CUSTOS DO ABATIMENTO DE EMISSÕES AÉREAS NA GERAÇÃO TERMELÉTRICA A CARVÃO MINERAL

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1 CUSTOS DO ABATIMENTO DE EMISSÕES AÉREAS NA GERAÇÃO TERMELÉTRICA A CARVÃO MINERAL ANA PAULA ANDERSON 1 e GILNEI CARVALHO OCÁCIA 2 1- SUMESA Sulina de Metais S/A 2- ULBRA/CANOAS Departamento de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho aborda os custos de abatimento dos principais poluentes, contidos nos gases da combustão, produzidos na geração de energia elétrica através de usinas termelétricas a carvão mineral, considerando seu impacto no custo total e a competitividade deste tipo de geração. A utilização de técnicas de dessulfurização úmida (SOx), redução catalítica seletiva (NOx) e de precipitadores eletrostáticos ou filtros de manga (MP), representam um custo de cerca de 15% do valor praticado no leilão (A-3). O emprego da SCR causa um acréscimo de 10% nos custos de geração. Isto não inibe a competitividade das UTEs a carvão mineral frente a outras fontes de energia, exceto a hídrica. Palavras-chave: termelétricas, carvão mineral, emissões atmosféricas, Abstract: This paper discusses the costs of abatement of the main pollutants, contained in flue gas, produced in generating electricity through coal-fired thermal plants, considering their impact on total cost and competitiveness of this type of generation. The use of technical abatement of pollutants, wet desulfurization (SOx), selective catalytic reduction (NOx) and electrostatic precipitators or mangos filters (MP), represents about 15% of the amount charged at the auction (A-3). The use of SCR causes a 10% increase in generation costs. This does not inhibit the competitiveness of the coal thermal plants compared to other energy sources, except hydro. Keywords: electricity, power plants, coal, air emissions Objetivos: este trabalho apresenta como objetivos o levantamento de custos para implantação de sistemas de abatimento de emissões aéreas, dos principais

2 poluentes produzidos em termelétricas a carvão e estimativa de qual sua participação no custo total da energia gerada. Introdução: Cerca de 70% das fontes comerciais de energia utilizadas atualmente, no mundo, vem dos combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural (IEA (a), 2011). Em 1971 foram gerados TWh a partir de fontes fósseis, enquanto que em 2008, foram gerados cerca de TWh, apresentando um crescimento de 200%. A evolução da contribuição percentual de cada fonte para geração de eletricidade, de 1973 a 2008, pode ser visualizada na Figura 1, que mostra a hegemonia do carvão, o crescimento da participação do gás natural e o declíneo da participação do óleo combustível. Figura 1 Contribuição de cada fonte para geração de eletricidade em 1973 e 2008 Fonte: IEA (a). Participação de cada fonte, na geração de energia elétrica. O carvão mineral é um combustível fóssil muito abundante e amplamente distribuído no mundo, com reservas estimadas em cerca de 990 bilhões de toneladas, quantidade suficiente para consumo por mais 150 anos. As previsões indicam que o carvão continuará tendo um papel chave na produção de energia elétrica (MILLER, 2005; HINRICHS et al, 2010 e IEA (a), 2011). Entretanto, ele apresenta grande potencial impactante, seja no processo de extração, em minas de superfície ou subterrâneas, na queima, com a consequente emissão de gases poluentes e

3 materiais particulados, ou, ainda, pelo destino de suas cinzas e resíduos do tratamento de gases (CORÁ, 2006). Conforme Miller (2005), as emissões, em grande parte, são de vapor de água, dióxido de carbono e nitrogênio do ar, contendo pequenas concentrações de poluentes atmosféricos, que se traduzem em grandes quantidades emitidas, devido à grande quantidade de carvão consumida. Os principais poluentes que podem causar problemas à saúde, são os óxidos de enxofre e de nitrogênio, material particulado, elementos traço, como arsênio, chumbo, mercúrio, flúor, selênio, radionuclídeos, e compostos orgânicos. Parte do material particulado gerado durante a combustão do carvão fica armazenada no fundo da fornalha. Quando o fundo é seco, cerca de 10 a 20% do material particulado fica armazenado. Já quando o fundo é úmido, são cerca de 50 a 60% (IEA (b), 2011). No Brasil, cerca de 90% das reservas de carvão estão no Estado do Rio Grande do Sul, cujo valor é estimado em cerca de 10 bilhões de toneladas. As características médias desse carvão, segundo Gomes (2002), são as seguintes: poder calorífico inferior da ordem de 3.300kcal/kg; 46% de cinzas, 13,5% de umidade; 36,7% de Carbono; 2,7% de Hidrogênio, 0,6% de Nitrogênio; e, 0,96% de Enxofre. Método: no desenvolvimento deste trabalho, foi adotado um rendimento de 35% para as usinas termelétricas a carvão (STRAPASSON, 2004) e um fator de carga anual de 75% (ANEEL, 2004). As técnicas para abatimento das emissões compreendem processos de dessulfurização, redução catalítica e processos físicos de captura de materiais particulados. Para a dessulfurização, foi considerado o processo úmido, onde é utilizado calcário ou cal, por sua fácil disponibilidade e baixo custo relativo, podendo alcançar eficiência de remoção de até 99% (IEA (b), 2011). São utilizadas 100 partes de calcário (CaCO 3 ) para tratar 64 partes de dióxido de enxofre (SO 2 ). Para converter óxidos de nitrogênio a nitrogênio molecular ou nitratos, foi considerada a técnica de redução catalítica seletiva (SCR), que utiliza, normalmente, como gás de redução, a amônia ou a uréia. Esta tecnologia pode atingir reduções de

