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AVALIAÇÃO TERMODINÂMICA E TERMOECONÔMICA DO APROVEITAMENTO

ENERGÉTICO DA VINHAÇA NUM SISTEMA DE COGERAÇÃO DE ENERGIA DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA

Thiago Pagoto Alves Luz1, Lucas Fernando Biazotti Bonan1, Rodnei Passolongo1, Ricardo Alan Verdú Ramos1

1 UNESP – Campus de Ilha Solteira, Ilha Solteira, São Paulo, Brasil, [email protected]

Resumo: Neste trabalho é analisado sob o ponto de vista termodinâmico e termoeconômico o aproveitamento da vinhaça num sistema de cogeração de energia de uma usina sucroalcooleira, tendo sido constatado um aumento significativo na geração de energia elétrica. Palavras-chave: Cogeração, Biodigestão, Termoeconomia.

1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

O aumento da geração de energia elétrica através da cogeração em indústrias tem sido crescente no sentido de se evitar a ocorrência de uma nova crise energética. Dentro deste contexto, o setor sucroalcooleiro merece uma posição de destaque, pois pode contribuir e muito para a produção de energia elétrica excedente para comercialização.

Além do aproveitamento atual do bagaço e do início do aproveitamento da palha oriunda do término das queimadas em grande parte das usinas, existe ainda um grande potencial para aproveitamento da vinhaça, que é um subproduto da fabricação do álcool, através do processo de biodigestão. A vinhaça, gerada em grande quantidade, atualmente é utilizada apenas como fertilizante. A biodigestão processa a carga orgânica da vinhaça, gerando o biogás, que pode ser aproveitado para geração de energia elétrica, e a vinhaça biodigerida ainda mantém seu poder fertilizante.

Diante deste contexto, este trabalho tem por objetivo analisar sob o ponto de vista termodinâmico e termoeconômico o aproveitamento da vinhaça num sistema de cogeração de energia de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Existem várias referências bibliográficas envolvendo

estudos sobre gaseificação, incluindo análises termodinâmicas e termoeconômicas, aplicados em usinas sucroalcooleiras, sendo os que mais contribuíram para a realização do presente trabalho são destacados a seguir.

Na referência [1] é feita uma análise termoeconômica do processo de cogeração em uma usina de açúcar e álcool paulista. Os custos exergéticos do processo de geração de vapor e eletricidade foram calculados para várias configurações, a partir de estimativas de excedentes de

eletricidade e dos investimentos correspondentes. Foram aplicados os métodos de “igualdade”, “extração” e “trabalho como subproduto”, para a partição dos custos. Entre as configurações avaliadas, destaca-se uma que consiste na simples troca de equipamentos, mantendo-se os mesmos níveis de pressão nas caldeiras e turbinas de contrapressão, com pequeno investimento em técnicas relativas ao uso racional de energia, visando apenas atingir a auto-suficiência energética. Uma outra configuração estudada consiste no aumento dos níveis de pressão e a realização de investimentos adicionais no uso racional de energia, incluindo a eletrificação das moendas. Por fim, foi analisada uma configuração na qual foram realizados grandes investimentos, através da substituição da turbina de contrapressão por uma de extração-condensação, produzindo, neste caso, significativo excedente de eletricidade.

Na referência [2] são estudadas as quatro principais metodologias termoeconômicas (Análise Funcional Termoeconômica, Teoria do Custo Exergético, Exergoeconomia e Metodologia Estrutural), através da aplicação a um problema de cogeração. Foi analisada a influência da divisão da exergia em parcelas térmica e mecânica para a determinação dos custos dos produtos do sistema. Os diferentes tratamentos dados aos custos das irreversibilidades externas, advindas da saída para o ambiente de correntes portadoras de exergia, revelaram-se essenciais para esclarecer os diferentes valores dos custos dos produtos do sistema.

Na referência [3] é avaliada a viabilidade técnica e econômica de projetos de geração de energia elétrica utilizando como combustível o bagaço, a palha e as pontas da cana-de-açúcar, como opção complementar à expansão do sistema elétrico brasileiro. A tecnologia analisada foi de geração termelétrica com ciclo combinado, operando em cogeração, integrado a sistemas de gaseificação de biomassa para a produção de gás combustível, com e sem adição de gás natural. A análise econômica foi feita através da modelagem e construção de curvas de economicidade do projeto, baseadas nos preços da energia elétrica, do gás natural e nos custos da biomassa.

