Viabilidade econômica e ambiental: Usina 1

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1 Viabilidade econômica e ambiental: Usina 1 Tassia Junqueira Marcos Watanabe 07 de dezembro de 2017

2 Agenda Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Modelagem agrícola e industrial Avaliação técnico-econômica e ambiental Proposta de calculadora para o setor sucroenergético

3 Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Modelagem agrícola e industrial Avaliação técnico-econômica e ambiental Proposta de calculadora para o setor sucroenergético

4 Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Integração dos modelos Impactos de Sustentabilidade Simulação de processos Modelos matemáticos Avaliação de diferentes rotas e tecnologias para biorrefinarias Avaliação do estágio de desenvolvimento de novas tecnologias Otimização de conceitos e operações dentro do contexto de uma biorrefinaria

5 Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar

6 Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Modelagem agrícola e industrial Avaliação técnico-econômica e ambiental Proposta de calculadora para o setor sucroenergético

7 Modelagem Agrícola Definição do cenário Respostas Sistema de produção de cana Custos de produção Tamanho da usina Dispersão das áreas de cana Produtividade Tipo de plantio Tipo de colheita... Cálculos integrados Inventário do ciclo de vida Resultados sociais Maquinário Fertilizantes Implementos Operações agrícolas Uso de insumos Agroquímicos Caminhões Investimento inicial Vida útil Potência Peso... Tipo de maquinário Eficiências de campo Consumo de diesel Mão de obra Fatores de emissão... Bancos de dados Áreas de aplicação Fatores de emissão... Resíduos industriais Preços Composição...

8 Modelagem Agrícola Cana colhida para moagem (t) Principais informações - safra 2016 Produtividade (t/ha) 64,72 Nº médio de cortes 3 Raio médio total (km) 20 Fração da área total com recolhimento de palha (%) 26 Área de recolhimento de palha (ha) Fração de palha recolhida por hectare (%) 46 Sistema de recolhimento de palha Forrageira/Fardos Distância de transporte da palha (km) 14,5 Palha recolhida por hectare em base úmida (t/ha) 3,5 Umidade da palha (%) 15,0 Impureza mineral (%) 5,0 Horas efetivas forrageira (h/dia) 13 Rendimento da forrageira (ha/dia) 50 Horas efetivas enfardadora (h/dia) 8 Rendimento da enfardadora (ha/dia) 32

9 Modelagem Agrícola Comparação Fardos e Forrageira - Safra 2016 Operações Fardos Consumo de óleo diesel Forrageira L/ha L/t bs L/ha L/t bs Aleiramento 1,3 0,4 1,3 0,4 Enfardamento 5,6 1,9 - - Coleta com forrageira ,0 3,7 Carregamento 8,0 2,7 0,0 0,0 Transporte 2,7 0,9 5,4 1,8 Total 17,6 5,9 17,7 6,0 Considerando somente área de recolhimento. As densidades de carga para o transporte da palha, usadas na simulação, foram de 180 kg/m³ e 100 kg/m³, respectivamente, para fardos e forrageira. *Informação da Usina: consumo de diesel (aleiramento - forrageira transporte) 6 L/ t palha

10 Modelagem Agrícola Comparação Fardos e Forrageira - Safra 2016 Operações Custos de recolhimento de palha Fardo Forrageira R$/ha R$/t bs R$/ha R$/t bs Aleiramento 8,76 2,95 4,0% 8,76 2,95 7,1% Enfardamento 80,12 26,93 36,7% Coleta com forrageira ,41 27,37 66,0% Carregamento 82,53 27,74 37,8% Transporte 21,44 7,21 9,8% 33,18 11,15 26,9% Fio de amarração 25,70 8,64 11,8% Total 218,56 73,47 123,36 41,46 Considerando somente área de recolhimento.

11 Modelagem Agrícola Variação do custo recolhimento de palha (R$/t bs ) em função da capacidade operacional da forrageira

12 Modelagem Agrícola Custos de recolhimento de palha (R$/t bs ) em função da distância de transporte + 6,5% + 25%

13 Modelagem Agrícola Custos de recolhimento (R$/t bs ) em função da quantidade de palha recolhida - 45% - 57%

14 Modelagem Agrícola Custos de recolhimento (R$/t bs) considerando impacto de remoção da palha Impacto da remoção Sem impacto da remoção Início Safra Meio Safra Final Safra Média 1,15 TC/t bs 0,23 TC/t bs 0,56 TC/t bs 0,65 TC/t bs Tipo de recolhimento Fardo Forrageira Fardo Forrageira Fardo Forrageira Fardo Forrageira Fardo Forrageira Custo da palha (R$/t bs ) 73,47 41,46 171,44 139,44 93,28 61,28 120,80 88,80 128,51 96, % + 133%

