Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa...
-
Upload
joao-santana -
Category
Documents
-
view
212 -
download
0
Transcript of Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa...
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
1/165
Campus de Ilha Solteira
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
Anlise da Viabilidade do Aproveitamento da Palha da Cana de
Acar para Cogerao de Energia numa Usina Sucroalcooleira
Ricardo Agudo Romo Jnior
Ilha Solteira SPSetembro/2009
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
2/165
Campus de Ilha Solteira
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA
Anlise da Viabilidade do Aproveitamento da Palha da Cana de
Acar para Cogerao de Energia numa Usina Sucroalcooleira
Ricardo Agudo Romo Jnior
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Alan Verd Ramos
Dissertao apresentada Faculdadede Engenharia - UNESP Campus deIlha Solteira, para obteno do ttulode Mestre em Engenharia Mecnica.
rea de Conhecimento: CinciasTrmicas.
Ilha Solteira SP
Setembro/2009
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
3/165
FICHA CATALOGRFICA
Elaborada pela Seo Tcnica de Aquisio e Tratamento da InformaoServio Tcnico de Biblioteca e Documentao da UNESP - Ilha Solteira.
Romo Jnior, Ricardo Agudo.R766a Anlise da viabilidade do aproveitamento da palha da cana de acar
para cogerao de energia numa usina sucroalcooleira / Ricardo AgudoRomo Jnior. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2009.
164 f. : il. color.
Dissertao (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade deEngenharia de Ilha Solteira. rea de conhecimento: Cincias Trmicas, 2009
Orientador: Ricardo Alan Verd RamosBibliografia: p. 132-136
1. Indstria sucroalcooleira. 2. Colheita mecanizada. 3. Palha - Utilizao.4. Energia eltrica e calor - Cogerao. 5. Sistema de lavagem de cana a seco.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
4/165
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
5/165
DEDICATRIA
Dedico este trabalho aos meus familiares Rose Mary Contiero, Marcelo
Romo, Dolores Contiero, Vera Contiero, Gilberto Castilho e Fabiana Souza.
Vivo por quem eu morreria.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
6/165
AGRADECIMENTOS
Devo meus agradecimentos s seguintes pessoas:Aos meus familiares que me apoiaram por todos os anos de faculdade e
posteriormente mesmo trabalhando incentivando-me a sempre dar continuidade nos
meus estudos.
Aos colaboradores da Usina Pioneiros Bioenergia S/A que permitiram que
dividisse meu tempo com o trabalho e as obrigaes da ps-graduao, assim como
auxlio tcnico para que essa dissertao fosse mais rica em dados.
Ao meu orientador Prof. Dr. Ricardo Alan Verd Ramos pelo apoio dadodesde minha graduao at a concluso da minha dissertao.
Aos meus amigos da Repblica Gueri-Gueri que, alm de me dar foras nas
horas difceis, sempre deixavam meus dias mais felizes e a outros vrios amigos que
fiz durante o perodo de faculdade e da ps-graduao, assim como no trabalho.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
7/165
Mais vale a lgrima da derrota, do que a vergonha de nunca ter tentado.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
8/165
RESUMO
Com o aumento da mecanizao da colheita de cana de acar e adiminuio da prtica de queima prvia da palha nos canaviais em funo deprotocolos ambientais estabelecidos entre os usineiros e o governo, crescesignificativamente a quantidade de palha disponvel no campo. Neste trabalho analisada a utilizao de palha como combustvel suplementar para caldeirasconvencionais de alta presso (para bagao), possibilitando assim um aumento degerao de energia excedente com a possibilidade de ser exportada paracomercializao. Para tanto, so realizados estudos de perdas, ganhos einvestimentos com a introduo da palha na indstria atravs de anlisestermodinmicas de gerao de energia, produo de lcool e acar, eficincias deequipamentos como colhedoras de cana, sistema de lavagem de cana a seco,
picador de palha, caldeira de alta presso, moagem da cana, entre outros. Como opoder calorfico inferior da palha quase o dobro do poder calorfico do bagao agerao de energia excedente para comercializao apresenta uma grandevantagem para o setor, sendo as perdas em produo de acar e lcool poucossignificantes devido ao alto valor da venda de eletricidade.
Palavras-Chave: Indstria sucroalcooleira. Colheita mecanizada. Palha. Cogeraode energia. Sistema de lavagem de cana a seco.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
9/165
ABSTRACT
With the increasing mechanization of the sugar cane harvest and the decline
in the prior practice of burning of sugar cane straw, due to ambient protocolsestablished by government and sugar and alcohol industries factories, there is asignificant increase of the amount of straw available in the field. This paper considersthe use of straw as additional fuel in conventional high-pressure boilers (of bagasse),thus enabling an increase in generation of energy surplus with the possibility to beexported for commercialization. For this, studies of losses, gains and investments arecarried out with the introduction of straw in the industry through thermodynamicsanalysis to generate energy, production of alcohol and sugar, efficiencies ofequipment like as mechanical cane harvest, washing system of cane to be dried,mincer of straw, high-pressure boiler, milling of sugar cane, among others. As thelower power heating of the straw is nearly twice of lower power heating the bagasse
the generation of energy for commercialization presents a great advantage for thefactories, and the losses in production of sugar and alcohol are not much significantdue to the high value of electric energy sale.
Keywords: Sugar and alcohol factories. Mechanical harvest. Straw. Cogeneration ofenergy. Cane washing system.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
10/165
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Participao da biomassa na matriz eltrica brasileira 26
Figura 1.2 Demanda por energia eltrica x Potencial da bioeletricidade
(em MW mdios) 27
Figura 2.1 Sistema Smokejack 35
Figura 2.2 Estimativa da produo de cana e de bioeletricidade. 38
Figura 2.3 Seqncia do processo de gerao de potncia e calor em
sistemas de cogerao 38
Figura 2.4 Representao esquemtica de um ciclo Rankine 40
Figura 2.5 Representao esquemtica de um ciclo Brayton simples 42
Figura 2.6 Representao esquemtica de um ciclo combinado 44
Figura 2.7 Cogerao com motor alternativo 46
Figura 2.8 Sistema de cogerao com turbina de extrao-condensao 47
Figura 3.1 Colheita mecanizada da cana de acar 54
Figura 3.2 Prazos para eliminao da queima da palha no Estado de
So Paulo 55
Figura 3.3 Montantes de energia provenientes de biomassa de cana
comercializados em 2007 no Estado de So Paulo 56
Figura 3.4 Separao de impureza mineral 58
Figura 3.5 Picador de palha 60
Figura 3.6 Palha inteira e palha picada 60
Figura 3.7 Sistema de lavagem a seco de cana (Projeto Antigo - CTC) 61
Figura 3.8 Sistema de lavagem a seco de cana (Projeto Novo - CTC) 62
Figura 3.9 Relao da rotao do extrator primrio da colhedora com a
quantidade de impurezas a seco 63
Figura 3.10 Projeto atual do sistema de lavagem de cana a seco 64
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
11/165
Figura 3.11 Mesa alimentadora 65
Figura 3.12 Transporte de cana picada pela esteira de talisca 65
Figura 3.13 Sistema de ventilao do sistema de limpeza de cana a seco 66
Figura 3.14 Sadas de ar do sistema de limpeza de cana a seco 66
Figura 3.15 Caixa coletora de palha e terra 67
Figura 3.16 Sistema de lavagem a seco em uma usina sucroalcooleira 67
Figura 4.1 Diviso da cana de acar 68
Figura 4.2 Sistema aberto em comunicao com a atmosfera e n
reservatrios trmicos. 81
Figura 5.1 Produo energtica global para o Caso 1 100
Figura 5.2 Perdas de ART convertidas em perdas de lcool hidratado
(Caso 1). 100
Figura 5.3 Perdas de ART convertidas em perdas de lcool anidro (Caso 1)101
Figura 5.4 Perdas de energia com a queima da palha no Caso 1
(Base cana queimada) 101
Figura 5.5 Receita final com a venda de energia excedente na primeira
Safra (Caso 1). 102
Figura 5.6 Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 1
(Base cana queimada) 103
Figura 5.7 Eficincia energtica global no Caso 1 ( 100% colheita
mecanizada) 104
Figura 5.8 Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra do Caso 1 (Base cana queimada 100 % colheita
mecanizada) 104
Figura 5.9 Produo energtica global para o Caso 2 111
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
12/165
Figura 5.10 Perdas de ART convertidas em perdas de lcool hidratado
(Caso 2) 112
Figura 5.11 Perdas de ART convertidas em perdas de lcool anidro
(Caso 2) 112
Figura 5.12 Perdas de ART convertidas em perdas de acar branco
(Caso 2) 113
Figura 5.13 Perdas de ART convertidas em perdas de acar VHP (Caso 2)113
Figura 5.14 Perdas de energia com a queima da palha (Caso 2) 114
Figura 5.15 Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra (Caso 2) 115
Figura 5.16 Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 2
(Base cana queimada) 115
Figura 5.17 Eficincia energtica global no Caso 2 ( 100% colheita
mecanizada) 116
Figura 5.18 Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra no Caso 2 (Base cana queimada 100% da
colheita mecanizada) 117
Figura 5.19 Produo energtica global para o Caso 3. 124
Figura 5.20 Perdas de ART convertidas em perdas de lcool hidratado(Caso 3) 125
Figura 5.21 Perdas de ART convertidas em perdas de lcool anidro
(Caso 3) 125
Figura 5.22 Perdas de ART convertidas em perdas e acar branco
(Caso 3) 126
Figura 5.23 Perdas de ART convertidas em perdas de acar VHP
(Caso 3) 126
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
13/165
Figura 5.24 Perdas de energia com a queima da palha (Caso 3) 127
Figura 5.25 Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra (Caso 3) 128
Figura 5.26 Rentabilidade da energia excedente exportada (Caso 3) 128
Figura B.1 Tela de dados de entrada do programa 139
Figura B.2 Tela principal do programa (Parte 1) 140
Figura B.3 Tela principal do programa (Parte 2) 141
Figura B.4 Tela principal do programa (Parte 3) 142
Figura B.5 Tela principal do programa (Parte 4) 143
Figura B.6 Tela principal do programa (Parte 5) 144
Figura B.7 Tela principal do programa (Parte 6) 145
Figura B.8 Tela principal do programa (Parte 7) 146
