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

Ricardo Alan Verdú Ramos

Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de EnergiaDepartamento de Engenharia Mecânica – UNESP / Ilha Solteira

[email protected] – www.dem.feis.unesp.br/nuplen

Fone: (18) 3743-1054 – Fax: (18) 3742-2992

SeminSeminááriorio InternacionalInternacional de de EnergiasEnergias RenovRenovááveisveis, , LimpasLimpas e Cogerae Cogeraççãoão

ITM Expo Feiras e Convenções – São Paulo (SP) – 27 a 29/11/2007

Palestra

Tecnologias, Oportunidades e Estudos Tecnologias, Oportunidades e Estudos para o Incremento da Cogerapara o Incremento da Cogeraçção de ão de

Energia no Setor SucroalcooleiroEnergia no Setor Sucroalcooleiro


Roteiro da Apresentação

Constituição da Matriz Energética Brasileira;

Fontes de Energia nas Matrizes Energética e Elétrica Brasileira;

Evolução da Oferta e Demanda de Energia Elétrica no Brasil;

Projeções do Plano Decenal de Expansão da Eletricidade no Brasil;

Cogeração no Setor Elétrico Brasileiro;

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

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

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

Fonte: MME/EPE (2005)


Fontes de Energia na Matriz Energética Brasileira

Fonte: MME (2006)


Fontes de Energia na Matriz Elétrica Brasileira

Fonte: MME (2006)


Projeções do Plano Decenal de Expansão da Eletricidade

Fonte: MME / PDEE 2006-2015


Oferta x Demanda de EletricidadeM

Wm

édio

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

55.000

60.000

65.000

70.000

75.000

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

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Fonte: COGEN-SP (2007)


-

-

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, outrosTérmicaHidráulica

5.369

2.796

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



Cogeração no Setor Elétrico Brasileiro

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Cogeração no Setor Sucroalcooleiro (Sistema Tradicional)


Vantagens da Cogeração no Setor Sucroalcooleiro

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;

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

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

Vantagens ambientais: Combustível limpo e renovável, com balanço nulo de carbono (CO2), um dos gases de efeito estufa.


Perspectivas de Crescimento do Setor Sucroalcooleiro

Fonte: UNICA (2007)

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

UnidadesUnidades Moagem (10Moagem (1066 tonton)) (%)(%) UnidadesUnidades Moagem (10Moagem (1066 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

RegiãoRegiãoEstadoEstado


Localização das Usinas Sucroalcooleiras Existentes e Previstas

Fonte: MME (2005)


Auto-Produção e Exportação de Energia no Setor Sucroalcooleiro


Valores em GWhAno Base 2005


Potencial de Geração de Bioeletricidade (2007-2013)

Fonte: COGEN-SP (2006)


Produção de Cana x Capacidade Instalada (2005-2022)


Fatores Importantes para Incremento da Cogeração

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

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;

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

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

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

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


Estimativa de Produção de Eletricidade em uma Planta Teórica

ParâmetroParâmetro Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3 Caso 4Caso 4 Caso 5Caso 5 Caso 6Caso 6 Caso 7Caso 7Pressão do vapor (bar) 22 40 65 92 120 65 92

Temperatura do vapor (oC)

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 energiaelétrica (kWh/tcana)

12-15 12-15 32 32 32 32 32

Consumo de energiamecânica (kWh/tcana)

15-20 15-20 - - - - -

Eficiência nominalda turbina (%)

68 75 85 85 87 85 87

Eficiência nominalda caldeira (%)

80 85 88 88 88 88 88

Geração específica deexcedente (kWh/tcana)

10-15 20-35 60-70 70-80 80-100 125-130 132-145

Fonte: Andrade & Canellas (2007)


Exemplo de Simulação de uma Planta Real (Pioneiros Bioenergia)

ParâmetrosParâmetros Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3Cana 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

Fonte: Fiomari (2004)


Caso 1: Caldeiras 22 bar e 300 °C, Turbogerador de contrapressãoAcionamento 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 CaracterParâmetros Caracteríísticossticos Caso 1Caso 1 Caso 2Caso 2 Caso 3Caso 3Vapor-Cana (kg/t) 501,2 498,6 450,1Potência-Cana (kWh/t) 13,5 72,7 109,6Vapor-Potência (kg/kWh) 19,4 8,1 4,9Bagaço-Potência (kg/kWh) 10,1 2,9 2,3Eficiência Global (%) 60,5 64,5 65,8Eletricidade Produzida (kW) 3.189 20.132 31.226


vaporvc

cana

mR

m=&

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pccana

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=&

&vapor

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mR

W=&

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W W=

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QWQQWWη

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&&&&&& −−+++=


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

Fonte: Pioneiros (2007)


Custos envolvidos no Retrofit da Planta da Pioneiros Bioenergia

Fonte: Rodrigues (2007)

Capacidade de Moagem: 1.400.000 toneladas da cana por ano

Conexão: R$ 7.000.000,00

Casa de Força: R$ 20.000.000,00

Geração de Vapor: R$ 26.000.000,00

Melhoria Consumo Vapor do Processo: R$ 5.000.000,00

Eletrificação Acionamentos: R$ 12.000.000,00

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

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

Obs: Valor investido representa aproximadamente 20% do custo total de uma usina nova com a mesma capacidade.


Conclusões

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

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.

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.

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


Website NUPLEN (www.dem.feis.unesp.br/nuplen)

http://www.feis.unesp.br/nuplen/index.shtml


Agradecimentos

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;

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

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

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;

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 EnergiaDepartamento de Engenharia Mecânica – UNESP / Ilha Solteira

[email protected] – www.dem.feis.unesp.br/nuplen

Fone: (18) 3743-1054 – Fax: (18) 3742-2992

Muito obrigado pela atenção!

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