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FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAÇATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS CLÁUDIO HENRIQUE CERQUEIRA COSTA BASQUEROTTO COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR COMPRESSADO (BRIQUETE) Araçatuba 2010 2 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAÇATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS CLÁUDIO HENRIQUE CERQUEIRA COSTA BASQUEROTTO COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR COMPRESSADO (BRIQUETE) Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade de Tecnologia de Araçatuba, do Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza, como requisito parcial para conclusão do curso de Tecnologia em Biocombustíveis sob a orientação do Prof. Dr. Giuliano Pierre Estevam Araçatuba 2010 3 Basquerotto, Cláudio Henrique Cerqueira Costa Cogeração de energia elétrica com bagaço de cana-de-açúcar compressado (briquete)/ Cláudio Henrique Cerqueira Costa Basquerotto. -- Araçatuba, SP: Fatec, 2010. 55f. : il. Trabalho (Graduação) – Apresentado ao Curso de Tecnologia em Biocombustíveis, Faculdade de Tecnologia de Araçatuba, 2010. Orientador: Prof. Dr. Giuliano Pierre Estevam 1. Cogeração 2. Briquete 3. Cana-de-açúcar. II. Título. CDD – 333.9539 4 FACULDADE DE TECNOLOGIA DE ARAÇATUBA CURSO DE TECNOLOGIA EM BIOCOMBUSTÍVEIS CLÁUDIO HENRIQUE CERQUEIRA COSTA BASQUEROTTO COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR COMPRESSADO (BRIQUETE) Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade de Tecnologia de Araçatuba, do Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza, como requisito parcial para conclusão do curso de Tecnologia em Biocombustíveis examinado pela banca examinadora composta pelos professores _____________________________________ Dr. Giuliano Pierre Estevam Orientador – Fatec-Araçatuba _____________________________________ Prof. Ms. Ronaldo da Silva Viana _____________________________________ Prof. Ms. Marcus Vinícius C. Gandolfi Araçatuba 2010 5 RESUMO Com a necessidade de novos investimentos no setor energético, e o emprego de técnicas que minimizem as agressões ao meio ambiente, a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis tem se mostrado importante na matriz energética brasileira. Diante da grande concentração de usina de cana-de-açúcar no Brasil e considerando que a biomassa proveniente destas agroindústrias vem demonstrando grande importância na produção de energia, surgem novas técnicas de utilização desta fonte, uma delas, é a briquetagem, que consiste na compactação da biomassa utilizada, no caso, o bagaço de cana-de-açúcar. Com o levantamento bibliográfico e fundamentação teórica, este trabalho identifica os tipos de tecnologias usadas para cogeração, como produzir o briquete e por fim, com os dados obtidos, foi realizado um estudo de caso. Palavras-chave: Setor energético. Meio ambiente. Fontes renováveis. Cogeração. Briquete 6 ABSTRACT With the need for new investments in the energy sector, and use of techniques that minimize the strain on the environment, the generation of electricity from renewable sources has been important in the Brazilian energy matrix. Given the high concentration of plant sugar cane in Brazil and considering that the biomass from these agricultural industries has shown great importance in energy production, new techniques for using this source, one of them is briquetting, which consists of compression biomass used in this case, the crushed cane sugar. To the literature and theoretical background, this paper identifies the types of technologies used for CHP, as the briquette production and finally, with the data obtained, we performed a case study. Keywords: Energy sector. Environment. Renewable sources. Cogeneration. Briquette. 7 ÍNDICE INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 9 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................... 11 1.1. Histórico da Cogeração .............................................................................................. 11 1.2. Aspectos da Cogeração .............................................................................................. 12 1.2.1. Ciclos de Cogeração ........................................................................................... 12 1.3. Potenciais dos Setores Industriais .............................................................................. 15 1.3.1. Cogeração na Indústria Sucroalcooleira ............................................................. 16 1.3.2. Cogeração na Indústria de Papel e Celulose ....................................................... 16 1.3.3. Cogeração no Setor Terciário ............................................................................. 17 1.4. Tecnologias de Cogeração ......................................................................................... 18 1.4.1. Caldeiras ............................................................................................................. 18 1.4.2. Turbinas a gás ..................................................................................................... 20 1.4.3. Turbinas a vapor ................................................................................................. 22 1.4.4. Motores de Combustão Interna .......................................................................... 23 1.4.5. Combustíveis Utilizados Na Cogeração ............................................................. 24 2. BRIQUETE ....................................................................................................................... 25 2.1. Aspectos Gerais ......................................................................................................... 25 2.2. Potencial de Produção de Bagaço e Palha ................................................................. 26 2.3. Biomassa como fonte de energia ............................................................................... 27 2.4. Briquete Composto .................................................................................................... 28 2.5. Processo do briquete .................................................................................................. 28 2.5.1. Obtenção da Matéria Prima ................................................................................ 29 2.5.2. Peneiramento ...................................................................................................... 29 2.5.3. Secagem .............................................................................................................. 29 2.6. Processos de Compactação ........................................................................................ 31 2.6.1. Prensa Extrusora de Pistão Mecânico .................................................................31 2.6.2. Prensa Extrusora de Rosca Sem Fim .................................................................. 32 2.6.3. Prensa Hidráulica................................................................................................ 33 2.6.4. Peletizadora ........................................................................................................ 33 2.6.5. Enfardadeira ....................................................................................................... 34 2.7. Utilização ................................................................................................................... 34 2.8. Vantagens................................................................................................................... 