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COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA CANAVIERIA Universidade Federal de São Carlos - DTAISER – MTA Gestão do Setor Sucroalcooleiro Disciplina: Tecnologia de produção de Açúcar e Álcool 02 de JUNHO DE 2007 – ARARAS / SP ENGº CELSO PROCKNOR ENGº SÉRGIO L. FERREIRA PROCKNOR ENGENHARIA LTDA Rua Teodoro Sampaio, 1020 - 7º andar 05406-050 - São Paulo - SP www.procknor.com Tel.: (55-11) 3898-1511 Fax: (55-11) 3062-9369 celso.procknor@procknor.com.br Energia na Indústria Canavieira 1. O que é a PROCKNOR ENGENHARIA 2. O que é cogeração 3. Uso de energia na indústria canavieira 4. Cogeração na indústria canavieira 5. Fases de um projeto de cogeração 6. Sistemas típicos de cogeração na indústria canavieira 7. Equipamentos típicos na indústria canavieira 8. Potencial de cogeração na indústria canavieira 9. Evolução da cogeração na indústria canavieira 10. Visão energética da cana de açúcar Roteiro de Apresentação A Procknor é uma empresa voltada para a elaboração e a implantação de projetos industriais e o desenvolvimento de equipamentos e de processos em plantas para a produção de açúcar, álcool e subprodutos da cana de açúcar. O que é a Procknor Engenharia A Procknor tem como objetivo permanente ser reconhecida como a melhor empresa de prestação de serviços de consultoria e de engenharia para as plantas industriais que processam cana de açúcar. Para isso, ela assume como seus compromissos a busca de inovações tecnológicas próprias ou com parceiros estratégicos e a formação ética e a capacitação técnica de seus colaboradores. Objetivo 1. Capacitação específica. 2. Preocupação no desenvolvimento de processos equipamentos que visam a segurança dos operadores e a preservação do meio ambiente. 3. Sólida formação e experiência de seus profissionais. 4. Parceria consolidada com diversas empresas. 5. Experiência em projetos nos diferentes níveis de processamento de cana de açúcar. Diferenciais Procknor Sistemas para medição da cor do açúcar em tempo real. Circuladores mecânicos para tachos a vácuo, sistemas de agitação e sistemas de condicionamento de ar para otimização de secadores/resfriadores de açúcar. Plantas para desidratação de álcool via peneiras moleculares e para produção de álcool neutro. Plantas completas de açúcar refinado e líquido, sistemas de separação e de purificação, produção de frutose, glucose, sorbitol e produtos similares. Nossos Parceiros Waterloo Brasil é uma empresa com know-how tecnológico diferenciado que presta consultoria ambiental. Áreas de Atuação: Gerenciamento e Auditorias Ambientais, Diagnósticos e Remediação de Áreas Contaminadas, Avaliação de Riscos, Gerenciamento de Recursos Hídricos, Licenciamento, Controle Ambiental, Modelagem matemática e SIG. Difusores para cana, sistemas de preparação de cana e sondas tipo microondas. Tachos contínuos a vácuo, centrífugas contínuas para massas cozidas de alta pureza, secadores multitubulares, cristalizadores verticais, evaporadores de filme descendente, aquecedores para massa cozida etc. Nossos Parceiros Desde 1998 existe uma parceria entre Procknor e o Projeto Âncora, uma entidade sem fins lucrativos, fundada em 1995 e localizada na Granja Viana, em Cotia - SP, cujo objetivo é tirar das ruas as crianças carentes da região. Parceira Social Lista de Projetos O que é Cogeração? Cogeração - Definição “ Produção simultânea de energia elétrica ou mecânica e energia térmica (utilizável) num sistema de conversão simples de energia” ou “ Produção combinada de potência – elétrica e/ou mecânica – e calor úteis a partir de uma única fonte primária” (entre outras *) * NÃO HÁ UMA DEFINIÇÃO TÉCNICA OFICIAL Cogeração x Produção Convencional Unidade de Processo Concessionária de Eletricidade Caldeira ou “chiller” E S FP1 FP2 Unidade de Processo Central de Cogeração E’ S’ FP S E FP = Fonte Primária E = Energia Eletromecânica Consumida E’ = Energia Eletromecânica Gerada S = Energia Térmica Consumida S’ = Energia Térmica Gerada E + S FP Cogeração > E + S FP1 + FP2 Convencional O que é Cogeração? • Cogeração é uma prática de conservação de energia e de racionalidade energética • Baseia-se no princípio de aproveitamento do calor rejeitado em máquinas térmicas • Exemplo: bA eficiência máxima (hoje) de uma máquina térmica (p.ex. motor a combustão) é de 57%; bAssim, no mínimo 43% da energia contida na fonte primária (combustível) é descartada sob a forma de calor. bA cogeração propicia o aproveitamento do calor rejeitado, elevando a eficiência total para valores de até 93%. Cogeração - Princípio • Ciclos Térmicos de Conversão de Energia • Ciclos “Padrão Ar”: b Carnot (Teórico) b Otto (Motor de Combustão Interna de Ignição por Centelha) b Diesel (Motor de Ignição por Compressão) b Stirling e Ericsson (Motores com Regeneração) b Brayton (Turbinas a Gás) • Ciclo “Padrão Vapor”: Rankine • Ciclos Combinados Cogeração e Ciclos Térmicos • Ciclos “Padrão Ar” a Utilizados em