AVALIAÇÃO DE UMA PLANTA DE COGERAÇÃO ASSISTIDA POR CONCENTRADORES SOLARES DO TIPO LINEAR FRESNEL DO SETOR SUCROALCOOLEIRO

Trabalho de Conclusão de Curso AVALIAÇÃO DE UMA PLANTA DE COGERAÇÃO ASSISTIDA POR CONCENTRADORES SOLARES DO TIPO LINEAR FRESNEL DO SETOR SUCROALCOOLEIRO Aluno: Juan Camilo López Restrepo Orientadores: Professor Edson Bazzo, Dr.Eng. Professor Álvaro Hernán Restrepo, Dr.Eng. Banca avaliadora formada por: Prof. Juan Esteban Tibaquirá, Dr.Eng. Decano. Educardo Roncancio Huertas, Eng Pereira 15/04/2015 1

Introdução Matriz energética mundial dos anos 1973 e 2012. [1] Consumo Energético + 40 % Energias Alternativas + 950,6 % Consumo de óleo - 3,9 % [1] Fonte: INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, Key World Energy Statistics, 2013. [Online]. 15/04/2015 Available: http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/keyworld2013.pdf. ** Outros incluí energias geotérmicas, solares, eólicas, caloríficas, etc. 2 1 Mtoe = 11 630 kwh

Motivação [3] Dependencia hídrica Tempos de Secas CRISIS (1992, 2001) [2] 15/04/2015 [2] Ministerio de Minas y Energías, Energía eléctrica. 2012. [3] Ministério de Minas e Energias, Balanço energético Nacional, 2013. [Online]. 3 Disponível: https://ben.epe.gov.br/downloads/relatorio_final_ben_2013.pdf.

Motivação A grade área tropical faz do Brasil uma grande potência em energia solar. Benefícios ambientais. Menor consumo de combustíveis fósseis. DNI Obtenção de energia sem impacto ambiental. Ao ser acoplado em usinas. Economia combustível Aumento da capacidade de geração Proveito da infraestrutura existente. [4] Direct Normal Irradiance [W/m²] Bases de dados (SWERA) 15/04/2015 4 [4] SWERA - DNI INPE High Resolution

Tecnologias solares [5] [4] 15/04/2015 [5] Adaptado de: S. a. Kalogirou, Solar thermal collectors and applications, vol. 30, 5 no. 3. 2004, pp. 231 295.

OBJETIVOS 15/04/2015 6

Objetivos OBJETIVO GERAL Avaliar o impacto de um sistema de coletores termossolares do tipo Linear Fresnel sobre o consumo de combustível e incremento da exportação de potência elétrica em uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar as condições de operação de uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. 2. Estruturar um modelo termodinâmico em regime permanente que represente a operação típica do ciclo de cogeração da usina sucroalcooleira. 3. Calcular a eficiência óptica dos coletores solares a partir do ângulo de incidência obtido em função dos dados geográficos e meteorológicos da localização da usina. 4. Propor uma condição de projeto para dimensionar o campo de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 5. Modelar e analisar a planta de cogeração termoelétrica sob duas propostas de inclusão do sistema de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 15/04/2015 7

Objetivos OBJETIVO GERAL Avaliar o impacto de um sistema de coletores termossolares do tipo Linear Fresnel sobre o consumo de combustível e incremento da exportação de potência elétrica em uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar as condições de operação de uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. 2. Estruturar um modelo termodinâmico em regime permanente que represente a operação típica do ciclo de cogeração da usina sucroalcooleira. 3. Calcular a eficiência óptica dos coletores solares a partir do ângulo de incidência obtido em função dos dados geográficos e meteorológicos da localização da usina. 4. Propor uma condição de projeto para dimensionar o campo de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 5. Modelar e analisar a planta de cogeração termoelétrica sob duas propostas de inclusão do sistema de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 15/04/2015 8

