PROJETO SOLHYCO: SISTEMA DE COGERAÇÃO COM ENERGIA SOLAR CONCENTRADA E BIOCOMBUSTÍVEIS

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1 PROJETO SOLHYCO: SISTEMA DE COGERAÇÃO COM ENERGIA SOLAR CONCENTRADA E BIOCOMBUSTÍVEIS CELSO EDUARDO LINS DE OLIVEIRA 1 JOSÉ ANTONIO RABI 1 CELSO DA COSTA CARRER 1 BETINA CAVINATTO 2 PETERSON RICARDO TOMASELLA 2 1 Professor na Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos FZEA-USP 2 Graduanda(o) de Engenharia de Alimentos FZEA-USP Resumo O despacho em firme de energia renovável é usualmente associado ao custo de armazenagem ou ao uso de sistemas de back-up. Sistemas solares híbridos podem combinar energia solar com um combustível que garanta o suprimento continuo de eletricidade. Se combustíveis renováveis (por exemplo, biocombustíveis) são empregados, a energia gerada é 100% sustentável e com emissões netas de CO 2 zero. Sistemas baseados em turbinas a gás são utilizados para cogeração ou ciclo combinado, tornando-os mais eficientes com menores custos de operação. Estes ciclos requerem altas temperaturas e pressão, assim o uso de energia solar concentrada por meio de um campo de heliostatos num ponto localizado em uma torre provida de um receptor solar que alimenta uma turbina com ciclo gás, pode ser uma tecnologia atrativa. Para atingir este objetivo foi recentemente iniciado o projeto SOLHYCO que realiza um estudo prospectivo de oportunidades de mercado para o uso de plantas hibridas solar biocombustível para cogeração no Brasil. O estudo de viabilidade está baseado num profundo conhecimento do mercado de sistemas de concentração solar, biocombustíveis e de eletricidade, além de aspectos relacionados ao aproveitamento de calor e desenvolvimento social. Um estudo detalhado para se estabelecer a primeira unidade de demonstração está sendo feito baseado em 3 casos definidos de acordo com os dados de socioeconômicos e climáticos. Abstract Dispatchable renewable power generation is usually associated with expensive storages or additional back-up systems. Solar-hybrid systems can combine solar energy with an additional fuel and thus reliably provide electric power. If renewable fuels (e.g., biofuels) are employed, power generation becomes 100% sustainable at zero net emissions. Systems based on gas turbines are suited for cogeneration or combined cycles, making them very efficient and cost effective. These cycles require high temperatures and pressures, thus the solar energy has to be concentrated by a heliostat field onto the top of a tower and transferred by a solar receiver into the gas turbine cycle. At smaller power levels, cogeneration of heat and power is an attractive option by making use of the high exhaust temperature of the gas turbine, thus getting an additional benefit. The aim of this proposal is an significant extension of the objectives of the recently started SOLHYCO project by means A profound knowledge for market introduction will be gained by the assessment of the Brazilian market concerning solar resources, biofuels, electricity markets, heat markets and social needs. A detailed design study for a first demonstration unit will deliver all necessary economical, social and environmental data and accordingly 3 case studies have been defined. 1. Introdução Principalmente devido ao aumento da demanda e do comprometimento ambiental, o crescimento de fontes renováveis no Brasil é latente. Para que a oferta e a demanda de energia não se cruzem em 2009, é necessário acrescentar cerca de 4000 MW no sistema elétrico nacional. Mesmo que dobrado, o potencial hidrelétrico brasileiro poderá atender apenas 30% do mercado, o qual será de 500 mil MW em 2050 (de acordo com projeções), correspondendo a expressivos 300 mil MW, os outros 70% deverão ser supridos a partir de outras fontes.