motores e centrais termelétricas a gás natural ou óleo Na Cogeração: 1. Conversão da energia termoquímica em eletromecânica bGeradores de Energia Eletromecânica: Turbinas ou Motores a Combustão bFonte Primária: Normalmente combustíveis gasosos ou líquidos (gás natural, gasolina, diesel, álcool) 2. Recuperação do calor “rejeitado” na máquina térmica bDiretamente em processos: p.ex. Secagem bGeradores de Energia Térmica: Caldeiras de Vapor de Recuperação de Calor (HRSG); Chillers de Absorção (Geração de “frio”) 3. A energia eletromecânica produzida (eletricidade) e a energia térmica recuperada (vapor, gases quentes, água gelada, água quente) são utilizadas nos processos • Ciclo a Vapor ou Rankine a O primeiro a ser utilizado (máquinas a vapor e centrais termelétricas a carvão) Na Cogeração: 1. Geração de vapor de alta pressão bGeradores de Energia Térmica: Caldeiras de Alta Pressão bFontes: Combustíveis (gás, líquido ou sólido) ou Gases quentes residuais de processo 2. Utilização do vapor como energia térmica para o processo e para geração de energia eletromecânica (expansão - rebaixamento de pressão) bGeradores de Energia Eletromecânica: Turbinas de geração de eletricidade, Turbinas de acionamentos mecânicos bConfiguração “Topping” – o vapor é expandido a montante (mais utilizado) bConfiguração “Bottoming” – o vapor é expandido a jusante 3. A energia térmica (vapor) e a energia eletromecânica (eletricidade - acionamentos) produzidas são utilizadas no processo Cogeração e Ciclos Térmicos • Ciclo Combinado a Utilizado em modernas centrais termelétricas a gás natural Na Cogeração (Tipicamente Ciclo Brayton + Ciclo a Vapor) 1. Geração de Energia Eletromecânica: Turbina a Gás bCombustível Típico: Gás Natural 2. Geração de vapor a alta pressão com o calor rejeitado da turbina (gases quentes): Caldeiras de Vapor de Recuperação de Calor (HRSG) 3. Geração de Energia Eletromecânica: Turbina a Vapor 4. A energia térmica (vapor) e a energia eletromecânica (eletricidade acionamentos) produzidas são utilizadas no processo Cogeração e Ciclos Térmicos ciclo Rankine ciclo Brayton ciclo Combinado ar água TG CR TV gases ar TG água LEGENDA TG - turbina a gás TV - turbina a vapor CA - caldeira convencional CR - caldeira de recuperação vapor eletricidade CA TV CA ciclo Rankine (bottoming) (topping) TV água MC MC - motor de combustão UP - unidade de processo UP UP UP UP ciclo Diesel ar UP água quente água Cogeração E Ciclos Térmicos Cogeração Escolha da Configuração Central de Cogeração E’ S’ FP E´ ... potência elétrica gerada, [kW] S´ ... potência térmica gerada, [kW] Ciclo a Vapor Ciclo a Gás Ciclo Combinado Ciclo Diesel 0,10 a 0,30 - Contrapressão 0,30 a 0,80 0,60 a 1,50 0,80 a 2,40 0,40 a 1,5 - Condensação Faixas médias de razão potência / calor em ciclos térmicos - regime "topping" (E'/S') Cogeração Regimes de Operação PARIDADE TÉRMICA: b Operação seguindo a demanda térmica; eletricidadeproduzida de acordo com as características do sistema (excesso ou falta) b Exemplo: indústrias com grande demanda térmica / setor canavieiro PARIDADE ELÉTRICA (ou de POTÊNCIA): OPERAÇÃO NA BASE b Operação seguindo a demanda elétrica (ou mecânica); calor obtido como um subproduto de acordo com as características do sistema (excesso ou falta supridos por outro sistema) b Exemplo: turboacionamentos do setor canavieiro b Operação em regime contínuo; em geral atende a necessidade de queima de resíduos ou subprodutos de processo (não atende a nenhuma demanda); excesso descartado ou ausência suprida por outros meios b Exemplo: setor siderúrgico; setor de papel e celulose (Kraft) OPERAÇÃO A PLENA CARGA b O sistema produz a quantidade máxima possível de eletricidade; calor excedente é desperdiçado b Exemplo: setor siderúrgico; usinas termelétricas OPERAÇÃO NA PONTA b Operação restrita aos horários de ponta, quando o preço da eletricidade é elevado. b Exemplo: edifícios comerciais ou pequenas indústrias atendidas em média tensão (A4 ou superior) O REGIME DE OPERAÇÃO NÃO PRECISA SER ÚNICO Cogeração Regimes de Operação Energia na Indústria Canavieira Uso Típico 2. ENERGIA TÉRMICA (Aquecimento, Evaporação, Cozimento, Destilação, Resfriamento) 1. ENERGIA ELETROMECÂNICA (Acionamentos, Motores, Transporte, Iluminação) Energia na Indústria Canavieira Fontes de Suprimento para o Processo 2. ENERGIA TÉRMICA Vapor Saturado: Evaporação / Cozimento / Destilação 1. ENERGIA ELETROMECÂNICA Vapor Motriz:Moendas / Turbo Bombas Eletricidade: Motores / Iluminação Energia na Indústria Canavieira Geração de Energia 1. GERAÇÃO: a Vapor (Motriz e Saturado): Caldeiras de Alta Pressão a Eletricidade: Auto-Produção c/ Turbinas a Vapor 2. COMBUSTÍVEL: a Bagaço de cana Bagaço de Cana Demanda x Disponibilidade O BAGAÇO PODE SUPRIR PLENAMENTE AS NECESSIDADES ENERGÉTICAS DA USINA Açúcar (MJ) - 100% Álcool (MJ) - 100% 1.176 1.673 Base: 1 ton de cana processada (produtividade média) Energia Total: Eletromecânica + Térmica Açúcar (MJ / kg) Álcool (MJ / litro) 