Determinação da eficiência elétrica das usinas brasileiras para produção exclusiva de açúcar e/ou etanol (Revisão 0 17/05/2010). Resumo Executivo Com base nos dados disponíveis no CTC () foram realizados dois estudos energéticos para se calcular a eficiência elétrica típica de usinas brasileiras produzindo exclusivamente açúcar e/ou etanol. No estudo 1, válido para usinas típicas construídas ou modificadas até 2001, a eficiência elétrica obtida foi de 2,5% e a eficiência eletromecânica de 5,8%. No Estudo 2, para usinas implantadas ou modificadas após 2001, a eficiência elétrica obtida foi de 3,5% e a eletromecânica de 7%. Introdução O presente trabalho tem como objetivo avaliar eficiência na geração de energia elétrica para as usinas brasileiras que produzam exclusivamente açúcar e/ou etanol. Foram utilizados dados do CTC () que, por mais de 20 anos, tem trabalhado na assessoria energética das usinas, sendo referência em inúmeros trabalhos científicos e técnicos. Atualmente nossa base de dados conta com informações de 108 Usinas que processaram 233 milhões de t de cana em 2009, representando 41 % da produção brasileira de cana-de-açúcar. Como premissa básica considerou-se que a usina seja autossuficiente na produção de calor e eletricidade usando apenas o bagaço de cana como combustível. Este equilíbrio é obtido quando o ciclo térmico utiliza vapor vivo na pressão de 22 bar e temperatura de 300 ºC. Em 1995 o Brasil iniciou o processo de privatização da geração, distribuição e comercialização de eletricidade, possibilitando, gradativamente, às geradoras privadas acessar este mercado. A partir de 2001 as Usinas começaram a ter maior acesso a este mercado investindo para gerar maiores excedentes de eletricidade para a venda. Portanto nosso trabalho considera dois cenários de simulação um com os dados de uma usina típica implantada e/ou modificada até o ano de 2001 e outra para implantações e/ou modificações realizadas após esta data. Os estudos foram elaborados para a moagem média de uma usina típica de cada período e são aplicáveis para usinas com outra capacidade de processamento de cana. Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 1
Estudo 1 Usina implantada ou modificada até o ano de 2001 Neste cenário as usinas utilizam um turbogerador acionado por turbina de múltiplos estágios e os equipamentos de maior potência (preparo e moagem da cana) são acionados diretamente por turbinas a vapor de simples estágio. A eficiência da caldeira ao poder calorífico inferior é de 75%. Demais dados vide Tabela 1 e Figura 1. Tabela 1 Dados da Usina - Estudo 1 Moagem total 1.300.000 t cana / safra 300 t cana / h Horas de operação 4.333 h Mix de produção 50% Açúcar / etanol Potência mecânica consumida 4,8 MW Potência elétrica consumida 3,6 MW Potência elétrica gerada 3,6 MW Potência elétrica excedente 0 MW Eficiência da caldeira 75 % ao PCI Eficiência do turbogerador 70 % Eficiência turbo acionamentos 48 % Fibra da cana 13 % Bagaço % cana 27,7 % Umidade do bagaço 50 % PCI do bagaço 7.524 kj/kg Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 2