36 8 2.9. Desvantagens ............................................................................................................. 36 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 37 3.1. Aspectos Gerais ......................................................................................................... 37 3.2. Temperatura ............................................................................................................... 37 3.3. Calor........................................................................................................................... 37 3.3.1. Calor Específico ................................................................................................. 38 3.3.2. Calor Latente ...................................................................................................... 39 3.4. Poder Calorífico ......................................................................................................... 39 3.4.1. Poder Calorífico Superior ................................................................................... 40 3.4.2. Poder Calorífico Inferior .................................................................................... 40 3.4.3. Relação Pressão x Temperatura.......................................................................... 41 4. ESTUDO DE CASO ......................................................................................................... 44 4.1. Descrição da Empresa ................................................................................................ 44 4.2. Dados da Produção .................................................................................................... 46 4.3. O Projeto .................................................................................................................... 46 4.3.1. Principais Equipamentos .................................................................................... 47 4.3.2. Quadro de Usos e Fontes .................................................................................... 48 4.3.3. Orçamento do projeto ......................................................................................... 49 4.3.4. Cronograma do Projeto....................................................................................... 50 4.4. Detalhamento do Projeto ........................................................................................... 51 CONCLUSÃO .......................................................................................................................... 53 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 54 9 INTRODUÇÃO A cogeração é definida como o processo de produção combinada de energia elétrica e térmica, destinando-se ambas ao consumo próprio ou de terceiros. No Brasil, aproximadamente 87,5% da energia elétrica fornecida provem de usinas hidrelétricas. No entanto, sabe-se que tal fonte de energia tem um custo muito alto de implantação e, geralmente, está distante dos consumidores e causam expressivos impactos socioambientais. O estado de São Paulo detém uma capacidade instalada de 18GW, dos quais 81% são gerados em usinas hidrelétricas e deve-se destacar que as bacias hidrográficas estão praticamente esgotadas. Normalmente, as indústrias utilizam em seus processos industriais, energia elétrica e ou energia térmica. Essa energia é proveniente das concessionárias de energia elétrica. Esta utilização das fontes energéticas por vezes não é a mais eficiente, quer devido à forma como é processada a combustão, quer devido às grandiosas perdas provocadas pelo próprio fornecimento. Neste ambiente, a cogeração surge como uma alternativa interessante de garantir economia de energia e competitividade acrescida às empresas. Com o grande aumento das indústrias e o interesse pela cogeração, observou-se a possibilidade de utilização de subprodutos que até então eram descartados. Até alguns anos atrás, por exemplo, o bagaço de cana era tratado como um resíduo industrial, sendo incinerado nas próprias unidades sucroalcooleiras para a geração de vapor. Não havia a ideia que o bagaço era um combustível com propriedades adequadas para geração de energia, considerando custo zero e poder calorífico considerável para uso energético. Os equipamentos (caldeiras) nas usinas eram desenvolvidos, justamente para consumir o máximo possível de bagaço, evitando, portanto, o transtorno que este resíduo trazia para a unidade fabril (sujeira, espaço, transporte, etc.). Pesquisas durante o Proálcool apontaram a cana de açúcar como melhor matéria prima. Atualmente, a geração de energia elétrica, por bagaço adquiriu importância e é praticada por todas as unidades sucroalcooleiras brasileiras (ESCOBAR, 2003). Com o aumento do uso da cogeração, novas tecnologias começaram a surgir para melhorar o rendimento dos processos de produção de energia. 10 Este trabalho tem como objetivo descrever uma nova maneira de utilizar o bagaço de cana-de-açúcar para a cogeração e os benefícios econômicos e ambientais. 11 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1. Histórico da Cogeração Os primeiros sistemas de cogeração (termelétricas) somente surgiram no final do século XIX, quando o fornecimento de energia elétrica ainda era raro pelas geradoras (LORA, 2004). Por volta de 1880 foram construídas as primeiras plantas de geração elétrica, época em que a baixa tensão de geração limitava a cobertura de ação da rede de distribuição a uma pequena distância em torno do ponto de produção. Posteriormente, com a geração em corrente alternada e o uso de transformadores de alta tensão, aumentou-se o raio de atuação dos sistemas de distribuição (LORA, 2004). Por volta de 1905, existia uma grande competição entre as empresas existentes, na busca de um maior espaço e um mercado em expansão. Com o passar dos anos a centralização foi ganhando espaço na indústria elétrica como consequência da continua melhoria dos serviços realizados e de uma melhoria na qualidade da energia fornecida (LINERO, 2006). O Pós-Guerra representou, em 90% do mundo, um chamado de ciclo virtuoso na indústria elétrica. Quanto maiores as taxas de crescimento da demanda, maior o investimento em inovações tecnológicas. As tecnologias implementadas aos sistemas de transmissão favoreceram a interconexão de sistemas e mercados. No século passado, com o crescimento dos sistemas elétricos nacionais e a facilidade de obtenção de energia elétrica, principalmente pelo custo ser baixo, os sistemas de cogeração foi perdendo espaço entre os consumidores. Desse modo, houve grande redução na utilização do sistema, chegando a atingir na Europa 15% e nos Estados Unidos um total de 5% de consumidoresda tecnologia de cogeração no final dos anos 60 (LORA, 2004). Mas com o melhoramento tecnológico das turbinas a gás e motores de alta capacidade para atender as necessidades de consumo, a cogeração passou a ganhar força entre os consumidores, por vota da década de 80. Cada vez mais a sociedade moderna está dependente de um bem tão importante e escasso que é a energia. As fontes (água, petróleo, carvão) utilizadas para obtenção de energia, por não serem renováveis há o surgimento de um novo conceito, designado por 12 desenvolvimento sustentado, que consiste na utilização racional da energia e na satisfação das necessidades energéticas (LINERO, 2006). Os sistemas de cogeração são aqueles em que se faz simultaneamente a geração de duas formas de energia, e elétrica e a térmica, a partir de um mesmo combustível, tais como os derivados de petróleo, o gás natural, o carvão ou a biomassa. Um sistema de cogeração bem dimensionado e balanceado do ponto de vista da porcentagem final de cada uma das duas formas de energia aumenta o rendimento global da utilização do combustível, atuando, assim, no sentido do incremento da eficiência energética (LINERO, 2006). Atualmente, dedica-se largos fundos e meios de investigação ao desenvolvimento de recurso às energias renováveis e à produção centralizada de energia e calor – cogeração. A figura 1.1 aponta o uso de energia sem a cogeração e com a cogeração. Figura 1.1 – Alternativas de geração de energia: (a) independente (b) cogeração Fonte: BALESTIERI, 2003 1.2. Aspectos da Cogeração 1.2.1. Ciclos de Cogeração Um projeto de central de cogeração perfeito não atende apenas às demandas operacionais descritas pelo processo, mas também consegue garantir o nível de excedentes planejado com eficiência (BALESTIERI, 2003). 