Na referência [4] é apresentada uma outra análise de custo exergético do sistema de cogeração aplicado na Usina Cruz Alta, localizada na cidade de Olímpia (SP). Porém, neste estudo é enfatizada uma metodologia para a determinação experimental da eficiência do sistema,

Proceedings of the 9th Brazilian Conference on Dynamics Control and their Applications Serra Negra, SP - ISSN 2178-3667 797

AVALIAÇÃO TERMOECONÔMICA DA PROPOSTA DE INTEGRAÇÃO DE UM SISTEMA PARA GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSA EM UMA USINA SUCROALCOOLEIRA

Thiago Pagoto Alves Luz, Lucas Fernando Biazotti Bonan, Rodnei Passolongo, Ricardo Alan Verdú Ramos

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permitindo a determinação do consumo de bagaço de cana da caldeira. Além disso, cada equipamento foi tratado separadamente de forma que os balanços de massa, energia e exergia foram feitos para cada componente do sistema térmico.

Na referência [5] é realizada uma detalhada análise energética e exergética, visando determinar as eficiências de primeira e segunda lei da termodinâmica para os principais equipamentos de duas plantas de usinas sucroalcooleiras, bem como o consumo de combustível envolvido, além de alguns índices de desempenho típicos de sistemas de cogeração. O objetivo fundamental da avaliação foi determinar os custos dos principais fluxos do sistema, considerando os custos como se fosse uma instalação nova, com taxa de juros de 15% ao ano e um período de amortização de 15 anos. Foi avaliada a variação do custo de bagaço e sua influência nos custos dos fluxos da planta e dada ênfase na potência elétrica e nos índices de desempenho.

Na referência [6] é realizada uma avaliação econômico-financeira e ambiental da utilização de tecnologias para a valorização energética do biogás, incluindo a possibilidade de negócios com a venda de créditos de carbono (MDL) relacionados à utilização do biogás no Brasil. Foram feitas análises da produção de biogás, a partir de um modelo teórico e de resultados experimentais, além da modelagem da produção de eletricidade a partir do biogás gerado, para diferentes temperaturas de operação do reator. As análises mostraram o grande potencial para geração de biogás através da vinhaça, mostrando também que os motores de combustão interna ainda apresentam-se como a melhor opção de geração de eletricidade a partir do biogás.

3. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

3.1. Análise Termodinâmica

Considerando processos em regime permanente e desprezando as variações de energia cinética e potencial, as equações de balanço de massa, energia e exergia, para cada volume de controle (VC), são dadas por [7]:

1 1

0= =

− =∑ ∑n n

e si i

m m (1)

0111

=−+− ∑∑∑−−−

n

iss

n

iee

n

ivc hmhmWQ (2)

( )01 1 1

1n n n

i i vc e e s s vci i i

Q T T W m ex m ex I− − −

− − + − =∑ ∑ ∑ (3)

Onde: em - Fluxo de massa na entrada (kg/s);

sm - Fluxo de massa na saída (kg/s);

eh - Entalpia específica na entrada (kJ/kg);

sh - Entalpia específica na saída (kJ/kg);

eex - Exergia específica na entrada (kJ/kg);

sex - Exergia específica na saída (kJ/kg);

iT - Temperatura superficial (K);

0T - Temperatura do fluido no estado de referência (K);

vcI - Taxa de irreversibilidade (kW);

vcQ - Fluxo de calor (kW);

vcW - Potência (kW). Para o cálculo da exergia específica de um fluxo (exf)

pode ser usada a seguinte equação [8]:

( ) ( ) ( )0 0 0 0f i ,i iex h h T s s x= − − − + μ −μ∑ (4)

Onde: h - Entalpia específica do vapor (kJ/kg); s - Entropia específica do vapor (kJ/kgK); h0 - Entalpia da água no estado de referência (kJ/kg); s0 - Entropia da água no estado de referência (kJ/kgK);

0 ,iμ - Potencial químico de referência do elemento;

iμ - Potencial químico do elemento na mistura;

ix - Fração do componente na mistura.

