cogeração de energia no setor sucroalcooleiro joaquim e. a. seabra fem / unicamp...
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Escopo da apresentação
• Geração de eletricidade e cogeração a partir da biomassa: situação atual e perspectivas, no Mundo.
• Geração de eletricidade e cogeração a partir da biomassa no Brasil.
• Cogeração a partir da biomassa residual da cana: situação atual e potencial.
• Cogeração e MDL.
• Tecnologia BIG-GT(CC).
• Segunda geração x eletricidade.
Experiências mundiais relevantes
• Em todo o mundo, boa parte da geração de eletricidade a partir da biomassa está baseada em resíduos, principalmente no próprio local onde estes são disponibilizados.
• Assim, grande parte da capacidade existente está nas usinas de açúcar e álcool, nas indústrias de celulose, e com emprego de resíduos sólidos urbanos, seja a partir de sua incineração ou a partir do aproveitamento dos gases gerados na sua decomposição.
Geração de eletricidade no Cenário de Referência WEO 2009
• Biomassa para energia elétrica cresce de 259 TWh em 2007 para 840 TWh em 2030. A maior parte vem de plantas de CHP; outras áreas de uso incluem co-firing em plantas a carvão e gás de aterro.
Fração de renováveis na geração de energia elétrica
Capacidade instalada
Investimento em fontes renováveis para eletricidade
Comparação com cenário 450
Comparação com cenário 450
Tecnologias e perspectivas
• No presente, a tecnologia majoritária é a dos ciclos a vapor. As UTEs a biomassa são uma ordem de grandeza menores do que as UTEs a carvão, com impacto sobre os custos de capital.
• São menos eficientes: rendimentos da ordem de 50% das UTEs a carvão (40-50%).
• As tecnologias comerciais mais eficientes são cogeração e co-firing.
• As maiores expectativas estão nos ciclos baseados na gaseificação da biomassa (tecnologia não comercial, com apenas uma unidade construída até hoje).
Sistemas de potência a vapor
Potência e calor
Cogeração
Tecnologias e perspectivas
• A viabilidade da geração de eletricidade a partir da biomassa depende do custo da biomassa, e do custo da instalação. Se não houver biomassa residual, e/ou a baixo custo, as perspectivas são limitadas.
• No caso de biomassa residual, não há emissões de GEE associadas à biomassa. Nesse caso, a redução das emissões depende da tecnologia de geração que é deslocada.
• Se for preciso plantar, transportar biomassa, etc., as emissões evitadas serão menores.
• Custos de geração de 20 US$/MWh no caso de co-firing (em situações favoráveis; baixíssimos custos de emissões evitadas) e de 100-150 US$/MWh no caso de BIG-GT (estimativas; altos custos de emissões evitadas).
Geração de eletricidade a partir da biomassa – Brasil
• 4,5% da geração total em 2006.
• 4,5% da capacidade total instalada em Novembro de 2008.
• 4,6 GW, sendo 3,4 GW nas usinas de cana, 0,86 GW nas indústrias de celulose e papel e 0,24 GW com resíduos de madeira.
• + 42 MW com biogás e 25 MW com casca de arroz.
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1970
1972
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2000
2002
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2006
2008
Ger
ação
[TW
h]
Bagaço de cana
Outras recuperações
Lixívia
Lenha
Walter (2009)
Perspectivas para o Brasil
• Os custos de produção de biomassa são mais baixos no Brasil em relação a vários países do Mundo, mas o nicho aqui também está no aproveitamento dos resíduos.
• O sistema elétrico brasileiro tem particularidades que reduzem o potencial econômico da geração a partir da biomassa. O sistema elétrico precisa de complementação térmica, com unidades flexíveis, o que não é o caso da cogeração com resíduos.
• O aproveitamento de resíduos onde estão disponíveis, inclusive com geração de eletricidade excedente, não deve ser solução geral, mas pode ter grande importância local ou regional.
Cogeração a partir da biomassa residual da cana
• A figura ao lado mostra a evolução da produção de eletricidade a partir da biomassa residual da cana (bagaço, principalmente), a partir de 1990.
• Há comercialização de eletricidade excedente desde 1987. Em termos médios, só em 1995 as usinas brasileiras atingiram a auto-suficiência.
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1985 1990 1995 2000 2005 2010
Ele
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kWh
/tc)
Walter (2009)
Processos
Caldeira MP
Bagaço
22 bar / 300� C
2,5 bar
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – tecnologia básica
Processos
Caldeira AP
Bagaço
Caldeira MP
Bagaço
Vapor 22 bar
Vapor 2,5 bar
Vapor AP
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – uma boa configuração
Processos
Caldeira AP
Cond.
Bagaço / palha
Vapor AP
Vapor 2,5 bar
Melhor tecnologia “comercialmente” disponível: (i) geração de vapor a > 60 bar, 450°C, (ii) redução da demanda de vapor de processo para 300 kgv/tc, ou menos, (iii) eletrificação dos processos de acionamento mecânico, e (iv) queima conjunta de bagaço e palha da cana.