Figura B.9 Tela secundria do programa para clculo da produo de
lcool e acar 147
Figura B.10 Tela secundria do programa para clculo do balano
energtico da usina 148
Figura B.11 Tela secundria do programa para clculo do seqestro de
ART pelo bagao produzido 148
Figura B.12 Tela secundria do programa para anlise energtica dosequipamentos do preparo e moagem de cana e preparo da
palha (Parte 1) 150
Figura B.13 Tela secundria do programa para anlise energtica dos
equipamentos do preparo e moagem de cana e preparo da
palha (Parte 2) 151
Figura B.14 Tela secundria do programa para clculo das perdas de
ART convertidas em perdas de lcool e acar (Parte 1) 152
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
14/165
Figura B.15 Tela secundria do programa para clculo das perdas de
ART convertidas em perdas de lcool e acar (Parte 2) 153
Figura B.16 Perdas de energia com a queima da palha nos canaviais 154
Figura B.17 Receita final com acrscimo da palha na indstria 154
Figura B.18 Produo energtica 155
Figura B.19 Rentabilidade da energia comercializada com a introduo
da palha na indstria 156
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
15/165
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Potencial de gerao de bioeletricidade at 2013 37
Tabela 2 Parmetros utilizados e resultados da simulao do uso
combinado do bagao e da palha para gerao de eletricidade 57
Tabela 3 Dados de impureza e eficincia de separao em funo do tipo
de coleta (projeto antigo) 62
Tabela 4 Dados de impureza e eficincia de separao em funo do tipo
de coleta 63
Tabela 5 Composio qumica tpica de um colmo de cana de acar 69
Tabela 6 Dados de entrada para uso no programa 70
Tabela 7 Porcentagem de separao de palha pelas colhedoras 71
Tabela 8 Classificao do acar cristal 75
Tabela 9 Dados de entrada para clculo de exportao de energia e
eficincia trmica 86
Tabela 10 Dados de equipamentos do setor de preparo e moagem de
cana-de acar 90
Tabela 11 Dados de equipamentos do setor de preparo da palha 90
Tabela 12 Dados de entrada para clculos (Caso 1) 95
Tabela 13 Rendimento do canavial (Caso 1) 95
Tabela 14 Quantidade de cana entrando na indstria (Caso 1) 96
Tabela 15 Quantidade de cana na entrada do setor de extrao e moagem
(Caso 1) 96
Tabela 16 Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 1) 97
Tabela 17 Quantidade de bagao destinado queima em uma caldeira de
alta presso (Caso 1) 97
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
16/165
Tabela 18 Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 1) 98
Tabela 19 Gerao total e exportao de energia por safra em MWh/safra
(Caso 1) 99
Tabela 20 Dados de entrada para clculos (Caso 2) 106
Tabela 21 Rendimento do canavial (Caso 2) 106
Tabela 22 Quantidade de cana entrando na indstria (Caso 2) 107
Tabela 23 Quantidade de cana na entrada do setor de extrao e moagem
(Caso 2) 107
Tabela 24 Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 2) 108
Tabela 25 Quantidade de bagao destinado queima em uma caldeira
de alta presso (Caso 2) 108
Tabela 26 Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 2) 109
Tabela 27 Gerao total e exportao de Energia MWh / safra (Caso 2) 110
Tabela 28 Dados de entrada para clculos (Caso 3) 119
Tabela 29 Rendimento do canavial (Caso 3) 119
Tabela 30 Quantidade de cana entrando na indstria (Caso 3) 120
Tabela 31 Quantidade de cana na entrada do setor de extrao e moagem
(Caso 3) 120
Tabela 32 Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 3) 121
Tabela 33 Quantidade de bagao destinado queima em uma caldeira dealta presso (Caso 3) 121
Tabela 34 Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 3) 122
Tabela 35 Gerao total e exportao de energia no Caso 3
(MWh / safra) 123
Tabela 36 Comparao entre os casos analisados 129
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
17/165
LISTA DE ABREVIATURAS
ANEEL - Agncia Nacional de Energia Eltrica
BNDES - Banco Nacional de Desenvolvimento Econmico e Social
CGCE - Cmara de Gesto da Crise Energtica
CPFL - Companhia Paulista de Fora e Luz
COGEN-SP - Associao Paulista de Cogerao de Energia
CTC - Centro de Tecnologia Canavieira
GOELRO - Plano Governamental de Eletrificao Russa
MAE - Mercado Atacadista de Energia
MME - Ministrio de Minas e Energia
NUPLEN - Ncleo de Planejamento Energtico, Gerao e Cogerao de
Energia
ONS - Operador Nacional do Sistema Eltrico
PCI - Poder Calorfico Inferior do Combustvel
PPT - Programa Prioritrio de Termoeletricidade
PROINFA - Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica
PURPA - Public Utilities Regulatory Policy ActRP - Regime Permanente
SIN - Sistema Interligado Nacional
SLCS - Sistema de Limpeza de Cana a Seco
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
18/165
NOMENCLATURA
Smbolos Latinos
PlantioA - rea necessria para o plantio da cana de acar (ha);
ART - Acar redutor total (%);
ColmoART - ART do colmo da cana de acar (kg);
DPART - ART disponvel para o processo (kg de ART);
ProcART - ART para o processo (kg);
PPART - ART perdido no processo (kg de ART);
RecART - ART recuperado (kg de ART);
combb - Exergia especfica do bagao da cana (kJ/kg);
eb - Exergia especfica na entrada da caldeira (kJ/kg);
fisb - Exergia fsica especfica (kJ/kg);
quib - Exergia qumica especfica (kJ/kg);
sb - Exergia especfica na sada da caldeira (kJ/kg);
tb - Exergia especfica total (kJ/kg);
DispBag - Bagao de cana disponvel (t/safra);
EnergiaC - Custo da venda de energia (R$/MW);
BrancoC - Custo de venda do acar branco (R$/sacas);
VHPC - Custo de venda do acar VHP (R$/sacas);
AanC - Custo de venda do lcool anidro (R$/m3);
AhiC - Custo de venda do lcool hidratado (R$/m3);
ColmoCana - Porcentagem de colmo na cana (%);
TotalCana - Cana total plantada (t);
PotCte - Constante de potncia do motor do equipamento;
ConsCte - Constante de consumo do equipamento (kWh/ tcana);
MxCap - Capacidade mxima do equipamento (tcana/h ou tpalha/h);
ProcCv - Consumo de vapor pelo processo (kg/tcana);
ExtC - Consumo da turbina na extrao (kgvapor/kW);
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
19/165
CondC - Consumo da turbina na condensao (kgvapor/kW);
MoendaC - Consumo de energia pelas moendas (MW/safra);
_Tota l P lantaC - Consumo total de energia na planta sucroalcooleira (MW/safra);
MoendaCesp - Consumo especfico da moenda (kWh/tcana);
ProcCesp - Consumo especfico do processo (kWh/tcana);
PalhaCextra - Consumo extra de energia no processamento da palha (MW/safra);
Print ocC - Consumo de energia interno do processo (MW/safra);
AabD - Densidade do lcool absoluto (kg/l);
wE& - Taxa de trabalho til (kW);
ConsTotalE
- Energia total consumida pelos equipamentos (kWh/tcana);
TotalExp - Exportao total de energia (MWh/safra);
CondG - Gerao de energia atravs da condensao da turbina (MW);
ExtG - Gerao de energia atravs da extrao da turbina (MW);
TotalG - Gerao total da turbina (MW);
Aalh - Entalpia da gua de alimentao (kJ/kg);
eh - Entalpia especfica na entrada do volume de controle (kJ/kg);
ho - Entalpia especfica no estado de referncia (kJ/kg);
sh - Entalpia especfica na sada do volume de controle (kJ/kg);
Vgerh - Entalpia do vapor gerado (kJ/kg);
iI&
- Irreversibilidade num determinado equipamento (kW);
m& - Vazo mssica (lquido ou vapor) no volume de controle (kg/s);
combm& - Vazo mssica de combustvel consumido na caldeira (kg/s);
em& - Fluxo de massa que entra no volume de controle (kg/s);
sm& - Fluxo de massa que sai do volume de controle (kg/s);
SafraM - Moagem total (t/safra);
P - Presso (kPa);
Po - Presso no estado de referncia (kPa);
BagP - Bagao gerado a partir da cana de acar (%);
BagcaldP - Produo de vapor por bagao pela caldeira (kgvapor/ kgbag);
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
20/165
PalhacaldP - Produo de vapor por palha pela caldeira (kgvapor / kgpalha);
CaldoP - Porcentagem de caldo existente na cana de acar (%);
FBP - Porcentagem de fibra no bagao (%);
FCP - Porcentagem de fibra no colmo (%);
ColmoP - Porcentagem de colmo na cana de acar (%);
MotorP - Potncia do motor do equipamento (kW);
tilP
- Potncia til do equipamento (kW);
DispPalha - Palha disponvel (t/safra);
BagPCI - Poder Calorfico Inferior do bagao (kJ/kg);
combPCI - Poder calorfico inferior do combustvel (kJ/kg);
PalhaPCI - Poder Calorfico Inferior da palha (kJ/kg);
AanPf - Produo final de lcool anidro (litros);
AhiPf - Rendimento da destilaria (litros);
BrancoPf - Produo Final de Acar Branco (sacas);
VHPPf - Produo final de acar VHP (sacas);
BrancoPol - Pol para produo de acar branco (%);
VHPPol - Pol para produo de acar VHP (%);
Prod - Produtividade (t/ha);
vcQ&
- Taxa de transferncia de calor para o volume de controle (kW);
DestR - Rendimento da destilaria (%);
ExpTotalR - Receita final para exportao de energia (R$/MW);
BrancoPfR - Receita final para produo de acar branco (R$/sacas);
VHPPfR - Receita final para produo de acar VHP (R$/sacas);
AanPfR - Receita final para produo de lcool anidro (R$/m3);
AhiPfR - Receita final para produo de lcool hidratado (R$/m3);
ReAan - Rendimento estequiomtrico do lcool anidro (kg/kg ART);
ReAhi - Rendimento estequiomtrico do lcool hidratado (kg/kg ART);AanRg - Rendimento global do lcool anidro (l/kg ART);
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
21/165
AhiRg - Rendimento global do lcool hidratado (l/kg ART);
FermRp - Rendimento prtico da fermentao (%);
AanRt - Rendimento terico do lcool anidro (l/kg ART);
AhiRt - Rendimento terico do lcool hidratado (l/kg ART);
es - Entropia especfica na entrada do volume de controle (kJ/kgK);
so - Entropia especfica no estado de referncia (kJ/kgK);
ss - Entropia especfica na sada do volume de controle (kJ/kgK);
gerS& - Gerao de entropia no volume de controle (kJ/kgK);
Sq - Quantidade de ART seqestrado por quantidade de bagao
produzido;T - Temperatura (K);
To - Temperatura no estado de referncia (K);
jT - Temperatura superficial do volume de controle (K);
AanTA - Teor alcolico do lcool anidro (%peso);
AhiTA - Teor alcolico do lcool hidratado (%peso);
V - Velocidade do fluxo de massa (m/s);
CondV - Vapor destinado condensao da turbina (t/safra);
ExtV - Vapor destinado extrao da turbina (t/safra);
GerV - Vapor gerado pela caldeira (t/safra);
perdW& - Taxa de trabalho perdido (kW);
vcW&
- Potncia referente ao volume de controle (kW);
revW& - Taxa de trabalho reversvel (kW);
ix - Frao do componente na mistura (%).