Para o cálculo da exergia específica do bagaço (exbag) é usada a equação apresentada por [8]:

bag bag água água água águaex β (PCI L Z ) ex Z= + + (5)

2 2 2 2

2

H O H N

C C C C

O

C

Z Z Z Z1,0412 0,2160 0,2499 1 0,7884 0,0450

Z Z Z Zβ

Z1 0,3035

Z

⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − + −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦=⎛ ⎞

− ⎜ ⎟⎝ ⎠

(6)

Onde: β - Função das frações de massa dos componentes do

.bagaço (%); iZ - Fração em massa dos elementos químicos (%);

águaZ - Fração em massa de água no bagaço (%);

águaL - Entalpia de vaporização da água (kJ/kg);

águaex - Exergia química da água líquida (kJ/kg).

3.2. Análise Termoeconômica

Após a análise termodinâmica, realiza-se a análise termoeconômica para a determinação dos custos de produção. A análise de custo exergético ou exergoeconômico envolve os balanços de custos para cada um dos componentes de um sistema. Assim, para um dado componente (k) de que recebe calor e gera potência, o balanço de custo deve levar em conta as taxas de custo (R$/s) associadas às exergias de entrada ( iC ) e saída ( oC ),

bem como as taxas de trabalho ( wC ) e de transferência de

calor ( qC ), além da taxa de custo do equipamento ( eC ), considerando o custo do mesmo (Ce) e fatores correspondentes à amortização (fa), despesas fixas (fomf) e


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variáveis (fomv) com a operação e manutenção, de acordo com o fator de carga (FC) e o número de horas de operação (Toper), resultando a equação [9]:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )i w q o ek k k k kC C C C C+ = + +∑ ∑ (7)

Sendo:

( )i i i i i iC c Ex c m ex= = (8)

( )o o o o o oC c Ex c m ex= = (9)

w wC c W= (10)

q qC c Q= (11)

( ) ( )3.600⎡ ⎤= + +⎣ ⎦e e a omf omv operC C f f FC f T (12)

Onde: c - Custo médio por unidade de exergia (R$/kJ); C - Custo monetário (R$); C - Taxa de custo exergoeconômico (R$/s); Ex - Taxa de exergia (kJ/s); Q - Taxa de calor (kJ/s); W - Potência (kJ/s). O fator de amortização (fa) pode ser calculado em função

da taxa percentual de juros anual (j) e do número de anos de vida útil do equipamento (N), de acordo com a seguinte equação [9]:

( ) ( )1 1 1⎡ ⎤ ⎡ ⎤= + + −⎣ ⎦ ⎣ ⎦N N

af j j j (13)

O custo médio por unidade de exergia do combustível ( combc ) é dado por:

/comb comb combc C ex= (14)

Onde: combC - Custo médio por unidade de massa do

combustível (R$/kg); combex - Exergia específica do combustível (kJ/kg).

Vale destacar que foram considerados nas simulações os

seguintes valores: fomf = 0,09;

fomv = 0,01;

FC = 0,75;

Toper = 3.600;

i = 0,12;

j = 20.

3.3. Método de Solução

Para a análise termodinâmica foi utilizado o programa IPSEPro [10], sendo que maiores informações sobre o mesmo podem ser obtidas em www.simtechnology.com. Os sistemas de equações oriundos da análise termoeconômica serão resolvidos utilizando o programa EES [11].

4. DETALHAMENTO DOS CASOS ESTUDADOS

O primeiro caso a ser estudado (Caso 1) é uma planta de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista, mostrada na Fig. (1). Esta planta possui equipamentos modernos e eficientes, com caldeira que produz 170 t/h de vapor a 6.860 kPa e 530 ºC e turbina de extração-condensação de múltiplos estágios. Além disso, todos os acionamentos (moendas, exaustores, ventiladores, bomba de alimentação de água) são eletrificados [12]. A Tab. (1) apresenta dados da safra 2007/2008 da usina.

No segundo caso estudado (Caso 2) é incorporado um sistema de biodigestão da vinhaça à planta da usina do Caso 1. O biogás gerado é consumido em uma turbina a gás, e a energia dos gases de escape dessa turbina é aproveitada para geração de vapor em uma caldeira de recuperação, com produção de vapor para alimentar uma turbina de condensação, de acordo com a Fig. (2).

Tabela 1. Dados da safra 2007/2008 de uma usina do oeste paulista.