15 Modelagem Agrícola Avaliação de campo Forrageira Produtividade colmos (TC/ha) 41 Umidade da palha (%) 17 Densidade de carga palha (kg/m³) 94 Transporte da palha (km) t bs (30% ) 3 t bs (62%) Horas efetivas forrageira (h/dia) 5,0 5,5 5,9 6,9 8,0 9,0 9,0 Rendimento (ha/dia) 5,9 7,0 8,2 11,0 14,8 18,8 18,8 Palha recolhida (t bs /ha) 1,43 1,43 1,43 1,43 1,43 1,43 3,00 Custo da palha* (R$/t bs ) 214,66 201,96 191,77 176,83 165,64 157,17 74,74 *sem considerar impacto de remoção

16 Comparação dos três sistemas Raio médio Produtividade média Enfardadora Forrageira Colhedora 27 km 80 TC/ha 8 h efetivas 8 h efetivas 11 h efetivas Sem considerar impacto de remoção Integral * - divisão proporcional dos custos entre massa de colmo extra e palha (b.u.) Integral ** - mantém custo do colmo e o benefício da redução de perda na colheita vai para palha

17 Modelagem Industrial Componentes Fluxograma de processo Dados das correntes de entrada Dados de operação dos equipamentos. Dados de entrada (usuário) Aspen Plus Preparo e extração do caldo Tratamento do caldo e concentração Fermentação Destilação e desidratação Cogeração. Etapas de processo (depende dos cenários) Inventários econômico, social e ambiental ü Dados de insumos e matéria prima ü Dados de produção (etanol, eletricidade, açúcar, etc) ü Dados de subprodutos e resíduos ü Dados de emissões ü Dados para cálculo de Investimento ü Outras informações Relatórios de saída

18 Modelagem Industrial Fluxograma da Usina Palha enfardada Cana-de-açúcar Recepção e preparo Extração Bagaço Cogeração Eletricidade Pré-evaporação Caldo clarificado Caldo primário Tratamento do caldo - açúcar Lodo dos decantadores Caldo secundário Tratamento do caldo - etanol Eletricidade e vapor - BIORIGIN Unidade anexa Caldo clarificado Filtrado Filtração Filtrado Produção de xarope invertido Xarope Evaporação Xarope Torta de filtro Xarope Pré-evaporação Melaço Caldo concentrado Xarope invertido Cozimento, cristalização e centrifugação Melaço Preparação do mosto Açúcar Secagem e resfriamento Fermentação Destilação Vinhaça e flegmaça Açúcar Etanol hidratado Desidratação Etanol anidro

19 Modelagem Industrial Validação do modelo - Ago/2015 Processamento da planta Parâmetro Alimentação da moenda Palha processada (fardos) Valor 650 t/h kg/h Umidade da palha 23,00% Impurezas minerais nos fardos 5,00% Produtos Parâmetro Unidade Boletim Aspen Desvio Álcool hidratado L/h ,75% Álcool anidro L/h ,52% Açúcar kg/h ,75% Xarope invertido kg/h ,46% Cogeração Parâmetro Unidade Boletim Aspen Desvio Energia excedente MW 16,82 16,89 0,45% Energia excedente kwh/tc 25,88 25,99 0,45% Demandade eletricidade kwh/tc 34 Fixado Produção total de eletricidade Exportação de energia para Unidade Anexa Valor médio informado pela Usina kwh/tc 72,95 73,07 0,16% MW 8,5 Fixado Vapor para Unidade Anexa t/h 60 Fixado Valor médio informado pela Usina Valor médio informado pela Usina Vazão total de vapor t/h ,98%

20 Modelagem Industrial Avaliação de cenários de referência (considerando safra 2016) Processamento de cana: 603 t/h (195 dias de operação), com 9,15% de impurezas vegetais na carga (~35% da palha) Cenário Sem palha Com palha Fardos Forrageira Palha recolhida (t/h, b.u.) 0 8,2 8,2 Fração de recolhimento 0% 43% 43% Fração palha na caldeira 0% 5% 5% Déficit de bagaço (mil t/ano) Safra Potência total (MW) 49,1 49,1 49,1 Potência para o grid (MW) 17,7 17,4 17,7 Entressafra Potência total (MW) 24,0 24,4 24,0 Potência para o grid (MW) 1,5 1,9 1,5 EE total para o grid (MWh/ano)