13 Caso não aconteça isso, as falhas na geração e a queda de eficiência ocasionarão aumentos nos custos de operação e manutenção. São três os principais ciclos utilizados nas centrais de cogeração: ciclo Rankine ciclo Brayton ciclo Combinado sendo também importante salientar a existência do Ciclo Diesel, de grande utilização na Europa e Estados Unidos (BALESTIERI, 2003). O Ciclo Rankine, como mostrado na figura 1.2, pode ser colocado em operação com o uso de caldeiras aquatubulares de alta pressão associadas a turbinas de Condensação e Extração ou turbinas de Contrapressão. É o ciclo utilizado nas indústrias sucroalcooleiras. A água é bombeada por bombas, é aquecida e transformada em vapor por caldeiras. O vapor produzido passa por turbinas q acionam geradores. O vapor que “sobra” é condensado e volta ao ciclo. A bomba e a turbina são alimentadas separadamente por energia (BALESTIERI, 2003). Figura 1.2 - Modelo Básico do Ciclo Rankine Fonte: BALESTIERI, 2003 Caldeira Turbina Bomba Condensador 14 O Ciclo Brayton faz uso de conjuntos geradores acoplados. Utilizados em turbinas a gás, onde trocam energia com água para gerar vapor em caldeiras de recuperação nos processos que só admitem aplicações indiretas, por não poderem ser contaminados, vide figura 1.3. Figura 1.3 - Modelo Básico do Ciclo Brayton Fonte: BALESTIERI, 2003 O ar passa pelo compressor indo até câmara de combustão. O ar é elevado a uma alta temperatura e a uma pressão elevada. O ar com alta pressão passa por turbinas acionando máquinas e geradores. O Ciclo Combinado mais utilizado no momento é o que acopla turbinas com caldeiras de recuperação e turbinas a vapor, ainda que possa admitir outros geradores. Possui um rendimento maior, por utilizar 2 tipos de geração. Rendimento global de 90%. Onde 38% é obtido pela turbina gás e 52% por turbina a vapor. Turbina Compressor Combustor Trocador de Calor 15 Figura 1.4 - Ciclo Combinado Fonte: BALESTIERI, 2003 Para escolher o ciclo certo que deverá compor o sistema de cogeração deve-se levar em consideração: atendimento das demandas operacionais da planta de processo eficiência e confiabilidade geração de excedentes (poderão ser negociados ou não para venda) Após definir as características da planta de processo e cogeração, é necessário que se faça a conexão entre o sistema de geração e o centro de consumo. Além de ajustar os níveis de atendimento tais como: quantidade que será comercializada, os períodos e as condições. 1.3. Potenciais dos Setores Industriais Os principais setores que apresentam maiores potenciais de aplicação da cogeração são os do Açúcar e Álcool, Papel e Celulose e Terciário. 16 1.3.1. Cogeração na Indústria Sucroalcooleira Hoje no Brasil existem mais de 450 usinas sucroalcooleiras operando. Em termos energéticos, a safra de 2009 foi equivalente a (65,4x10 6 toneladas equivalentes de Petróleo), mais da metade de todo o óleo e gás consumidos no país (SOUZA, 2003). Uma usina que processa 2,0 milhões de toneladas de cana por ano e que hoje gera 24GWH/ano para atender suas necessidades próprias poderá vender ao sistema até 300GWH/ano com tecnologia dominada no país. Estudos mostram que, embora os parâmetros econômicos variem muito de usina para usina, a energia elétrica por elas produzida é competitiva com a gerada em centrais a gás. As usinas têm como um fator importante a localização próxima às cargas, propiciando redução de custos de transmissão de distribuição (SOUZA, 2003). Muitas usinas ainda podem gerar no período de estiagem, sendo um complemento perfeito ao regime das hidrelétricas instaladas. As vantagens de se usarem os resíduos da cana como fonte de energia primária para geração de eletricidade são muitas e afetam positivamente diversos grupos de interesses, tanto a nível micro quanto macroeconômico. A cana é colhida manualmente ou mecanicamente. Após a colheita, ela é encaminhada para a indústria. A cana passa pela moenda ou difusor para a fabricação de açúcar e álcool. Com a moagem ou difusão, obtém-se como subproduto o bagaço. A partir da obtenção do bagaço, o mesmo é encaminhado para a queima na caldeira onde produz o vapor. Esse vapor é encaminhado para as turbinas localizadas na casa de força, onde será transformada em energia mecânica. Essa por si está conectada a redutores de velocidade para a conexão com o gerador elétrico, havendo assim a produção de eletricidade (SOUZA, 2003). 1.3.2. Cogeração na Indústria de Papel e Celulose O setor de celulose e papel no Brasil tem por base o Processo Kraft (processo de obtenção da celulose que é iniciado com o descascamento e lavagem de toras de eucalipto selecionadas para posterior picagem. Com isto são produzidos cavacos de dimensões uniformes que são encaminhados ao cozimento, após um processo de peneiramento), que deve corresponder a 95% do total das empresas, segundo relatórios da ABTCP – Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel. Esse processo tem por vantagem o grande potencial de recuperação dos produtos empregados na produção do papel, assim como o aproveitamento de subprodutos (SOUZA, 2003). 17 É um dos segmentos industriais com maior consumo de energia, tendo comprado em 1997 mais de 10000 GWh de eletricidade, 8% do consumo no setor industrial (BEN, 2010). A auto produção no setor de papel e celulose ainda é baixa: apenas 30% das indústrias possuem geração própria. Segundo a Eletrobrás o potencial técnico de geração de eletricidade nestas indústriasfoi em 2003 de 1740 MW instalados (BEN, 2010). Nas indústrias de papel, o consumo se concentra principalmente no licor negro, fluido processual, produzido pela própria empresa. A geração de energia é efetuada através desse combustível e em alguns casos a partir de gás natural de bacias de gás (BEN, 2010). Do ponto de vista técnico, o setor usa geradores de vapor acoplados a turbinas a vapor, o vapor gerado a alta pressão em caldeiras é expandido em turbinas para utilização em processo. 1.3.3. Cogeração no Setor Terciário Para que seja um potencial utilizador de Cogeração é necessário que o setor atenda a algumas características, tais como: necessidade simultânea e contínua de energia térmica e elétrica; disponibilidade de combustíveis de qualidade; período de funcionamento de pelo menos 4500-5000 horas por ano; espaço suficiente e uma adequada localização para implementação do novo equipamento; calor residual disponível de elevada qualidade. Tais características são encontradas com muita frequência na indústria. Todavia, não é verificada uma relação muito estreita entre o consumo de energia e o tipo de atividade realizada. Os principais usos de energia térmica são para aquecimento, ventilação e ar condicionado (FERNANDES, 2003). Hospitais, hotéis, centros de desporto, edifícios de escritórios, centros comerciais e sistemas de redes urbanas de calor são os principais potenciais de cogeração. Um sistema bem projetado e adequado traz muitos benefícios. Os principais são: economia de energia primária; redução de emissões poluentes; benefícios econômicos. 