CURSO INTERNACIONAL ENERGIA NA INDÚSTRIA DE AÇÚ

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1 Automation and Drives Bereichskennung oder Produktna me CURSO INTERNACIONAL ENERGIA NA INDÚSTRIA DE AÇÚ ÇÚCAR E ÁLCOOL LCOOL Estudos de Casos de Sistemas de Cogeração Thiago Teodoro Pistore SIEMENS

2 Energia na Indústria de Açúcar e Álcool Estudosde Casos de Sistemas de Cogeração Thiago Teodoro Pistore 2

3 3 Roteiro da Apresentação Introdução Usina A Usina B Considerações Finais

4 4 Considerações Iniciais Introdução Algumas característicasda cogeração naindústria de açúcar e álcool: -Trata-se de uma fonterenovável de energia e conseqüentemente apresenta vantagens do ponto de vista ambiental; -Apresenta potencialdemelhoria daeficiência energética; -Constituiuma oportunidade de diversificação dos produtos das usinas (eletricidade e créditos de carbono) indicam que a elevação da eficiência e expansão da produção de eletricidade no setor sejam avaliadas.

5 5 Objetivo dos Estudos de Casos Introdução Visando: -Elevar aeficiência do sistema de cogeração -Incentivar a expansão da produção de eletricidade na indústria sucroalcooleira São avaliados os efeitos combinados dosfatores: -Elevação dos parâmetros de produção de vapor e aplicação de CEST* de altaeficiência -Eletrificação dos acionamentos do preparo e extração -Comercialização de créditos de carbono *Turbogerador de condensação com extração

6 6 Elevação Parâmetros Vapor e Aplicação de C E S T Introdução Estas medidas visam aumentara produção de eletricidade e eficiênciado ciclo através da: -Elevação do salto entálpico do ciclo aumento da entalpia de entrada pela elevação dosparâmetros de vapor eredução da entalpia do escape pela condensação -Expansão do vapor em turbina de alta eficiência aumento da eficiência de conversão da energiatérmica do vapor em trabalho -Geração deenergia aolongo detodo o ano aumento do período defuncionamento da plantade geração de energia, além do período de safra

7 7 Eletrificação do Preparo e Extração Introdução Esta medida visa aumentar a produção de eletricidade e eficiência do ciclo através da: -Eliminação de turbinasde baixa eficiência melhoria da eficiência de conversão de energia,realizada por motores elétricos de altorendimento -Maiordisponibilidade de vapor para o CEST elimina a demanda de vapor vivo pelasturbinas do preparo e extração -Estabilização das demais condiçõesdo processo vazão de caldo pode ser automatizada eliminando oscilações de fluxo causada por variações de pressão do vapor,no caso de acionamento com turbinas

8 8 Co mercialização de Créditosde Carbono Introdução Esta medida estimula o aumento da produção de eletricidade, pois: -Representafonte derenda adicional projetos de cogeração com bagaço são elegíveis co mo atividades de redução de emissões de gases deefeito estufa e proporcionam a geração de créditos de emissõesreduzidas -Já é uma realidade O projeto Cogeração com Bagaço: Vale do Rosário é um caso concreto de geração de créditos de emissõesreduzidas naindústria sucroalcooleira em concordância com os critérios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo

9 9 Abrangência dos Estudos de Casos Introdução Estudos decasos consistem em: -Simulaçõestermodinâmicas dossistemas de cogeração (Programa Gate Cycle r); -Análise econômica dasalternativaspropostas (Métodos TIR / VPL); para duas usinas de açúcarcom destilariaanexa reais situadas no estado de São Paulo.

