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

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1 Tecnologias, Seminário Internacional Oportunidades de Energias e Estudos Renováveis veis, para Limpas o Incremento e Cogerada e Cogeração ITM Expo Feiras e Convenções São Paulo (SP) 27 a 29/11/2007 Palestra Tecnologias, Oportunidades e Estudos para o Incremento da Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro Ricardo Alan Verdú Ramos Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de Energia Departamento de Engenharia Mecânica UNESP / Ilha Solteira Fone: (18) Fax: (18)

2 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.

3 Constituição da Matriz Energética Brasileira Fonte: MME/EPE (2005)

4 Fontes de Energia na Matriz Energética Brasileira Fonte: MME (2006)

5 Fontes de Energia na Matriz Elétrica Brasileira Fonte: MME (2006)

6 Projeções do Plano Decenal de Expansão da Eletricidade Fonte: MME / PDEE

7 Oferta x Demanda de Eletricidade Oferta Existente Demanda Alta (6,5% aa) Demanda de referência (5,1% aa) MW médio Fonte: COGEN-SP (2007)

8 Acréscimo da Geração de Energia no Brasil (MW) PCH, PROINFA, outros Térmica Hidráulica Fonte: MME/EPE (2006)

9 Cogeração no Setor Elétrico Brasileiro : Cogeração tem importância mundial depois da crise do petróleo; : Cogeração começa a ser priorizada no Brasil, visando à minimização 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.

10 Cogeração no Setor Sucroalcooleiro (Sistema Tradicional)

11 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, dinamização 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 (CO 2 ), um dos gases de efeito estufa.

12 Perspectivas de Crescimento do Setor Sucroalcooleiro Região Estado Safra 2006/2007 Safra 2012/2013 Unidades Moagem (10 6 ton) (%) Unidades Moagem (10 6 ton) (%) N/NE , ,24 SP , ,22 MG , ,90 MS , ,04 MT , ,45 PR , ,65 GO , ,85 RJ 8 3 0, ,98 ES 6 3 0, ,77 RS 1 0 0, ,03 Total Fonte: UNICA (2007)

13 Localização das Usinas Sucroalcooleiras Existentes e Previstas Fonte: MME (2005)

14 Auto-Produção e Exportação de Energia no Setor Sucroalcooleiro Valores em GWh Ano Base 2005 Fonte: MME/EPE (2006)

15 Potencial de Geração de Bioeletricidade ( ) Fonte: COGEN-SP (2006)

16 Produção de Cana x Capacidade Instalada ( )

17 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 da biomassa e co-firing (ainda em desenvolvimento); Outros incentivos existentes e necessários. para incremento da

18 Estimativa de Produção de Eletricidade em uma Planta Teórica Parâmetro Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5 Caso 6 Caso 7 Pressão do vapor (bar) Temperatura do vapor ( o C) Demanda de vapor (kg/tcana) Consumo de energia elétrica (kwh/tcana) Consumo de energia mecânica (kwh/tcana) Eficiência nominal da turbina (%) Eficiência nominal da caldeira (%) Geração específica de excedente (kwh/tcana) Fonte: Andrade & Canellas (2007)

19 Exemplo de Simulação de uma Planta Real (Pioneiros Bioenergia) Parâmetros Caso 1 Caso 2 Caso 3 Cana moída total (t) Horas efetivas de moagem 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/cm 2 ) Temperatura do vapor gerado ( C) 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) Capacidade nominal do gerador A (kw) Capacidade nominal do gerador T (kw) Fonte: Fiomari (2004)

20 Caso 1: Caldeiras 22 bar e 300 C, Turbogerador de contrapressão Acionamento das moendas por TV de Contrapressão Fonte: Fiomari (2004)

21 Caso 2: Caldeira 66 bar e 530 C, Turbogerador extração-condensação, Acionamento das moendas por TV de Contrapressão Fonte: Fiomari (2004)

22 Caso 3: Caldeira 66 bar e 530 C, Turbogerador extração-condensação, Acionamento das moendas por Motores Elétricos Fonte: Fiomari (2004)

23 Parâmetros Característicos R vc m = & m& vapor cana R pc W = & m& ele cana R vp m = & W& vapor ele R bagpot = W& m& bag + W& ele mec η global W& = ele + W& mec + Q& evap + Q& PCI m& bag dest bag W& bomb Q& cond Parâmetros Característicos Caso 1 Caso 2 Caso 3 Vapor-Cana (kg/t) 501,2 498,6 450,1 Potência-Cana (kwh/t) 13,5 72,7 109,6 Vapor-Potência (kg/kwh) 19,4 8,1 4,9 Bagaço-Potência (kg/kwh) 10,1 2,9 2,3 Eficiência Global (%) 60,5 64,5 65,8 Eletricidade Produzida (kw) Fonte: Fiomari (2004)

24 Planta Simplificada da Pioneiros Bioenergia (Safra ) Aplicativo criado no programa Excel para resolução das equações termodinâmicas e análise dos resultados Fonte: Almeida (2007)

25 Fotos dos principais equipamentos instalados (Retrofit) Motores Preparo de Cana Motores Acionamento Moendas Caldeira MC 150/70 Turbina Alstom (VE32) Fonte: Pioneiros (2007) Turbina TGM (TM15000A)

26 Custos envolvidos no Retrofit da Planta da Pioneiros Bioenergia Capacidade de Moagem: toneladas da cana por ano Conexão: R$ ,00 Casa de Força: R$ ,00 Geração de Vapor: R$ ,00 Melhoria Consumo Vapor do Processo: R$ ,00 Eletrificação Acionamentos: R$ ,00 Total: R$ ,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. Fonte: Rodrigues (2007)

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

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

29 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.

30 Muito obrigado pela atenção! Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de Energia Departamento de Engenharia Mecânica UNESP / Ilha Solteira Fone: (18) Fax: (18)

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