18 1.4. Tecnologias de Cogeração Na geração de energia são utilizados equipamentos de um ou mais dos ciclos apresentados; para uma análise criteriosa do projeto e da operação de centrais de cogeração é importante se ter o entendimento de seu funcionamento e o conhecimento das características operacionais de cada um. 1.4.1. Caldeiras Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos que permitem a geração de formas de energia térmica de amplo uso, tanto para uso industrial quanto para uso comercial ou residencial. Pode-se usá-las em muitas aplicações, como secagem, geração de energia, cozimento, lavagem de utensílios, desinfecção, aquecimento ambiental, dentre outros. Equipamentos geradores de vapor convencionais e de recuperação devem estar disponíveis (BALESTIERI, 2003). Caldeiras convencionais: São constituídas por dispositivos destinados à produção de vapor ou água quente em pressões elevadas, proporcionada por calor liberado da queima de um combustível. A figura 1.5 descreve uma caldeira convencional. Figura 1.5 – Instalação de caldeira convencional Fonte: BALESTIERI, 2003 19 A instalação de caldeiras é descrita pelo conjunto formado pelo equipamento gerador de vapor e seus acessórios (sopradores de ar, bomba, chaminés, queimadores, etc.). As caldeiras aquatubulares, que permitem a troca térmica entre os gases de combustão, que passam pelo casco da caldeira, e água, que passa no interior dos tubos, para a geração de vapor, são usadas geralmente em indústrias. Este sistema de troca térmica permite um nível maior de vapor (igual ou superior a 28 Mega Pascal (MPa)) (BALESTIERI, 2003). As caldeiras flamotubulares, que apresentam os gases de combustão internos aos tubos, só permitem pressões inferiores a 1,7 MPa, o que deixa inviável seu uso para a cogeração. Os combustíveis usados nas caldeiras são: óleo, gases diversos, carvão e resíduos (para esses dois últimos utilizam-se grelhas para o assentamento). Queimadores dotados de atomizador, que regulam a vazão ar/combustível em níveis ótimos de queima são utilizados para a queima de óleo (BALESTIERI, 2003). Caldeira de recuperação: utilizada para aproveitar o calor dos gases de exaustão, produzindo assim vapor por troca térmica. Pode ser utilizada também na fabricação de ácido sulfúrico. Figura 1.6 – Caldeira aquatubular de recuperação de calor Fonte: JUNIOR, 2001 20 Figura 1.7 – Caldeira aquatubular Fonte: UNIALCO, 2010 1.4.2. Turbinas a gás A turbina a gás é uma combinação, geralmente de construção compacta, composta de compressor, câmara de combustão e turbina. O ar entra no compressor e passa para a câmara de combustão, onde o combustível é queimado continuamente sob pressão constante. Os gases aquecidos são expandidos na turbina, que aciona o compressor e gera potencia para um gerador (BALESTIERI, 2003). Dependendo do tipo de tecnologia utilizados terá um curto tempo para partida e um baixo custo de investimento, tornando-as ideais para atendimento a picos de carga. 21 Figura 1.8 – Turbina a gás Fonte: EDUCOGEN, 2001 Tal como todos os sistemas, segundo Educogen (2001), o uso da Turbina a Gás tem vantagens e desvantagens, das quais se destacam as seguintes: Vantagens: manutenção simples (menores tempos de paragem); elevada fiabilidade; baixa poluição ambiental; não necessita de vigilância permanente; disponibiliza energia térmica a temperaturas elevadas (500º a 600º); unidades compactas e de pequeno peso; arranque rápido; baixo nível de vibrações; Desvantagens: limitado o nível de variedade de combustível consumido; tempo de vida útil curto; ineficácia em processos com poucas necessidades térmicas; necessidade de uso de dispositivos anti-poeiras/sujidade, anti-corrosão (em especial em casos de pausas de funcionamento prolongado); 22 1.4.3. Turbinas a vapor Operadas com vapor de alta pressão na condição superaquecida, as turbinas a vapor são turbomáquinas. Podem ser classificadas, dependendo do seu uso, em: turbinas de contrapressão pura: fornecem integralmente a mesma vazão de vapor recebida para os trocadores de calor situados a jusante da turbina, submetendo-o a uma expansão desde a condição inicial (de alta pressão) até níveis de pressão da ordem de 0,2 a 1,0 MPa; turbinas de condensação e extração: recebem o vapor de alta pressão e de um ou mais pontos extrai-se vapor de processo com pressão pré-fixada conforme necessidade da unidade. As turbinas de contrapressão são recomendadas nos processos industriais nos quais a demanda por calor de processo é igual à demanda por energia eletromecânica. As turbinas de condensação e extração são aplicadas nos processos em que a produção de energia elétrica/ mecânica é prioritária (BALESTIERI, 2003). Figura 1.9 – Turbinas a vapor: (a) contrapressão (b) condensação Fonte: JUNIOR, 2001 De seguida, segundo Educogen (2001), são descriminadas, as principais vantagens e desvantagens da Cogeração com Turbinas a Vapor: Vantagens: tempo de vida útil elevado; 23 não necessita de vigilância constante; equipamento seguro; eficiência global elevada; capacidade de fornecer vapor a alta pressão e/ou pressão atmosférica; elevado tempo de trabalho entre manutenções; Desvantagens: baixo rendimento elétrico; arranque lento; problemas de controle de emissão de poluentes; dependência de um tipo de combustível no dimensionamento, ou seja, só pode usar o combustível idêntico aquele para que foi projetado o sistema; reduzido número de aplicações; investimento inicial elevado; baixo rendimento elétrico; 1.4.4. Motores de Combustão Interna Dentre eles, assumem um papel de destaque na cogeração os motores Diesel, máquinas térmicas de êmbolos, em cujoscilindros têm lugar a queima de um combustível e por consequência a transformação de calor em potencia de baixo eixo que, em unidades estacionárias, varia no amplo leque de 20 a 25000 kW. Motores de combustão interna podem operar em ciclos de dois ou quatro tempos; no ciclo de quatro tempos, ocorre admissão da mistura combustível (primeiro tempo), compressão da mistura (segundo tempo), explosão, expansão dos produtos de combustão e escape (terceiro tempo) e expulsão dos produtos de combustão (quarto tempo). No ciclo de dois tempos, o primeiro tempo compreende a admissão da mistura e a compressão, e no segundo tempo ocorrem a combustão, a expansão e o escape (BALESTIERI, 2003). Os motores diesel apresentam por distinção dos demais motores de combustão interna o fato de receberem o combustível através de injetores; nos cilindros do motor se comprime ar puro e, ao final da compressão, injeta-se neles o combustível que, em meio ao ar quente, inflama-se e queima em pressão constante. 