10 10 Usina A Dados Principais Usina A Capacidade de Moagem: [ton/dia] de cana 1 linha com picador,nivelador,desfibrador e 6ternos Geração devapor: 190 [ton/h]-22[bara]@ 290[ C] 1x44 + 1x80 + 1x100 [ton/h] 290[ C] Produção de Eletricidade: 5100[k We] 2 x 1500 kva + 1 x 6500 kva Contrapressão Produção de Trabalho Mecânico: 4900[K W mec] 6 x Turbinassimples estágio contrapressão Exportação de Eletricidade: 0[k We] Vapor de Processo: 190[ton/h] 2,5[bara]@ 190[ C] 70 [t/h] dos TG s + 100[t/h] preparo e extração + 20[t/h]redutora Consumo de Bagaço: 83[ton/h] PCI=7500[KJ/kg]

11 11 Usina A Esquema Simplificado Usina A

12 12 Usina A Resultados Simulação Caso AB Eficiência do ciclo paraprodução de trabalho:5,78 % Usina A Produção total detrabalho: 9.940[kW] Eficiênciasdos componentes do ciclo: -Caldeiras:79 % -Turbinas dosturbogeradores:67% -Turbinas deacionamento mecânico: 42 % Exportação de Eletricidade: 0[kWe] Sistema de cogeração não opera na entressafra.

13 13 Usina A Eletrificação Caso AE Alterações propostas: Usina A -Eletrificação do preparoe extração motoresde MT com partida direta para picador,nivelador e desfibrador e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6. -Geração devapor a 38[bara]@400[ C] na caldeira 2-100[t/h] -η= 81% -Instalação de novo CEST de 22,5[MW] - η=84%/82% -Considerado consumo adicional de 5.900[M We] devido às alterações do sistema. Consumo de 2,5[M W] na entressafra.

14 14 Usina A Alta Pressão Caso AAP Alterações propostas: Usina A -Eletrificação do preparoe extração motoresde MT com partida direta para picador,nivelador e desfibrador e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6. -Geração devapor a C] em duas caldeiras de100[t/h] - η= 87% -Instalação de novo CEST de 36,5[MW] - η=86 %/84,5% -Considerado consumo adicional de 6.900[M We] devido às alterações do sistema. Consumo de 3[M W] na entressafra.

15 15 Usina A Extra Alta Pressão Caso AE A P Alterações propostas: Usina A -Eletrificação do preparoe extração motoresde MT com partida direta para picador,nivelador e desfibrador e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6. -Geração devapor a C] em duas caldeiras de100[t/h] - η= 87% -Instalação de novo CEST de 40[ M W] - η=86 %/84,5% -Considerado consumo adicional de 7.900[M We] devido às alterações do sistema. Consumo de 3,5[M W] na entressafra.

16 Usina A Resultados Simulações Usina A W prod[kw ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ] AB ,78 83,0 0 AE ,07 87, AAP ,68 92, AEAP ,70 93, Safra W prod[kw ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ] AB AE ,97 49, AAP ,85 48, AEAP ,66 49, Entressafra -W prod trabalho totalproduzido ( kw e + k W mec ) -η -eficiência para geração detrabalho -m comb vazão mássica de bagaço -EE exp energia elétrica adicional exportada 16

17 17 Usina A Análise dos Resultados Usina A -Sistema apresenta grande potencialde melhoria -Efeito isolado da eletrificação e utilização de CEST mantendo parâmetros de vapor constantes,promove elevação da eficiência em mais de 50 % em relação ao caso base. -Pequenas elevações no consumo de bagaço frente a aumentos consideráveisna produção detrabalho indicam que a eficiência de conversão de energiatem papel fundamental na eficiência global do ciclo

18 18 Usina A Análise dos Resultados Usina A -Através da elevação dosparâmetrosde vapor é possível incrementarconsideravelmente a eficiência do cicloea produção de eletricidade -Utilização de CEST possibilita produção de eletricidade ao longo do ano todo -O efeito da elevação dos parâmetros de geração de vapor setorna menos intenso a medida que estes vão sendo aumentados

19 Usina A Análise Econômica Usina A Parâmetrosconsiderados: -Duração do Projeto 21 anos /Periodicidade Anual -Duração da safra/entressafra 200 /150 dias -Taxa de Juros para cálculo do Valor Presente Líquido (VPL) de 15% -Emissõesreduzidas líquidas:ano 1 a tco2 /G Wh e ano 8 a tco2 /G Wh -Preço [M Wh] - R$93,00 -Preço tco 2 -R$15,00 -Preço tonelada de bagaço R$ 15,00 -Custos Anuaisde O& M 4 operadores na entressafra (R$60,00/h) + 1% do investimento em Caldeiras, CEST, AcionamentoseInterligação com a Rede -OBS.:mesmos parâmetrosforam considerados para a Usina B. 19