13,065 18,59 Fonte: Camargo et al (1990) Oferta de Bagaço @ 50% de umidade (MJ) 2600 Consumo Específico de Energia Demanda Energética da Produção Energia na Indústria Canavieira Diagrama Típico Picadores, Desfibradores, Moendas Fabricação de Açúcar Fabricação de Álcool Vapor Motriz ou Vapor Vivo (Alta Pressão e Temperatura) Vapor de Escape (Baixa Pressão) Eletricidade Bagaço Excedente Bagaço da Extração Turbo Bomba Turbo Acionamento Turbo Gerador CALDEIRAS “CASA DE FORÇA” Condensados Recuperáveis Água de “Make-up” Vapor Vegetal Energia na Indústria Canavieira Característica Geral CONSUMO: b TÉRMICO (Vapor) b ELETROMECÂNICO (Acionamentos/Eletricidade) COMBUSTÍVEL: ÚNICO Gerado localmente (inerente ao processo) Suficiente para atender às demandas (c/ excedentes) Biomassa sólida c/ 50% de umidade GERAÇÃO LOCAL: b TÉRMICA (Caldeiras de Vapor à Biomassa) b ELETROMECÂNICA (Turbinas a Vapor) Geração de Energia numa Usina: COGERAÇÃO Cogeração Configuração na Indústria Canavieira Cogeração Configuração Típica na Usina Demanda Energética Típica de uma Usina Sucroalcooleira E = Energia Elétrica: 28 kWh / ton de cana S = Energia Térmica: 330 kWh / ton de cana E / S = 0,085 Combustível: Biomassa sólida Demanda de Vapor (Térmico) no Processo: Baixa pressão Configuração da Cogeração: CICLO A VAPOR DE CONTRAPRESSÃO ( REGIME “TOPPING” ) Cogeração Ciclo Térmico Tradicional na Usina Temperatura entropia gás vapor ar vapor gás PROCESSO Eletricidade T s 1 2 3 4s 4 3 4 4 1 1 2 2 3 Acionamentos Diagrama T-S Projeto de Cogeração na Indústria Canavieira Cinco Fases de um Projeto de Cogeração FASE 1 EXCITAÇÃO, ENTUSIASMO, EUFORIA ANTEPROJETO FASE 2 A VOLTA À REALIDADE, UMA CERTA DECEPÇÃO PROJETO BÁSICO FASE 3 A PROCURA DOS CULPADOS PROJETO DE DETALHAMENTO FASE 4 A PUNIÇÃO DOS INOCENTES IMPLANTAÇÃO FASE 5 A PREMIAÇÃO DOS QUE NÃO PARTICIPARAM POSTA EM MARCHA 1. ESTUDO E DEFINIÇÃO DAS PREMISSAS BÁSICAS 2. CUIDADOS ESPECÍFICOS NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO Contigências de um Projeto de Cogeração 1.1. REGIME DE OPERAÇÃO 1.2. COMBUSTÍVEL 1.4. TECNOLOGIA 1.3. ASPECTOS LEGAIS E REGULAMENTARES 1. Estudo e Definição das Premissas Básicas b 1° Passo: Avaliação da Demanda Energética da Usina b Balanço de Energia da Usina - Processo (Vapor e Eletromecânica) b Processos Contínuos (safra): moendas / açúcar / destilaria b Processos Independentes: desidratação / açúcar líquido b Operação da Usina b Apenas na safra; ou b Também na entressafra: destilaria / outras unidades de processo b Energia Elétrica: b Auto-Produção; ou b Venda de Excedentes b Operação em Emergência: Quebra do Turbogerador b Paralelismo com Concessionária de Eletricidade 1.1 Regime de Operação b Plano Diretor: b Expansões futuras b Expansão de usina existente: alterações no regime de operação b Combustível: b Disponibilidade e Grau de Aproveitamento do Bagaço b Falta: b Paradas de moenda b Falta de cana b Combustível reserva 1.1 Regime de Operação b é melhor queimar o bagaço assim que é produzido Características do bagaço de cana: b baixa densidade b baixo poder calorífico Portanto: b é melhor evitar estocar o bagaço, apenas o necessário b é melhor evitar transportar o bagaço b o ideal é cogerar apenas durante a safra b investir em novas variedades para ter safras com 240 dias A médio e longo prazos: 1.2 Combustível - Bagaço de Cana Estoque de segurança: b provisão de 5 a 10% para paradas da usina b contingente total de bagaço para definir capacidade da caldeira b avaliação de períodos com fibra muito baixa Variações do poder calorífico do bagaço: b condição da cana (crua, queimada, picada, etc) b pontas e palha b moenda ou difusor Estudar fontes alternativas de combustível: b bagaço de terceiros b outras fontes de biomassa b óleo combustível, gás 1.2 Combustível - Bagaço de Cana b RIMA b Licença de instalação b Licença de funcionamento Meio Ambiente: b Requisitos Ambientais Energia e Outros Órgãos: b Cogeração Qualificada b “Créditos de Carbono” b Exigências BNDES / PROINFA / Fundos de Investimento / Leilões b Autorizações ANEEL / Ministério das Minas e Energia / CCEE b Exigências Técnicas de Interligação com a Rede Elétrica 1.3 Aspectos Legais e Regulamentares TURBINAS A VAPOR b Usos: Acionamentos Mecânicos e Geração de Eletricidade b Tipos: Contra-pressão / Condensação / com ou sem Extração b Simples Estágio / Multi-estágio b Ação / Reação CALDEIRA DE BIOMASSA b Pressão: 22 / 45 / 66 / 85 ou 100 bar b Temperatura: Entre 280 – 540 °C MAIOR EFICIÊNCIA TÉRMICA / ELÉTRICA MAIOR O PREÇO 1.4 Tecnologia Equipamentos Principais b Qual o regime de operação? b Para Geração de Eletricidade: b Paridade Térmica: Turbinas de Contra-Pressão b Operação a Plena Carga / Geração de Excedentes: Turbinas de Condensação com ou sem Extração b Qual a demanda de vapor da usina? Quais níveis de pressão? b Para os Acionamentos Mecânicos: Turbinas de Contra-pressão ou Motores Elétricos? b lembrar da temperatura de condensação e conseqüente consumo de vapor b lembrar da energia parasita (bombas, torres de resfriamento, transportadores, etc) Turbinas de Condensação b Qual a Eficiência? Simples ou Múltiplos Estágios? Ação ou Reação? 