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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
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
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.
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
Constituição da Matriz Energética Brasileira
Fonte: MME/EPE (2005)
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Fontes de Energia na Matriz Energética Brasileira
Fonte: MME (2006)
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
Fontes de Energia na Matriz Elétrica Brasileira
Fonte: MME (2006)
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
Projeções do Plano Decenal de Expansão da Eletricidade
Fonte: MME / PDEE 2006-2015
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
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)
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-
-
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
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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)
Fonte: MME/EPE (2006)
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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.
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Cogeração no Setor Sucroalcooleiro (Sistema Tradicional)
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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.
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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
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Localização das Usinas Sucroalcooleiras Existentes e Previstas
Fonte: MME (2005)
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Auto-Produção e Exportação de Energia no Setor Sucroalcooleiro
Fonte: MME/EPE (2006)
Valores em GWhAno Base 2005
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Potencial de Geração de Bioeletricidade (2007-2013)
Fonte: COGEN-SP (2006)
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Produção de Cana x Capacidade Instalada (2005-2022)
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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.
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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)
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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)
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Caso 1: Caldeiras 22 bar e 300 °C, Turbogerador de contrapressãoAcionamento das moendas por TV de Contrapressão
Fonte: Fiomari (2004)
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Caso 2: Caldeira 66 bar e 530 °C, Turbogerador extração-condensação,Acionamento das moendas por TV de Contrapressão
Fonte: Fiomari (2004)
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Caso 3: Caldeira 66 bar e 530 °C, Turbogerador extração-condensação, Acionamento das moendas por Motores Elétricos
Fonte: Fiomari (2004)
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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
Fonte: Fiomari (2004)
vaporvc
cana
mR
m=&
&ele
pccana
WRm
=&
&vapor
vpele
mR
W=&
&bag
bagpotele mec
mR
W W=
+
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bagbag
condbombdestevapmeceleglobal mPCI
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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
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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)
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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.
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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.
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Website NUPLEN (www.dem.feis.unesp.br/nuplen)
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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.
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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!