20 20 Usina A Exemplo de Cálculo Usina A Descrição Configuração E. E. Adic. Exportada Safra [MW] E. E. Adic. Exp. Entressafra [MW] Consumo Adic.Bagaço Safra[ton/h] Con. Adic.Bag. Entressafra[ton/h] Preço tco 2 [R$] Custo ton Bagaço [R$] Preço MWh e [R$] Investimento [R$] Custos de O&M [R$] Custo Bagaço Adicional [R$] Receita Adicional E.E. [R$] Créditos de Carbono - ano 1 a 7 [R$] Créditos de Carbono - ano 8 a 21 [R$] VPL TIR Caso AE Usina A Caso eletrificado - Geração Vapor 38/22Bara Geração de Vapor em 38Bara Caldeira 2 CEST 22,5MW / Eletrificação Preparo & Extração 9, , ,00 15,00 93, , , , , , , ,69 31,30

21 21 Usina A Resultados Análise Econômica Usina A Investim ento[r$] TIR[% ] VPL[R$] AE ,00 31, ,69 AAP ,00 31, ,51 AEAP ,00 30, ,88 A condição atual de operação da usina étalque todas as alternativaspropostas apresentam boa atratividade, sendo que a eletrificação associada a CEST operando com 38 ou 66[bara] apresenta TIR spraticamente iguais.

22 22 Usina B Dados Principais Capacidade de Moagem: [ton/dia] de cana 2 linhas:picador, nivelador,desfibrador e 6ternos ( ) Usina B Geração devapor: 180[ton/h] -66[bara]@ 520[ C] + 300[ton/h] - 400[ C] (duas caldeiras de 150[t/h]) Produção de Eletricidade: [k We] 1x6,6[M V A] +1x7,5[M V A] + 1x18,75[M V A] - contrapressão 1x45,75[MVA] CEST (extração 22[bara]) Trabalho Mecânico: [K W mec] 7xturbinas múltiplo estágio + 2x simples estágio contrapressão Exportação de Eletricidade: [kW e] Vapor de Processo: 19[ton/h] 22[bara]@300[ C] extração CEST + 353[ton/h] C] contrapressão das demaisturbinas. Consumo de Bagaço: 221[ton/h] PCI=7500[KJ/kg]

23 23 Usina B Esquema Simplificado Usina B

24 24 Usina B Resultados Simulação Caso BB Eficiência do ciclo p/ produção detrabalho:15,30 % Safra e 24,71 % Entressafra Usina B Produção total detrabalho: [kW] Safra e [k W] Entressafra Eficiênciasdos componentes do ciclo: -Caldeiras:81 % (43[bara])e 87 %(66[bara]) -Turbinas dosturbogeradores:83% CEST e 78% Contrapressão -Turbinas de acionamento mecânico: 55 % M E e 45% SE Exportação de Eletricidade: [kWe] Safra e [kWe]na Entressafra

25 25 Usina B Eletrificação Caso BE Alterações propostas: Usina B -Eletrificação do preparoe extração motoresde MT com partida direta para picador,nivelador e desfibrador da linha 1 e motoresde BT acionados por drives de 12 pulsos paraternos 1 a 6 das duas linhas. -Geração de vapor adicional de 5[t/h] em 43[bara]@400[ C] para refrigeração do novo CEST no período da safra -Instalação de novo CEST de 30[ M W] - η=82%/85% -Considerado consumo adicional de 10,25[ M We] devido às alterações do sistema. Consumo adicional de 3,1[M W] na entressafra.

