cogeração_ produzindo energia elétrica

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07/03/2015 Cogeração: produzindo energia elétrica http://www.novacana.com/usina/cogeracaocomofuncionaproducaoenergiaeletrica/?tmpl=component&print=1 1/19 USINAS (/USINA/) Cogeração: como funciona a produção de energia elétrica numa usina sucroalcooleira As necessidades energéticas de uma destilaria autônoma, relacionadas às demandas de calor, eletricidade e energia mecânica, são atendidas pela planta de cogeração que consome a biomassa residual gerada no processo. O bagaço de cana, atualmente empregado como combustível em todas as usinas de cana-de- açúcar existentes no país, é consumido em sistemas a vapor que, ao operarem com maior eficiência, propiciam a redução do consumo de combustível e/ou aumento da geração de excedentes de eletricidade. O processo produtivo demanda vapor a baixa pressão, normalmente a 2,5 bar, como fonte de calor para processos de tratamento e evaporação do caldo e destilação do etanol. O consumo de vapor pode variar em função do grau da tecnologia e da integração térmica existente, o que influencia diretamente o consumo de combustível na caldeira. Além disso, sistemas de cogeração que operam com turbinas de extração-condensação necessitam baixos consumos de vapor de processo para que o último estágio das turbinas tenha condições de operar com vazões suficientes para justificar o investimento. Os sistemas de preparo da cana e de extração do caldo também são consumidores de vapor para acionamento das turbinas, que fornecem energia mecânica aos picadores, desfibradores e ternos de moenda. Normalmente, a extração de vapor para atendimento

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Cogeração - termoelétrica e bagaço de cna

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USINAS (/USINA/)

Cogeração: como funciona a produção deenergia elétrica numa usina sucroalcooleira

As necessidades energéticas de uma destilaria autônoma,

relacionadas às demandas de calor, eletricidade e energia mecânica,

são atendidas pela planta de cogeração que consome a biomassa

residual gerada no processo. O bagaço de cana, atualmente

empregado como combustível em todas as usinas de cana-de-

açúcar existentes no país, é consumido em sistemas a vapor que, ao

operarem com maior eficiência, propiciam a redução do consumo

de combustível e/ou aumento da geração de excedentes de

eletricidade.

O processo produtivo demanda vapor a baixa pressão,

normalmente a 2,5 bar, como fonte de calor para processos de

tratamento e evaporação do caldo e destilação do etanol. O

consumo de vapor pode variar em função do grau da tecnologia e

da integração térmica existente, o que influencia diretamente o

consumo de combustível na caldeira. Além disso, sistemas de

cogeração que operam com turbinas de extração-condensação

necessitam baixos consumos de vapor de processo para que o

último estágio das turbinas tenha condições de operar com vazões

suficientes para justificar o investimento.

Os sistemas de preparo da cana e de extração do caldo também são

consumidores de vapor para acionamento das turbinas, que

fornecem energia mecânica aos picadores, desfibradores e ternos

de moenda. Normalmente, a extração de vapor para atendimento

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dessa demanda ocorre a 22 bar de pressão, sendo que a vazão varia

de acordo com a eficiência da turbina de acionamento. A

substituição das antigas turbinas de simples estágio por turbinas

multiestágio, de maior eficiência, vem ocorrendo em muitas usinas

e destilarias, o que possibilita o aumento da geração de excedentes

de eletricidade no sistema de cogeração.

Outro avanço tecnológico importante quanto ao sistema de

preparo e de moagem da cana é o emprego de motores elétricos

para acionamento dos equipamentos, em substituição às turbinas a

vapor. A eletrificação desses sistemas possibilita um aumento

significativo na eficiência de conversão da energia, o que resulta

em aumento de geração elétrica excedente. Alternativamente,

algumas usinas têm empregado sistemas de acionamento

hidráulico, que representam uma solução intermediária, do ponto

de vista da eficiência e da geração de excedentes elétricos, entre o

acionamento puramente elétrico e o acionamento puramente

mecânico diretamente viabilizado por turbinas a vapor.

Sistemas a vapor: caldeiras,turbinas e geradoresAtualmente, no Brasil e em todo o mundo, somente sistemas a

vapor são encontrados nas usinas de cana-de-açúcar. Esta é uma

tecnologia amplamente conhecida pelo setor e, no Brasil, são

utilizados majoritariamente equipamentos de fabricação nacional.

Diversos fabricantes de caldeiras, turbinas a vapor e geradores

elétricos são encontrados na indústria nacional, sendo que muitos

também atendem o mercado externo.