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – a “melhor” configuração
Problemas (potenciais) para queima da palha
Componentes
Rendimentos
Exportada Combust. Calor/Pot. EficiênciaAlternativa Instalada Total Adicional Total Exportada Relação Total
Safra Entre-s (MWh) El.+Mec. Só E. %21bar-300C - Coge 8 2,9 0 12 900 Não 37,6 9,9 8,7 7543bar-400C - Coge 12 6,9 0 30 700 Não 51,3 23,6 6,4 7961bar-450C - Coge 16 9,8 0 43 900 Não 61,4 33,7 5,3 7981bar-480C - Coge 19 11,9 0 53 200 Não 68,6 40,9 4,8 79101bar-520C - Coge 21 13,8 0 61 700 Não 75,2 47,5 4,4 7943bar-400C - CEST 26 18,1 18,1 138 000 Sim 133,8 106,1 1,7 4561bar-450C - CEST 28 20,3 20,3 154 900 Sim 146,9 119,2 1,5 4781bar-480C - CEST 30 21,5 21,5 164 300 Sim 154,1 126,4 1,4 48101bar-520C - CEST 32 22,8 22,8 174 000 Sim 161,6 133,9 1,4 49BIG/GT - 1 Modulo 34 28,1 29,2 218 000 Sim 195,8 167,6 1,2 51BIG/GT - 2 Modulo 64 43,3 58,4 378 000 Sim 319,5 290,7 0,6 50
Notas: Coge - Vapor para Porcesso: 500 kg/tc - Combustível : BagaçoCEST - Vapor para Processo: 340 kg/tc - Combustível: bagaço + 40 % palhaBIG/GT 1 Modulo - Vapor para Processo: 340 kg/tc - Combustível: bagaço + 40% palhaBIG/GT 2 Module - Vapor para Processo: 280 kg/tc - Combustível: bagaço + 70% palhaMoagem 1,3 milhões t de cana 290 tchPara todos os casos os geradores são de alta-pressãoPara 43 bar todas as turbinas são de 43 bar
Energia Elétrica (MW) Potência (kW/tc)Exportada
CTC (2001)
Investimento
EPE (2008)
Rendimentos e custos da eletricidade excedente
0
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22-C
P
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P
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P
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ES
T
90-C
ES
T
65-C
ES
T(A
T)
90-C
ES
T(A
T)
En
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kWh
/tc)
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Po
tência (M
W)
Excedente - safra (kWh/tc) Excedente - entressafra (kWh/tc)
Capacidade instalada (MW) Excedente - safra (MW)
Excedente - entressafra (MW)
Seabra (2008)
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P
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65-C
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T)
90-C
ES
T(A
T)
R$/
MW
h
Capital O&M Biomassa
Plano Decenal de Energia 2019
Energia contratada x potencial técnico de bagaço de cana-de-açúcar
EPE (2010)
Plano Nacional de Energia 2030
Geração de energia elétrica excedente a partir da biomassa do setor sucroalcooleiro. Segundo as tecnologias de geração termelétrica empregadas na expansão e renovação no parque industrial do setor sucroalcooleiro – GWh/ano
EPE (2007)
Comparando resultados e potencial
• A figura ao lado mostra uma comparação de resultados associados a diferentes alternativas de geração de eletricidade por cogeração.
• A relação entre a situação de auto-suficiência e a potencial geração em ciclos BIG-CC é 23, e 13 em relação aos sistemas CEST otimizados.
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150
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250
300
Auto-suficiência
Médiabrasileira
Média das80
melhores
Melhoresresultados
PotencialCEST
BIG-CC
Ger
aaçã
o d
e el
etri
cid
ade
[kW
h/t
c]
Walter (2007)
Redução das emissões de GEE - MDL
• Vários projetos de expansão da cogeração em usinas foram submetidos no âmbito do MDL.
• O cálculo das emissões evitadas segue metodologia aprovada pela UNFCCC.
Cálculo da margem combinada
Esquema da operação em um dia
Térmicas
Térmicas
0 6 12 18 24
Horas do dia
Gera
ção d
e E
letr
icid
ade,
MW
h
Hidrelétricas + TérmicasHidrelétricas + Térmicas
Hidrelétricas
Hidrelétricas
MargemBase
Walter (2007)
Fatores de emissão
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
Fato
r de
emis
são
méd
io [
t CO
2/M
Wh]
Margem de operação 2007
Emissões para plantas de geração
Weisser (2007)
CARB
LUC: 46 g CO2eq/MJ
California ARB (2009)
US EPA
EPA (2010)
Ciclos combinados
O desafio do desenvolvimento tecnológico – e.g., BIG-CC
B-IGCC aquecimento indireto
Jin et al. (2009)
B-IGCC pressurizado
Jin et al. (2009)
Eficiências e custos projetados
Jin et al. (2009)
Juice processing
Cane juice Ethanol
Bagasse
Mill’s power plant
ElectricitySteam
Electricity
Bagassesurplus
Juice processing
Cane juice Ethanol
Cane trash
Bagasse
Mill’s power plant
Electricity option:Power plant
ElectricitySteam
Electricity
Bagassesurplus
Ethanol
Electricity
Ethanol option:Biochem. conversion
plant
OR
Adjacent plant
Electricity
Exemplos de biorrefinarias de cana
Seabra and Macedo (2011); Macedo and Seabra (2008)
Plantas anexas
Aproveitamento da biomassa
Parameter Units 2006 2020 Electricity 2020 Ethanol
Bagasse use Low pressure cogeneration
Advanced cogeneration
Biochemical conversion
Electricity surplus kWh/tc 9.2 130 50
Trash recovery % total 0 40% 40%
Bagasse surplus % total 9.6% 0 0
Ethanol yield L/tc 86 91 124
Capacidade de mitigação de emissões de GEE (kg CO2eq/t cana)
Parameter 2006 2020 Electricity 2020 Ethanol
Total emissions 42.6 40.0 42.3
Avoided emissions -201.5 -281.8 -310.2
Gasoline displacement -182.2 -76.6 -29.7
Marginal electricity displacement -6.4 -205.1 -280.5
Fuel oil displacement -12.9 0.0 0.0
Net avoided emissions -158.9 -241.8 -267.9
Capacidade de mitigação de emissões de GEE
Segunda geração x eletricidade
Walter e Ensinas (2010)
Rota Termoquímica x Bioquímica
Seabra et al. (2010)