Moagem Total 1.300.000 t fibra 13,0% Moagem Horária 300 t/h bag. 27,7% Bagaço Excedente Horas efetivas de operação 4.333 h 83,0 t/h 17,3% 68,6 t/h 7.524 kj/kg 14,4 t/h 143,3 MWt 173,4 MWt 30,1 MWt 68,6 t/h 143,3 MWt 151,4 t/h 19,4 MWt 151,4 t/h 19,4 MWt 22,0 bar 300 ºC 3.018 kj/kg ef. 0,75 22,0 bar 151,4 t/h 300 ºC 126,9 MWt 3.018 kj/kg 151,4 t/h Dh2,5 = 436,4 kj/kg 126,9 MWt 42,4 t/h 82,5 t/h 26,4 t/h 35,6 MWt 69,2 MWt 22,2 MWt Gerador ef. 0,70 Moenda ef. 0,48 3,6 MWe 4,8 MWe 32,0 MWt 64,4 MWt 2,5 bar 128 ºC 6,8 t/h 2.718 kj/kg 0,9 MWt 158,1 t/h 119,4 MWt 150,0 t/h 8,1 t/h 113,2 MWt 6,1 MWt 1,4 bar Processo 461,4 kj/kg Condensado 110 ºC 128 ºC 158,1 t/h 537,9 kj/kg 20,3 MWt Perdas 15% 150,0 t/h 22,5 t/h 9,1 MWt 22,4 MWt Condensado 150,0 t/h Make-up 81,0 ºC 22,5 t/h 127,5 t/h 339,3 kj/kg 30,0 ºC 90,0 ºC 14,1 MWt 125,8 kj/kg 377,1 kj/kg 0,8 MWt 13,4 MWt Figura 1 - Diagrama Térmico Simplificado Estudo 1 Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 3
Tabela 2 - Resumo do Balanço Energético - Estudo 1 Moagem total Moagem diária Moagem horária Horas de operação Cons. Esp. vapor processo Potência cons. Processo Potência mecânica gerada Potência elétrica gerada Potência eletromecânica total Pot. Elétrica consumida Pot. Elétrica exportada Energia elétrica exportada Produção esp. energ. eletromec. Produção esp. Energ. elétrica Exportação esp. Energ. elétrica 1.300.000 t/h 7.200 t/dia 300 t/h 4.333 h 500 kg vapor/tc 90,8 MWt 4,8 MWe 3,6 MWe 8,4 MWe 3,6 MWe 0,0 MWe 0 MWh 28,0 kwh/tc 12,0 kwh/tc 0,0 kwh/tc Bagaço consumido 68,6 t/h Potência cons. Combustível 143,3 MWt Heat rate mecânico 107.506 kj/kwh Heat rate elétrico 143.341 kj/kwh Heat rate eletromecânico 61.432 kj/kwh Heat rate térmico 5.681 kj/kwh Heat rate total 5.200 kj/kwh Eficiência mecânica 3,3% Eficiência elétrica 2,5% Eficiência eletromecânica 5,8% Eficiência térmica 63,4% Eficiência global 69,2% Como podemos observar na Tabela 2 a eficiência elétrica da usina é de 2,5% ou seja, do potencial térmico do combustível consumido 2,5% foi transformado efetivamente em eletricidade. Também podemos verificar que outros 3,3% foram convertidos diretamente em trabalho mecânico e 63,4% em energia térmica e utilizado no processo de produção de açúcar e/ou etanol. A eficiência elétrica total a ser considerada deverá ser a soma das eficiências elétrica e mecânica, ou seja, deverá ser igual a eficiência eletromecânica (5,8%) pois se a usina fosse totalmente eletrificada a energia elétrica total produzida deveria ser igual a energia eletromecânica. Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 4
Estudo 2 Usina implantada ou modificada após o ano de 2001 Neste cenário as usinas utilizam um turbogerador acionado por turbina multiestágios e os equipamentos de maior potência (preparo e moagem da cana) também são acionados por turbinas multiestágios. A eficiência da caldeira ao poder calorífico inferior é de 80%, pois as caldeiras novas de 22 bar já incorporaram as tecnologias das caldeiras de alta pressão. Demais dados vide Tabela 3 e Figura 2. Tabela 3 - Dados da Usina - Estudo 2 Moagem total 2.000.000 t cana / safra 500 t cana / h Horas de operação 4.000 h Mix de produção 50% Açúcar / etanol Potência mecânica consumida 8 MW Potência elétrica consumida 8 MW Potência elétrica gerada 8 MW Potência elétrica excedente 0 MW Eficiência da caldeira 80 % ao PCI Eficiência do turbogerador 70 % Eficiência turbo acionamentos 55 % Fibra da cana 13 % Bagaço % cana 27,7 % Umidade do bagaço 50 % PCI do bagaço 7.524 kj/kg Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 5