26 Usina B Alta Pressão Caso BAP Alterações propostas: Usina B -Eletrificação do preparoe extração motoresde MT com partida direta para picador,nivelador e desfibrador da linha 1 e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6 das duaslinhas. -Geração devapor a C] em duas caldeiras de150[t/h] - η= 87% -Desativação dos TG s de Contrapressão ereforma dos acionamentos mecânicos remanescentes para operação em 66[bar]- η=55% -Instalação de novo CEST de 65[MW] - η=87/85% -Considerado consumo adicional de 11,25[ M We] na safra e de 3,5[ M W] na entressafra. 26

27 Usina B Extra Alta Pressão Caso BE A P Alterações propostas: Usina B -Eletrificação do preparoe extração motoresde MT com partida direta para picador,nivelador e desfibrador da linha 1 e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6 das duaslinhas. -Geração devapor a C] em duas caldeiras de150[t/h] - η= 87% -Instalação de novo CEST de 70[MW] - η=87/85% -Desativação dos TG s de Contrapressão ereforma dos acionamentos mecânicos remanescentes para operação em 82[bar]- η=55% -Considerado consumo adicional de 12,25[ M We] na safra e de 4,15[M W] na entressafra. 27

28 Usina B Resultados Simulações Usina B W prod[kw ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ] BB , BE , BAP , BEAP , Safra W prod[kw ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ] BB , BE , BAP , BEAP , Entressafra -W prod trabalho totalproduzido ( kw e + k W mec ) -η -eficiência para geração detrabalho -m comb vazão mássica de bagaço -EE exp energia elétrica adicional exportada 28

29 29 Usina B Avaliação dos Resultados Usina B -Sistema atual apresenta bom grau de desenvolvimento tecnológico e boa eficiência -Configuração do sistema minimiza a melhora obtida pela eletrificação dos acionamentos devido a necessidade de redução de vapor pelo by-pass para atendimento da demanda do processo no Caso BE -A melhorada eficiência é mais acentuada no período de safra. A operação de turbogeradores de contrapressão ou a abertura da extração durante asafrareduz a eficiência do ciclo paraprodução de trabalho -As eficiências obtidas para o período de entressafra são altase não apresentam grandes alterações

30 Usina B Avaliação dos Resultados Usina B -O aumento de produção de eletricidade é mais dependentedo aumento da capacidade de geração, que do aumento da eficiência dos processos de conversão de energia. A eletrificação contribuiredu-zindo a demanda de vapor pelos acionamentos, que passa aser empregado na geração de E.E. -A exportação de energia elétrica pode ser elevada ao longo detodo ano. Na entressafra o aumento da produção e conseqüente exportação de eletricidade provoca elevação do consumo de bagaço. - O fornecimento de vapor para o processo reduz o potencialdeprodução de eletricidade sensivelmente. Assim aredução da demanda de vapor pelo processo constituium meio eficaz de aumentar a geração de energia elétrica 30

31 31 Usina B Análise Econômica Usina B Investim ento[r$] TIR[% ] VPL[R$] BE ,00 28, ,02 BAP ,00 30, ,66 BEAP ,00 27, ,88 A alternativa que se mostra mais atraente associa a eletrificação das moendas à utilização de CEST operando apressão de 66[bara].

32 32 Considerações Finais Considerações Finais As simulações realizadas demonstram que há grande potencialtécnico de expansão da produção de eletricidade através da eletrificação dos acionamentos do preparo e extração e utilização de CEST operando com altos parâmetros. Os estudos comprovam ainda que a aplicação das técnicas sugeridas promove aelevação da eficiência do ciclo. A utilização de sistemas eficientes de conversão de energia(turbinas de alta eficiência,aciona mentos motorizados de altorendimento) são essenciais para este aumento deeficiência.

33 33 Considerações Finais As análiseseconômicasindicam que o desenvolvimento do potencialtécnico identificado através dassimulações é viável. Considerações Finais Estima-se que a consideração de sistemas de cogeração com CEST e altos parâmetros eeletrificação do preparo e extração na concepção de novas usinas promovam ganhos ainda maiores que os obtidos com o emprego destassoluções em plantas existentes. A comercialização de créditos de carbono contribui com uma receita equivalente a cerca de 10 % do valor obtido com a venda de eletricidade, devendo ser considerada nos projetos.

34 34 Considerações Finais Outros benefícios provenientes da aplicação das alternativas propostas são: -Elevação do grau de automação dausina Considerações Finais -Aumento da disponibilidade da planta -Redução dos custos específicos demanutenção -Maiorflexibilidade do sistema de cogeração

35 35 Obrigado pela Atenção Gracias por la atención Thiago Teodoro Pistore