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor 2.1. SISTEMA DE MANUSEIO DE BAGAÇO 2.2. SISTEMA DE CONTROLE DE VAPOR VIVO E DE ESCAPE 2.3. SISTEMA DE CONDENSADO E DE ÁGUA TRATADA 2.4. SISTEMA DE VAPOR DE PROCESSO 2.5. SISTEMA ELÉTRICO DE ALTA TENSÃO 2.6. APROVAÇÃO EM ÓRGÃO DE CONTROLE DO MEIO AMBIENTE 2. Cuidados Específicos no Desenvolvimento do Projeto b Prioridade na alimentação das caldeiras de alta pressão b Vazão de bagaço em curto circuito b Dosador de bagaço b Retorno ágil do estoque de bagaço b Prioridade na alimentação das caldeiras de alta pressão 2.1Sistema de Manuseio de Bagaço b Sistema de válvulas de alívio b Sistema de válvulas redutoras b Sistema de dessuperaquecimento de vapor b Sistema de extração controlada de vapor de turbinas 2.2 Sistema de Controle de Vapor Vivo e de Escape b Máxima recuperação de condensado de escape b Eventual utilização de condensado vegetal de qualidade b Sistema de desmineralização e estoque de segurança b Fábrica de água b Cuidados nas partidas e paradas de evaporadores 2.3 Sistema de Condensado e de Água Tratada b Redução da embebição sem perda de extração b Redução da outra embebição (água no processo) b Condensação integral do vapor de escape nos pré evaporadores b Utilização eficiente de sistemas de sangria b Aproveitamento de flash e de condensados b Economia na destilação b Isolamento térmico 2.4 Sistema de Vapor de Processo b Cuidados com o sistema de proteção b Utilização de motores de média tensão b Utilização de motores hidráulicos 2.5 Sistema Elétrico de Alta Tensão Projetos de Cogeração Típicos na Indústria Canavieira Projeto Tradicional Processo Vapor @ 2,5 bar; saturado Eletricidade Bagaço Excedente Bagaço da Extração Turbo AcionamentosTurbo Gerador CALDEIRAS Condensados RecuperáveisÁgua de “Make-up” CVCT - Ciclo a Vapor de Contrapressão Tradicional Vapor @ 21 bar ; 280°C Processo Eletricidade Bagaço Excedente Bagaço da Extração Turbo AcionamentosTurbo Gerador CALDEIRAS Condensados RecuperáveisÁgua de “Make-up” CVCE - Ciclo a Vapor de Contrapressão Eficientizado para Geração de Energia Elétrica ExcedenteEletricidade Turbo Gerador Vapor @ 85 bar ; 525°C Vapor @ 2,5 bar; saturado Vapor @ 21 bar ; 280°C Projeto Tradicional Modificado p/ Geração de Excedentes ProcessoBagaço da Extração Turbo Acionamentos CALDEIRAS Condensados RecuperáveisÁgua de “Make-up” CVEC - Ciclo a Vapor Extração - Condensação Modificado para Geração/Venda de Energia Elétrica Excedente Eletricidade Turbo Gerador Vapor @ 85 bar ; 525°C Vapor @ 2,5 bar; saturado Vapor @ 21 bar ; 280°C Condensador Projeto Tradicional Modificado p/ Geração Máxima de Excedentes Projeto Direcionado para Geração Máxima de Excedentes ProcessoBagaço da Extração CALDEIRAS Condensados RecuperáveisÁgua de “Make-up” CVECE - Ciclo a Vapor Extração - Condensação Modificado para Geração/Venda Máxima de Energia Elétrica Excedente Eletricidade Turbo Gerador Vapor @ 85 bar ; 525°C Vapor @ 2,5 bar; saturado Vapor de média pressão; saturado Condensador Comparação entre Projetos de Cogeração Típicos na Indústria Canavieira CVCT CVCE CVEC CVECE Ciclo Térmico da Cogeração Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Configuração da Cogeração Contrapressão Contrapressão Extração-Cond. Extração-Cond. Tecnologia e Processo Baixa Alta Baixa Alta Temperatura °C 280 - 350 525 525 515 Pressão bar 17,6 - 24,5 85 85 87 Produção de Vapor kg vapor / t cana 540 - 680 450 575 840 Consumo de Vapor kg vapor / t cana 540 - 680 450 320 320 Eficiência da Caldeira base PCS 55% 67% 67% 85% Geração Eletricidade/Cogeração kWh / t cana 5 - 12 40 55 95 Geração Eletricidade/Pura kWh / t cana 0 0 70 150 Consumo de Eletricidade kWh / t cana 10 - 12,5 12,5 18 32 Eletricidade Excedente - Instantânea kWh / t cana max 2,5 27,5 107 213 Eficiência das Turbinas a Vapor 34% 50% 50% 75% Eficiência Termelétrica Cogerada 1,5 - 4,5% 7% 7,5% 12,5% Eficiência Termelétrica Geração Pura - - 9,5% 20,0% Excedente de Bagaço 0 - 12% 22% 0 0 Escala da Planta Típica MW até 25 até 50 até 50 até 100 Relação Potência / Calor 0,08 0,21 0,44 0,44 Comparação entre Projetos de Cogeração Típicos na Indústria Canavieira CVCT CVCE CVEC CVECE Ciclo Térmico da Cogeração Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Configuração da Cogeração Contrapressão Contrapressão Extração-Cond. Extração-Cond. Equipamentos Gaseificador Sistema de Limpeza de Gases Turbina a Gás Caldeira de Recuperação - HRSG Caldeira - Média Pressão X Caldeira - Alta Pressão X X XX Turbina ContraPressão X Turbina Extração/ContraPressão X Turbina Extração/Condensação X XX Condensador X X Sistema Resfriamento X X Tratamento de Água X X XX XX Subestação X X XX XXX Redução de Consumo Processo X X Custo da Instalação US$ / kW - 500 600 1200 Custo Fixo Anual US$ / kW - 10 20 50 