Moagem Total 2.000.000 t fibra 13,0% Moagem Horária 500 t/h bag. 27,7% Bagaço Excedente Horas efetivas de operação 4.000 h 138,3 t/h 22,0% 107,8 t/h 7.524 kj/kg 30,5 t/h 225,4 MWt 289,0 MWt 63,7 MWt 107,8 t/h 225,4 MWt 253,8 t/h 32,5 MWt 253,8 t/h 32,5 MWt 22,0 bar 300 ºC 3.018 kj/kg ef. 0,80 22,0 bar 253,8 t/h 300 ºC 212,8 MWt 3.018 kj/kg 253,8 t/h Dh2,5 = 436,4 kj/kg 212,8 MWt 94,3 t/h 120,0 t/h 39,6 t/h 79,0 MWt 100,6 MWt 33,2 MWt Gerador ef. 0,70 Moenda ef. 0,55 8,0 MWe 8,0 MWe 71,0 MWt 92,6 MWt 2,5 bar 128 ºC 8,3 t/h 2.718 kj/kg 1,1 MWt 262,1 t/h 197,9 MWt 250,0 t/h 12,1 t/h 188,7 MWt 9,2 MWt 1,4 bar Processo 461,4 kj/kg Condensado 110 ºC 128 ºC 262,1 t/h 537,9 kj/kg 33,6 MWt Perdas 10% 250,0 t/h 25,0 t/h 13,8 MWt 37,4 MWt Condensado 250,0 t/h Make-up 84,0 ºC 25,0 t/h 225,0 t/h 351,8 kj/kg 30,0 ºC 90,0 ºC 24,4 MWt 125,8 kj/kg 377,1 kj/kg 0,9 MWt 23,6 MWt Figura 2 - Diagrama Térmico Simplificado Estudo 2 Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 6
Tabela 4 - Resumo do Balanço Energético - Estudo 2 Moagem total 2.000.000 t/h Moagem diária 12.000 t/dia Moagem horária 500 t/h Horas de operação 4.000 h Cons. Esp. vapor processo 500 kg vapor/tc Potência cons. Processo Potência mecânica gerada Potência elétrica gerada Potência eletromecânica total Pot. Elétrica consumida Pot. Elétrica exportada Energia elétrica exportada Produção esp. energ. eletromec. Produção esp. Energ. elétrica Exportação esp. Energ. elétrica 151,4 MWt 8,0 MWe 8,0 MWe 16,0 MWe 8,0 MWe 0,0 MWe 0 MWh 32,0 kwh/tc 16,0 kwh/tc 0,0 kwh/tc Bagaço consumido 107,8 t/h Potência cons. Combustível 225,4 MWt Heat rate mecânico 101.420 kj/kwh Heat rate elétrico 101.420 kj/kwh Heat rate eletromecânico 50.710 kj/kwh Heat rate térmico 5.360 kj/kwh Heat rate total 4.847 kj/kwh Eficiência mecânica 3,5% Eficiência elétrica 3,5% Eficiência eletromecânica 7,0% Eficiência térmica 67,2% Eficiência global 74,2% Podemos observar na Tabela 4 a eficiência elétrica da usina é de 3,5% ou seja, do potencial térmico do combustível consumido 3,5% foi transformado em eletricidade, outros 3,5% em trabalho mecânico e 67,2% em energia térmica e utilizado no processo de produção de açúcar e/ou etanol. Neste caso a eficiência eletromecânica obtida foi de 7%. Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 7
Conclusão Na Tabela 5 podemos visualizar as diferenças entre as eficiências dos dois estudos. Para avaliação comparativa entre plantas recomendamos a utilização do índice da eficiência eletromecânica e não o da eficiência elétrica simples, pois os estudos mostraram que as potências dos acionamentos termomecânicos são significativos, impactando em um falso valor baixo para a eficiência elétrica. Tabela 5 - Resumo das Eficiências Calculadas Estudo 1 Estudo 2 Moagem total 1.300.000 2.000.000 t/h Moagem diária 7.200 12.000 t/dia Moagem horária 300 500 t/h Bagaço consumido 68,6 107,8 MWt Potência cons. Combustível 143,3 225,4 kj/kwh Heat rate mecânico 107.506 101.420 kj/kwh Heat rate elétrico 143.341 101.420 kj/kwh Heat rate eletromecânico 61.432 50.710 kj/kwh Heat rate térmico 5.681 5.360 kj/kwh Heat rate total 5.200 4.847 Eficiência mecânica 3,3% 3,5% Eficiência elétrica 2,5% 3,5% Eficiência eletromecânica 5,8% 7,0% Eficiência térmica 63,4% 67,2% Eficiência global 69,2% 74,2% A partir da metodologia de Estudo de Caso, observou-se que, no estudo 1, refletindo para usinas típicas construídas ou modificadas até 2001, a eficiência elétrica obtida foi de 2,5% e a eficiência eletromecânica de 5,8%. Já para o Estudo 2, válido para usinas implantadas ou modificadas após 2001, a eficiência elétrica obtida foi de 3,5% e a eletromecânica de 7%. Piracicaba, 17 de maio de 2010. Helcio Martins Lamonica Especialista em Tecnologia Agroindustrial Agradecimentos: Francisco Antônio Barba Linero CTC Celso Coaresma Neto CTC Zilmar de Souza - UNICA Fone: 19-3429-8219 e Fax: 19-3429-8108 - http://www.ctc.com.br 8