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Os sistemas de cogeração mais eficientes em operação no setor de

cana-de-açúcar nacional são ciclos a vapor que trabalham com

vapor vivo a 65 bar de pressão (variando entre 60 e 65 bar na

maioria dos casos) e 480ºC de temperatura. A tendência verificada

junto aos fabricantes é o emprego de parâmetros mais elevados na

geração de vapor, propiciando maior eficiência na geração elétrica.

Existem diversas consultas de usinas para viabilizar sistemas que

operem a mais de 80 bar de pressão, embora as vendas ainda se

concentrem em sistemas de 42 e 65 bar. Foi verificado que um

projeto, atualmente em construção, conta com um sistema de 90

bar de pressão.

O aumento da temperatura do vapor gerado pelas caldeiras é outro

fator considerado para aumento de eficiência na geração elétrica.

São encontradas no mercado caldeiras de 65 e 90 bar com

temperatura máxima de 520°C. Segundo fabricantes de caldeiras,

existe uma limitação econômica para o emprego de temperaturas

mais altas na geração do vapor vivo, uma vez que no Brasil são

produzidos aços que podem suportar temperaturas de até 520ºC. O

emprego de aços especiais, que suportam temperaturas acima

deste nível, teria que ocorrer com a importação do material ou por

encomenda de lotes específicos à indústria nacional, o que torna os

custos proibitivos.

Também foi verificada uma tendência de aumento da capacidade

de geração de vapor das caldeiras destinadas ao setor

sucroalcooleiro. Atualmente, a maior parte das vendas destina-se a

caldeiras de capacidade de geração de vapor de 150 a 250 t/h e

eficiência acima de 85% (base PCI), segundo os fabricantes. Novos

projetos em fase de conclusão e alguns já instalados contam com

caldeiras de 300 a 450 t/h de vapor gerado.

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A tendência, quando se trata de caldeiras de maior capacidade, é a

construção de caldeiras do tipo monodrum. Essa tecnologia é

novidade no setor sucroalcooleiro, mas já vem sendo empregada há

vários anos, no Brasil e no mundo, em setores como o de papel e

celulose, petroquímicas e termelétrico. Segundo os fabricantes, a

tecnologia possibilita a adoção de grandes vazões de vapor e

pressões superiores a 100 bar.

Com relação às turbinas a vapor nacionais, verificou-se que os

sistemas mais modernos vendidos atualmente para o setor de

cana-de-açúcar são turbinas que operam com vapor de entrada a 65

bar e 490ºC e com sistemas de condensação e extração controlada e

contrapressão. A potência das turbinas nacionais, segundo os

fabricantes, está limitada a 50 MW por motivos econômicos, uma

vez que os geradores elétricos nacionais atendem somente até esse

nível de potência, sendo a importação desinteressante do ponto de

vista da viabilidade do investimento.

Foi verificado que existe tecnologia na indústria nacional para

produção de turbinas a vapor de reação com potência de até 150

MW, operando com vapor de admissão de até 120 bar e 530°C, mas

destinadas ao mercado externo. Alguns projetos estão em

andamento visando à compra de turbinas de 85 bar e 520ºC.

Entretanto, parte significativa das vendas ao setor estava

concentrada em turbinas que operavam com vapor a 22 bar/320ºC

(sistemas que apenas viabilizavam a autossuficiência do

atendimento elétrico) e 42 bar/420ºC (que permitiam a geração de

excedentes elétricos modestos); a partir de 2007 a maioria dos

equipamentos vendidos são para condições de vapor acima de 60

bar, possivelmente motivado por financiamentos mais favoráveis

para esta situação.

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Para simulação do excedente de eletricidade gerado pelas

destilarias dentro dos cenários de evolução tecnológica nos

horizontes de 2015 e 2025 apresentados nestas projeções, foram

consideradas duas variantes associadas à hipótese de produção, ou

não, de etanol por hidrólise do bagaço. Diferentes configurações de

sistema de cogeração foram simuladas baseando-se na

disponibilidade de combustível (bagaço e palhiço) e na introdução

ou não da planta anexa de hidrólise.

As configurações de sistema de cogeração foram simuladas com o

emprego de um software de simulação de sistemas de potência a

vapor, desenvolvido em linguagem orientada para o objeto,

utilizando como base o software comercial Delphi. O módulo

“Potência” do programa de simulação permite a realização dos

cálculos termodinâmicos da configuração definida pelo usuário. A

figura reproduz a tela Fluxograma do programa. A configuração

objeto de análise pode ser definida (i) nos modos de operação

cogeração ou termoelétrico, (ii) com um ou dois níveis de pressão

na geração de vapor, (iii) com emprego de turbinas de contra

pressão ou de extração-condensação (até duas extrações de vapor

podem ser consideradas), (iv) com eletrificação ou não da moagem e

do preparo da cana, etc.

