setor Sucroalcooleiro;

¾ Exemplo de Simulação de uma Planta Real (Pioneiros Bioenergia), mostrando a Expansão do Sistema de Cogeração e os Benefícios Decorrentes.

Constituição da Matriz Energética Brasileira

Fontes de Energia na Matriz Energética Brasileira

Fontes de Energia na Matriz Elétrica Brasileira

Projeções do Plano Decenal de Expansão da Eletricidade

Oferta x Demanda de Eletricidade

Oferta Existente Demanda Alta (6,5% aa) Demanda de referência (5,1% aa)

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

-5.907 1.908 3.654 1.362 573 8.268 4.688 5.967 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 PCH, PROINFA, outros Térmica Hidráulica 5.369 2.796

Acréscimo da Geração de Energia no Brasil 2006-2015 (MW)

Cogeração no Setor Elétrico Brasileiro

¾ 1970-1980: Cogeração tem importância mundial depois da crise do petróleo;

¾ 1980-1990: Cogeração começa a ser priorizada no Brasil, visando à minimização dos impactos ambientais provocados por outras fontes;

¾ 1996: Criação da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL);

¾ 1998: Criação do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e do Mercado Atacadista de Energia (MAE);

¾ 2000: Criação do Programa Prioritário de Termeletricidade (PPT);

¾ 2001: Criação da Câmara de Gestão da Crise Energética (CGCE);

¾ 2002: Criação do Programa de Incentivos as Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) ;

¾ 2004: Criação da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) e da Câmara Central de Energia Elétrica (CCEE);

¾ 2005: Entrou em vigor o Protocolo de Kyoto, permitindo a comercialização de créditos de carbono oriundos, dentre outras fontes, da cogeração.

Vantagens da Cogeração no Setor Sucroalcooleiro

¾ Vantagens estratégicas: Geração descentralizada próxima aos pontos de carga, não necessitando de maiores investimentos em transmissão. No caso particular da geração na região Sudeste e Centro-Oeste, ela ocorre durante o período seco, podendo complementar de forma eficiente a geração hidrelétrica;

¾ Vantagens econômicas: Combustível e equipamentos nacionais, dinamiza-ção no setor de máquinas e equipamentos, com o conseqüente aumento na arrecadação de impostos;

¾ Vantagens sociais: Utilização de mão-de-obra na zona rural;

¾ Vantagens ambientais: Combustível limpo e renovável, com balanço nulo de

Perspectivas de Crescimento do Setor Sucroalcooleiro

Fonte: UNICA (2007)

Safra 2006/2007

Safra 2006/2007 Safra 2012/2013Safra 2012/2013 Unidades

Unidades Moagem (10Moagem (1066_{tonton)) (%)(%) UnidadesUnidades Moagem (10Moagem (10}66_{tonton)) (%)(%)}

N/NE 74 53 12,46 75 60 8,24 SP 148 264 62,06 179 387 53,22 MG 25 29 6,83 45 79 10,90 MS 10 12 2,74 23 59 8,04 MT 11 13 3,10 11 18 2,45 PR 27 32 7,52 31 56 7,65 GO 15 16 3,79 32 57 7,85 RJ 8 3 0,81 9 7 0,98 ES 6 3 0,68 6 6 0,77 RS 1 0 0,02 1 0 0,03 Total 325 425 100 412 728 100 Região Região Estado Estado

Localização das Usinas Sucroalcooleiras Existentes e Previstas

Auto-Produção e Exportação de Energia no Setor Sucroalcooleiro

Fonte: MME/EPE (2006)

Valores em GWh

Potencial de Geração de Bioeletricidade (2007-2013)

Fatores Importantes para Incremento da Cogeração

¾ Melhoria da eficiência de uso de vapor nos processos, reduzindo seu consumo e usando a quantia economizada para produzir mais eletricidade;

¾ Modificações nos sistemas tradicionais para aumento da pressão e temperatura do vapor e utilização de turbinas de extração-condensação

de múltiplos estágios, possibilitando melhora na eficiência do ciclo;

¾ Eletrificação dos acionamentos de moendas, picadores e desfibradores (motores elétricos ou eletro-hidráulicos);

¾Aproveitamento da palha (pontas e folhas) da cana-de-açúcar como combustível, além do bagaço;

¾ Uso de tecnologias mais avançadas como é o caso da gaseificação da biomassa e co-firing (ainda em desenvolvimento);

¾ Outros incentivos existentes e necessários para incremento da Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro.

Estimativa de Produção de Eletricidade em uma Planta Teórica

Parâmetro

Parâmetro Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3 Caso 4Caso 4 Caso 5Caso 5 Caso 6Caso 6 Caso 7Caso 7

Pressão do vapor (bar) 22 40 65 92 120 65 92 Temperatura do vapor (o_C) 300 350 510 520 550 510 520 Demanda de vapor (kg/tcana) 500 500 342-402 342-402 342-402 342-402 342-402 Consumo de energia elétrica (kWh/tcana) 12-15 12-15 32 32 32 32 32 Consumo de energia mecânica (kWh/tcana) 15-20 15-20 - - - - -Eficiência nominal da turbina (%) 68 75 85 85 87 85 87 Eficiência nominal da caldeira (%) 80 85 88 88 88 88 88 Geração específica de excedente (kWh/tcana) 10-15 20-35 60-70 70-80 80-100 125-130 132-145