24 1.4.5. Combustíveis Utilizados Na Cogeração Os principais combustíveis utilizados para cogeração são: gás Natural; óleo Diesel; bagaço de Cana; briquete; 25 2. BRIQUETE 2.1. Aspectos Gerais Em Paris surgiu a palavra briquette como sendo uma mistura de turfa, água e argila plástica. Nas décadas seguintes, o carvão mineral recebeu não só adensamento dos componentes como temperatura para formar um combustível sólido. Os briquetes que tinham aglomerantes eram denominados “pérats”, feitos de carvão betuminoso misturado com alcatrão. Desta época para cá, a tecnologia do briquete de madeira avançou lentamente transformando-se em um biocombustível sólido com apelo ambiental (Brown coal as fuel, 2005). Embora o briquete não seja conhecido e pouco empregado no Brasil, o país apresenta um potencial promissor a ser explorado, permitindo o aproveitamento mais racional dessa energia disponível, diminuindo assim grandes perdas de resíduos industriais e agrícolas. Como consequência, teria uma grande redução do custo da energia consumida nos setor industrial e doméstico, além de uma redução de poluição, causando a substituição dos combustíveis fósseis por renováveis de origem vegetal, no caso os briquetes. Define-se briquetagem como um processo no qual pequenas partículas de material sólido são prensadas para formar blocos de forma definida e de menor tamanho. Através desse processo, subprodutos de beneficiamento agro florestal, agroindustriais e finos de carvão convertem-se em um material de maior valor comercial que é o briquete (ANTUNES, 2000). Os parâmetros esperados para o briquete são: resistência mecânica, resistência ao impacto, baixa higroscopicidade, alta densidade, boas propriedades de queima e alto poder calorífico. A lenha e o carvão vegetal, combustíveis sólidos renováveis, apresentam números importantes em termos de consumo, principalmente nos setores residencial e industrial, onde a lenha aprece com respectivamente 28% e 8% do consumo total do setor e o carvão vegetal um valor de 7% do consumo no setor industrial (ROMEIRO, 2004). 26 2.2. Potencial de Produção de Bagaço e Palha A importância do bagaço e da palha da cana-de-açúcar pode ser medida pela quantidade de cana produzida mundialmente, que foi de 1.743 milhões de toneladas em 2008, segundo dados da FAO (Food And Agricultural Organization of United Nations (FAO): Economic And Social Department: The Statistical Division). Naquele ano, de cada três toneladas de cana processada em todos os países produtores, uma tonelada de cana foi colhida no Brasil (37,2%). A Índia, segundo maior produtor mundial, participou com 20,0%, seguida da China (7,2%), Tailândia (4,2%), Paquistão (3,7%), México (2,9%), Colômbia (2,2%) e Austrália (1,9%) (CTC, 2010). Os principais componentes do bagaço de cana-de-açúcar são: 32-50% celulose, 19- 25% hemicelulose, 23-32% lignina, 2% de cinzas, 46% fibra, 50% umidade (CTC, 2010). A partir do ano 2000 a produção de cana vem crescendo no Brasil a uma taxa anual de aproximadamente 35 milhões de toneladas de cana (Figura 2.1), ou seja, quase a produção anual da Austrália, oitavo maior produtor mundial. Segundo as estatísticas da União da Indústria de Cana-de-açúcar (Unica), na safra 08/09 o Brasil processou cerca de 570 milhões de toneladas de cana, produzindo ao redor de 160 milhões de toneladas de bagaço. Toda cana- de-açúcar produzida no Brasil ainda apresenta potencial de mais de 160 milhões de toneladas de palha e, provavelmente, somente 6% desse material acompanhou os colmos de cana até a indústria sendo que o restante foi queimado ou permaneceu no campo (CTC, 2010). Figura 2.1 - Evolução da safra de cana no Brasil Fonte: UNICA, 2009 27 2.3. Biomassa como fonte de energia Todos os organismos biológicos que podem ser utilizados como fonte de energia, tais como: lenha e carvão vegetal, alguns óleos vegetais, cana-de-açúcar, beterraba, biogás, podem ser chamados de Biomassa (CARIOCA, 2000). Para a briquetagem, a biomassa é composta pela combinação de dióxido de carbono (CO2) da atmosfera e água (H2O), formando assim hidratos de carbono (CH2O). Através da reação química básica: fóton + CO2 + H2O (CH2O) + O2, pelas ligações químicas dos componentes estruturais da biomassa a energia solar é armazenada (VASCONCELOS, 2002). A briquetagem consiste na trituração da biomassa e posterior compactação a elevadas pressões, o que provoca a elevação da temperatura do processamento a aproximadamente 100°C. A “plastificação” da lignina (substância que atua como elemento aglomerante) é provocada pelo aumento de temperatura. Para se obter sucesso nessa aglomeração, é necessária uma pequena quantidade de água, compreendida entre 8% a 15% de umidade, e que o tamanho das partículas esteja entre 5 a 10 mm. O produto final deste processo tem formato de blocos ou cilindros compactados chamados de briquetes (BRIQUETES, 2010). Com a cana de açúcar o processo de briquetagem requer que o bagaço seja previamente seco até aproximadamente 15% de umidade. Testes realizados indicaram que com umidade do bagaço menor que 12% há grande dificuldade de operação da máquina e o briquete produzido apresenta pouca resistência mecânica, tornando-se quebradiço no manuseio. Com umidade acima de 20% os briquetes desintegram-se logo após a compactação (BRIQUETES, 2010). Figura 2.2 – Briquete feito com bagaço de cana Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010 28 2.4. Briquete Composto São briquetes produzidos a partir de mais de um tipo de subproduto. O seu processo de produção é o mesmo dos briquetes simples, exceto pela inclusão da fase de mistura das matérias-primas. Esta semelhança permite equiparar os seus custos de produção. Com a produção de briquetes compostos obtêm-se médias ponderadas de suas propriedades e composições, o que permite um maior controle da qualidade dos briquetes e um direcionamento de suas características de acordo com seu uso final, com a máxima redução na introdução de substâncias adicionais. Produzindo briquetes compostos, evita-se também a dependência de um único tipo de matéria prima. Nos períodos de escassez de subprodutos de maior poder calorífico, tem-se a opção de substituí-los por outros subprodutos em maior quantidade, mantendo a eficiência energética do briquete (CTC, 2010). Com a cana-de-açúcar, uma produção de briquete composto pode se dar com o uso de bagaço e palhiço (palha da cana) (CTC, 2010). 2.5. Processo do briquete O principal, maisbarato e mais eficiente processo do briquete é dividido em 4 partes (BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010): obtenção da matéria prima; peneiramento; secagem; compactação. 29 Figura 2.3 – Projeto de usina de processamento de briquetes Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010 2.5.1. Obtenção da Matéria Prima Nome dado a um material que sirva de entrada para um sistema de produção qualquer. Ex: Bagaço de cana-de-açúcar, capim elefante picado (BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010). 2.5.2. Peneiramento Separa a matéria prima. Impurezas que poderão prejudicar na produção do briquete (BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010). 2.5.3. Secagem Atualmente, o uso da matéria prima “in natura” como combustível está limitado à própria usina onde é produzido ou em outras usinas e indústrias próximas, pois a alta umidade, aliada à baixa massa específica, inviabilizam economicamente o transporte a longas distâncias. A secagem da matéria prima “in-natura” é a primeira etapa de alguns processos de compactação como briquetagem e peletização, que requerem que a biomassa encontre-se com umidade entre 12 e 15% (CTC, 2010). O secador de matéria prima pode ser considerado também como um equipamento recuperador de energia da caldeira, assim como um pré-aquecedor de ar ou um economizador. Secador a vapor: este equipamento utiliza vapor de alta pressão como fluido de aquecimento da biomassa e os vapores de água produzidos pela secagem podem ser direcionados para linhas de baixa pressão como, por exemplo, vapor de escape ou vapor 30 vegetal. Um ventilador instalado na base promove a movimentação da biomassa no interior do equipamento. Modelos semelhantes são utilizados na indústria açucareira de beterraba para secagem da polpa (CTC, 2010). Figura 2.4 – Modelo de secador a vapor Fonte: CTC, 2010 Figura 2.5 – Secador a Vapor Fonte: CTC, 2010 31 2.6. Processos de Compactação Existem cinco tipos de equipamentos ou princípios básicos de compactação de resíduos ligno-celulósicos: 1. prensa extrusora de pistão mecânico; 2. prensa extrusora de rosca sem fim; 3. prensa hidráulica; 4. peletizadora; 5. enfardadeira. Figura 2.6 – Prensa extrusora Fonte: KUBINSKY, 2008 2.6.1. Prensa Extrusora de Pistão Mecânico Tecnologia desenvolvida desde o principio do século e bastante conhecida no mundo. Um pistão ligado excentricamente a um grande volante força o material a ser compactado por meio de um tronco de cone (KUBINSKY, 2008). 