Parâmetros Valores Unidades

Cana moída total 1.350.000 t

Dias de safra 223 Dias

Horas efetivas de moagem 4.730 horas

Eficiência Agrícola 94,0 %

Eficiência Industrial 93,0 %

Moagem horária 285,0 t/h

Relação bagaço-vapor 0,47 kg/kg

Teor de fibra da cana 13,15 %

Teor de fibra do bagaço 47,89 %

Umidade do bagaço 50,09 %

Fluxo de bagaço na caldeira 78,3 t/h

Vazão de vapor na caldeira 165,0 t/h

Consumo de vapor no processo 130,0 t/h




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Fig. 1. Planta atual de uma usina do oeste paulista (Caso 1).

Fig. 2. Planta integrada para gaseificação da vinhaça (Caso 2).


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5. RESULTADOS

A seguir serão apresentados os resultados referentes à análise termoeconômica efetuada como forma complementar à análise termodinâmica feita anteriormente por [13].

Os custos dos equipamentos das configurações estudadas foram estimados a partir de informações disponíveis na literatura [14-15] e são apresentados na Tab. (2).

Tabela 2. Custo estimado dos equipamentos do Caso 1.

Equipamento Custo (R$)

Caldeira MC (170 t/h) 20.000.000,00

Turbogerador Extração-Condens. (32 MW) 34.000.000,00

Turbogerador de Contrapressão (12 MW) 4.000.000,00

Condensador 600.000,00

Dessuperaquecedor 100.000,00

Desaerador 2.600.000,00

Evaporação do Caldo 1.000.000,00

Bomba de Alimentação Caldeira (170 t/h) 1.800.000,00

Biodigestor (180 m3/h) 13.500.000,00

Turbina a Gás (6 MW) 3.500.000,00

Caldeira de Recuperação (185 t/h) 12.500.000,00

Na configuração da planta atual da usina (Caso 1),

somente os custos de operação e manutenção incorrem sobre os equipamentos, pois estes são considerados já amortizados.

Na Fig. (3) é apresentada a variação do custo de geração de energia elétrica para os turbogeradores em função do preço do bagaço, enquanto a Fig. (4) mostra a variação do custo de produção do vapor de processo. Os custos de geração de energia elétrica e de vapor de processo foram de R$ 87,60/MWh e de R$ 10,30/t de vapor, considerando que o bagaço custe R$ 25,00/t.

Na configuração do Caso 2, os equipamentos são considerados novos, portanto, além dos custos de operação e manutenção, devem ser adicionados os custos do capital investido, considerando uma taxa de juros de 12 % ao ano por um período de 20 anos.

Na Fig. (5) é apresentada a variação do custo de geração de energia elétrica média em função do custo tanto do bagaço quanto da vinhaça, enquanto a Fig. (6) mostra a variação do custo de produção do vapor de processo, para a configuração do Caso 2, onde envolve a gaseificação de 180 m³ de vinhaça por hora.

Fig. 3. Custo médio da energia elétrica gerada em função do custo do

bagaço (Caso 1).

Fig.4. Custo médio do vapor de processo em função do custo do bagaço

(Caso 1).

Fig. 5. Custo médio da energia elétrica gerada em função dos custos do bagaço e vinhaça (Caso 2).




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Fig. 6. Custo médio do vapor do processo em função dos custos do bagaço e vinhaça (Caso 2).

Os custos médios de geração de energia elétrica e de produção de vapor para o processo são apresentados na Tab. (3) e foram obtidos considerando o custo de R$ 25,00 por tonelada de bagaço e R$ 18,00/m³ de vinhaça.

Tabela 3. Geração da eletricidade, geração do vapor de processo e

eletricidade produzida.

Parâmetros Caso 1 Caso 2

Custo de geração de eletricidade (R$/MWh) 88,5 74,2

Custo de geração do vapor de processo (R$/t) 10,2 11,0

Quantidade de eletricidade produzida (MW) 32.8 48.7

Comparando os casos, nota-se uma variação considerável no custo de geração de eletricidade devido tanto ao custo de investimento quanto à quantidade de eletricidade produzida.

Com a implantação da planta de gaseificação de vinhaça (Caso 2) ocorreu um grande aumento no valor do custo da geração de energia (114,5 %) e o custo do vapor do processo também aumento 18,1 %. Neste caso a produção de eletricidade cresceu 20,5 %. É importante observar que o custo de geração de eletricidade do Caso 2 apresenta uma grande sensibilidade em relação ao custo da vinhaça, de forma que se o preço da vinhaça pudesse ser considerado R$ 5,00/t, o custo médio da eletricidade seria de R$ 115,00/t.