Exemplo de Simulação de uma Planta Real (Pioneiros Bioenergia)

Parâmetros

Parâmetros Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3

Cana moída total (t) 1.100.000 1.300.000 1.400.000 Horas efetivas de moagem 4.609 4.695 4.914 Moagem horária (t/h) 237,0 276,9 284,9 Relação bagaço-vapor (kg/kg) 0,52 0,47 0,47 Pressão do vapor gerado (kgf/cm2_{) 22 66 66}

Temperatura do vapor gerado (°C) 300 530 530 Teor de fibra da cana (%) 12,6 13,5 13,5 Teor de fibra do bagaço (%) 46,2 47,4 47,4 Fluxo de bagaço na Caldeira AZ (t/h) 26,0 - -Fluxo de bagaço na Caldeira SZ (t/h) 37,4 - -Fluxo de bagaço na Caldeira MC (t/h) - 70,5 70,5 Fluxo de bagaço residual (t/h) 1,3 8,4 10,6 Capacidade nominal dos geradores 1, 2 e 3 (kW) 1.200 - -Capacidade nominal do gerador A (kW) - 32 32 Capacidade nominal do gerador T (kW) - 5 5

Caso 1: Caldeiras 22 bar e 300 °C, Turbogerador de contrapressão Acionamento das moendas por TV de Contrapressão

Caso 2: Caldeira 66 bar e 530 °C, Turbogerador extração-condensação, Acionamento das moendas por TV de Contrapressão

Caso 3: Caldeira 66 bar e 530 °C, Turbogerador extração-condensação, Acionamento das moendas por Motores Elétricos

Parâmetros Característicos

Parâmetros Caracter

Parâmetros Caracteríísticossticos Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3

Vapor-Cana (kg/t) 501,2 498,6 450,1 Potência-Cana (kWh/t) 13,5 72,7 109,6 Vapor-Potência (kg/kWh) 19,4 8,1 4,9 Bagaço-Potência (kg/kWh) 10,1 2,9 2,3 Eficiência Global (%) 60,5 64,5 65,8 Eletricidade Produzida (kW) 3.189 20.132 31.226 Fonte: Fiomari (2004) vapor vc cana m R m = & & ele pc cana W R m = & & vapor vp ele m R W = & & bag bagpot ele mec m R W W = + & & & bag bag cond bomb dest evap mec ele global m PCI Q W Q Q W W η & & & & & & & _{+ + + − −} =

Planta Simplificada da Pioneiros Bioenergia (Safra 2007-2008)

Fonte: Almeida (2007)

Aplicativo criado no programa Excel para resolução das equações termodinâmicas e análise dos resultados

Fotos dos principais equipamentos instalados (Retrofit)

Motores Preparo de Cana Motores Acionamento Moendas

Turbina TGM (TM15000A) Turbina Alstom (VE32)

Caldeira MC 150/70

Custos envolvidos no Retrofit da Planta da Pioneiros Bioenergia

Fonte: Rodrigues (2007)

¾ Capacidade de Moagem: 1.400.000 toneladas da cana por ano

¾ Conexão: R$ 7.000.000,00

¾ Casa de Força: R$ 20.000.000,00

¾ Geração de Vapor: R$ 26.000.000,00

¾ Melhoria Consumo Vapor do Processo: R$ 5.000.000,00

¾ Eletrificação Acionamentos: R$ 12.000.000,00

¾ Total: R$ 70.000.000,00 (Valor Base: Ano 2005)

¾ Relação Investimento / Energia Exportada: R$ 3.500,00 / kWh exportado

¾ Obs: Valor investido representa aproximadamente 20% do custo total de uma

Conclusões

¾ Diante do que foi exposto, verifica-se que existe um grande potencial e tecnologia disponível para expansão da cogeração no setor sucroalcooleiro brasileiro.

¾ Outro fato relevante é que a maior parte das usinas do setor está enfrentando a necessidade de troca de equipamentos por estarem no final de sua vida útil.

¾ Por este motivo, esta seria uma excelente oportunidade para a introdução de equipamentos mais eficientes, que permitiriam não só o aumento da capacidade de moagem, mas também a geração de excedentes de eletricidade para comercialização.

¾ Espera-se, com isso, contribuir para a não ocorrência da falta de eletricidade no Brasil nos próximos anos.

Agradecimentos

¾ À FAPESP, pelo financiamento do projeto de Pesquisa: Análise de Sistemas de

Geração e Cogeração de Energia Utilizando Biomassa e/ou Gás Natural, o qual

permitiu uma grande melhoria na infra-estrutura do NUPLEN;

¾ Ao Eng. Mecânico Marcelo Caldato Fiomari, ex-aluno da FEIS, ex-orientado de Mestrado do PPGEM e atual Gerente Industrial da Pioneiros Bioenergia;

¾ Ao Eng. Mecânico Eduardo Miranda de Almeida, ex-aluno da FEIS, mestrando do PPGEM e atual Engenheiro da Pioneiros Bioenergia;

¾ À Pioneiros Bioenergia, pela sempre boa convivência, pelo fornecimento de dados representativos do setor e por permitir aos seus funcionários a continuidade dos estudos a nível de especialização e pós-graduação;

¾ Aos orientados de iniciação científica e de pós-graduação pelo auxílio nas pesquisas e preparação deste material.

Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de Energia

Departamento de Engenharia Mecânica – UNESP / Ilha Solteira

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