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Fluxograma completo do sistema de cogeração

Quando da simulação dos sistemas de potência operando na

situação em que há produção de etanol por hidrólise, foi

considerado que não há recuperação de condensado

correspondente à extração que ocorre a 37 bar. Nesse caso, tal

situação é representada por um fluxo de vapor (ou de condensado)

para a atmosfera na posição 45 do fluxograma apresentado acima.

Na simulação das destilarias que não possuem planta de hidrólise

(Configuração Otimizada) foi considerado que todo o combustível

disponível na destilaria é destinado ao sistema de cogeração,

maximizando a geração de excedente de eletricidade. Nas

configurações com hidrólise, foram adotados sistemas de

cogeração com turbinas de contrapressão, operando somente

durante a safra, fornecendo o máximo possível de bagaço para a

planta de hidrólise anexa à destilaria sem comprometer a geração

de vapor para o processo.

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Em todos os casos, adotou-se que 10% do combustível são

reservados para viabilizar as partidas do sistema, após as suas

paradas, sendo o restante totalmente consumido na geração de

vapor. Além disso, assumiu-se a utilização de motores elétricos

para acionamento do sistema de extração do caldo, sendo,

portanto, a demanda elétrica total da destilaria atendida pelo

sistema de cogeração.

Alguns parâmetros adotados no procedimento de cálculo das

configurações são apresentados a seguir:

Pressão do vapor de processo: 2,5 bar;

Temperatura do vapor de processo: 128°C;

Pressão de operação do desaerador: 1,3 bar;

Eficiência da caldeira: 85% (base PCI);

Eficiência isentrópica da turbina a vapor: 78%;

Eficiência isentrópica das bombas: 65%;

Temperatura de retorno do condensado: 79°C;

Perda de vapor no processo: 5% do vapor de processo;

Vapor consumido no desaerador: 5% do vapor vivo gerado;

Poder calorífico inferior do bagaço: 7.524 kJ/kg (50% umidade);

Poder calorífico inferior do palhiço: 12.960 kJ/kg (15%

umidade);

Poder calorífico inferior da lignina: 16.219 kJ/kg (50% umidade);

Produção total de bagaço: 140 kg/t cana (base seca);

Produção total de palhiço: 140 kg/t cana (base seca);

Produção de lignina: 200 kg/t bagaço hidrolisado (base seca).

Configuração AtualA configuração Atual foi estimada como uma média da situação

vigente para sistemas de cogeração do setor sucroalcooleiro, tendo

sido adotada como referência na destilaria padrão. Foi considerado

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que o excedente de eletricidade para este caso seria de 40,0 kWh/t

cana em uma destilaria com produção de 85 l/tc. Essa configuração

representa uma situação ainda muito comum no setor

sucroalcooleiro brasileiro e serve de referência para comparação

com os avanços tecnológicos propostos para as demais

configurações.

Configuração OtimizadaA configuração Otimizada representa destilarias sem planta de

hidrólise anexa e com a melhor tecnologia de geração elétrica

atualmente disponível para o setor sucroalcooleiro nacional, com

geração de vapor a 90 bar e 520°C e geração de energia elétrica ao

longo de todo o ano com emprego de turbinas de extração-

condensação. Embora tal hipótese seja conservadora do ponto de

vista tecnológico, já que sistemas mais eficientes poderiam ser

considerados em um horizonte de médio e longo prazo, é realista do

ponto de vista do potencial que poderia ser viabilizado, desde que

grande número de usinas adote tal configuração.

Esta configuração foi subdividida em Otimizada I, II e III, sendo

prevista a introdução do palhiço como combustível auxiliar ao

bagaço, visando à maximização da geração elétrica. Na tabela são

apresentados alguns parâmetros adotados para essa configuração

e o índice de geração de excedente elétrico calculado.

