Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro

Joaquim E. A. Seabra

FEM / UNICAMP

jeaseabra@fem.unicamp.br

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

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1992

1994

1996

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2000

2002

2004

2006

2008

Gera

ção

[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

Elec

trici

ty p

rodu

ctio

n (k

Wh/

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

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20

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80

100

120

140

160

22-C

P

65-C

P

90-C

P

65-C

ES

T

90-C

ES

T

65-C

ES

T(A

T)

90-C

ES

T(A

T)

Ener

gia

(kW

h/tc

)

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60

70

Potência (MW

)

Excedente - safra (kWh/tc) Excedente - entressafra (kWh/tc)

Capacidade instalada (MW) Excedente - safra (MW)

Excedente - entressafra (MW)

Seabra (2008)

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65-C

P

90-C

P

65-C

ES

T

90-C

ES

T

65-C

ES

T(A

T)

90-C

ES

T(A

T)

R$/M

Wh

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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Auto-suficiência

Médiabrasileira

Média das80

melhores

Melhoresresultados

PotencialCEST

BIG-CC

Ger

aaçã

o de

ele

trici

dade

[kW

h/tc

]

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

de E

letri

cidad

e, M

Wh

Hidrelétricas + TérmicasHidrelétricas + Térmicas

Hidrelétricas

Hidrelétricas

Margem Base

Walter (2007)

Fatores de emissão

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0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

Fato

r de

emiss

ão m

édio

[t C

O2/

MW

h]

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 EthanolBagasse use Low pressure

cogenerationAdvanced

cogenerationBiochemical 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 EthanolTotal 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)

Obrigado!

jseabra@fem.unicamp.br