Ciclo de cogeração em estudo 15/04/2015 9

Condições de operação da usina Características de operação: Conceito Valor Localização Mato Grosso Capacidade de moagem de cana do processo 660 t/h Consumo de vapor do processo Pressão do processo Consumo de energia elétrica Consumo de energia mecânica Quantidade de bagaço produzido PCI do bagaço Pressão de geração de vapor Temperatura do vapor gerado 445 kgvapor/tcana 250 kpa 12 kwh/tcana 16 kwh/tcana 280 kgbagaço/tcana 7400 kj/kg 6740 kpa 520 C Purgas estimadas 1 % Eficiência térmica do gerador de vapor 88,4 % 15/04/2015 10

Estratégia de operação 5000 horas de operação Cogeração híbrida 15/04/2015 11

Objetivos OBJETIVO GERAL Avaliar o impacto de um sistema de coletores termossolares do tipo Linear Fresnel sobre o consumo de combustível e incremento da exportação de potência elétrica em uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar as condições de operação de uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. 2. Estruturar um modelo termodinâmico em regime permanente que represente a operação típica do ciclo de cogeração da usina sucroalcooleira. 3. Calcular a eficiência óptica dos coletores solares a partir do ângulo de incidência obtido em função dos dados geográficos e meteorológicos da localização da usina. 4. Propor uma condição de projeto para dimensionar o campo de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 5. Modelar e analisar a planta de cogeração termoelétrica sob duas propostas de inclusão do sistema de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 15/04/2015 12

Modelo termodinâmico do ciclo de cogeração HIPÓTESES: Condições Regime permanente durante a safra de Perdas nas tubulações desprezíveis. operação Hipóteses EES Resultados RESULTADOS: Conceito Valor Quantidade de bagaço queimado 51,33 kg/s Vazão de vapor produzido 111,10 kg/s Vazão de vapor consumido pelo processo 83,42 kg/s Potência gerada 83,04 MW Potência exportada 54,13 MW Tempo de operação durante a safra 5000 h Potência total disponível para venda 270,65 GWh Fator de utilização de energia 80,92 % 15/04/2015 13

Resultados CONSUMO DE COMBUSTÍVEL: 51,33 kg/s 15/04/2015 14

Objetivos OBJETIVO GERAL Avaliar o impacto de um sistema de coletores termossolares do tipo Linear Fresnel sobre o consumo de combustível e incremento da exportação de potência elétrica em uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar as condições de operação de uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. 2. Estruturar um modelo termodinâmico em regime permanente que represente a operação típica do ciclo de cogeração da usina sucroalcooleira. 3. Calcular a eficiência óptica dos coletores solares a partir do ângulo de incidência obtido em função dos dados geográficos e meteorológicos da localização da usina. 4. Propor uma condição de projeto para dimensionar o campo de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 5. Modelar e analisar a planta de cogeração termoelétrica sob duas propostas de inclusão do sistema de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 15/04/2015 15

Eficiência óptica dos coletores Módulos NOVA-1 Linear Fresnel NOVATEC SOLAR: Largura (a) Geometria 16,56 m [6] Comprimento (b) 44,8 m Distância focal (c) 7,4 m [6] Altura dos refletores (d) Distância mínima recomendada entre as linhas paralelas Superfície dos refletores primários Orientação Comprimento mínimo de linha Comprimento máximo de linha 0,75-1,05 m acima do solo 4,5 m 513,6 m^2 ± 20 no eixo norte-sul 5 módulos; 224 m 22 módulos; 985,6 m 15/04/2015 [6] NOVATEC-SOLAR, NOVA-1, 2009 16

Dados geográficos e meteorológicos Dados geográficos Longitude -20,45 Latitude -54,617 Localização: Campo Grande Mato Grosso DNI (Direct Normal Irradiance), por SWERA. 15/04/2015 17