4 óxidos de nitrogênio superiores a 90%. O processo utiliza um catalisador entre 300 e 400 C, para facilitar a reação heterogênea entre o óxido de nitrogênio e o reagente injetado, amônia, para produzir nitrogênio e vapor de água. O uso de ureia produz uma parcela de CO 2. As tecnologias de controle de emissão de partículas, consideradas, contemplam os precipitadores eletrostáticos e os filtros de mangas, que são as mais utilizadas (MILLER, 2005). As vantagens do uso de precipitador eletrostático incluem a capacidade de processar grandes volumes de fluxo de gás, eficiência elevada (de 99 a 99,9%), baixa queda de pressão, precipitação de partículas finas e operação com temperaturas elevadas (até 650 C). Já os filtros de mangas, oferecem eficiência extremamente alta, entre 99,9 e 99,99%, e, também, são capazes de filtrar grandes volumes de gás de combustão. O tamanho dos filtros mangas e sua eficiência são relativamente independentes do tipo de carvão usado. Para estimativa dos custos, relativamente ao investimento para implantação dos sistemas, foram utilizados os valores apontados por Miller (2005), enquanto que, para o preço dos insumos, foram utilizados valores do mercado local. Para análise de custos, foram utilizados os valores praticados em 2011 (leilão A-3), onde o valor de venda da energia gerada por hidrelétrica foi de R$ 103,11/MWh, por fonte eólica foi de R$ 130,86/MWh, e por termelétricas foi de R$ 101,90/MWh (ANEEL, 2011). Resultados: Para produção de 1 MWh em uma usina termelétrica, utilizando o carvão com as características anteriormente citadas, e rendimento de 35% da UTE, são necessários 740 Kg de carvão mineral. Como sua composição apresenta cerca de 1% de enxofre (S), serão liberados 7,4 Kg de S. Para o abatimento deste enxofre são necessários 11,54 Kg de CaCO 3. Os custos de capital, para implantação do processo de dessulfurização úmido são de aproximadamente R$ 175,00/kW. A tonelada do calcário (CaCO 3 ) 1 foi cotada em R$ 20,75. 1 Dia do Calcário (2011), o preço médio da tonelada de calcário cotado em R$ 20,75.

5 No processo de Redução Catalítica Seletiva, para abatimento dos óxidos de nitrogênio, os custos de capital dependem de sua concentração, podendo variar de R$ 140,00 a R$ 280,00/kW. Já, para manter o sistema operando, segundo Negri (2002), o custo é de R$ 5,25/MWh. Para a instalação de precipitador eletrostático, os custos de capital estão entre R$ 70,00 e R$ 105,00/kW, sendo os custos mais elevados associados a equipamentos com maior eficiência. O custo de operação do precipitador eletrostático é estimado em R$ 902,00/MW.ano (Miller, 2005). Já para a instalação de filtros manga, os custos de capital estão entre R$ 87,50/kW e R$ 122,50/kW. Os custos de operação dos filtros manga são mais elevados do que os custos de operação de precipitadores eletrostáticos, devido à substituição das mangas e a necessidade de energia auxiliar. Os custos operacionais ficam em torno de R$ 2.890,00/MW.ano e R$ 5.140,00/MW.ano (Miller, 2005) 2. O custo de implantação das técnicas de abatimento dos poluentes, conforme apresentado na Tabela 1, utilizando-se precipitador eletrostático para o material particulado, corresponde a 8,52% do valor do kwh vendido no leilão A 3 (R$ 101,90/MWh), enquanto que, com a utilização de filtros de manga para abatimento do material particulado, corresponde a 8,77%. A Redução Catalítica Seletiva é a técnica cuja implantação possui maior peso (4,26%) sobre o valor do kwh comercializado. Tabela 1 Comparação dos custos de implantação das técnicas de abatimento Custo de % sobre Técnica de Poluente implantação valor do abatimento R$/MWh A 3 (UTE) SO 2 Dessulf. Úmida 2,72 2,67 NO 2 SCR 4,34 4,26 MP Precipitador 1,62* 1,59 MP Filtros manga 1,88* 1,84 TOTAL (1+2+3) 8,68 8,52 TOTAL (1+2+4) 8,94 8,77 * Considerado o maior valor encontrado. 2 US$ 1,00 = R$ 1,75 (Nov/2011)