Custo Variável US$ / kWh - 0,0005 1,5 3,0 Compilado de "Correa Neto, Vicente et al. (2002) - "ANÁLISES DE OPÇÕES TECNOLÓGICAS PARA PROJETOS DE CO-GERAÇÃO NO SETOR SUCRO-ALCOOLEIRO" - USAID/BRAZIL e "Leal, M.R L.V. - PROCESSOS DE COGERAÇÃO - Equipamentos, Custos e Potenciais" - CTC 2003 Diagrama de Mollier Condição do vapor Salto isoentrópico para 2,5 bar Variação % 21 bar / 300 ºC 406 kJ/kg 100% 31 bar / 350 ºC 492 kJ/kg 121% 42 bar / 400 ºC 582 kJ/kg 143% 64 bar / 450 ºC 690 kJ/kg 170% 85 bar / 500 ºC 780 kJ/kg 192% Como kJ/s = kW 690 / 3600 = 0,192 kw/kg ou 5,2 kg/kW.h com eficiência 100% 6,5 kg/kW.hCom turbina 80% Condição do vapor Salto entálpico com água a 105 C Variação % 21 bar / 300 ºC 2.610 kJ/kg 100,0% 31 bar / 350 ºC 2.690 kJ/kg 103,1% 42 bar / 400 ºC 2.780 kJ/kg 106,5% 64 bar / 450 ºC 2.870 kJ/kg 109,9% 85 bar / 500 ºC 2.960 kJ/kg 113,4% 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor Turbina de Condensação Turbina de Contrapressão Turbina de Condensação / Extração 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor Turbina de Contrapressão Turbina de Condensação / Extração 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor Turbina Simples Estágio Turbina Múltiplo Estágio Turbinas de Ação Vapor Palheta Turbinas de Reação Vapor Palheta 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor – Central de Geração Térmica 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor - Turbogeradores 1.4 Tecnologia Turbina a Vapor - Acionamentos b Qual o regime de operação? b Qual a demanda (mínima e máxima) de vapor da usina? b Qual a pressão / temperatura ? b Qual a tecnologia da caldeira ? b Qual a eficiência da caldeira ? b Qual o combustível de partida ? b Haverá outro combustível / reserva / complementar ? b Qual o sistema de controle de emissão de particulados ? 1.4 Tecnologia Caldeira 1.4 Tecnologia Caldeira 1.4 Tecnologia Caldeira 1.4 Tecnologia Caldeira Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira b Ao projetar a usina pensamos em: b Sacos de açúcar / tonelada de cana b m³ de álcool / tonelada de cana b Atualmente também devemos pensar em: b kWh/ tonelada de cana b Hoje, dependendo do grau tecnológico, o potencial varia entre 60 e 80 kWh / tonelada de cana b Esta faixa é bastante ampla – 30% - e pode fazer muita diferença 0. CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aEstimar a disponibilidade do combustível: o Bagaço de Cana bTeor de Fibra: 12 – 13,5% aQuantidade de palha vinda da lavoura aTeor de Umidade: 50% a25 a 28% em relação a cana a5% do bagaço “não existe”, o que baixa a disponibilidade: 23,7 a 26,6% 1. PRIMEIRO PASSO: COMBUSTÍVEL Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira a2,2 kg de vapor por kg de bagaço a67 bar / 520°C abagaço @ 50% de umidade aAlimentação @ 115°C aDependendo da quantidade de bagaço temos entre 52,1 e 58,5% de vapor sobre a cana 2. CALDEIRA aO teor de fibra pode influir em 12,3% ou mais estes valores Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aVem se reduzindo: aPassado: 55% sobre a cana aHoje: 40% aTendência a baixar mais, especialmente na produção de álcool 3. CONSUMO DE VAPOR DE PROCESSO aDepende da complexidade dos processos: aaçúcar líquido; açúcar refinado aálcool anidro; álcool neutro alevedura seca aAssumindo: a400 kg / ton cana (40%) passando pelas turbinas de contrapressão a150 kg / ton cana (55 – 40%) em turbinas de condensação Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aConsumo específico das turbinas depende das condições do vapor e da eficiência dasturbinas 4. TURBINAS A VAPOR aTurbinas de reação (+ modernas) estão predominando sobre as turbinas de ação aAssumindo o vapor a 66 bar e 515°C: aTurbina de contrapressão: 5,7 kg de vapor / kWh aTurbina de condensação: 4,0 kg de vapor / kWh Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aNeste caso, podemos chegar a uma geração de até 107,7 kWh / tonelada de cana 5. GERAÇÃO DE ELETRICIDADE aDescontando o consumo médio de eletricidade do processo (32,7 kWh) podemos gerar 75 kWh / ton de cana de eletricidade excedente aSe aumentarmos a pressão para 100 bar, podemos chegar até 80 kWh / ton de cana ESTES VALORES SÃO GROSSEIROS – CADA CASO É UM CASO O BALANÇO DE ENERGIA DO PROCESSO É ESSENCIAL Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aDifusor pode dar a falsa impressão que podemos gerar 5 kWh / ton cana adicional aGera bagaço com mais umidade 5. GERAÇÃO DE ELETRICIDADE - CONSIDERAÇÕES aNo exemplo o consumo da planta varia entre 27,8 e 32,5% da energia gerada aAssim, uma planta eficiente, do ponto de vista energético, pode aumentar o faturamento em até 4,5% Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aUma usina pode consumir 45% ou 35% de vapor sobre a cana, vendendo 71,2 ou 78,7 kWh / ton de cana 5. GERAÇÃO DE ELETRICIDADE - CONSIDERAÇÕES aSe diminuir de 45% para 40% - aumenta a venda em 5,3% aSe diminuir de 40% para 35% - aumenta a venda em 4,9% aQuanto custa cada “salto” deste ? aO segundo “salto” é certamente bem mais caro É PRECISO VERIFICAR CUIDADOSAMENTE A RELAÇÃO CUSTO/BENEFÍCIO DOS INVESTIMENTOS Cogeração – Caso Típico Potencial na Indústria Canavieira aLembrete: optar pela CONDENSAÇÃO é “jogar calor fora” 5. GERAÇÃO DE ELETRICIDADE - CONSIDERAÇÕES aA tecnologia pode ajudar a “queimar” de forma mais eficiente o bagaço excedente: aNa geração de eletricidade: gaseificação aGerando outros produtos a partir do bagaço: álcool PARA FINALIZAR O CASO: Uma safra de 2.500.000 toneladas de cana com 75 kWh / ton de geração de eletricidade pode gerar uma receita aproximada de R$ 26.000.000,00, se contarmos com os preços de venda do último leilão de energia aA Condensação piora a eficiência da Cogeração Cogeração Evolução na Indústria Canavieira Histórico da Cogeração Uma Visão Produtiva Início do Séc. XXI: SUCRO-ALCOOLEIRA “ENERGÉTICA” Até meados dos anos 70: AÇUCAREIRA Do início do PROALCOOL até 2000: SUCRO-ALCOOLEIRA Cana-de-Açúcar Composição – Base Seca Açúcares ~ 150 kg Bagaço ~ 140 kg Palha * ~ 140 kg 1 ton (no campo) * Palha (pontas, folhas e palha) Histórico - Fase “Açucareira” • Objetivo: bProdução de Açúcar • Conjuntura e Insumo Energético: bEletricidade e petróleo a custo baixo bBagaço em excesso / Custo “Zero” de energia para usina bSobra de bagaço – vendido / disponibilizado a “preço de custo” bPalha queimada no campo • Impactos na central de cogeração e no processo: bPreocupação em “incinerar” o bagaço bCaldeiras de baixa eficiência e baixa pressão bUnidades de cogeração com baixa eficiência na utilização do combustível (muitas vezes com compra de eletricidade) bUso intensivo de turbo-acionamentos de baixa eficiência bPouquíssima preocupação com eficiência energética na geração e no uso Histórico - Fase “Açucareira” UsinaMatéria-prima 1 ton de cana Palha ~ 140 kg Açúcares ~ 150 kg Bagaço ~ 140 kg Produto Açúcar ~ 90 kg Sub-produtos Mel Final ~ 60 kg Bagaço Excedente ~ 0 - 40 kg Palha (Queimada no campo) Bagaço ~ 100 - 140 kg Energia (baixíssima eficiência) Histórico - Fase “Açucareira” Histórico Fase “Sucro-Alcooleira – Anos 70” • Objetivo: bProdução de Açúcar e Álcool • Conjuntura e insumo energético: bPetróleo a custo alto / “Boom” do álcool – PROÁLCOOL bEletricidade a custo baixo bBagaço ainda em excesso / Custo “Zero” de energia para a usina bAinda sobra de bagaço – vendido ao “preço de oportunidade” como substituto dos derivados de petróleo bPalha queimada no campo • Impactos na central de cogeração e no processo: bUnidades de cogeração dimensionadas na “paridade térmica”, ainda com baixa eficiência (algumas inclusive com necessidade de compra de eletricidade) bCaldeiras de média eficiência bBaixa pressão de vapor vivo (turbo-acionamentos de baixa eficiência) bPouca preocupação com eficiência energética na geração e ainda pouquíssima no uso Histórico Fase “Sucro-Alcooleira – Anos 70” UsinaMatéria-prima 1 ton de cana Palha ~ 140 kg Açúcares ~ 150 kg Bagaço ~ 140 kg Produtos Açúcar ~ 90 kg, ou Álcool (ENERGIA) ~ 65 L, ou mix (açúcar e álcool) Sub-produtos Bagaço Excedente * (ENERGIA) ~ 0 - 10 kg Vinhaça ~ 12 L / L álcool Palha (Queimada no campo) Bagaço ~ 130 - 140 kg Energia (baixa eficiência) * Utilizado como insumo energético em outras indústrias especialmente a partir da crise do petróleo Histórico Fase “Sucro-Alcooleira – Anos 70” • Objetivo: bProdução de Açúcar e Álcool • Conjuntura e insumo energético: bEletricidade mais cara / desregulamentação do setor elétrico - oportunidade de geração e venda de energia elétrica bMaior oferta de petróleo - declínio do PROÁLCOOL (início dos anos 90) bPreocupação ambiental – oportunidade de uso da biomassa (palha e bagaço) como matéria-prima – energia / álcool / plásticos. bBagaço ainda em excesso / Custo “Zero” de energia para a usina bPalha queimada no campo – pressão ambiental – início da mecanização Histórico Fase “Sucro-Alcooleira – Anos 90” • Impactos na central de cogeração e no processo: bUnidades de cogeração dimensionadas de modo um pouco mais eficiente e para geração de excedentes de energia elétrica bCaldeiras de melhor eficiência – com algum controle de emissões atmosféricas bTurbo-acionamentos mais eficientes / substituição por motores bPreocupação com eficiência energética na geração e no uso b Início do desenvolvimento de sistemas de gaseificação para palha / bagaço Histórico Fase “Sucro-Alcooleira – Anos 90” UsinaMatéria-prima 1 ton de cana Palha ~ 140 kg Açúcares ~ 150 kg Bagaço ~ 140 kg Palha (parcialmente queimada no campo) Bagaço (variável) Energia (média eficiência) Produtos Açúcar ~ 100 kg, ou Álcool (ENERGIA) ~ 85 L, ou mix (açúcar e álcool) Sub-produtos Bagaço e Palha Excedente (ENERGIA) - variável Vinhaça ~ 12 - 0,8 L / L álcool Eletricidade (ENERGIA) - variável Histórico Fase “Sucro-Alcooleira – Anos 90” Presente “Sucro-Alcooleira Energética” • Objetivo: bProdução de Açúcar, Energéticos (Álcool, Eletricidade) e outros • Conjuntura e Insumo Energético: bAbertura de mercados externos (açúcar