Ângulo de incidência K ( ) K ( ) [6] θ K (θ) K (θ) opt o i 0 1 1 [7] 10 0,98 0,98 20 0,95 0,92 30 0,95 0,83 40 0,91 0,7 50 0,86 0,53 [8] 60 0,7 0,33 70 0,48 0,12 80 0,24 0,01 90 0 0 15/04/2015 [7] S. Colle, SOLAR ENERGY, 2012. [8] A. Giostri and M. Binotti, Comparison of Two Linear Collectors in Solar Thermal Plants: Parabolic Trough vs Fresnel, ASME 2011, 2011. 18

Resultados Mês Dia Hora η opt Janeiro 15 12 65,63% Fevereiro 15 12 64,66% Março 15 12 60,84% Abril 15 12 54,55% Maio 15 12 47,26% Junho 15 12 43,47% Julho 15 12 43,95% Eficiência Óptica Máxima = 67,39 %, Data: Janeiro 29, 13:00 Agosto 15 12 50,77% Setembro 15 12 58,60% Outubro 15 12 64,66% Novembro 15 12 66,99% Dezembro 15 12 66,52% 15/04/2015 19

Objetivos OBJETIVO GERAL Avaliar o impacto de um sistema de coletores termossolares do tipo Linear Fresnel sobre o consumo de combustível e incremento da exportação de potência elétrica em uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar as condições de operação de uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. 2. Estruturar um modelo termodinâmico em regime permanente que represente a operação típica do ciclo de cogeração da usina sucroalcooleira. 3. Calcular a eficiência óptica dos coletores solares a partir do ângulo de incidência obtido em função dos dados geográficos e meteorológicos da localização da usina. 4. Propor uma condição de projeto para dimensionar o campo de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 5. Modelar e analisar a planta de cogeração termoelétrica sob duas propostas de inclusão do sistema de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 15/04/2015 20

Condições de projeto do campo solar Condições de Projeto: DNI = 900 W/m² η opt = 0,67 (Meio dia solar) Aquecimento d agua de alimentação, 180 C 15/04/2015 21

Resultados Área de Reflexão 61000 m² Área estrutural 120000 m² [8] 15/04/2015 [8] Portal Fator Brasil. [Online]. Disponível: http://www.revistafatorbrasil.com.br/ver_noticia.php?not=271256. [Acessado: 08-Jul-2014]. 22

Objetivos OBJETIVO GERAL Avaliar o impacto de um sistema de coletores termossolares do tipo Linear Fresnel sobre o consumo de combustível e incremento da exportação de potência elétrica em uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar as condições de operação de uma usina de cogeração do setor sucroalcooleiro. 2. Estruturar um modelo termodinâmico em regime permanente que represente a operação típica do ciclo de cogeração da usina sucroalcooleira. 3. Calcular a eficiência óptica dos coletores solares a partir do ângulo de incidência obtido em função dos dados geográficos e meteorológicos da localização da usina. 4. Propor uma condição de projeto para dimensionar o campo de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 5. Modelar e analisar a planta de cogeração termoelétrica sob duas propostas de inclusão do sistema de coletores termossolares do tipo linear Fresnel. 15/04/2015 23

Proposta A de acoplamento 15/04/2015 24

Proposta B de acoplamento 15/04/2015 25

Modelagem do ciclo híbrido Considerações de operação Período Conceito Valor SAFRA Geração de vapor 111,10 kg/s Geração de Potência 83,04 MW ENTRESSAFRA Geração de Potência 27,03 MW AMBOS DNI mínimo de operação 250 W/m² [9] Proposta Limites Valor Proposta A Temperatura máxima d agua de alimentação 180 C Proposta B Economia máxima de combustível 15 % 15/04/2015 [9] H. Hou, Y. Yang, E. Hu, J. Song, C. Dong, and J. Mao, Evaluation of solar aided biomass power generation systems with parabolic trough field, Sci. China Technol. Sci., vol. 54, no. 6, pp. 1455 1461, Apr. 2011. 26