32 Figura 2.7 – Extrusora de pistão mecânico Fonte: KUBINSKY, 2008 2.6.2. Prensa Extrusora de Rosca Sem Fim Processo muito usado para resíduos. Apresenta excelentes resultados. Seu princípio mecânico é semelhante às manobras da indústria de cerâmica. É um equipamento de fácil manutenção e de investimento favorável (KUBINSKY, 2008). Estes tipos de Briquetadeiras por extrusão por rosca sem fim produzem briquetes com furo central em processo contínuo (KUBINSKY, 2008). Figura 2.8 – Prensa extrusora por rosca sem fim Fonte: KUBINSKY, 2008 33 2.6.3. Prensa Hidráulica Equipamento que usa um pistão acionado hidraulicamente. Pela lateral, o equipamento é alimentado por uma rosca sem fim com o material a ser compactado. Ao se atingir uma pressão desejada, em uma peça frontal ao embolo se abre e expulsa o briquete (KUBINSKY, 2008). Aplica-se uma pressão menor que em outros métodos, produzindo briquetes de menor densidade, sendo assim um processo não extrusivo (KUBINSKY, 2008). Figura 2.9 – Prensa hidráulica Fonte: KUBINSKY, 2008 2.6.4. Peletizadora Equipamento operado pelo processo extrusivo. Não é necessária a injeção de vapor para aquecer e corrigir a umidade princípio utilizado na produção de ração animal. Operando com bagaço, produz paletes de diâmetro igual a 10 mm x 30 a 40 mm de comprimento, densidade relativa de 1,2 g/cm³ e densidade a granel de 550 kg/m³ (COPERSUCAR, 2001). 34 Figura 2.10 – Paletizadora testada para resíduos Fonte: KUBINSKY, 2008 2.6.5. Enfardadeira Indicada pelo próprio nome, o equipamento comprime e amassa o resíduo, elevando a densidade do bagaço de cana com 20% de umidade a 500 kg/m³. Não é necessária pré- secagem do material, permitindo assim uma secagem posterior (KUBINSKY, 2008). 2.7. Utilização A forma de partida (ignição) pode ser a mesma utilizada pelo sistema à lenha. Toda caldeira/fornalha que queima lenha, pode queimar Briquete Vegetal. Não são necessários equipamentos especiais, somente verificar o espaçamento entre grelhas. Geralmente são utilizados em aquecedores, secadores, caldeiras, cervejarias, pizzarias, cerâmicas, destilarias, indústrias, lavanderias e outros. 35 Figura 2.11 – Uso de briquete em forno de Padaria Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010 Tabela 1 – Formas de utilização do briquete Utilização em Aplicação Dosagem Outras informações de uso Caldeiras em Geral Somente Briquete Vegetal Quantidade Necessária Alimentar de forma mais contínua possível Briquete com Cavaco ou Lenha comercial Porcentagem desejada de cada produto Alimentar a caldeira com lenha ou cavaco e sob os mesmos adicionar o Briquete de forma bem distribuída Fornos/ Fornalhas Briquete Vegetal Quantidade Necessária Alimentar com quantidades menores e mais frequentes Fornos de Pizzarias Briquete Vegetal Quantidade Necessária Iniciar o fogo normalmente conforme métodos e costumes Lareiras Briquete Vegetal Quantidade Necessária Iniciar o fogo normalmente conforme métodos e costumes, realimentar o fogo a cada 50 minutos Churrasqueiras Briquete Vegetal Quantidade Necessária Para usar o Briquete em churrasqueiras, o usuário precisa permitir a entrada de bastante oxigênio e iniciar o fogo com gravetos. O processo de assar ocorre enquanto o Briquete estiver queimando com chamas limpas Fonte: BRIQUETES SÃO CARLOS, 2010 36 2.8. Vantagens A briquetagem é uma forma bastante eficiente para concentrar a energia disponível da biomassa. 1,00 m³ de briquetes contém pelo menos 5 vezes mais energia que 1,00 m³ de resíduos. Isso se levando em consideração a densidade a granel e o poder calorífico médio desses materiais (CTC, 2010). A viabilidade técnica e econômica do acondicionamento desses resíduos comprovadamente justifica a alocação de recursos de financiamento para apoiar o aproveitamento desses resíduos como atividade econômica, bem como outras medidas que se fizerem necessárias para estruturar o mercado desse produto (CTC, 2010). O briquete é um produto 100% reciclado, reduz a mão de obra no manuseio do produto, cada metro cúbico abriga 1300 kg de briquete, em 10 metros quadrados aloja-se 15 toneladas de briquetes, gera pouca fumaça com baixo teor de cinza e o mais importante, maior qualidade na produção de vapor, pois com a baixa umidade do produto não se consome energia própria para a evaporação do excesso de umidade (CTC, 2010). O bagaço comum possui um poder calorífico aproximadamente de 1800 Kcal/ kg. Comprimindo esse bagaço em briquete, esse valor passa para 4700 Kcal/kg (CTC, 2010). 2.9. Desvantagens Os briquetes podem apresentar como desvantagema mescla de seus componentes. Tal diferença pode refletir na cor ou também a granulometria desigual da matéria-prima, gerando diferenças de poder calorífico (PAINEL FLORESTAL, 2010). No caso de briquetes de madeira, o uso de diversos tipos de madeiras, pode-se observar visualmente a mescla de cor. Utilizando-se vários tipos de matérias-primas pode diminuir o poder calorífico, sendo o ideal, a utilização de granulometrias e matérias-primas semelhantes (PAINEL FLORESTAL, 2010). Outro fator depreciante é a higroscopicidade. Caso sejam armazenados em lugares úmidos, o briquete pode sofrer descompressão da massa sólida, perdendo assim a sua utilidade (PAINEL FLORESTAL, 2010). 37 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1. Aspectos Gerais Para se entender o conceito de calor, precisa-se primeiro falar sobre a energia contida em um sistema físico. Energia física está associada ao movimento das partículas que compõem o sistema. Energia de ligação está associada à “ligação” entre as partículas do sistema. Energia interna é a soma de todas as energias do sistema, cinética, de ligação química, nuclear, etc. Depende da temperatura, estado físico e da quantidade de matéria (ETAPA, 2010). Os conceitos de temperatura e calor são frequentemente confundidos na linguagem cotidiana. No entanto, do ponto de vista físico, são dois conceitos distintos (ETAPA, 2010). 3.2. Temperatura A temperatura de um corpo está relacionada à energia cinética de suas moléculas. Assim, podemos alterar a temperatura de um corpo fornecendo ou retirando energia de movimento de suas moléculas. Isso pode ser conseguido de formas mecânicas: choques, atrito, agitação ou por meio de troca de calor (ETAPA, 2010). Quando dois corpos, a diferentes temperaturas e isolados do meio exterior, colocados em contato, acabam por atingir um estado no qual suas temperaturas se igualam. Logo, se houve alteração nas temperaturas de ambos, entre eles ocorreu troca de energia. A essa energia trocada devido à diferença de temperatura chamamos calor (ETAPA, 2010). 3.3. Calor Calor passa espontaneamente do corpo de temperatura maior (maior energia cinética) para o de menor temperatura (menor energia cinética) (ETAPA, 2010). 38 Calor é energia em transito, logo suas unidades são as de energia. No Sistema Internacional é o Joule (J). Existe uma unidade especial, a caloria, definida como a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5°C para 15,5°C a temperatura de 1 g de água, sob pressão de 1 atm. Uma caloria equivale a 4, 1868 joules (J) (ETAPA, 2010). 