2 Além das preocupações de caráter ambiental, as termelétricas têm limitações. Desta forma, novas tecnologias deverão ser aplicadas no médio prazo. Além disso, as longas distâncias entre as hidrelétricas em projeto (como Santo Antonio e Jirau) e os centros de carga tendem a elevar o custo de transmissão, tornando a geração distribuída cada vez mais atrativa. Projeções da Agência Internacional de Energia indicam que a energia solar concentrada deve crescer cerca de 175 vezes até 2030 enquanto que o mercado de biomassa também deverá ser estimulado. Na Comunidade Européia, por exemplo, já existem resoluções de incentivo ao uso da biomassa, embora no Brasil não exista nenhuma instalação de energia solar concentrada para geração de eletricidade, o estudo deste tipo de instalação abre margem para aplicação no país. O projeto SOLHYCO está dirigido para o desenvolvimento de plantas de energia solar híbridas e cogeração, baseado em um ciclo de turbina a gás. A radiação solar concentrada é a fonte de energia principal do sistema, que adicionalmente pode usar combustível fóssil ou biocombustível como apoio em períodos sem sol. Assim, não são necessários estoques adicionais de energia ou plantas de apoio e o uso de biocombustíveis possibilita uma operação 100% sustentável com zero emissões líquidas. O objetivo do presente trabalho é apresentar os cenários propostos para estudos de caso no projeto SOLHYCO, visando demonstrar a adequação da tecnologia proposta para aplicações relacionadas à agroindústria no Brasil. 2. Vantagens das plantas de energia solar híbridas Os sistemas solares híbridos ainda não são comerciais; porém seu estudo abre uma série de vantagens sobre os sistemas convencionais de geração e cogeração, sendo as principais vantagens relacionadas a seguir: Entrega confiável de energia renovável limpa; Não necessidade de sistemas de geração de apoio em períodos sem sol; Possibilidade de aplicação de cogeração com alta eficiência solar / elétrica e alto desempenho total (global); Alta flexibilidade para adição de processos quentes ou frios; Baixo custo de geração e eficiências bem altas providas pelo ciclo combinado renovável; Tecnologia descomplicada e robusta; Não necessidade de água para processos de esfriamento; Uso de ar como meio de transferência de calor, não envolvendo assim material de risco. 3. Tecnologia do projeto SOLHYCO A tecnologia compreende os seguintes componentes: Instalação de torre solar junto com campo heliostático para suprir a energia solar; Receptor solar para transformar a radiação solar em calor; Turbina a gás (híbrida) que pode ser abastecida por energia solar ou biocombustível; Turbina a vapor opcional em caso de operação em ciclo combinado; Trocador de calor opcional para aplicações em cogeração. O projeto SOLHYCO tem foco no desenvolvimento de um protótipo de um sistema de conversão de uma microturbina solar-híbrida para cogeração. O nível de energia da unidade proposta será de 100kWe e as inovações no projeto incluem: Desenvolvimento de um protótipo de microturbina solar-híbrida baseada em unidade comercial já disponível e operacional; Desenvolvimento de um novo receptor baseado em uma nova tecnologia de válvula de alta performance; Desenvolvimento de um sistema de combustão capaz de operar com biocombustíveis. 3.1 Campo heliostático Para captar a radiação solar incidente um campo heliostático é usado. Ele consiste de um grande número de espelhos que acompanham o movimento do sol, redirecionando a radiação refletida

3 para o topo de uma torre. Devido a uma pequena curvatura das faces individuais dos espelhos, a radiação é concentrada em direção à torre. Um campo heliostático típico leva em conta um fator de concentração de junto ao foco. Neste ponto, é instalado um receptor solar a fim de converter a radiação solar em calor. A Figura 1 mostra o campo heliostático CESA-1 montado na Plataforma Solar de Almería, o qual consiste de 300 heliostatos de 39,6 m² cada um. Figura 1. Imagem do campo heliostático CESA-1 montado na Plataforma Solar de Almería. 3.2 Receptor Visando a devida conversão da radiação solar concentrada no ponto focal do campo heliostático, é instalado junto ao topo da torre um receptor revestido de superfície preta para alta absorção. Sistemas típicos de torre empregam ar, água / vapor ou sal para transferir por absorção a energia solar concentrada ao ciclo termodinâmico. Assim, muitos receptores são tubulares ou usam uma estrutura porosa para transferir calor ao fluido de trabalho. O receptor é fixado diretamente na turbina ou conectado através de um tubo para uma turbina na base da torre. A Figura 2 mostra um exemplo de um receptor tubular. Figura 2. Imagem de um receptor tubular para conversão da energia solar concentrada. 3.3 Turbina Turbinas usadas em plantas térmicas de energia solar são turbinas de vapor ou gás. No caso de plantas de ciclo combinado, como esquematiza a Figura 3, emprega-se uma combinação destas duas. Em todo o caso, a eletricidade é produzida por um gerador acoplado às turbinas.