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
22/165
Smbolos Gregos
i - Porcentagem da irreversibilidade de cada equipamento em relao
ao total da planta (%);
Energtica - Produo energtica (kWh/tcana);
Ext - Eficincia de extrao da moenda (%);
isoh - Diferena entre as entalpias de entrada e sada do volume de
controle, para processo isoentrpico (kJ/kg);
Cald - Rendimento da caldeira (%);
I - Eficincia pela 1 Lei (%);
II - Eficincia pela 2 Lei (%);
i,0 - Potencial qumico de referncia do elemento (T0, P0);
i - Potencial qumico do elemento na mistura (Ti, Pi);
=
n
1iiI
&
- Irreversibilidade total da planta (kW).
Legendas
AA - lcool Anidro;
AH - lcool Hidratado;
BA - Bomba de Alimentao;
C - Caldeira;
CC - Cmara de Combusto;
CR - Cmara de Recuperao;
CH - Chamin;
CO - Condensador;CP - Compressor;
G - Gerador;
PV - Parcialmente Ventilada;
RP - Regime Permanente;
SLCS - Sistema de Limpeza de Cana a Seco;
SV - Sem Ventilao;
TG
- Turbina a Gs;TV - Turbina a Vapor;
V - Ventilada.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
23/165
SUMRIO
1 Introduo ...................................................................................................241.1 O Setor Eltrico Brasileiro .............................................................................24
1.2 Contribuio Energtica do Setor Sucroalcooleiro .......................................251.3 Relevncia do Tema e Objetivo ....................................................................271.4 Reviso da Literatura ....................................................................................28
2 Aspectos da Cogerao de Energia ..........................................................342.1 Definio de Cogerao ...............................................................................342.2 Histrico da Cogerao ................................................................................352.3 Ciclos de Cogerao .....................................................................................382.3.1 Ciclo Rankine ................................................................................................392.3.2 Ciclo Brayton ................................................................................................412.3.3 Ciclo Combinado ..........................................................................................442.3.4 Ciclos Otto e Diesel ......................................................................................452.4 Sistemas de Cogerao no Setor Sucroalcooleiro .......................................462.5 Programas de Incentivo a Cogerao Criados pelo Governo .......................472.5.1 Programa Prioritrio de Termoeletricidade ...................................................472.5.2 Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica ..............482.5.3 Programa Paulista de Bioenergia .................................................................50
3 Aproveitamento da Palha para Cogerao ...............................................523.1 Potencial Energtico da Palha para Cogerao ...........................................523.2 Sistema para a Separao da Palha ............................................................573.3 Origens do Sistema de Lavagem de Cana a Seco, Testes e Resultados
Obtidos .........................................................................................................613.4 Princpios de Funcionamento do Sistema de Limpeza de Cana a Seco.......64
4 Conceitos e Metodologia Aplicada para o Aproveitamento da Palha ....684.1 Dados de Entrada .........................................................................................684.2 Produo de lcool .......................................................................................724.3 Fabricao de Acar ...................................................................................744.4 Balano Energtico da Gerao de Energia .................................................764.4.1 Conceitos Termodinmicos ..........................................................................76
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
24/165
4.4.1.1 Primeira Lei da Termodinmica ....................................................................764.4.1.2 Segunda Lei da Termodinmica ...................................................................774.4.1.3 Balano de Exergia .......................................................................................784.4.1.4 Irreversibilidade dos Equipamentos ..............................................................834.4.1.5 Eficincias Trmicas pela Primeira e Segunda Leis da Termodinmica .......844.4.2 Exportao de Energia e Produo Energtica ............................................864.4.3 Anlise Energtica dos Equipamentos do Preparo e Moagem de Cana e do
Preparo da Palha ..........................................................................................894.5 Clculo do Seqestro de ART pelo Bagao ..................................................914.6 Balano Econmico da Gerao de Energia, Produo de lcool e Acar92
5 Resultados ..................................................................................................945.1 Caso 1 ..........................................................................................................945.1.1 Resultados Termodinmicos ........................................................................985.1.2 Resultados Econmicos .............................................................................1005.2 Caso 2 ........................................................................................................1055.2.1 Resultados Termodinmicos ......................................................................1095.2.2 Resultados Econmicos .............................................................................1115.3 Caso 3 ........................................................................................................1185.3.1 Resultados Termodinmicos ......................................................................1225.3.2 Resultados Econmicos .............................................................................1245.4 Tabela Comparativa entre os Casos...........................................................129
6 Concluses ...............................................................................................130
REFERNCIAS ..........................................................................................132APNDICE A ..............................................................................................137
ANEXO A ...................................................................................................157
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
25/165
24
1 Introduo
A ocorrncia da crise energtica em 2001, decorrente da reduo de gua em
reservatrios das hidreltricas por escassez de chuvas e do aumento do consumo
de energia acima da capacidade do setor pblico em responder ao crescimento
dessa demanda, levou o Brasil a um panorama de incertezas quanto garantia de
oferta de energia.
Uma das alternativas para suprir o dficit de eletricidade o estmulo
gerao independente e descentralizada e a participao de capital privado no
sistema atravs da construo de pequenas centrais hidreltricas e termeltricas,
alm do aumento da gerao de energia eltrica atravs da cogerao em
indstrias, com destaque para as sucroalcooleiras.
Diante deste contexto, a seguir sero apresentados alguns detalhes do setor
eltrico brasileiro: a contribuio energtica do setor sucroalcooleiro; a relevncia e
objetivos do presente trabalho, bem como uma reviso bibliogrfica sobre o assunto.
1.1 O Setor Eltrico Brasileiro
Nos ltimos anos o setor eltrico brasileiro sofreu vrias mudanas estruturais
que geraram uma srie de inovaes, quer seja de ordem institucional ou em nvel
de regulamentao, que alteraram sensivelmente o panorama, at ento estvel econtrolado pelo governo, para um ambiente competitivo. Assim, foram criadas a
Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) em 1996, o Operador Nacional do
Sistema Eltrico (ONS) e o Mercado Atacadista de Energia (MAE) em 1998, a
Cmara de Gesto da Crise Energtica (CGCE) em 2001, dentre outras agncias e
rgos, que passaram a regular o sistema eltrico dentro de um novo contexto, cujo
objetivo maior foi passar de um mercado de energia eltrica onde predominam os
consumidores cativos, para um mercado de livre negociao.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
26/165
25
As recentes transformaes estruturais do setor eltrico brasileiro vm
seguindo as tendncias mundiais, cujo carter eminentemente descentralizador,
com maior espao para a produo de eletricidade em geradores independentes das
concessionrias; uso mais intensivo de fontes energticas renovveis; auto-
produo energtica e a gerao distribuda, contexto dentro do qual se destaca a
cogerao no setor sucroalcooleiro (CORRA NETO; RAMON, 2002).
A partir da biomassa produzida pelo seu processo produtivo, o potencial de
gerao de energia eltrica excedente possui como principais determinantes a
alternativa tecnolgica adotada para o ciclo termoeltrico de cogerao, o
crescimento da cultura da cana de acar, as alteraes tcnicas para reduo dos
consumos especficos de energia mecnica, trmica e eltrica no processo produtivode acar e lcool e o mtodo de colheita adotado.
O potencial de mercado para a comercializao do excedente de energia
eltrica depende fundamentalmente da estrutura do setor eltrico, do interesse das
empresas concessionrias de distribuio de energia eltrica em agregar esta fonte
a seu portflio, da disposio dos empresrios do setor sucroalcooleiro em investir
nesta gerao de energia eltrica e da disposio das concessionrias em
remunerar adequadamente a energia eltrica contratada.
1.2 Contribuio Energtica do Setor Sucroalcooleiro
H alguns anos vem sendo discutido o melhor aproveitamento do potencial
econmico da biomassa da cana de acar, tanto o bagao de cana de acar como
a biomassa que compe a planta no campo (palhio): suas folhas, pontas e palhas.