Pontos de análise Múltiplo solar Área de reflexão [m²] 1 61000 1,1 67100 1,2 73200 MS Múltiplo Solar A ( DNI P ) CS P opt Perdas Q solar [10] 1,3 79300 STE Wsolar DNI A CS [11] Condição de análise Projeto Ano típico Meteorológico (TMY) Ponto de comparação Economia de combustível Tempo de operação durante a entressafra Potência extra de exportação Economia média de combustível Eficiência solar-to-electricity 15/04/2015 [10] J. Cardemil and S. Colle, A BASE DE DADOS SWERA COMO SUPORTE PARA ANÁLISES TECNICO- ECONÒMICAS DE PLANTAS TERMO-SOLARES, III Congr. Bras. Energ. Sol., 2010. [11] H. Hou, Y. Yang, E. Hu, J. Song, C. Dong, and J. Mao, Evaluation of solar aided biomass power generation systems with parabolic trough field, Sci. China Technol. Sci., vol. 54, no. 6, pp. 1455 1461, Apr. 2011. 27

Resultados Proposta A Condições de projeto Consumo anterior: 51,33 kg/s Consumo atual: 45,8 kg/s TOTAL ECONOMIZADO 10,77 % 15/04/2015 28

Resultados Proposta A TMY MS Tempo de operação na entressafra [horas] Potência extra de exportação [GWh] Eficiência solar-toelectricity Economia média de combustível anual 1 281 4,70 5,62% 1,25% 1,1 307 5,13 5,57% 1,36% 1,2 331 5,53 5,48% 1,47% 1,3 353 5,90 5,37% 1,57% 15/04/2015 29

Resultados Proposta A TMY 2,50% Economia de combustível por mês - Proposta A 2,00% 1,50% 1,00% 0,50% MS=1 MS=1,1 MS=1,2 MS=1,3 0,00% 15/04/2015 30

Resultados Proposta B Condições de projeto Consumo anterior: 51,33 kg/s Consumo atual: 45,84 kg/s TOTAL ECONOMIZADO 10,7 % 15/04/2015 31

Resultados Proposta B TMY MS Tempo de Operação na entressafra [horas] Potência extra de exportação [GWh] Eficiência solar-toelectricity Economia média de combustível anual 1 277 4,63 5,56% 1,22% 1,1 305 5,10 5,54% 1,34% 1,2 332 5,55 5,51% 1,46% 1,3 360 6,02 5,48% 1,58% 2,50% Economía de combustível por mês - Proposta B 2,00% 1,50% 1,00% 0,50% MS=1 MS=1,1 MS=1,2 MS=1,3 0,00% 15/04/2015 32

Conclusões Ciclo real de Cogeração Potência gerada: 270,65 GWh Cana moída: 3300000 toneladas Bagaço queimado: 924000 kg Projeção do campo solar Máxima eficiência óptica: 67,39 % Área de projeto: 61000 m² Área de construção: 120000 m² Propostas de Acoplamento Economia de combustível Proposta A: 10,8 % Economia de combustível Proposta B: 10,7 % 15/04/2015 33

Conclusões - TMY Aumento da área [%] PROPOSTA A Aumento da potência de exportação [%] 10 9,25 20 17,79 30 25,65 PROPOSTA B Maior eficiência solar-toelectricity: 5,62 % Proposta A, MS=1 Aumento da área [%] Maior quantidade de combustível economizado: 1,58 % Proposta B, MS=1,3 Aumento da potência de exportação [%] 10 10,00 20 19,85 30 29,96 Resultados da Proposta A em relação à Proposta B Maior potência exportada durante a entressafra: 6,02 GWh Proposta B, MS=1,3 Múltiplo solar Diferencia no tempo extra de exportação [h] 1 + 4 1,1 + 2 1,2-1 1,3-7 15/04/2015 34

Agradecimentos Prof. Amir Oliveira Dr. Eng Prof. Edson Bazzo Dr. Eng Prof. Álvaro Restrepo Dr. Eng Rennan Galante Eng. Muchas gracias! Muito obrigado! 15/04/2015 Juan Camilo López Restrepo 35