4 Figura 3. Esquema de um sistema solar híbrido de Ciclo Combinado. Turbinas a gás são operadas em temperaturas mais altas que turbinas a vapor, requerendo assim sistemas de alta concentração tais como instalações de torres, visto que turbinas a vapor são em geral utilizadas em sistemas de calha parabólica. A vantagem de sistemas de turbina a gás é a temperatura relativamente alta, proporcionando ótimas oportunidades para aplicações adicionais como processos de aquecimento ou de resfriamento. Se o ar de exaustão alimenta um trocador de calor (ver Figura 3) do qual parte vapor a fim de tocar uma outra turbina, o sistema passa então a ser chamado planta de ciclo combinado. 4. Considerações sobre a energia solar O aproveitamento da energia solar é viável tanto em termos técnicos quanto econômicos para o país. Principal obstáculo para utilização em escala comercial, o elevado custo está sendo vencido. Especialistas nessa tecnologia prevêem uma queda de até seis vezes no preço do quilowatt (kw) obtido a partir de energia solar até o ano Entretanto, o uso dessa energia ainda enfrenta os seguintes grandes problemas (COLLE & PEREIRA, 2000): Intermitência em virtude da dependência do ciclo diurno de variações aleatórias de insolação (causadas principalmente por nuvens); Baixo rendimento de energia por unidade de superfície; A energia solar também pode ser aproveitada pela conversão termossolar, com muitas aplicações domésticas (por exemplo: aquecimento de água). Tal conversão é feita em coletores planos, que operam a baixas temperaturas (até 100 C), absorvendo a radiação solar e transferindo a energia para aquecer a água. Na última década, o custo desse tipo de coletor caiu de US$450 para menos de US$150 por m 2, devendo baixar ainda mais em função de novas tecnologias. No Brasil, por exemplo, se a energia solar for usada em residências como fonte auxiliar de energia em sistemas de aquecimento elétrico central, o investimento terá retorno de 2 anos, enquanto nos sistemas de aquecimento à base de gás liquefeito de petróleo (GLP, ou gás de cozinha) o retorno estende-se a 5 anos. A vida útil desse tipo de coletor solar pode chegar a 20 anos, dependendo principalmente da qualidade da água (COLLE & PEREIRA,2000). Visando escalas e eficiência maiores, a conversão da energia termossolar deve ser auxiliada por concentradores, em função da baixa densidade de fluxo de radiação solar junto à superfície. Um concentrador é um sistema óptico (em geral, uma superfície refletora) que focaliza a luz solar em uma área reduzida, permitindo aquecer um fluido de trabalho a temperaturas variando entre 300 C e 3000 C. Diretamente ou através de trocadores de calor, esse fluido é usado para produzir vapor, o qual alimenta turbinas convencionais de geração de energia elétrica. Hoje, diversos países têm sistemas desse tipo, em sua maioria protótipos em fase experimental (COLLE & PEREIRA, 2000). No Brasil, a média mensal da energia solar que incide diariamente sobre cada m 2 da superfície varia entre 9 e 27 MJ (correspondendo a 2,5 a 7,5 kwh), dependendo do local e da época do ano. Na agroindústria, por sua vez, o uso de coletores solares para o aquecimento de ar (com vistas à