21 Cenário I II III Recolhimento de palha Compra de bagaço Não Sim Sim EE para o grid MWh/ano Modelagem Industrial Cenários de expansão - maior recolhimento de palha e exportação de EE Aumento da capacidade instalada de geração de EE Não Não Sim Considerações para a avaliação Caldeira 91 bar, 100 ton/h + turbina 30 MW Todos os cenários avaliados com recolhimento de palha em fardos ou com forrageira Palha com 15% de umidade e 5% de impurezas minerais Queima preferencial de palha durante a safra Limite de 20% de palha na alimentação da caldeira (b.u.) Excedente de bagaço gerado durante a safra é utilizado na entressafra No cenário II, são utilizados equipamentos de troca térmica (trocadores de calor convencionais, aquecedores e evaporadores de múltiplo efeito) para condensação de vapor de processo de baixa pressão durante a entressafra Dias de operação: 195 na safra e 135 na entressafra

22 Modelagem Industrial Cenários de expansão - maior recolhimento de palha e exportação de EE Cenário I II III Fardos Forrageira Fardos Forrageira Fardos Forrageira Palha recolhida (t/h, b.u.) 21,5 20,4 30,2 30,2 30,2 30,2 Fração de recolhimento 56% 55% 65% 65% 65% 65% Fração de palha na alimentação da caldeira 14% 13% 20% 20% 20% 20% Déficit de bagaço (mil t/ano) Safra Potência total (MW) 49,1 49,1 49,1 49,1 79,1 79,1 Potência para o grid (MW) 16,9 17,7 16,6 17,7 46,6 47,7 Entressafra Potência total (MW) 25,1 24,0 48,2 48,2 78,2 78,2 Potência para o grid (MW) 2,6 1,5 25,7 25,7 55,7 55,7 EE para o grid (MWh/ano) Aumento na exportação de EE % 89% 354% 361%

23 Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Modelagem agrícola e industrial Avaliação técnico-econômica e ambiental Proposta de calculadora para o setor sucroenergético

24 Avaliação Econômica Premissas das análises Sistema agroindustrial de palha ü ü ü Parâmetros considerados Investimento incremental CAPEX industrial Capital de giro industrial OPEX incremental Custos agrícolas da palha Custo da mão-de-obra industrial Custo de insumos químicos industriais Custo de manutenção industrial Receita incremental Compra evitada de bagaço Receita com eletricidade adicional

25 Avaliação Econômica Premissas das análises Data de referência: Dezembro de 2016 Parâmetros principais Valor Unidade Tempo de implementação do sistema 1 ano Tempo de duração do projeto 20 anos Valor residual dos equipamentos 10% Investimento capital fixo T.M.A, taxa real 12% ao ano Capital de giro 10% Investimento capital fixo Depreciação anual média 10% ao ano, linear Custo médio de manutenção 3% Investimento capital fixo Imposto de renda (IRPJ) 25% Renda tributável Contribuição social lucro líquido (CSLL) 9% Renda tributável Produto avaliado Valor Unidade Bagaço preço de compra R$/t, base úmida Bagaço preço médio 75 R$/t base úmida Preço eletricidade 193 R$/MWh

26 Avaliação Econômica Cenários de referência com recolhimento Sensibilidade ao VPL Aumento custo agroindustrial Redução do custo agroindustrial Forrageira CAPEX (R$ mi) Fardos - CAPEX (R$ mi)

27 Avaliação Econômica Cenário I substituição total do bagaço (geração de EE mantida) Forrageira CAPEX (R$ mi) Fardos - CAPEX (R$ mi)

28 Avaliação Econômica Cenário II eletricidade adicional sem investimento em cogeração EE adicional (MWh/ano) - Forrageira EE adicional (MWh/ano) - Fardo Forrageira CAPEX (R$ mi) Fardos - CAPEX (R$ mi)

29 Avaliação Econômica Cenário II eletricidade adicional sem investimento em cogeração FORRAGEIRA * Considerando custo de palha com perdas agronômicas FARDO * Considerando custo de palha com perdas agronômicas