Com esse advento da cogerao e a possibilidade de exportao de energia
eltrica, alm da competitividade do mercado, as usinas passaram a se preocupar
com a eficincia das suas mquinas trmicas, j que nessa situao, alm de
atender a demanda trmica e eletromecnica, o excedente de energia pode ser
comercializado.
Em 2008 a agroindstria sucroalcooleira brasileira possua cerca de3.000 MW de potncia instalada, que no era totalmente utilizada. As usinas
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
27/165
26
comercializavam apenas uma parte da gerao de energia (aproximadamente
600 MW), outra parcela produzida era consumida pelo prprio processo da usina
(mais de 2.000 MW durante a safra). Atualmente, a comercializao da energia do
bagao e da palha representa menos de 1 % da matriz eltrica nacional, sendo que
a biomassa como um todo (considerando outros resduos), corresponde 3,5 %,
conforme mostra a Figura 1.1. Das cerca de 360 usinas em funcionamento,
praticamente todas geram o insumo para a sua prpria demanda, mas apenas 10 %
aproximadamente comercializam excedentes para o mercado. Segundo a UNICA
(Unio da Indstria da Cana de Acar), algumas unidades ainda no se sentem
estimuladas pelos preos oferecidos ao insumo a investir em novos equipamentos
para tornar a energia uma receita adicional aos seus tradicionais produtos(BALEOTTI, 2008).
77,3%
3,5%2,5%3,6%2,8%1,3%
Hidrulica
Biomassa
Nuclear
Gs natural
Derivados de petrleo
Carvo mineral
Figura 1.1 Participao da biomassa na matriz eltrica brasileira.
Fonte: www.mme.gov.br
Com o aumento de produo de cana de acar devido expanso das reas
plantadas e s novas tecnologias empregadas e com a possibilidade de
aproveitamento da palha atravs da colheita mecanizada, a cada dia que passa o
potencial de gerao de energia do setor sucroalcooleiro est em ascendncia,
assim o setor poder atender todo o volume adicional de energia ainda no
contratado no perodo de 2011 a 2013, conforme mostra a Figura 1.2.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
28/165
27
Figura 1.2 Demanda por energia eltrica x Potencial da bioeletricidade (em MW mdios).
Fonte: http://www.editoravalete.com.br/site_alcoolbras/edicoes/ed_113/mc_1.html
A UNICA assegura que o setor ter potncia para injetar no mercado eltrico
nacional de 11.500 MW mdios na safra 2015/2016, quando processar 829 milhes
de tonelada de cana, a 14.400 MW mdios em 2020/2021. Neste ciclo, a entidade
prev a produo de 1.038 bilhes de toneladas da matria-prima, que
corresponderia por 15 % da matriz energtica nacional no perodo.
Um estudo da empresa KOBLITZ mostra que, quando o setor estiver moendo
500 milhes de toneladas de cana, ter capacidade para produzir 4.886 MW mdios,
apenas considerando gerao de energia com bagao, sendo que a palha e os
ponteiros vo agregar maior volume para cogerao. Hoje, um tero da energia da
cana presente nos resduos desperdiado em decorrncia do corte manual, que
adota a prtica da queima da cana no campo para o corte.
1.3 Relevncia do Tema e Objetivo
A cultura da cana de acar rene condies relevantes para se tornar a mais
importante fonte de gerao descentralizada no pas, sendo que a energia renovvel
produzida pelas usinas sucroalcooleiras para uso externo (etanol e eletricidade)
apresenta uma boa sustentabilidade, pois permite a reduo das emisses de gases
de efeito estufa em cerca de 12,7 milhes de toneladas de carbono equivalente.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
29/165
28
Assim, desejvel que a evoluo das usinas ocorra de forma a:
Aumentar a eficincia no uso do bagao;
Desenvolver a colheita/utilizao da palha para gerar mais energia;
Buscar produtos de fermentaes do acar;
Buscar novas opes (energticas) para o etanol.
Diante deste contexto, neste trabalho analisada a utilizao de palha como
combustvel suplementar para caldeiras convencionais de alta presso para bagao.
Para tanto, so realizados estudos com perdas, ganhos e investimentos com a
introduo da palha na indstria, atravs de anlises termodinmicas de gerao de
energia, produo de lcool e acar, eficincia de extrao de palhio dascolhedoras de cana, sistema de lavagem de cana a seco, picador de palha, caldeira
de alta presso, moagem da cana, entre outros.
1.4 Reviso da Literatura
Foram analisados diversos estudos, pesquisas e reportagens sobre o tema do
presente trabalho, como aplicaes e resultados prticos, sendo que a seguir sero
feitos alguns comentrios sobre algumas publicaes que trouxeram alguma
contribuio para o mesmo.
Zulauf, Caporali e Videira (1985), para clculo da energia liberada pela
queima, consideraram valores entre 4 % e 11,5 % de palha e entre 6 % e 16,2 % de
ponteiros. Os autores citam ainda valores encontrados em Cuba que, em 144 t de
massa total (in natura), 28 t corresponderiam a ponteiros e 16 t seriam folhas verdes
e folhas secas, o que equivaleria a 19,4 e 11,1 %, respectivamente. Para
determinao da energia gerada pela queima, foi determinado em laboratrio o
poder calorfico da palha, que corrigido pelo teor mdio de umidade nas condies
dos experimentos, chegou a um valor de 2.576 kcal/kg palha (poder calorfico
inferior). Na ndia, segundo Kadam e Jadhav (1995), so estimados cerca de 10 t/hade resduos de colheita e no Brasil, Macedo (1997) considerou uma mdia de
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
30/165
29
matria seca de resduos de 13,9 t/ha, sendo 10,1 t/ha para folhas secas, 3,0 t/ha
para folhas verdes e 0,8 t/ha para ponteiros.
Ripoli et al. (1991) afirmaram que, com o aumento da colheita mecnica, as
usinas que desejarem agregar valor por meio do aproveitamento da palha tendero
a apresentar custos operacionais menores do que os atuais, pois as futuras
colhedoras de cana picada, por exigncia de mercado, podero apresentar valores
de aquisio por volta de 20 a 30 % menores do que os atuais (por volta de US$
300.000), visto que no mais apresentaro exaustores, ventiladores, alm de menor
nmero de motores hidrulicos, mangueiras e outros componentes e, com certeza,
motores de combusto interna de menores potncias. Com isso, afirmam que
mquinas com tais caractersticas permitiro manutenes peridicas mais rpidas emais baratas, levando-se a simplificao das estruturas de apoio do sistema de
colheita.
Walter (1994) tratou da cogerao e da produo independente de
eletricidade, como formas de gerao descentralizada de energia eltrica e, em
especial, da viabilidade e das perspectivas dessas tecnologias junto ao setor
sucroalcooleiro no Brasil, levando-se em conta a expanso da agroindstria
canavieira. Foram analisadas vrias alternativas de gerao eltrica em larga escalae determinadas s principais caractersticas tcnicas de cada sistema, tais como a
capacidade de gerao, a produo de energia eltrica, a disponibilidade de
excedentes e a demanda de biomassa. Esses resultados permitiram identificar o
potencial das tecnologias de maior viabilidade tcnica e econmica, a partir da
considerao de cenrios alternativos de crescimento da produo de cana no
Estado de So Paulo e da identificao das usinas mais adequadas para esses
empreendimentos.Barreda Del Campo e Llagostera (1996) realizaram uma avaliao em trs
configuraes de sistemas de cogerao em usinas de acar, tendo em vista
produo de excedentes de energia eltrica para a comercializao. Foi estudada a
influncia dos parmetros da eficincia, das caldeiras e do vapor para as
configuraes de melhor desempenho, da dependncia da gerao de eletricidade
em funo da demanda de vapor de processo. Foi efetuada uma anlise exergtica
das alternativas mais significativas e, por fim, uma avaliao econmica das
configuraes mais promissoras.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
31/165
30
De Beer et al. (1996) relataram que a proporo de folhas verdes, folhas
secas e ponteiros em relao cana total variam de 10 a 60 % na Colmbia e de 20
a 35 % na frica do Sul. Segundo estes autores, ponteiros, folhas verdes e folhas
secas de cana no queimadas, deixados no campo, possuem umidade mdia em
torno de 50 %. Esta umidade cai para 30 % em 2 a 3 dias, e para 15 % em 2
semanas, havendo, portanto, grande variao na umidade em funo do tempo de
permanncia no campo.
Coelho, Oliveira Jr. e Zylberstajn (1997) realizaram uma anlise
termoeconmica do processo de cogerao em uma usina de acar e lcool
paulista. Os custos exergticos do processo de gerao de vapor e eletricidade
foram calculados para vrias configuraes, estimando excedentes de eletricidade edos investimentos correspondentes. Foram aplicados os mtodos de igualdade,
extrao e trabalho como subproduto, para a partio dos custos. Entre as
configuraes avaliadas, destaca-se uma que consiste na simples troca de
equipamentos, mantendo-se os mesmos nveis de presso nas caldeiras e turbinas
de contrapresso, com pequeno investimento em tcnicas relativas ao uso racional
de energia, visando apenas atingir a auto-suficincia energtica. Uma outra
configurao estudada consiste no aumento dos nveis de presso e a realizao deinvestimentos adicionais no uso racional de energia, incluindo a eletrificao das
moendas. Por fim, foi analisada uma configurao na qual so realizados grandes
investimentos, atravs da substituio da turbina de contrapresso por uma de
extrao-condensao, produzindo, neste caso, significativo excedente de
eletricidade.