5 secagem de grãos) poderia reduzir o consumo de óleo diesel, de gás e/ou de lenha, já estando disponíveis tecnologias com tal finalidade. Com base nos dados ora apresentados, pode-se conclui que a longo prazo a energia solar pode trazer benefícios ao país em termos de matriz energética contínua e renovável, além de colaborar para despoluir áreas urbanas bem como diminuir a dependência em relação ao petróleo. Essa fonte alternativa pode favorecer a regulagem de oferta de eletricidade em períodos de estiagem e, de forma importante, levar energia (e, conseqüentemente, desenvolvimento) a regiões remotas no território brasileiro. 5. Considerações sobre cogeração e geração distribuída Forma mais tradicional de autoprodução, a cogeração consiste na geração simultânea de energia térmica e elétrica a partir de uma mesma fonte primária de energia. Enquanto a energia elétrica de aplicações e utilidades diversas, a energia térmica pode ser utilizada como fonte de calor para um dado processo (industrial, por exemplo). Trata-se, pois, de um uso racional da energia, uma vez que o rendimento do processo de produção de energia é significativamente aumentado a partir da produção combinada de energia térmica e elétrica, proporcionando melhor aproveitamento do conteúdo energético do combustível básico. O mercado potencial de cogeração é constituído essencialmente pelos segmentos industriais que empregam grandes quantidades de vapor no próprio processo industrial. Embora boa parte da cogeração esteja associada a processos industriais, existem também processos de cogeração no setor de comércio e serviços, cabendo citar exemplos como cogeração em shopping centers, aeroportos, hospitais e frigoríficos. Os principais segmentos que apresentam tais características são: papel e celulose, químico e petroquímico, siderurgia, açúcar e álcool, alimentos e bebidas, e têxtil. O setor de papel e celulose apresenta características especialmente propícias à viabilização da cogeração pelo elevado consumo de vapor de processo e de eletricidade. A cogeração a partir de biomassa dá-se principalmente nos setores de papel e celulose, açúcar e álcool e alimentos, em função da grande disponibilidade de subprodutos (por exemplo: resíduos e cascas de madeira, lixívia e licor negro e bagaço de cana). A evolução do setor elétrico ocorrida ao longo dos últimos anos (sinalizando tarifas de energia elétrica crescentes e realinhamento tarifário com gradual redução de subsídios cruzados) e a constatação da real possibilidade de interrupções no suprimento de energia (tal como ocorreu no racionamento de 2001), juntamente com a flexibilização da legislação no sentido de incentivar novos arranjos comerciais que contribuam para o incremento da oferta de energia no país, vêm abrindo espaço para investimentos em autoprodução e cogeração de energia. Para o sistema elétrico, também é de fundamental importância o incremento da cogeração, na medida em que, tratando-se de uma forma de geração distribuída, localizada junto às unidades de consumo, não requer investimentos do sistema elétrico na ampliação das redes de transporte de energia. Por outro lado, suprindo localmente uma parcela específica do consumo, a cogeração libera recursos de capacidade de geração do sistema para atendimento ao restante do mercado (EPE, 2006). 6. Custo médio da geração e estudos de caso Em linhas gerais, a formulação de uma estratégia para a expansão da geração de energia elétrica se orientará, do ponto de vista técnico e econômico, pela minimização dos custos de expansão e de operação do sistema. Em qualquer caso, o custo da geração de energia é elemento chave. Além de custos de investimento e de combustível, existem outros parâmetros (exemplo: custos operacionais e de integração da usina à rede) que são considerados no cálculo do custo de geração. Considera-se ainda o cronograma de desembolso do investimento. Por fim, é necessário ainda estabelecer os parâmetros econômico-financeiros básicos, especialmente taxa de desconto, vida útil e condições de financiamento. As condições de financiamento constituem elemento que podem viabilizar (ou não) um projeto.