e álcool) / Competitividade bEletricidade a alto custo / risco de oferta bQuestão ambiental bAlta demanda por produtos energéticos “verdes” b“Créditos de Carbono” / Emissão de gases do efeito estufa bImpactos ambientais pelo crescimento das lavouras bRápido desenvolvimento das tecnologias: conversão de biomassa em álcool – gaseificação – eficiência energética no processo bBagaço e Palha: passam a ser matéria-prima também. • Impactos na central de cogeração e no processo: bUnidades de cogeração cada vez mais eficientes (fazem parte do processo produtivo) com geração de excedentes bCaldeiras de maior eficiência b “Motorização” dos acionamentos bPossibilidade de integração com outras unidades produtivas (p.ex. planta de biodiesel) bGrande preocupação com eficiência energética na geração e no uso da energia (transformação de energia) b Integração da usina com o sistema elétrico interligado / demanda por tecnologias de monitoramento e controle bViabilização de sistemas de gaseificação para palha / bagaço – mudança de paradigma – migração para o ciclo térmico combinado Presente “Sucro-Alcooleira Energética” Usina Sucroalcooleira “Energética” Matéria-prima 1 ton de cana Palha ~ 140 kg Açúcares ~ 150 kg Bagaço ~ 140 kg Bagaço (variável) Energia (alta eficiência) Produtos Açúcar Álcool (ENERGIA) Eletricidade (ENERGIA)Biogás (ENERGIA) Outros......... Presente “Sucro-Alcooleira Energética” Indústria Canavieira - Produtos Usina Sucroalcooleira “Energética” Cana-de-Açúcar Bagaço Energia Caldo - Açúcar - Álcool Bagaço - Combustível Eletricidade Calor/Frio - Papel e Celulose - Ração Animal - Etanol / Furfural Vinhaça - Biodigestão Fertilizantes Biogás - Fertilizante - Ingrediente Proteico Palha - Combustível Eletricidade Calor/Frio Usina Sucroalcooleira “Energética” Cana-de-Açúcar Bagaço Energia Caldo - Açúcar - Álcool Bagaço - Combustível Eletricidade Calor/Frio - Papel e Celulose - Ração Animal - Etanol / Furfural Vinhaça - Biodigestão Fertilizantes Biogás - Fertilizante - Ingrediente Proteico Palha - Combustível Eletricidade Calor/Frio ENERGIA Indústria Canavieira - Produtos Cana-de-Açúcar Visão Energética 1 ton Composição Energética Açúcares ~ 2300 MJ Bagaço * ~ 2600 MJ Palha * ~ 2600 MJ * Base 50% de umidade 1 ton de cana de açúcar ~ 1 barril de petróleo Futuro da Cogeração na Indústria Canavieira Futuro da Cogeração na Indústria Canavieira • Demanda crescente na geração de eletricidade • Eletrificação dos acionamentos • Colheita da cana sem queima • Recolhimento da palha • Geração e uso do biogás • Disponibilidade do gás natural • Outros produtos Futuro da Cogeração na Indústria Canavieira • Aproveitamento Energético da Biomassa Futuro da Cogeração na Indústria Canavieira ROTA ATUAL Futuro da Cogeração na Indústria Canavieira ROTA EMERGENTE O que é Gaseificação? O que é Gaseificação? bEsta conversão é realizada em gaseificadores adequados às características da biomassa utilizada. bGaseificação da biomassa é o processo de sua conversão em um gás energético através da oxidação parcial a temperaturas elevadas (900 – 1300°C) O que é Gaseificação? • A operação de gaseificação pode ser decomposta em três etapas: b preparação do combustível, b gaseificação b limpeza dos gases. • A gaseificação propriamente dita, no gaseificador, é precedida pela secagem e pela pirólise do combustível sólido. • É necessário calor para a gaseificação O que é Gaseificação? • É gerado um gás energético composto de: bMonóxido de Carbono (CO) bHidrogênio (H2) bMetano (C H4) bImpurezas ou Contaminantes • O gás produzido, também conhecido como “gás pobre”, contém entre 10 e 30% do poder calorífico do gás natural O que é Gaseificação? • Tipos de Gaseificadores bPressão Atmosférica ou Pressurizados bLeito Fixo ou Pressurizado bAgente Gaseificador: bAr bOxigênio bVapor bAquecimento Direto ou Indireto • Os gaseificadores mais adequados para bagaço e palha são os de leito fluidizado Por que a Gaseificação? • Demanda crescente na geração de eletricidade • Restrição na eficiência da geração termelétrica dos ciclos a vapor - Máx. 35% • Ciclo Combinado – Eficiência de até 58% bPorém não é possível com biomassa sólida • Aproveitamento total da biomassa (bagaço + palha) • A gaseificação proporciona o aproveitamento de combustíveis sólidos de baixo custo em ciclos termelétricos de alta eficiência A Gaseificação na Indústria Canavieira – BIG/GT CC Processo Bagaço + Palha Condensados RecuperáveisÁgua de “Make-up” Vapor @ 85 bar ; 525°C Vapor @ 2,5 bar; saturado Vapor de média pressão; saturado CONDENSADOR GASEIFICADOR + SISTEMA DE LIMPEZA DE GASES TURBINA A GÁS ELETRICIDADE AR GAS COMBUSTÍVEL GASES QUENTES TURBINA A VAPOR CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO ELETRICIDADE A Gaseificação na Indústria Canavieira • Cogeração a Ciclo Combinado com sistemas integrados: bGaseificador + Turbina a Gás - BIG/GT bCaldeira de Recuperação de Alta Pressão bTurbinas a Vapor • Podem dobrar a relação potência elétrica / potência