A opção pela geração de excedentes de energia elétrica exige concepções tecnológicas mais avançadas, que permitam um melhor aproveitamento energético do combustível. Com uma elevação dos níveis de pressão e temperatura do vapor da caldeira consegue-se diminuir as irreversibilidades associadas às grandes diferenças de temperaturas entre os produtos de combustão e o fluido trabalhado. A utilização de um turbogerador de alta eficiência contribuiu para a diminuição das perdas no processo de produção de potência, o que, consequentemente, favorece a diminuição do custo unitário de geração.

6. CONCLUSÃO

Os resultados mostram que a gaseificação da biomassa possibilita um aumento significativo na geração de energia

elétrica da planta, para uma mesma moagem. A tecnologia da gaseificação da vinhaça apresentou o

maior custo de produção de eletricidade (R$ 189,90), em virtude do alto investimento necessário para o pequeno aumento na geração de eletricidade obtido. É importante observar ainda que este caso apresenta uma grande sensibilidade em relação ao custo da vinhaça, de forma que se o custo deste insumo pudesse ser considerado de R$ 5,00/t, o custo da eletricidade seria de R$ 115,00/MWh.

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq, pelo fornecimento de bolsas de iniciação científica, e à FAPESP, pelo fornecimento de toda a infraestrutura computacional (Processo 05/1197-6) e de uma bolsa de mestrado (Processo 08/56944-9).

REFERÊNCIAS

[1] Coelho, S.T., Oliveira Jr., S., Zylberstajn, D., “Análise Termoeconômica da Cogeração de Eletricidade a Partir do Bagaço da Cana em uma Usina”, Anais do XIV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (em CD-ROM), Bauru, 8 p., 1997.

[2] Cerqueira, S.A.A.G., “Metodologias de Análise Termoeconômica de Sistemas”, Tese de Doutorado, Departamento de Energia, Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP, Campinas, 137 p., 1999.

[3] Corrêa Neto, V., “Análise de viabilidade da cogeração de energia elétrica em ciclo combinado com gaseificação de biomassa de cana-de-açúcar e gás natural”, Tese de Doutorado, COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, 194 p., 2001.

[4] Sánchez Prieto, M.G.S., Carril, T.P., Nebra, S.A., “Análise do custo exergético do sistema de geração de vapor da usina Cruz Alta”, Anais do XVI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Vol. 4, Uberlândia, pp. 196-205, 2001.

[5] Sánchez Prieto, M.G.S., “Alternativas de cogeração na indústria sucro-alcooleira: Estudo de caso”, Tese de Doutorado, UNICAMP, Campinas, 255 p., 2003.

[6] Salomon, K.R., Lora, E.E.S., Monroy, E.F.C., “Custo do biogás proveniente da biodigestão da vinhaça e sua utilização”, Anais do 8º Congresso Iberoamericano de Engenharia Mecânica (em CD-ROM), Cusco, Peru, 8 p., 2007.

[7] Bejan, A., “Advanced Engineering Thermodynamics”, John Wiley & Sons, New York, 850 p, 1988.

[8] Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R., “Exergy analysis of thermal, chemical and metallurgical process”, Hemisphere Publishing Corporation, New York, 332 p., 1988.

[9] Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M., “Thermal Design & Optimization”, John Wiley & Sons, Inc., N.Y., 542 p., 1996.

[10] Simtech IPSEpro, [S.l.], “Process Simulation Environment”. Manual version 4.0.001, 1991-2003.


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[11] Klein, S.A., Alvarado, F.L., “EES – Engineering Equation Solver”, F-Chart Software, Middleton, WI, 1995.

[12] Fiomari, M.C., “Análise energética e exergética de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista com sistema de cogeração de energia em expansão”, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Mecânica, UNESP, Ilha Solteira, 129 p., 2004.

[13] Passolongo, R., Ramos, R.A.V., Woiski, E.R., Maia, C.R.M., “Integration of biomass gasification systems in a sugar-ethanol factory: Study of cases”, Proceedings of the 22nd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, Foz do Iguaçu, pp. 1371-1380, 2009.

[14] Gas Turbine World Handbook (2001-2002).

[15]Garagatti Arriola, D.W., “Sistema tri e tetra combinado de cogeração: Avaliação exergética e termoeconômica” Dissertação de Mestrado, USP, São Paulo, 206 p., 2000.


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