6 Dependendo do arranjo de financiamento adotado (que incluem, por exemplo, prazos de carência, período de amortização, taxa de juros, índice de cobertura e participação de capital próprio do investidor), um projeto pode ser favorecido em relação a outro. De modo a conferir tratamento homogêneo às opções consideradas no cálculo do custo médio de geração das fontes, não foi considerada a alavancagem financeira. No caso da biomassa de cana-de-açúcar e de resíduos urbanos, admite-se que do ponto de vista energético a geração de eletricidade possa ser vista como subproduto. Cabe citar que, havendo o investimento na usina, deverá ser utilizada matéria combustível necessariamente, na medida em que essa matéria é um resíduo de outras atividades. Nessas condições, a Tabela 1 apresenta os valores calculados ao custo médio de geração de cada fonte não-hidrelétrica dentro das hipóteses de trabalho estabelecidas como fonte a o trabalho da EPE. Tabela 1: Custo Médio da Geração de Eletricidade (U$$/MWh) Seja por questões climáticas, questões estratégicas ou, finalmente, questões de forte impacto no desenvolvimento social de regiões com carência de produção ou distribuição energética, foram efetuados levantamentos em 3 regiões de grande potencial de aplicação da tecnologia no Brasil que sugerem algumas propostas de "cases" (estudos de caso) para acompanhamento junto ao Projeto SOLHYCO. A escolha desses "cases" se basearam no objetivo que visa levar uma futura implementação de sítios de produção e cogeração de energia de forma descentralizada, em região carente de oferta energética, ou onde podem representar atrativa redução de custos no território brasileiro, a fim de justificar os investimentos necessários. É possível resumir tais propostas de acompanhamento de "cases" em 3 locais distintos, a saber: "Case" 1: Investir esforços na coleta de dados de natureza climática e de mercado para a região nordeste do sertão do estado do Rio Grande do Norte, junto ao espaço determinado por outro projeto em andamento sob a responsabilidade do GEAGRO-USP, denominado "Portal dos Ventos" ( - acessar Portal dos Ventos). O objetivo seria analisar a viabilidade para a implementação de um piloto que possibilitasse a divulgação da tecnologia ao mesmo tempo em que se iniciaria um processo de despertar o interesse de empresas privadas e públicas na tentativa de viabilizar uma região carente social e economicamente. "Case" 2: Investir esforços na coleta de dados de natureza climática e de mercado para um lócus da região nordeste com alto desenvolvimento do agronegócio local (baseado no uso racional de culturas de frutas tropicais com irrigação) na região de Petrolina, estado de Pernambuco. Neste caso, as vantagens de natureza climática se mantém enquanto que a demanda energética é real quanto ao emprego de cogeração para empresas que praticam o beneficiamento e refrigeração (denominadas "packing house") de frutas com destino aos mercados interno e externo.

7 "Case" 3: Investir esforços na coleta de dados de natureza climática e de mercado para um lócus da região sudeste na cidade de Lins, estado de São Paulo, que congrega uma região estratégica em termos de desenvolvimento agroindustrial e de produção de biomassas (etanol e biodiesel). As formas de investimento e parcerias para a montagem dos 3 "cases" não estão definidas mas, de alguma forma, exigir-se-á algum montante de recursos financeiros a serem captados. 7. Comentários finais e recomendações De acordo com as possibilidades da tecnologia apresentada neste trabalho, é possível concluir que existe um potencial latente para aproveitamento de sistemas híbridos com base em energia solar, em pelo menos três nichos de mercado no Brasil. Para que este potencial se torne realidade será necessário ainda a finalização da desenvolvimento tecnológico e sua adaptação para as condições no território nacional. Palavras-chave Cogeração, energia solar concentrada, geração distribuída, biocombustíveis, energia limpa. Agradecimentos É importante agradecer a colaboração do parceiro brasileiro neste projeto de pesquisa a ESCO VITALUX e o fianciamento da Comunidade européia através do projeto n o , SOLHYCO: Solar-Hybrid Power and Cogeneration Plants Referências bibliográficas [1] BRASIL: Ministério de Ciência e Tecnologia. Livro Verde: Ciência, tecnologia e inovação: desafio para a sociedade brasileira. Brasília: Ministério da Ciência e Tecnologia /Academia Brasileira de Ciências, [2] COLLE, S. e Pereira, E. B. A Energia que vem do Sol. Santa Catarina, 2000 [3] EPE [Empresa de Pesquisa Energética]. Plano Decenal de Energia Elétrica Rio de Janeiro: MME, [4] LIMA, A.S. Avaliação do processo de inovação tecnológica nas agroindústrias alimentícias do estado do Paraná. Florianópolis: UFSC, Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção). Centro Tecnológico. Universidade Federal de Santa Catarina, [5] NISKIER J.; MACINTYRE A. J.. Instalações Elétricas. Ed. LTC, 3º ed [6] PORTER, M.E., A vantagem competitiva das nações. 6. ed. Rio de Janeiro: Campos, [7] SEBRAE-SP, Sistema Agroindustrial Integrado SAI, http: / / www. sebraesp. com. br / /principal/sebrae%20em%20ação/desenvolvimento_territorial/programa_agronegocios.aspx disponível em 29/03/2006. [8] SUSEP. Superintendência de Seguros Privados. Susep projeta crescimento do mercado segurador. Publicado em 16 de abril de Acessado em 15/05/2004 <