Barreda Del Campo et al. (1998) estudaram o sistema de cogerao de uma
usina sucroalcooleira que fornece excedentes de energia para a rede eltrica. Almde determinar as propriedades termodinmicas dos diferentes fluxos do sistema,
foram determinados balanos de massa, energia e exergia. Alm disso, foi realizada
uma comparao das eficincias baseadas na primeira e segunda lei, mostrando a
utilidade desta ltima na avaliao de um sistema real e como elemento importante
para deciso de melhorias das plantas trmicas ao evidenciar os equipamentos de
maiores irreversibilidades e, conseqentemente, a perda de oportunidades de
gerao de energia eltrica.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
32/165
31
Hassuani (1998) obteve um custo de US$ 19,8 para recolhimento e transporte
a 10 km para 1 t de palha seca enfardada. Considerando a produo de 11,2 t de
resduo seco por hectare e uma eficincia de recolhimento de palha de 50 %, foi
obtido um custo aproximado de US$ 110/ha para recolhimento e transporte da palha
at a usina.
Coelho (1999) props e discutiu mecanismos para viabilizar um programa
amplo de venda de excedentes de eletricidade a partir da biomassa das usinas de
acar e lcool do Estado de So Paulo. Alm disso, foi includa uma avaliao
termoeconmica de uma planta real (Companhia Energtica Santa Elisa,
Sertozinho SP) e foram propostas modificaes na legislao e na
regulamentao em vigor e, tambm, estudos visando incluso dos custosambientais e taxao de carbono no planejamento integrado do setor eltrico
brasileiro.
Snchez Prieto, Carril e Nebra (2001) estudaram que a cogerao tem uma
grande aceitao no setor sucroalcooleiro fundamentalmente em razo da sua
adequao, pois o combustvel empregado um rejeito do processo de fabricao e
os produtos do sistema, potncia mecnica ou eltrica e vapor, so utilizados no
prprio processo.Jaguaribe et al. (2002) realizaram um estudo termodinmico e avaliaram as
condies tcnicas das instalaes a serem implantadas em um sistema de
cogerao de energia na Destilaria Japungu Agroindustrial S.A., localizada em Santa
Rita (PB). A ampliao proposta no tinha o objetivo apenas de tornar a destilaria
auto-suficiente em termos de energia, mas tambm de tornar possvel exportar
33.616 MWh durante a safra e 3.600 MWh na entressafra. Foram considerados
todos os custos envolvidos e os resultados mostraram que, naquela oportunidade, onegcio no seria atrativo, mas se houvesse uma elevao do preo de venda da
eletricidade, o novo sistema de cogerao com venda de energia seria mais
rentvel.
Brighenti (2003) apresentou e analisou os diversos requisitos necessrios
para que haja uma integrao confivel e segura dos sistemas de gerao a partir
de biomassa (especificamente cogerao com bagao de cana) ao sistema eltrico
de potncia. Foi considerado um estudo de uma usina de acar e lcool do Estado
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
33/165
32
de So Paulo (Usina Santa Adlia), que ampliou sua gerao prpria, passando a
comercializar sua eletricidade excedente com a CPFL.
Snchez Prieto (2003) realizou uma detalhada anlise energtica e
exergtica, visando determinar as eficincias baseadas na primeira e na segunda
leis da termodinmica para os principais equipamentos de duas plantas de usina
sucroalcooleira, bem como o consumo de combustvel envolvido, alm de alguns
ndices de desempenho tpicos de sistemas de cogerao. O objetivo fundamental
da avaliao foi determinar os custos dos principais fluxos do sistema, considerando
os custos como se fosse uma instalao nova, com taxa de juros de 15 % ao ano e
um perodo de amortizao de 15 anos. Foi avaliada a variao do custo do bagao
e sua influncia nos custos dos fluxos da planta e dada nfase na potncia eltrica enos ndices de desempenho.
Fiomari (2004) realizou anlises energtica e exergtica de cinco plantas de
vapor de uma usina sucroalcooleira. As plantas consideradas foram baseadas na
expanso do sistema de cogerao da Usina Pioneiros Bioenergia S/A, iniciada em
2003 e trmino em 2007. Atravs da primeira e segunda leis da termodinmica, foi
possvel avaliar a eficincia e a gerao de calor e potncia para cada componente:
caldeiras, turbinas, condensadores e bombas que compunham as plantas avaliadas;bem como o aproveitamento global de energia de cada uma delas. Atravs de
ndices baseados na primeira lei da termodinmica, foi possvel comparar todas as
plantas consideradas. Alm disso, foram calculados tambm alguns indicadores que
so bastante comuns em usinas de acar e lcool, como o consumo especfico de
vapor de turbinas a vapor ou consumo especfico de vapor de processo. Algumas
anlises de sensibilidade foram feitas para avaliar o comportamento do
aproveitamento global de energia de um ciclo com turbina de extrao-condensaolevando em considerao a variao de parmetros como eficincia da caldeira,
consumo de vapor de processo e taxa de condensao na turbina de extrao-
condensao, sendo observado que a eficincia da planta bastante sensvel
variao da taxa de condensao da turbina e ocorreu um aumento quando se
aumentou a demanda do vapor de processo.
No Estado de So Paulo, segundo Ometto (2005), a colheita da cana de
acar feita 25 % crua e 75 % com queimada prvia. J com relao ao mtodo da
colheita, 63,8 % manual e 36,2 % mecanizada. Vale destacar que em outros
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
34/165
33
Estados o ndice de queimada gira em torno de 90 %.
Oliveira e Halmeman (2006) estudaram quais so as principais implicaes
do novo modelo do setor eltrico como alternativa para impulsionar a gerao de
energia, utilizando o bagao da cana de acar no processo de cogerao. Os
dados sobre as autorizaes e registros das usinas termoeltricas foram obtidos
junto a Agncia Nacional de Energia Eltrica, bem como as informaes sobre
processo de compra e venda da gerao distribuda a partir da utilizao do bagao
da cana de acar junto s usinas que receberam autorizao ou registro entre 2004
a 2005.
Bohrquez, Horta Nogueira e Lora (2006) avaliaram a utilizao integral do
bagao de cana de acar resultante do processo produtivo de uma usina de acarque pretende incrementar sua capacidade de gerao de energia eltrica de 7 para
35 MW, mediante o redesenho do ciclo e a incorporao de novos turbogeradores.
Utilizando as ferramentas termoeconmicas foi estabelecida a matriz de incidncia
da planta de cogerao, a determinao dos custos exergoeconmicos e a
realizao das simulaes da variao do preo de combustvel e a eficincia da
caldeira. Alm disso, foi efetuado um breve estudo econmico da produo de
energia eltrica e da venda dos excedentes de 27 MWh mdios e concludo que ocusto da eletricidade gerada era de US$ 0,051/kWh.
Diante do que foi encontrado na literatura sobre o aproveitamento da palha, o
presente trabalho apresenta como diferencial um estudo sobre a lucratividade com a
exportao de energia com a implantao do sistema atual vigente no mercado de
lavagem de cana a seco, atravs de ventiladores, com a possibilidade de separao
e preparo da palha para servir como combustvel suplementar na queima emcaldeiras de alta presso convencionais para bagao.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
35/165
34
2 Aspectos da Cogerao de Energia
Dada importncia deste tema, a seguir sero apresentados alguns aspectos
referentes definio, ao histrico e aos ciclos de cogerao, bem como a sua
aplicao no setor sucroalcooleiro e os programas governamentais de incentivo.
2.1 Definio de Cogerao
De acordo com Walter (1994), cogerao um vocbulo de origem norte-
americana empregado desde a dcada de 70 para designar os processos de
produo combinada de calor til (vapor, gua quente, gua gelada, ar quente e frio)
e potncia (eltrica ou mecnica), com uso seqencial da energia liberada a partir da
queima de uma mesma fonte primria de combustvel, qualquer que seja o ciclo
termodinmico empregado (Rankine, Brayton ou Combinado). Em outras palavras,
seria o aproveitamento de uma parcela de energia que teria de ser obrigatoriamenterejeitada prevista pela Segunda Lei da Termodinmica, resultando em um aumento
da eficincia global do ciclo (BALESTIERI, 2002).
A cogerao um mtodo efetivo de conservao de energia primria
(energia de um combustvel) que pode ser aplicado ao setor industrial (acar e
lcool, papel e celulose, qumicas, petroqumicas, etc...) ou ao setor tercirio
(hospitais, hotis, shopping centers, restaurantes, aeroportos, etc...), quando
economicamente justificado, sendo que os nveis globais de eficincia das plantasde cogerao podem se situar entre 50 e 85 %, de acordo com o ciclo utilizado.
Pode-se citar como vantagens da cogerao a reduo dos gastos em
energia, independncia da rede eltrica e segurana no fornecimento, maior
proteo do meio ambiente, maior eficincia na gerao de energia, reduo de
gastos de transporte e de distribuio, melhor adequao entre oferta e procura de
energia, entre outras vantagens.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
36/165
35
2.2 Histrico da Cogerao
Pierce (1995) realizou um interessante trabalho de investigao histrica e
identificou a origem da cogerao no sistema de elevao desenvolvido pelos
Trtaros na Europa no sculo XIV. Este sistema, denominado smokejack, mostrado
na Figura 2.1, era acionado a partir de gases quentes que subiam em uma chamin
e desempenhava um trabalho til com baixo custo e foi o precursor de outros
mecanismos mais eficientes e teis, como a turbina a gs e a hlice.
gases
quentes
trabalhomecnico
de elevao
Figura 2.1 Sistema Smokejack.
Em 1776, a idia de utilizar cogerao foi aplicada por Watt e Boulton nas
mquinas de combusto para moendas de cana de acar na West Indies & Co.,
considerando que a mesma combusto usada para ferver o acar fosse utilizada
para produzir o vapor que seria necessrio para o processo da fbrica. Essa idia foi
logo difundida e aplicada em outras indstrias.