6 O custo total de operação das técnicas de abatimento dos poluentes por MWh, conforme a Tabela 2, ficou em R$ 6,36, utilizando-se filtros de manga, ou R$ 5,69, utilizando-se precipitador eletrostático, totalizando, em torno de 6,24% sobre o valor do kwh praticado no leilão A 3. Tabela 2 Comparação dos custos operacionais técnicas de abatimento Custos % sobre Técnica de Poluente operacionais valor do abatimento R$/MWh A 3 (UTE) SO 2 Dessulf. Úmida 0,23 0,23 NO 2 SCR 5,25 5,15 MP Precipitador 0,21 0,21 MP Filtros manga* 0,88 0,86 TOTAL (1+2+3) 5,69 5,58 TOTAL (1+2+4) 6,36 6,24 * Considerado o maior valor encontrado. As porcentagens equivalentes ao custo de operação das técnicas de abatimento de poluentes geraram o Figura 1, onde fica evidente a preponderância da participação da SCR. Figura 1 - Comparação dos custos de operação das técnicas de abatimento R$ 0,88 R$ 0,23 R$ 0,21 Dessulfurização Úmida Redução Catalítica Seletiva Precipitador Eletrostático Filtros Manga R$ 5,25

7 Comparando-se o custo de implantação e o custo de operação dos sistemas de abatimento dos poluentes, o maior peso, sobre o valor do MWh gerado, foi do custo de implantação. A Tabela 3 apresenta o custo total das técnicas de abatimento dos poluentes, somando o custo de implantação e o custo de operação de cada técnica, e, também, o custo total, somando todas as técnicas de abatimento que necessitam ser utilizadas. Tabela 3 Custo total das técnicas de abatimento de poluentes Custo total custo da técnica Poluente Técnica de (Implantação + de abatimento abatimento Operação) sobre o valor do (R$/MWh) MWh (%) SO 2 Dessulf. Úmida 2,95 2,89 NO 2 SCR 9,59 9,41 MP Precipitador 1,83 1,80 MP Filtros manga 2,76 2,71 TOTAL (1+2+3) 14,37 14,4 TOTAL (1+2+4) 15,30 15,0 No somatório da implantação e operação das técnicas de abatimento de poluentes, a técnica que possui maior impacto sobre o valor do kwh gerado na usina termelétrica é a Redução Catalítica Seletiva, com representatividade de 9,41% (Figura 3). Figura 2 Custo total das técnicas de abatimento de poluentes

8 R$ 2,76 R$ 2,95 R$ 1,83 Dessulfurização Úmida Redução Catalítica Seletiva Precipitador Eletrostático Filtros Manga R$ 9,59 A técnica de dessulfurização úmida e precipitador eletrostático, ou o filtro de mangas, já são utilizados normalmente pelas usinas termelétricas para o abatimento dos poluentes. Assim, deve ser acrescentado aos custos atuais, o valor relativo a redução catalítica seletiva, que é o processo de maior custo total no controle das emissões aéreas nos gases da combustão. Conclusão: As técnicas para abatimento de poluentes gerados pelas usinas termelétricas, juntas, possuem um impacto no custo do MWh produzido, da ordem de R$ 15,00, representando em torno de 15% do valor comercializado no leilão (A 3). Considerando-se a implantação, adicional às outras técnicas já empregadas, da Redução Catalítica Seletiva, pode-se aceitar um acréscimo de R$ 10,00/MWh, elevando o preço para cerca de R$ 112,00/MWh, portanto, ainda sendo altamente competitivo, sendo superior somente a dos sistemas hídricos. Referências Bibliográficas ANEEL AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA. Fator de Carga. Disponível em: Acesso em: 12 de novembro de CORÀ, R. Aspectos técnicos e ambientais do uso do carvão mineral em caldeiras p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica).Instituto de Engenharia Mecânica. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Itajubá. Itajubá, 2006.

9 GOMES, A. J. P. Carvão do Brasil turfa agrícola: geologia, meio ambiente e participação estratégica na produção de eletricidade no sul do Brasil. Porto Alegre: EST Edições, HINRICHS, R. A.; KLEINBACH, M. e REIS, L. B. dos. Energia e Meio Ambiente. Traduzido por Lineu Belico dos Reis, Flávio Maron Vichi, Leonardo Freire de Mello. 4 ed. São Paulo: Cengage Learning, IEA (a) INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. Key World Energy Statistics. Disponível em: Acesso em 20 de agosto de IEA (b) INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. Power Generation from coal. Disponível em: Acesso em: 13 de agosto de MILLER, B. G. Coal energy systems. London, UK: Elsevier Academic Press, STRAPASSON, A. B. A energia térmica e o paradoxo da eficiência energética Desafios para um novo modelo de planejamento energético p. Dissertação (Mestrado em energia). Instituto de Eletrotécnica e Energia, Instituto de Física, Escola Politécnica, Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade. Universidade de São Paulo. São Paulo, 2004.