Configuração Otimizada

I

Otimizada

II

Otimizada

III

Pressão do vapor vivo (bar) 90 90 90

Temperatura do vapor vivo (ºC) 520 520 520

Consumo de vapor de processo

(kg/t cana)

385 444 4551 2 3

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Demanda elétrica do processo

(kWh/t cana)

12,0 12,0 12,0

Demanda elétrica para

acionamento do sistema de

extração (kWh/t cana)

16,0 16,0 16,0

Demanda elétrica total (kWh/t

cana)

28,0 28,0 28,0

Fração do bagaço consumido nas

paradas do sistema (%)

10 10 10

Fração do bagaço consumido na

cogeração (%)

90 90 90

Fração do total do palhiço

consumida pelo sistema de

cogeração (%)

0 25 50

Produção de bioetanol (l/t cana) 88,3 88,3 88,3

Eletricidade excedente gerada

(kWh/t cana)

87,8 121,3 160,2

saturado a 2,5 bar de pressão. Considera concentração de vinhoto

com redução de 50% do volume inicialmente gerado. Considera

concentração de vinhoto com redução de 66% do volume

inicialmente gerado.

Configuração “Hidrólise”Foram simuladas destilarias nas quais a máxima quantidade de

bagaço possível seria destinada à planta anexa de hidrólise, sem o

comprometimento da geração de vapor de processo (processo

tradicional + planta de hidrólise). Nesse caso também é

considerada a geração de vapor com lignina, em complementação à

geração de vapor com o palhiço disponível e a quantidade de

bagaço requerida (não hidrolisado).

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Os resultados para as configurações Hidrólise I e Hidrólise II,

apresentados na próxima tabela, correspondem, respectivamente, a

uma primeira etapa de desenvolvimento do processo de hidrólise

(com rendimento mais baixo), que se estima que possa ser atingido

em 2015, e uma segunda etapa de desenvolvimento a ser atingida

em 2025, refletindo ganhos de produtividade em função do

amadurecimento da tecnologia e otimização do processo.

Neste caso, a geração de energia elétrica é bastante reduzida em

relação ao caso anterior, em função da menor disponibilidade de

biomassa para geração de eletricidade, mesmo considerada a

queima da lignina residual do processo de hidrólise.

Configuração Hidrólise

I

Hidrólise

II

Pressão do vapor vivo (bar) 90 90

Temperatura do vapor vivo (ºC) 520 520

Consumo de vapor de processo tradicional (kg/t

cana) (saturado a 2,5 bar)

353 372

Consumo de vapor de processo para a hidrólise

(kg/t cana) (saturado a 2,5 bar)

131,2 146,1

Consumo de vapor total do processo (kg/t cana)

(saturado a 2,5 bar)

484,2 518,1

Consumo de vapor de alta pressão para a

hidrólise (kg/t cana) (extração a 37 bar)

22,8 36,2

Demanda elétrica do processo tradicional

(kWh/t cana)

12,0 12,0

Demanda elétrica do processo hidrólise (kWh/t 17,6 19,7

Considera concentração de vinhoto com redução de 50% do

volume inicialmente gerado. Considera concentração de vinhoto

com redução de 66% do volume inicialmente gerado.

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2

3

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cana)

Demanda elétrica para acionamento do sistema

de extração (kWh/t cana)

16,0 16,0

Demanda elétrica total (kWh/t cana) 45,6 47,7

Fração do total de bagaço para hidrólise (%) 47,5 76,0

Fração do total de bagaço consumido em

paradas do sistema (%)

10 10

Fração do total de bagaço destinada ao sistema

de cogeração (%)

52,5 24

Fração do total de palhiço consumido pelo

sistema de cogeração (%)

25 50

Produção de bioetanol (l/t cana) 103,6 124,3

Eletricidade excedente gerada (kWh/t cana) 49,3 54,7

Foi considerado o emprego exclusivo de turbinas de extração

contrapressão, com operação restrita ao período de safra, visando à

maximização da produção de etanol. Considerou-se também que a

produção de etanol por hidrólise ocorreria apenas durante o

período da safra, hipótese que ainda precisa ser verificada quanto à

sua viabilidade econômica. Adotou-se a mesma tecnologia de

geração de vapor a 90 bar, 520°C, pois foi observado que no caso da

hidrólise a geração de vapor a menor pressão e temperatura (i.e., 65

bar, 480°C) não resultaria vantagem significativa do ponto de vista

da disponibilização de biomassa para hidrólise: comparando a

geração de vapor a 65 bar, 480°C, com a alternativa de geração a 90

bar, 520°C, a disponibilidade de biomassa para hidrólise aumentaria

pouco mais de 1%, enquanto a geração de energia elétrica seria

sacrificada em quase 20% em relação à situação escolhida.

De acordo com os cenários previstos no estudo, a introdução de

cada configuração segue a sequência apresentada na próxima

tabela, na qual são apresentados os perfis das destilarias que

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devem ser introduzidas em cada período de 5 anos entre 2005 e

2025.