Em 1787, Oliver Evens fabricou mquinas a vapor de alta presso para serem
usadas em destilarias, cervejarias, fbricas de sabonete, de papel, economizando
combustvel para todos estes propsitos com o aproveitamento do vapor de
exausto das mquinas de vapor. Alm disso, ele projetou um sistema para
resfriamento de oficinas utilizando refrigerao por absoro operada pelos gases
de escape de uma mquina a vapor. As oficinas inglesas, em 1820, tambm
adotaram a cogerao para processos, condicionamento de ambientes e outras
aplicaes.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
37/165
36
O incio do desenvolvimento moderno da cogerao aconteceu em meados
de 1870, quando mquinas a vapor foram acopladas a geradores eltricos em reas
com alta densidade populacional. Nesta oportunidade, a cogerao estava
intimamente ligada ao aquecimento de ambientes. Alguns anos depois, em Detroit,
utilizou-se o vapor de exausto de uma planta para a evaporao da gua e
obteno do sal.
As plantas com cogerao tambm foram utilizadas na Dinamarca, Alemanha
e Polnia, a partir de 1890, e na Rssia, em 1903. Por volta de 1914, engenheiros
alemes recuperaram energia de uma mquina de combusto interna e aqueceram
fbricas e prdios. Em 1926, estas prticas tornaram-se mais freqentes em
aplicaes de cogerao.O desenvolvimento da cogerao na Europa foi auxiliado pela agncia de
planificao de energia russa que fez a elaborao do Plano Governamental de
Eletrificao Russa, conhecido como GOELRO.
Na primeira Conferncia Mundial, realizada em Londres em 1924, foi feito
apenas um curto relato do aproveitamento dos rejeitos de energia. Porm, na
segunda conferncia, realizada em Berlim em 1930, foi discutida a combinao
calor-trabalho entre os participantes, sendo dada nfase aos aspectos decentralizao versus descentralizao das plantas.
A introduo comercial das turbinas a gs durante o ano de 1930 contribuiu
para o surgimento de diferentes esquemas para a utilizao dos gases de exausto
nas mquinas a vapor.
Com o surgimento de grandes concessionrias de gerao, transmisso e
distribuio de energia eltrica, os sistemas de cogerao foram paulatinamente
perdendo importncia. A melhora da confiabilidade, da disponibilidade e dascondies econmicas dos sistemas de gerao, transporte e distribuio de energia
eltrica, obtidas com a economia de escala, a disponibilidade de combustveis a
baixos preos e as regulaes e proibies que se verificaram no decorrer do sculo
passado, contriburam para que a cogerao perdesse sua importncia e tivesse seu
emprego restrito a casos bastante especficos (TOLMASQUIM et al., 1999).
As importantes modificaes na disponibilidade e nos custos da energia, que
tiveram incio a partir de 1973, com o primeiro choque do petrleo, resultaram no
incentivo racionalizao do uso da energia e dos combustveis nobres e nas
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
38/165
37
desregulamentaes do setor eltrico de alguns pases ao longo das ltimas trs
dcadas, restabelecendo a importncia da tecnologia de cogerao. Nos Estados
Unidos, a publicao do PURPA (Public Utilities Regulatory Policy Act), em 1978,
abriu novos horizontes na indstria de gerao, na medida em que introduziu a
noo de competio em mercado aberto de energia eltrica e rompeu a estrutura
verticalmente integrada das concessionrias pblicas.
J no Brasil, a cogerao comeou a ser priorizada apenas na dcada de 80
visando minimizao dos impactos ambientais provocados por outras fontes.
Nos ltimos anos o setor eltrico brasileiro sofreu mudanas estruturais
inovadoras de ordem institucional e em nvel de regulamentao que alteraram
sensivelmente o panorama, at ento estvel e controlado pelo governo, para umambiente competitivo.
O estmulo gerao independente e descentralizada, alm do aumento da
gerao de energia eltrica atravs da cogerao em indstrias, tem sido crescente.
Dentro deste contexto, o setor sucroalcooleiro merece uma posio de destaque,
pois pode contribuir e muito para a produo de energia eltrica excedente para
comercializao.
O setor sucroalcooleiro, apesar da auto-suficincia em energia eltrica, constacom uma gerao de excedentes ainda bastante limitada. Isso porque a maior parte
das usinas possui instalaes relativamente antigas que operam aqum do potencial
tcnico existente, considerando-se a quantidade de biomassa residual gerada e as
novas tecnologias disponveis.
A Tabela 1 mostra uma estimativa da Associao Paulista de Cogerao de
Energia (COGEN-SP) do potencial de gerao de bioeletricidade at a safra 2012-
2013, considerando a instalao de novas unidades e o retrofitdas atuais.
Tabela 1 Potencial de gerao de bioeletricidade at 2013.
Safra(S)
NmeroUsinas
Cana(Mt/S)
Bagao(Mt/S)
Instalado(MW)
Exportao(MW)
Retrofit
(MW)Nova(MW)
2009-2010 313 556 139 13.331 5.585 316 1.103
2010-2011 343 605 151 14.508 6.742 316 841
2011-2012 349 641 160 15.376 7.678 316 620
2012-2013 351 668 167 16.009 8.447 316 452Fonte: www.cogensp.com.br
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
39/165
38
A Figura 2.2 mostra estimativas da evoluo da produo de cana e da
capacidade instalada at a safra 2021-2022, na qual se espera atingir uma produo
de 1 bilho de toneladas de cana e se ter uma oferta de 12.000 MW de
bioeletricidade, gerando uma demanda potencial de cerca de 400 turbinas a vapor
com capacidade de gerao de 30 a 40 MW cada.
Figura 2.2 Estimativa da produo de cana e de bioeletricidade.
Fonte: www.cogensp.com.br
2.3 Ciclos de Cogerao
Sob o ponto de vista do fluxo energtico, a seqncia do processo de gerao
de potncia e calor permite aos sistemas de cogerao serem classificados como
bottominge topping, conforme mostra a Figura 2.3.
(a) Sistema operando no regime bottoming.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
40/165
39
(b) Sistema operando no regime topping.
Figura 2.3 Seqncia do processo de gerao de potncia e calor em sistemas de cogerao.
Na configurao bottoming, a gerao de potncia para atender a demanda
eletromecnica ocorre aps a produo de calor, que utilizado para suprir a
demanda trmica. Neste caso, o sistema de cogerao utiliza o calor rejeitado por
processos industriais na gerao de vapor; este vapor ento expandido em
turbinas de condensao e/ou contrapresso, que acionam geradores eltricos ou
equipamentos, tais como bombas hidrulicas, compressores de ar, etc. O ciclo
bottoming normalmente empregado em indstrias qumicas, as quais esto
associadas a processos que exigem altas temperaturas.
Na configurao topping, o combustvel queimado primeiramente em uma
mquina trmica para gerao de energia eltrica e/ou mecnica e, em seguida, o
calor rejeitado utilizado para atender os requisitos trmicos do processo. Porpermitir trabalhar com temperaturas mais baixas, o ciclo toppingpossui uma ampla
variedade de aplicaes, permitindo uma maior versatilidade no momento de
escolher o equipamento a empregar.
Os principais ciclos usados para configuraes de centrais de cogerao so
os ciclos Rankine ou a vapor, Brayton ou a gs, Combinado (gs + vapor), Diesel e
Otto, os quais sero descritos resumidamente a seguir.
2.3.1 Ciclo Rankine
O ciclo de Rankine baseado em quatro processos que ocorrem em regime
permanente onde um fluido de trabalho apresenta mudana de fase nos processos
que ocorrem presso constante, sendo ideal para uma unidade motora simples a
vapor como, por exemplo, a utilizao do calor proveniente da queima de
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
41/165
40
combustveis para gerao de vapor numa Caldeira ou Gerador de Vapor. A energia
trmica gerada pode ser utilizada para calor de processo e para gerao de energia
eltrica em um gerador eltrico acionado por uma turbina a vapor, conforme mostra
a Figura 2.4.
O rendimento de um ciclo Rankine pode ser aumentado pela reduo da
presso de sada, pelo aumento da presso no fornecimento de calor e pelo
superaquecimento do vapor. O ttulo do vapor que deixa a turbina aumenta pelo
superaquecimento do vapor e diminui pelo abaixamento da presso de sada e pelo
aumento da presso no fornecimento de calor (VAN WYLEN; SONNTAG;
BORGNAKKE, 1995).
Figura 2.4 Representao esquemtica de um ciclo Rankine.
Uma das formas de se elevar a temperatura de fornecimento de vapor
atravs da utilizao de um trocador de calor adicional na caldeira, denominado
superaquecedor. A expanso do vapor na turbina se d quase toda na condio de
vapor seco, o que favorece suas condies de escoamento atravs desta. Quase
todas as usinas termeltricas trabalham com vapor superaquecido.
O aumento da temperatura do vapor, e seu conseqente aumento de
presso, tm limitaes por questes metalrgicas, principalmente nas caldeiras,
onde o aumento das temperaturas internas nos tubos provoca um sobreaquecimento
das superfcies expostas s altas temperaturas e radiao dos produtos da
combusto.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
42/165
41
Para contornar estas limitaes realiza-se o reaquecimento do vapor, ou seja,
o vapor extrado da turbina (vapor de escape) a uma determinada presso e
reenviado caldeira (reaquecedor), onde sua temperatura elevada novamente.
Assim, este vapor superaquecido retorna turbina (vapor direto) e expandido at a
condensao, diminuindo a umidade nos ltimos estgios da turbina e evitando
possveis danos s palhetas (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
Outro fator que colabora para o aumento da eficincia do ciclo a diminuio
da temperatura de rejeio do vapor (fonte fria), embora isto esteja ligado s
condies do ambiente.
A reduo da presso de sada eleva o teor de umidade do vapor que deixa a
turbina. A forma de escoamento do vapor atravs da turbina influenciada pelovapor mido que por ela circula sendo que, quanto maior for o teor de umidade,
menor ser o rendimento, tanto da turbina como de todo o ciclo.