30 Avaliação Econômica Cenário III eletricidade adicional com investimento em cogeração EE adicional (MWh/ano) - Forrageira EE adicional (MWh/ano) - Fardo Forrageira CAPEX (R$ mi) Fardos - CAPEX (R$ mi)

31 Avaliação Econômica Cenário III eletricidade adicional com investimento em cogeração FORRAGEIRA * Considerando custo de palha com perdas agronômicas FARDOS * Considerando custo de palha com perdas agronômicas

32 Discussão dos resultados A expansão da exportação de EE através da aquisição de turbina de condensação pura (cenário III) requer grandes quantidades de bagaço (>550 mil t/ano), mesmo com o aumento do recolhimento de palha. O sistema de forrageira apresentou maior viabilidade econômica quando comparado ao sistema de fardos, no entanto, alguns parâmetros impactam os custos dos cenários com forrageira, tais como: Número de horas efetivas de recolhimento Quantidade de palha recolhida por hectare Impactos na eficiência da caldeira devido à falta de uniformidade da palha (ex. granulometria) Outros aspectos relevantes que, se quantificados, poderão ser incorporados à análise: Queda na eficiência de cogeração com o aumento da quantidade de palha na alimentação das caldeiras Limitações das caldeiras de grelha convencionais para receber material lignocelulósico contendo até 20% de palha (necessidade de caldeiras de leito fluidizado?) Impactos das impurezas minerais sobre a manutenção industrial Eventuais investimentos adicionais na indústria podem ser adaptados para melhor refletir a realidade da usina

33 Metodologia Avaliação Ambiental - Abordagem de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) (ISO 14040, ISO 14044) - Impactos de toda a cadeia produtiva (insumos, produção da cana, transporte, industrial) - Bagaço comprado: impacto zero (resíduo) + impacto do transporte até a usina (250 km) - Alocação econômica (receita de cada produto) para obter o impacto por kwh vendido Bagaço 250 km Usina genérica Bagaço t(bu) Bagaço t(bu) Bagaço t(bu) Insumos agrícolas Fertilizantes Diesel Insumos industriais Base Forrageira Fardos Usina 1 por tonelada de cana Etanol anidro 44,7 L Etanol hidratado 15,9 L Açúcar 30,5 kg Xarope invertido 24,1 kg Eletricidade para rede 31,0 kwh

34 Emissões (g CO 2 eq por tonelada de cana processada) Avaliação Ambiental Transporte do bagaço comprado = 0,8 g CO 2 eq 0,5 g CO 2 eq 0,5 g CO 2 eq Diesel recolhimento da palha = 0 g CO 2 eq 0,14 g CO 2 eq 0,19 g CO 2 eq Emissões da palha no campo = 2,6 g CO 2 eq 2,3 g CO 2 eq 2,3 g CO 2 eq

35 Cenários de referência Emissões (g CO 2 eq por kwh de eletricidade vendida) Avaliação Ambiental Crédito ambiental da eletricidade vendida pela usina (comparação com uma termoelétrica a GN) +326 g CO 2 eq por kwh Crédito de produzir 87,6 GWh/ano de bioeletricidade equivale ao sequestro de CO 2 de: 175 mil árvores por ano ou 105 ha de Mata Atlântica Usina 1

36 Biorrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar Modelagem agrícola e industrial Avaliação técnico-econômica e ambiental Proposta de calculadora para o setor sucroenergético

37 Proposta de calculadora para o setor sucroenergético Objetivo: Divulgação dos resultados do projeto através da disponibilização de ferramenta para avaliação preliminar do recolhimento e processamento de palha Usuários Setor sucroalcooleiro Público em geral Estrutura de cálculo Equações correlacionando custo de palha com os principais parâmetros de recolhimento Cálculo do potencial de geração de eletricidade a partir de palha Dados de entrada Parâmetros agrícolas (produtividade, distância de transporte, recolhimento de palha) Indicadores específicos correlacionando dados de entradas com respostas (ex. eficiência de geração elétrica) Respostas Custo da palha Receita adicional com eletricidade Crédito ambiental (emissões CO2eq evitadas)

38 Proposta de calculadora para o setor sucroenergético Interface gráfica temporária para o modelo Versão preliminar: sem incorporar resultados do Batch 1

39 Proposta de calculadora para o setor sucroenergético Estimativa do potencial de geração de eletricidade pela queima de palha (região Centro-Sul 2016) Newsletter #11 setembro de 2017: Residências abastecidas e equivalente em árvores plantadas em cenário potencial de geração de bioeletricidade a partir da palha

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