Com relação à configuração Otimizada, assumiu-se que as

destilarias com essa configuração teriam uma evolução da

capacidade de geração ao longo do tempo, decorrente da

introdução do palhiço como combustível auxiliar a partir de 2015.

Por outro lado, teriam seu consumo de vapor de processo

aumentado devido ao fato de concentrarem parte do vinhoto

gerado, como indicado abaixo. Assim, as destilarias com

configuração Otimizada I, introduzidas no período 2005-2010 no

cenário Prudente e entre 2005 e 2015 no cenário Progressivo,

passariam a contar com configuração Otimizada II a partir de 2015,

e com a configuração Otimizada III a partir de 2025.

Cenário 5 Anos

(2005-

2010)

10 Anos (2010-

2015)

15 Anos

(2015-

2020)

20 Anos (2020-

2025)

Sem

Tecnologia

100%

Atual

100% Atual 100%

Atual

100% Atual

Prudente 100%

Otimizada

I

100% Otimizada

I

100%

Hidrólise

I

100% Hidrólise I

Progressivo 100%

Otimizada

I

50% Otimizada

I50% Hidrólise I

100%

Hidrólise

I

50% Hidrólise

I50% Hidrólise II

100%

Tecnológico

– – 100%

Hidrólise

II

100% Hidrólise II

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ghisolfi-suicidio-040315/)

Morre presidente da Beta Renewables, Guido Ghisolfi, emaparente suicídio (/n/etanol/2-geracao-celulose/morre-beta-renewables-guido-ghisolfi-suicidio-040315/)

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celulosico-enfrentando-190215/)

(/n/industria/usinas/anp-autoriza-construcao-usina-etanol-240215/)

(http://www.novacana.com/n/etanol/politica/atraso-polemica-

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geracao-celulose/desafios-tecnologicos-industria-etanol-celulosico-enfrentando-190215/)

UsinasANP autoriza construção de nova usina de etanol (/n/industria/usinas/anp-autoriza-construcao-usina-etanol-240215/)

Liminar determina que estoque de etanol da Ruette seja lacrado(/n/industria/usinas/liminar-estoque-etanol-ruette-lacrado-040315/)

1

Os resultados agrícolas, industriais e financeiros da Raízen Energiaem perspectiva (/n/industria/usinas/resultados-agricolas-industriais-financeiros-raizen-perspectiva-040315/)

2

Etanol celulósico: CTBE e Novozymes atacam o custo das enzimas(/n/etanol/2-geracao-celulose/etanol-celulosico-ctbe-novozymes-atacam-custo-enzimas-030315/)

3

Morre presidente da Beta Renewables, Guido Ghisolfi, em aparentesuicídio (/n/etanol/2-geracao-celulose/morre-beta-renewables-guido-ghisolfi-suicidio-040315/)

4

DA SEMANA DO DIA DO MÊS

Page 18: Cogeração_ Produzindo Energia Elétrica

07/03/2015 Cogeração: produzindo energia elétrica

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ESTATÍSTICAS ATUALIZADAS

(http://www.novacana.com/dados/veiculos/vendas)Licenciamento de veículos noBrasil(http://www.novacana.com/dados/veiculos/vendas)

atualizado 1 dia atrás

(http://www.novacana.com/dados/br/etanol-e-

gasolina/importacao/empresas-buscando-importacao-de-

etanol)Empresas que estãobuscando a importação deetanol(http://www.novacana.com/dados/br/etanol-e-gasolina/importacao/empresas-buscando-importacao-de-etanol)

atualizado 2 dias atrás

(http://www.novacana.com/dados-plataforma/etanol-e-

gasolina/exportacao/etanol)Exportação brasileira deetanol(http://www.novacana.com/dados-plataforma/etanol-e-gasolina/exportacao/etanol)

atualizado 2 dias atrás

Distribuidoras ‘de aluguel’ avançam com etanol em São Paulo5

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07/03/2015 Cogeração: produzindo energia elétrica

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(http://www.novacana.com/dados-

plataforma/exemplos/etanol-e-gasolina/movimentacao-

interna-etanol/por-regiao/regiao)Exportação brasileira deaçúcar(http://www.novacana.com/dados-plataforma/exemplos/etanol-e-gasolina/movimentacao-interna-etanol/por-regiao/regiao)

atualizado 2 dias atrás

(http://www.novacana.com/dados/etanol-e-

gasolina/importacao/gasolina)Importação brasileira deGasolina(http://www.novacana.com/dados/etanol-e-gasolina/importacao/gasolina)

atualizado 2 dias atrásAcesse aqui todas as últimas planilhas atualizadas

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