Outra maneira de aumentar o rendimento do ciclo atravs do aquecimento
regenerativo progressivo e gradual da gua de alimentao da caldeira, o qual
realizado atravs de trocadores de calor, sendo o vapor utilizado para o
aquecimento nestes trocadores extrado de diferentes pontos da turbina.
2.3.2 Ciclo Brayton
O ciclo padro a ar Brayton, ideal para turbina a gs simples, baseado num
fluido de trabalho que no apresenta mudanas de fase no seu processo, ou seja, o
fluido sempre esta na fase vapor. Na Figura 2.5 mostrada uma representao
esquemtica do ciclo Brayton. As turbinas a gs so constitudas basicamente por
um compressor de ar, uma cmara de combusto e um expansor (turbina
propriamente dita), que produz a potncia necessria ao acionamento do
compressor e, ainda, a potncia til para acionamento de um gerador eltrico ou
para acionamento mecnico.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
43/165
42
Figura 2.5 Representao esquemtica de um ciclo Brayton simples.
O aumento na eficincia das turbinas a gs alcanado nestas ltimas dcadas
e a disponibilidade de gs a preos competitivos tem favorecido sua implantao em
sistemas de cogerao para a indstria (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
O compressor um equipamento que, uma vez definidos seus parmetros
geomtricos e a rotao, operar com uma vazo volumtrica de ar praticamente
independente de outros fatores. Conseqentemente, a massa de ar admitida, que
por sua vez determina a potncia da turbina, diretamente influenciada pela
densidade do ar na sua entrada. Por isso, as propriedades do ambiente que
determinam a densidade do ar, altitude ou presso atmosfrica, temperatura e
umidade relativa, influem decisivamente na potncia e eficincia da turbina
(ANTUNES, 1999).
Sendo a turbina um equipamento volumtrico, a sua potncia determinada
basicamente pela vazo em volume dos gases em sua entrada.
O primeiro processo a compresso do fluido de trabalho. Se a expanso
deste fluido comprimido ocorrer diretamente e sem perdas, a potncia desenvolvida
pela turbina ser to somente igual consumida no compressor. Mas, se for
adicionada energia para aumentar a temperatura do fluido antes da expanso,haver um aumento significativo na potncia desenvolvida pela turbina, produzindo
excedentes de potncia em relao quela necessria para acionar o compressor.
Ocorrem irreversibilidades ou perdas no processo de combusto e expanso
que reduzem o rendimento trmico do ciclo.
O ciclo de turbinas a gs pode ser caracterizado por dois parmetros
significativos: a relao de presso e a temperatura de queima. A relao de
presso do ciclo se refere ao quociente da presso de descarga e a presso deentrada, sendo que em turbinas modernas um valor tpico 14:1. Quando o objetivo
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
44/165
43
alcanar eficincias mais altas em operao em ciclos simples, empregando, por
exemplo, turbinas aeroderivadas, so necessrias taxas de compresso mais
elevadas, na faixa de 18:1 a 30:1 (IPT, 1996).
A temperatura mais alta do ciclo a temperatura de queima que chega a
atingir 1.200 C. Temperaturas mais altas podem ser atingidas em turbinas com
sistemas de resfriamento nas ps.
As turbinas se dividem em dois tipos bsicos: aeroderivadas e industriais. As
turbinas aeroderivadas so baseadas na tecnologia adotada para a propulso de
aeronaves, sendo compactas e de peso reduzido. As turbinas industriais so mais
robustas e, por isso, apresentam maior resistncia a ambientes agressivos,
permitindo processar combustveis lquidos de baixa qualidade e sua potnciamxima supera em muito a das turbinas aeroderivadas.
Diversas modificaes podem ser feitas no ciclo Brayton simples para
aumentar o seu desempenho, incluindo regenerao, resfriamento intermedirio e
reaquecimento, ou uma combinao dessas trs modificaes, denominada ciclo
composto ou combinado.
A regenerao a recuperao de energia trmica (calor) dos gases de
exausto pelo ar comprimido antes de entrar no combustor. A eficincia do ciclodecresce medida que a relao de presses aumenta (exatamente o oposto do
ciclo Brayton bsico) e, alm disso, depende das relaes de temperatura. A
regenerao aumenta a eficincia do ciclo at a relao de presses na qual a
temperatura do ar que sai do compressor igual temperatura dos gases de
exausto da turbina. Este tipo de ciclo diminui a temperatura dos gases de exausto
e pode no ser adequado para cogerao.
O resfriamento do ar comprimido entre os estgios de compresso ofereceum aumento no trabalho lquido extrado do ciclo, mais diminui a eficincia. Se, alm
desse resfriamento intermedirio, for adicionada a regenerao, a eficincia e o
trabalho lquido so melhorados em relao ao ciclo simples.
O reaquecimento requer um segundo combustor entre os estgios de
expanso e tem os mesmos efeitos de um resfriamento intermedirio, porm so
menos pronunciados. Utilizando apenas o reaquecimento, h um aumento na
produo de trabalho lquido com um decrscimo na eficincia do ciclo. Entretanto,
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
45/165
44
se for adicionada a regenerao, o trabalho lquido e a eficincia so aumentados
comparativamente ao ciclo simples.
A regenerao, o resfriamento intermedirio e o reaquecimento podem ser
utilizados simultaneamente no ciclo composto. Este ciclo alcana a maior eficincia
nas relaes de presso mais elevadas, mas exige uma maior quantidade de
equipamentos e controles adicionais.
2.3.3 Ciclo Combinado
O ciclo combinado uma combinao dos ciclos da turbina a gs (ciclo
Brayton) com o ciclo de turbina a vapor (ciclo Rankine), conforme mostrado na
Figura 2.6. A entalpia ainda disponvel nos gases de exausto da turbina de gs
aproveitada para gerar vapor sob presso na caldeira de recuperao de calor, o
qual ir expandir-se numa turbina a vapor, produzindo mais energia til. Portanto, a
gerao de vapor pela caldeira de recuperao est diretamente ligada vazo e
temperatura dos gases de exausto da turbina a gs.
Figura 2.6 Representao esquemtica de um ciclo combinado.
Nesta modalidade, resulta uma alta eficincia de utilizao do combustvel,
pois a alta temperatura de exausto dos gases na turbina a gs permite suprir o ciclo
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
46/165
45
a vapor. Conseqentemente, parte das irreversibilidades de ambos os ciclos, que
advm das temperaturas de rejeio de calor, so eliminadas no ciclo combinado.
As caldeiras de recuperao usadas nos ciclos combinados podem ser de
dois tipos: sem ps-queima, onde a gerao de vapor s depende da vazo de
gases recebidas da turbina a gs, e com queima suplementar, onde um combustvel
queimado na caldeira de recuperao, aumentando, assim, a participao na
gerao de vapor. Em ambos os casos, essas caldeiras de recuperao so de
concepo mais simples que as caldeiras convencionais, principalmente a caldeira
sem ps-queima. Estas caldeiras podem gerar vapor em diferentes nveis de
presso, geralmente dois nveis, embora se possa chegar a trs, o que possibilita o
uso de turbinas a vapor que permitem a injeo de fluxos adicionais de vapor entre apresso de alimentao e a de condensao (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
2.3.4 Ciclos Otto e Diesel
O ciclo a ar Otto um ciclo ideal que se aproxima do motor a combusto
interna de ignio por centelha, onde em um estado ocorre uma compresso
isoentrpica do ar, momento este em que o pisto se movimenta, assim o calor
transferido para o ar, enquanto o pisto est momentaneamente em repouso, aps
ocorre uma expanso isoentrpica e por fim do processo, rejeio do calor do ar
enquanto o pisto est no ponto inferior.
J o ciclo de ar Diesel ideal para motores de ignio por compresso. Neste
ciclo o calor transferido ao fluido de trabalho presso constante, como o gs
expande durante a transferncia de calor no ciclo padro a ar, a transferncia de
calor deve ser apenas o suficiente para manter a presso constante. No prximo
estado a transferncia de calor cessa e o gs sofre uma expanso isoentrpica at
que o pisto atinja o ponto morto inferior. A rejeio de calor, como no ciclo Otto,
ocorre a volume constante e com o pisto no ponto morto inferior.
Uma central eltrica com motor de combusto interna composta pelas
unidades de motores e geradores principais, sala de controle e sistemas auxiliares,que incluem tanques e bombas do armazenamento e alimentao do combustvel,
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
47/165
46
sistema de resfriamento de gua e leo lubrificante, suprimento de ar de combusto
e exausto dos gases da combusto.
As centrais de gerao de energia eltrica com motores de combusto interna
so freqentemente utilizadas para suprir sistemas onde a demanda no justifique a
instalao de uma usina termeltrica a vapor (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
Para a utilizao de gs natural como combustvel recomendado o ciclo
Otto. No entanto, pode-se utilizar o gs natural em equipamentos de ciclo Diesel,
desde que o combustvel inserido na cmara de combusto seja uma mistura de gs
natural com 3 a 5 % de diesel. Estes equipamentos so conhecidos como bi-
combustvel ou duplo-combustvel em funo do modo que realizado a mistura dos
combustveis.A Figura 2.7 representa um ciclo de cogerao com um motor alternativo.
Figura 2.7 Cogerao com motor alternativo.
2.4 Sistemas de Cogerao no Setor Sucroalcooleiro
Diversas so as possibilidades para incremento da produo de eletricidade
com a manuteno dos sistemas tradicionais e todas elas passam pela melhoria da
eficincia energtica do processo, reduzindo o consumo de vapor por tonelada de
cana processada e usando a quantia economizada para produzir mais eletricidade.
