Cogeração de energia na cadeia do carvão vegetal

Transcrição

1 Cogeração de energia na cadeia do carvão vegetal Dr. Electo Eduardo Silva Lora Eng. Mateus Henrique Rocha Fórum Nacional sobre Carvão Vegetal Belo Horizonte, 21 de outubro de 2008.

2 Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e Distribuída NEST ATIVIDADES DE PESQUISA Gaseificação de biomassa Célula combustível Microturbinas a gás Cogeração Motores Stirling a biomassa

3 LIVROS PUBLICADOS EM 2009

4 O NEST na internet

5 Estrutura da apresentação 1) Oferta/Demanda/Preço da energia no Brasil 2) Fundamentos da cogeração 3) Possibilidades de cogeração em outros setores da economia 4) Cogeração de energia na cadeia de produção do carvão vegetal 5) Alternativas de cogeração na cadeia de produção do carvão vegetal e custos associados 6) Conclusões/recomendações

6 1.1 Relação de oferta e demanda de eletricidade no Brasil Fonte: BEN (2007)

7 1.2 Participação da indústria de lenha e carvão vegetal na oferta de energia ( ). Fonte: BEN (2007)

8 1.3 Preço médio da eletricidade industrial ( ) Fonte: BEN (2007)

9 2.1 Fundamentos da cogeração A cogeração é definida como a produção seqüencial de energia elétrica ou mecânica e de energia térmica útil em processos industriais, a partir de uma mesma fonte de energia primária. A cogeração não é uma tecnologia nova e tem sido utilizada há anos em muitas unidades industriais como um meio econômico de satisfazer, parcial ou totalmente, as suas necessidades térmicas e elétricas. Historicamente no Brasil um dos grandes financiadores dos empreendimentos de cogeração é o BNDES.

10 2.2 Vantagens da cogeração 1) Econômicos: Reduz os riscos associados a incrementos nos preços da eletricidade para as indústrias que utilizam esta tecnologia. Diminui os custos associados à compra de energia primária no sistema. Permite a venda de excedentes elétricos ao sistema elétrico. 2) Operacionais: Incrementa a eficiência na conversão e utilização de energia primária nos processos de geração térmica e elétrica. Melhora a qualidade da eletricidade mediante sistemas de controle que garantem a tensão e freqüência requerida pelo sistema. Melhora a confiabilidade no fornecimento energético. 3) Ambientais: Diminui o impacto ambiental associado à utilização de combustíveis fósseis. Redução das emissões específicas de poluentes (kg/kwh). Diminui a quantidade de resíduos gerados no processo.

11 2.3 Tecnologias de cogeração O NOSSO CASO! FORNO DE CARVÃO GRUPO GERADOR

12 2.4 Alternativas para a demanda de eletricidade e calor Fonte: CONAE (2007)

13 3.1 Cogeração em outros setores da indústria

14

15 3.2 Cogeração no setor sucroalcooleiro

16 4.1 Recuperação de energia na cadeia de produção do carvão vegetal % 100 % %

17 4.2 Potencial de geração de eletricidade A conversão do total de gases e líquidos emitidos pela indústria de produção de carvão vegetal no Brasil, cerca de 10 milhões de toneladas de carvão por ano, com apenas 10% de eficiência de conversão em eletricidade, representaria uma potência instalada de 1 GW. Uma UPC de toneladas de carvão por ano poderia ter uma potência instalada de quase 7 MW.

18 4.3 Experiências em andamento para recuperação de energia Incinerador de gases da Plantar Incinerador de gases da Acesita Energética/ArcelorMittar. Termobalança e incinerador de fumaça na V&M florestal.

19 4.4 Incineradores de fumaça Necessidade de integração de processos! Fonte: ArcelorMittal

20 4.5 Geração da energia através da fumaça PARTICULARIDADES E PROBLEMAS Necessidade de se operar com vários fornos simultaneamente (clusters) a fim de homogeneizar a vazão e composição dos gases. Considera-se que 8 fornos seriam suficiente para formar um cluster deste tipo, 4 estariam gerando gás para o sistema de geração, 2 estariam na etapa de secagem da madeira e 2 estariam na etapa de resfriamento antes da descarga do forno. A fumaça pode ser definida como um gás pobre com um poder calorífico médio de 6 MJ/kg (4,5 MJ/Nm 3 ).