térmica, em relação aos sistemas hoje Algumas siglas: bBIG/GT: Biomass Integrated Gasification / Gas Turbine bBIG/STIG: “ / Steam Injection Gas Turbine bBIG/ISTIG: “ / Intercooled Steam Injection Gas Turbine bBIG/GT CC: “ / Gas Turbine Combined Cicle A Gaseificação na Indústria Canavieira Gaseificação Barreiras e Oportunidades • Paradigma do setor canavieiro/energético brasileiro com os ciclos a vapor (dominado) x ciclos a gás (emergente) • Tecnologia dos sistemas a gás bTurbinas a Gás (importadas ainda – preço caindo) bCaldeiras de Recuperação (nacionais) • Tecnologia de queima de “gás pobre” • Sistema de limpeza dos gases Gaseificação Barreiras e Oportunidades • Co-combustão com gás natural bFator de utilização dos investimentos. p.ex. entressafra bCentral de cogeração não para por falta de bagaço bMaior flexibilidade bPreço do gás natural bUso do gás natural interruptível ( + barato) bTecnologia cara b Investimento alto bConcorre ou complementa a biomassa? • Uso da biomassa para outros fins bHidrólise bPlásticos Comparação entre Projetos de Cogeração Típicos na Indústria Canavieira CVCT CVCE CVEC CVECE BIG/STIG BIG/TG CC Ciclo Térmico da Cogeração Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Gás Ciclo Combinado Configuração da Cogeração Contrapressão Contrapressão Extração-Cond. Extração-Cond. TG+HRSG TG+HRSG+TV Tecnologia e Processo Baixa Alta Baixa Alta Alta Alta Temperatura °C 280 - 350 525 525 515 515 515 Pressão bar 17,6 - 24,5 85 85 87 87 87 Produção de Vapor kg vapor / t cana 540 - 680 450 575 840 300 300 Consumo de Vapor kg vapor / t cana 540 - 680 450 320 320 300 300 Eficiência da Caldeira base PCS 55% 67% 67% 85% 85% 85% Geração Eletricidade/Cogeração kWh / t cana 5 - 12 40 55 95 220 285 Geração Eletricidade/Pura kWh / t cana 0 0 70 150 260 315 Consumo de Eletricidade kWh / t cana 10 - 12,5 12,5 18 32 32 32 Eletricidade Excedente - Instantânea kWh / t cana max 2,5 27,5 107 213 448 568 Eficiência das Turbinas a Vapor 34% 50% 50% 75% - 75% Eficiência Termelétrica Cogerada 1,5 - 4,5% 7% 7,5% 12,5% 30,0% 38,0% Eficiência Termelétrica Geração Pura - - 9,5% 20,0% 35,0% 42,0% Excedente de Bagaço 0 - 12% 22% 0 0 0 0 Escala da Planta Típica MW até 25 até 50 até 50 até 100 até 150 até 150 Relação Potência / Calor 0,08 0,21 0,44 0,44 0,64 0,64 CVCT CVCE CVEC CVECE BIG/STIG BIG/TG CC Ciclo Térmico da Cogeração Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Gás Ciclo Combinado Configuração da Cogeração Contrapressão Contrapressão Extração-Cond. Extração-Cond. TG+HRSG TG+HRSG+TV Equipamentos Gaseificador X X Sistema de Limpeza de Gases X X Turbina a Gás X X Caldeira de Recuperação - HRSG X X Caldeira - Média Pressão X Caldeira - Alta Pressão X X XX Turbina ContraPressão X Turbina Extração/ContraPressão X Turbina Extração/Condensação X XX XX Condensador X X X Sistema Resfriamento X X X Tratamento de Água X X XX XX XX XX Subestação X X XX XXX XXX XXX Redução de Consumo Processo X X X X Custo da Instalação US$ / kW - 500 600 1200 1200 1400 Custo Fixo Anual US$ / kW - 10 20 50 50 50 Custo Variável US$ / kWh - 0,0005 1,5 3,0 10,0 3,0 Compilado de "Correa Neto, Vicente et al. (2002) - "ANÁLISES DE OPÇÕES TECNOLÓGICAS PARA PROJETOS DE CO-GERAÇÃO NO SETOR SUCRO-ALCOOLEIRO" - USAID/BRAZIL e "Leal, M.R L.V. - PROCESSOS DE COGERAÇÃO - Equipamentos, Custos e Potenciais" - CTC 2003 Comparação entre Projetos de Cogeração Típicos na Indústria Canavieira Potencial de Geração de Eletricidade na Indústria Canavieira CVCT CVCE CVEC CVECE BIG/STIG BIG/TG CC Ciclo Térmico da Cogeração Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Vapor Ciclo a Gás Ciclo Combinado Configuração da Cogeração Contrapressão Contrapressão Extração-Cond. Extração-Cond. TG+HRSG TG+HRSG+TV kWh / ton cana (anualizado) - máx 2,5 25 100 150 300 350 Operação Safra Safra Anual Anual Anual Anual Potencial - Safra 2005/06 GWh 900 9.000 36.000 54.000 108.000 126.000 % do Consumo Brasileiro 2005 0,2% 2% 10% 14% 29% 34% MW 225 2.250 4.800 7.200 14.400 16.800 % do Parque de Geração 2005 0,3% 3% 6% 8% 17% 20% Potencial - Safra 2009/10 GWh 1.250 12.500 50.000 75.000 150.000 175.000 % do Consumo Brasileiro 2010 0,3% 3% 10% 16%31% 36% MW 313 3.125 6.667 10.000 20.000 23.333 % do Parque de Geração 2005 0,4% 4% 8% 12% 23% 27% Safra Centro-Sul 2005/2006 - 360 milhões de toneladas de cana-de-açúcar (fonte: ÚNICA) Safra Brasil 2009/2010 - 500 milhões de toneladas de cana-de-açúcar (nosso número) Consumo de Energia no Brasil - 2005 374 TWh Consumo de Energia no Brasil - 2010 484 TWh Parque de Geração Instalado 2005 85950 MW (não inclui Itaipú Paraguai - 5600 MW e Interligação Argentina - 2178 MW) Dados do Plano Decenal de Energia do MME 2006-20015 OBRIGADO POR SUA ATENÇÃO E SUA PACIÊNCIA PROCKNOR ENGENHARIA LTDA Rua Teodoro Sampaio, 1020 - 7º andar 05406-050 - São Paulo - SP www.procknor.com Tel.: (55-11) 3898-1511 Fax: (55-11) 3062-9369 celso.procknor@procknor.com.br
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