A interferncia mnima possvel seria a substituio das atuais turbinas a
vapor de simples estgio e de baixa eficincia por turbinas de mltiplos estgios e de
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
48/165
47
maior eficincia. A substituio das atuais caldeiras por outras de maiores presses
e temperaturas, e dos turbogeradores de contrapresso por turbogeradores de
extrao-condensao, seria uma interferncia mais profunda, mas que ainda
permitiria a manuteno dos atuais ciclos de contrapresso, tal como mostra a
Figura 2.8 (CORRA NETO; RAMON, 2002).
Adicionalmente, existem outras tecnologias que tambm esto sendo
implantadas, tais como a eletrificao dos acionamentos e o aproveitamento da
palha como combustvel, atravs da substituio da queimada e coleta manual pela
colheita mecanizada.
Figura 2.8 Sistema de cogerao com turbina de extrao-condensao.
2.5 Programas de Incentivo a Cogerao Criados pelo Governo
2.5.1 Programa Prioritrio de Termoeletricidade
Uma medida tomada no Brasil, que nasceu com o blecaute de maio de 1999,
foi o Programa Prioritrio de Termoeletricidade (PPT), que previa a colocao
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
49/165
48
gradual de cerca de 11.500 MW de gerao trmica.
O objetivo do Programa Prioritrio de Termoeletricidade era viabilizar, em
curto prazo, investimentos na rea de gerao termeltrica, com uma srie de
medidas para incentivar os investidores, em especial na rea de gs natural.
O lanamento do PPT produziu resultados no que se diz respeito disposio
dos investidores quanto ao risco dos projetos de gerao de energia, contando com
a adeso de 49 usinas trmicas. Com o risco do gs parcialmente equacionado,
restava apenas assegurar a tendncia de crescimento da economia, o que garantiria
o crescimento do consumo de energia eltrica.
No entanto, o PPT no conseguiu atingir totalmente os seus objetivos, sendo
que a maioria das Usinas Termeltricas no saiu do papel.
2.5.2 Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica
O Programa de Incentivo s Fontes Alternativas de Energia Eltrica
(PROINFA) um importante instrumento para a diversificao da matriz energtica
nacional, garantindo maior confiabilidade e segurana ao abastecimento. O
Programa, coordenado pelo Ministrio de Minas e Energia (MME), estabelece a
contratao de 3.300 MW de energia no Sistema Interligado Nacional (SIN),
produzidos por fontes elicas, biomassa e pequenas centrais hidreltricas (PCHs),
sendo 1.100 MW de cada fonte.
Criado em 26 de abril de 2002, pela Lei n 10.438, o PROINFA foi revisado
pela Lei n 10.762, de 11 de novembro de 2003, que assegurou a participao de
um maior nmero de estados no Programa, o incentivo indstria nacional e a
excluso dos consumidores de baixa renda do pagamento do rateio da compra da
nova energia.
O PROINFA conta com o suporte do BNDES, que criou um programa de
apoio a investimentos em fontes alternativas renovveis de energia eltrica. A linha
de crdito prev financiamento de at 70 % do investimento, excluindo apenas bens
e servios importados e a aquisio de terrenos. Os investidores tm que garantir30 % do projeto com capital prprio. As condies do financiamento entre outras so
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
50/165
49
de carncia de seis meses aps a entrada em operao comercial, amortizao por
dez anos e no pagamento de juros durante a construo do empreendimento.
A Eletrobrs, no contrato de compra de energia de longo prazo (PPAs),
assegura ao empreendedor uma receita mnima de 70 % da energia contratada
durante o perodo de financiamento e proteo integral quanto aos riscos de
exposio do mercado de curto prazo, durante os 20 anos dos projetos contratados.
Uma das exigncias da Lei n 10.762 a obrigatoriedade de um ndice
mnimo de nacionalizao de 60 % do custo total de construo dos projetos, alm
disso, ela estabelece critrios de regionalizao, impondo um limite de contratao
por Estado de 20 % da potncia total destinada s fontes elicas e biomassa e 15 %
para as PCHs, o que possibilita a todos os Estados que tenham vocao e projetosaprovados e licenciados a oportunidade de participarem do programa. A limitao,
no entanto, preliminar, j que, caso no venha a ser contratada a totalidade dos
1.100 MW destinados a cada tecnologia, o potencial no-contratado pode ser
distribudo entre os Estados que possurem as licenas ambientais mais antigas.
Para participarem do Programa, os empreendimentos tero de ter licena prvia de
instalao.
Em relao ao abastecimento de energia eltrica do pas, o PROINFA uminstrumento de complementaridade energtica sazonal energia hidrulica,
responsvel por mais de 90 % da gerao do pas. Na regio Nordeste, a energia
elica serve como complemento ao abastecimento hidrulico, j que o perodo de
chuvas inverso ao de ventos. O mesmo ocorre com a biomassa nas regies Sul e
Sudeste, onde a colheita de safras propcias gerao de energia eltrica (cana de
acar e arroz, por exemplo) ocorre em perodo diferente do chuvoso.
A entrada de novas fontes renovveis evitar a emisso de 2,5 milhes detoneladas de gs carbnico/ano, ampliando as possibilidades de negcios de
Certificao de Reduo de Emisso de Carbono, nos termos do Protocolo de
Kyoto. O Programa tambm permitir maior insero do pequeno produtor de
energia eltrica, diversificando o nmero de agentes do setor.
Entre os benefcios do PROINFA podem ser destacados os seguintes:
Social: Gerao de 150 mil postos de trabalho diretos e indiretos durante a
construo e a operao, sem considerar os de efeito-renda.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
51/165
50
Tecnolgico: Investimentos de R$ 4 bilhes na indstria nacional de
equipamentos e materiais.
Estratgico: Complementaridade energtica sazonal entre os regimes
hidrolgico/elico (NE) e hidrolgico/biomassa (SE e S). A cada 100 MW
mdios produzidos por parques elicos, economizam-se 40 m3/s de gua na
cascata do Rio So Francisco.
Ambiental: A emisso evitada de 2,5 milhes de tCO2/ano criar um
ambiente potencial de negcios de Certificao de Reduo de Emisso de
Carbono, nos termos do Protocolo de Kyoto.
Econmico: Investimento privado da ordem de R$ 8,6 bilhes.
2.5.3 Programa Paulista de Bioenergia
Algumas aes tm sido desenvolvidas para incrementar a cogerao de
energia no setor sucroalcooleiro, principalmente no Estado de So Paulo onde se
encontra a maior parte das usinas.Entre estas aes pode ser destacada a da Secretaria de Saneamento e
Energia, que est iniciando um trabalho sobre a Matriz Energtica Paulista,
identificando, levantando e avaliando todos os fatores relacionados com a gerao
de energia eltrica, com destaque para a gerao distribuda baseada na cogerao
atravs da bioenergia. Em abril de 2007 foi constituda a Comisso Especial de
Bioenergia do Estado de So Paulo, cujo objetivo dar subsdios para a elaborao
de um Plano de Ao do Governo.
Destaca-se tambm no Estado de So Paulo o apoio da FAPESP e da
DEDINI, atravs da assinatura de um convnio em julho de 2007, no valor de 100
milhes de reais, para o desenvolvimento de atividades de pesquisa cientficas e
tecnolgicas de interesse do setor sucroalcooleiro, envolvendo, dentre outros temas,
o processo de hidrlise, a produo e consumo de energia e o rendimento e
eficincia dos processos.
Outra ao importante foi o protocolo assinado entre o Governo do Estado de
So Paulo e a FIESP em 05/09/2007 para a criao do Programa Paulista de
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
52/165
51
Cogerao de Energia, que tem como objetivos desburocratizar o setor e buscar,
junto ANEEL, uma regulamentao adequada e linhas de crdito para dar
sustentao financeira ao crescimento do setor sucroalcooleiro paulista, com o
intuito de se duplicar a quantidade de energia cogerada at 2010.
Mais informaes sobre a parte que envolve a palha podem ser encontradas
no Termo de Referncia 8 - Gerao de Eletricidade a partir de Biomassa e Biogs,
cuja minuta pode ser livremente acessada no website da Secretria de Saneamento
e Energia do Estado de So Paulo.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S
53/165
52
3 Aproveitamento da Palha para Cogerao
A seguir ser apresentado o potencial energtico da palha para a cogerao
no setor sucroalcooleiro, destacando o Sistema de Lavagem de Cana a Seco; as
origens do sistema, com apresentao de testes e resultados obtidos; e, por fim, os
princpios de funcionamento do sistema.
Nesta dissertao ser tratado o termo palha como a matria vegetal
separada pelo Sistema de Limpeza de Cana Seco que ser preparada para
utilizao como combustvel suplementar na caldeira, diferentemente do termo
palhio, que o conjunto de folhas, ponteiros e palha que esto presentes na cana
de acar ainda no canavial.
3.1 Potencial Energtico da Palha para Cogerao
H um potencial adicional a ser explorado para a cogerao, o qual envolve o
aproveitamento da palha, que tradicionalmente usada como adubo nas lavouras.
Um grande trabalho tem sido realizado no Brasil na busca de melhores tcnicas para
a colheita/transporte da palha, assim como para a avaliao da sua disponibilidade
real (BNDES, 2003).
importante comentar que o setor sucroalcooleiro, em seus primrdios,
ignorava a possibilidade de aproveitamento do bagao e muito menos da palha;comprava energia eltrica das concessionrias locais e queimava leo combustvel.
Com o passar do tempo, o uso do bagao foi se tornando rotina em um processo
cogerador, pois permitia produzir energias trmica, para o processo industrial, e
eltrica, para a movimentao mecnica da indstria, iluminao e outros fins. A
falta de viso do Setor Eltrico, entretanto, impedia a exportao de excedentes, em
face, tanto das dificuldades impostas pela legislao, que defendia o monoplio
existente na poca, quanto pela cultura centralizante, predominante no Setor Eltrico
Brasileiro, geradora de solues hidreltricas de grande porte.
-
7/31/2019 Analise Da Viabilidade Do Aproveitamento Da Palha Da Cana de Acucar Para Cogeracao de Energia Numa Usina S