21 4.6 Fase potencial de geração de energia Fonte: ArcelorMittal; Delta

22 4.7 Requerimentos para implantação do sistema 1) Necessidade de instalações itinerantes que possam ser deslocadas para as vizinhanças dos fornos em operação. 2) Indisponibilidade de tecnologias comerciais para a geração de eletricidade em pequena capacidade. 3) Necessidade do estudo da interação forno/combustor, do ponto de vista da alteração da vazão de ar admitida ao forno e conseqüentemente relação com os processos de carvoejamento e da qualidade do carvão. 4) Aplicação válida apenas para fornos de grande capacidade ou fornos contínuos. 5) Dificuldades com a condensação do alcatrão contido no gás. 6) Necessidade de estabelecimento de uma logística de operação diferente, visando a equalização da vazão e composição do gás utilizado no sistema de cogeração.

23 TECNOLOGIAS CONVENCIONAIS 5.1 Ciclo a vapor (PROPOSTA CENTRALIZADA E DISTRIBUÍDA) Fonte: Efficientia Fonte: Promaut A combinação de uma caldeira de baixa eficiência, de uma turbina de um estágio e de um condensador a ar deve levar a eficiências de 3-5%. DILEMA: Transporte de gases e ALCATRÃO ou transporte de vapor

24 TECNOLOGIAS CONVENCIONAIS 5.2 Motores a gás Queda de rendimento por compressão do gás combustível a alta temperatura, com isso perde-se potência e eficiência na geração.

25 TECNOLOGIAS AVANÇADAS 5.3 Sistemas ORC CICLO RANKINE ORGÂNICO

26 TECNOLOGIAS AVANÇADAS 5.4 Motores a vapor O RETORNO!!!

27 TECNOLOGIAS AVANÇADAS 5.5 Turbinas a gás de queima externa (EFGT) E AS CÉLULAS À COMBUSTÍVEL NOS ESPERAM NO FUTURO!!!!

28 5.7 Características e custos dos sistemas

29 5.8 Necessidades de pesquisa e desenvolvimento Necessidade de aprimoramento dos balanços de massa e energia em fornos. Aprimoramento do controle de processos em fornos. Definição da tecnologia mais apropriada para diferentes abordagens do problema da cogeração. Integração dos processos de secagem, carvoejamento, resfriamento e cogeração em clusters de fornos de batelada. Desenvolvimento de fornos contínuos.

30 6. Conclusões/recomendações O problema do aproveitamento da fumaça dos fornos de produção de carvão é extremamente complicado devido a fatores operacionais e a faixa de capacidades. Proposta de linhas de financiamento para o setor de carvão vegetal que incluam a problemática do acréscimo de eficiência energética. Interesse crescente das maiores empresas produtoras de carvão vegetal na recuperação de energia dos gases e do alcatrão. A Plantar e a ArcelorMittar são as empresas mais avançadas neste sentido, porém os protótipos existentes limitam-se a incineradores de fumaça, que embora resolvam o problema da poluição, não aproveitam o potencial energético do gases.

31 6. Conclusões/recomendações Dentre as tecnologias comerciais o ciclo a vapor descentralizado e os motores a gás constituem opções interessantes, todavia ambos os sistemas possuem eficiências muito baixas e o ciclo a vapor possui custos muito elevados. Dentre as tecnologias avançadas o sistema EFGT possui grandes perspectivas, pois resolve o problema do alcatrão, tem uma faixa de potência de operação compatível com os requerimentos dos clusters de fornos e pode fornecer gases quentes para a secagem da madeira. O sistema EFGT poderia alcançar eficiências de 18 a 20%, que é um valor muito atrativo para sistemas de pequena capacidade, porém trata-se de uma tecnologia ainda em desenvolvimento.

32 CONTATOS: Dr. Electo Eduardo Silva Lora Eng. Mateus Henrique Rocha (35)