3.3.1. Calor Específico Com relação à energia interna de agitação térmica, é fácil observar que quanto maior a quantidade de calor trocada por um corpo, maior será sua variação de temperatura. Assim, a quantidade de calor (Q) e a variação de temperatura (Δθ) são diretamente proporcionais (ETAPA, 2010). Assim tem-se: Δθ [3.1] em que Δθ = θfinal – θinicial [3.2] A constante de proporcionalidade C é chamada de capacidade térmica do corpo. Ela mede a quantidade de calor necessária para que o corpo sofra uma variação unitária de temperatura (ETAPA, 2010). Para Q medido em caloria (cal) e Δθ em grau Celsius (°C), a unidade de C será caloria por grau Celsius (cal/°C) (ETAPA, 2010). Por outro lado, se dois corpos de mesmo material sofrem a mesma variação de temperatura, o de maior massa troca uma quantidade de calor maior, portanto (Q) é diretamente proporcional à massa (m): Δθ [3.3] A nova constante de proporcionalidade C é chamada de calor específico da substância que compõe o corpo. Ela mede a quantidade de calor necessária para que uma unidade de massa sofra uma variação unitária de temperatura (ETAPA, 2010). Dependendo das condições de temperatura e pressão, a matéria pode apresentar-se em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso (ETAPA, 2010). 39 3.3.2. Calor Latente Pode-se fazer um sistema mudar de estado físico adicionando ou retirando calor. A quantidade de calor (Q) trocada por um sistema em uma mudança de estado é diretamente proporcional à massa m que muda de estado. Então: [3.4] A constante de proporcionalidade L, calor latente da transformação, é medida em unidade de energia por unidade de massa caloria por grama (cal/g). Se a mudança de estado ocorre à pressão constante, a temperatura permanece constante e é característica para cada pressão (ETAPA, 2010). 3.4. Poder Calorífico A qualidade do bagaço para fins energéticos pode ser medida através do “Poder Calorífico”, ou seja, a quantidade de energia liberada na combustão completa de um combustível, sendo que todos os produtos da combustão são relacionados às condições normais de temperatura e pressão (CNTP), com temperatura a zero °C e pressão de 1,0 atm (absoluta). O poder calorífico para combustíveis sólidos pode ser expresso por diversas unidades de medida, sendo internacionalmente aceita em quiloJoule por quilograma (kJ/kg), ou em megaJoule por quilograma (MJ/kg). Normalmente, o setor sucroalcooleiro utiliza a unidade quilocalorias por quilograma (kcal/kg), sendo que 1,0 kcal/kg corresponde a 4,185 kJ/kg (ETAPA, 2010). O poder calorífico do bagaço pode variar em função de diversas condições, como a composição da matéria-prima entre locais e ao longo da safra, ou seja, variedade, estágio de maturação, idade, sistema de colheita, quantidades de impurezas vegetais e minerais, e das condições de trabalho, como nível de preparo da cana, sistema de extração do caldo (moenda ou difusor) e embebição. Entretanto, até o momento não foram detectadas diferenças significativas com relação ao “poder calorífico superior” (PCS) entre variedades, estágios de corte, bagaço proveniente de cana inteira ou cana picada, áreas com e sem aplicação de 40 vinhaça ou de áreas onde a cana recebe aplicação de maturadores químicos. Essa conclusão já havia sido comprovada em estudos similares na África do Sul (CTC, 2010). 3.4.1. Poder Calorífico Superior Denomina-se “Poder Calorífico Superior” (PCS) quando se considera o calor latente de vaporização da água formada pela reação de combustão durante a queima do combustível com o ar seco. Neste caso, a água gerada nos produtos da combustão é retirada na forma líquida a temperatura ambiente. O PCS pode ser medido precisamente utilizando uma bomba calorimétrica (Figura 3.1) a volume constante para combustíveis líquidos ou sólidos (ex. bagaço e palha de cana). Ex.: PCS bagaço (umidade=50%) = 9,1 MJ/kg (2170 kcal/kg) (CTC, 2010). Figura 3.1 – Calorímetro Fonte: CTC, 2010 3.4.2. Poder Calorífico Inferior O “Poder Calorífico Inferior” (PCI) é o resultado do PCS menos o calor latente formado pela água durante a combustão. Neste caso, considera-se a água gerada pelos produtos de combustão na forma de vapor. Em instalações industriais, a temperatura dos gases de saída em processos de combustão é maior que a temperatura de condensação da água na pressão atuante. Assim sendo, o PCI tem maior aplicação prática no dimensionamento e avaliação de equipamentos (CTC, 2010). 41 Tabela 2 – Materiais e seus poderes caloríficos inferiores Material PCI* Massa específica* kcal/kg MJ/kg kg/m³ Bagaço de Cana** 1,725 7,2 130 Etanol anidro 6,750 28,3 791 Etanol hidratado 6.300 26,4 809 Diesel 10,100 42,3 840 Gasolina auto 10,400 43,5 740 *Fonte: (BEN) Balanço EnergéticoNacional **Fonte: CTC, considerando-se bagaço com umidade de 50% na saída da moenda Fonte: CTC, 2010 3.4.3. Relação Pressão x Temperatura O estado físico (sólido, líquido, gás) em que uma substância se encontra depende basicamente das condições de pressão e temperatura. A Figura abaixo dá o diagrama (aproximado e sem escalas) para a água (CTC, 2010). Figura 3.2 – Diagrama Pressão x Temperatura de Água Fonte: MSPC, 2010 42 Mudanças de pressão e/ou temperatura e consequente troca de calor podem provocar as conhecidas mudanças de estado físico: de sólido para líquido ou vice-versa (fusão/solidificação), de sólido para gás ou vice-versa (sublimação/deposição), de líquido para gás ou vice-versa (vaporização/condensação) (MSPC, 2010). No diagrama, as linhas divisórias indicam condições de pressão e temperatura nas quais pode haver transição de estados e, portanto, os dois estados físicos podem coexistir (MSPC, 2010). O ponto triplo é a única condição de temperatura e pressão em que os três estados físicos podem coexistir (MSPC, 2010). Na transição líquido/vapor, a temperatura correspondente a cada pressão de acordo com a curva é denominada temperatura de saturação. Portanto, na temperatura de saturação ocorre o efeito do calor latente conforme tópico anterior. Para água, sob pressão normal, a temperatura de saturação é 100°C, que é a ebulição da água nessa condição (MSPC, 2010). A temperatura de saturação aumenta com a pressão, mas há um limite, denominado ponto crítico, acima do qual não há transição definida entre os dois estados (MSPC, 2010). As coordenadas do ponto crítico são, naturalmente, a pressão crítica e a temperatura crítica. Acima da temperatura crítica, um gás não pode ser liquefeito apenas com aumento de pressão. É também necessária uma redução de temperatura (MSPC, 2010). Comentam-se agora os termos gás e vapor. São o mesmo estado físico da substância e, muitas vezes, são empregados sem distinções. O termo vapor é em geral usado para o gás de uma substância que é líquida em condições normais de ambientes. A água é o exemplo comum. De forma mais técnica, vapor pode ser considerado o gás em temperatura inferior à crítica (MSPC, 2010). Vapor saturado é o vapor que se encontra no limite entre a temperatura de condensação ou evaporação. É a camada mais próxima da superfície líquida, encontra-se no limiar do estado líquido e gasoso. Vapor superaquecido é o vapor com temperatura acima da saturação, resultante do fornecimento de calor ao vapor saturado. 43 Tabela 3 – Relação Pressão x Temperatura Pressão Relativa Kgf/cm² Temperatura ºC 7,0 169,6 8,0 174,5 9,0 179,0 10,0 183,2 21,0 216,2 31,0 236,3 41,0 252,1 54,0 268,7 64,0 279,5 69,0 284,5 99,0 309,5 109,0 316,6 219,0 373,6 Fonte: MSPC, 2010 44 4. ESTUDO DE CASO Com o objetivo de compreender como se pode utilizar o Briquete em projetos de cogeração, foi desenvolvido um estudo de caso. Com as informações levantadas na revisão bibliográfica e na fundamentação teórica, pode-se elaborar o estudo de casos. A empresa estudada foi a usina Unialco S.A. 4.1. Descrição da Empresa A Unialco foi fundada em 21 de setembro de 1980, com recursos do Proalcool, no município de Guararapes/SP, região Noroeste do estado de São Paulo, onde predominava a pecuária de corte extensiva. Iniciou a produção do álcool hidratado em 1982. Moía apenas cana dos acionistas. Passada a crise do petróleo, o governo federal não definiu uma política que incentivasse os empresários a investirem no setor sucroalcooleiro. Esta indefinição durou até o ano de 1993. As alternativas eram fechar ou crescer. A Unialco adotou uma política de crescimento e passou a moer também cana própria. Em dezembro de 2000 a Unialco, comprou a Usina Alcoolvale S/A Álcool e Açúcar, situada no município de Aparecida do Taboado-MS. O Grupo Unialco gera no período de safra aproximadamente 4.700 empregos, sendo 2.400 empregos diretos, 500 terceirizados e 1.800 indiretos, gerando arrecadação de impostos de R$ 7.500.000,00 por ano. Sua capacidade de moagem é de 11.500 toneladas de cana por dia na Unialco e 6.200 toneladas na Alcoolvale. Na Unialco 60% de cana é própria e 40% cana de acionistas. A estratégia de crescimento da usina focou a expansão da área de cana que passou de 7.794 hectares (Ha) em 1.993 para 32.564,23 hectares (Ha) em 2.006. Na área agrícola, a empresa resolveu ampliar rapidamente a quantidade de cana a moer para o limite ajustado de sua capacidade. Este aumento se deu principalmente com cana própria da usina, em terras arrendadas. Com aumento da área plantada, e por conseqüência a redução da idade média do canavial, foi sensível o aumento do rendimento agrícola (toneladas por hectare), que atingiu 88,24 toneladas por hectares na safra 2006/2007. 45 Na área industrial a capacidade instalada de moagem passou de 3.335 toneladas por dia em 1993 para 10.500 toneladas por dia em 2006. Diversificaram-se os produtos, com início da produção do Xarope de Cana em 1996, Açúcar Cristal VHP em 1997, e Álcool Anidro em 2001. A Unialco é uma das 07 usinas do País a usar o desidratador monoetileno-glicol (MEG) no processo de fabricação do álcool hidratado, o que resulta num produto de qualidade superior e de baixa toxicidade. Figura 4.1 – Localização da Usina Os produtos comercializados pelo grupo/ empresa são: açúcar Cristal (VHP). álcool Anidro. álcool Hidratado. bagaço Hidrolisado. 46 4.2. Dados da Produção Com 2,7 milhões de toneladas de cana esmagada, a Unialco possui grande destaque no setor em sua região. A tabela a seguir mostra a evolução da produção da Usina em volumes de açúcar e álcool. Tabela 4 – Evolução da Produção Produto 05/06 06/07 07/08 08/09 Álcool (mil metros cúbicos [m³]) 80.34 81.55 78.18 82.43 Açúcar (mil toneladas [ton.]) 140,00 212,00 221,59 225,30 Massa de Cana Processada (toneladas) 3900 3940 3950 3960 Fonte: Usina Unialco, 2010 4.3. O Projeto A Unialco sempre produziu energia elétrica para seu consumo interno. No processo de produção de açúcar e álcool, toda energia consumida (mecânica, térmica, elétrica) provém da queima do bagaço de cana, gerado a partir da moagem da cana. Os novos processos de produção de vapor e consumo modernizam-se promovendo uma redução de consumo com consequente sobra de bagaço, que é usado em caldeiras de alta pressão como combustível, produzindo vapor, que acionará o funcionamento da usina. Com o processo de briquetagem, ter-se-á um bagaço com menor umidade, consequentemente uma produção maior de vapor, com uma quantidade de matéria prima usada, bagaço como combustível, em proporções menores. Com isso, é feito um estudo para analisar a viabilidade de uma instalação de uma usina de Briquete conjunta com a usina estudada. Para isso foram pesquisadas empresas especializadas em briquetes. Uma delas é a Briquetes São Carlos. 47 4.3.1. Principais Equipamentos A tabela a seguir apresenta características básicas dos principais equipamentos da instalação da usina. Tabela 5 – Principais Equipamentos da Instalação da Usina Equipamento Quantidade Características Caldeira 2 Capacidade: 240 t/h de vapor Pressão: 67 kgf/cm² Temperatura: 480ºC Turbina a Vapor 5 Potência: 30 MW Pressão de Alimentação: 50 kgf/cm² Pressão de extração: 21kgf/cm² e 1,5 kgf/cm² Gerador5 Potência: 38 MWA Tensão: 13,8 kV trifásico 60 Hz RPM:1800 Fator de potencia: 80% Transformador elevador 3 Elevação: 13,8 – 88 kV Potencia: 38 MVA Painéis elétricos 1 cj Cubículos de distribuição 13,8 kV, proteção, excitação e medição Fonte: Usina Unialco, 2010 48 Figura 4.2 – Painel do Gerador Fonte: Usina Unialco, 2010 Figura 4.3 – Conjunto Turbo Gerador Fonte: Usina Unialco, 2010 4.3.2. Quadro de Usos e Fontes O quadro de usos busca dar uma visão simples do custo total do projeto, dividindo o mesmo, em alguns principais itens, já o quadro de fontes tem a função de informar quais serão as origens do capital a ser investido no projeto. 49 Tabela 6 – Quadro de Usos e Fontes Usos (R$) Itens Realizado A Realizar Total Estudos, Projetos 25.000.000 1.500.00 26.500.000 Terrenos 10.000.000 - 10.000.000 Obras 65.000.000 2.000.00 67.000.000 Equipamentos Usina de Briquete 200.000.000 3.000.000 203.000.000 Capital de Giro 30.000.000 - 30.000.000 Materiais 20.000.000 1.500.000 21.500.000 Investimento Total 350.000.000 8.000.000 358.000.000 Fontes (R$) Itens Realizado A Realizar Total Recursos Próprios - - - Recursos do BNDES 150.000.000 8.000.000 158.000.000 FINEM indireto 150.000.000 - 150.000.000 FINAME 50.000.000 - 50.000.000 Total 350.000.000 8.000.000 358.000.000 Fonte: Usina Unialco, 2010 4.3.3. Orçamento do projeto O orçamento tem função de dar maior detalhe aos gastos do projeto, para que esse possa ser analisado por todos os interessados em investir, ajudando a dar maior transparência ao empreendimento. 50 Tabela 7 – Orçamento Item % do Total Custo R$ Total 1. Estudos e Projetos 1.8% R$144, 000.00 Usina de Briquete R$144, 000.00 2. Serviços 14.1% R$1, 128, 000.00 Usina de Briquete R$1, 128, 000.00 3. Material 16.4% R$1, 312, 000.00 Usina de Briquete R$1, 312, 000.00 4. Equipamentos Nacionais 67.7% R$5, 408, 000.00 Usina de Briquete R$5, 416, 000.00 Total Geral R$8, 000, 000.00 Fonte: BNDES, 2010 4.3.4. Cronograma do Projeto O cronograma é muito importante para que se possa fazer uma série de análises sobre o projeto. É através dele que são calculados os tempos de carência do empréstimo e através dele, que se torna possível analisar o andamento do projeto e buscar resolver eventuais problemas para que o mesmo seja implementado. Uma série de problemas pode ocorrer no caso de um projeto atrasar. Tabela 8 – Cronograma do Projeto Descrição Data 2010 1ºS 11 2ºS 11 1ºS 12 2ºS 12 Contrato com Empresa Dez/2010 Implantação da Usina Jan/11 a dez/12 Projeto Jan/11 a abr/11 Equipamentos Jun/11 a jul/11 Obras Civis Jul/11 a jan/12 Montagens Fev/12 a jun/12 Testes Jun/12 a dez/12 51 4.4. Detalhamento do Projeto Tomando como base uma caldeira com capacidade de 240 toneladas por hora de vapor, uma pressão de 67 quilogramas força por centímetro quadrado (kgf/cm²) e uma temperatura de até 480°C para fazer a queima do bagaço. De acordo com a Tabela 3 a uma pressão de 67 kgf/cm², a água entra em ebulição com aproximadamente 282°C. Geralmente a temperatura utilizada na alimentação da caldeira é de aproximadamente 65°C. Tendo como base, massa (m) igual a 1 grama de água, poder calorífico (C) igual a 1 cal/g e uma variação de temperatura ( ), 217°C, pode-se utilizar a fórmula [3.3] para calcular a quantidade de calor (Q) gasta, para transformar o estado da água de liquido para gasoso. Tem-se: Δθ [3.3] portanto, para transformar 1 g de água liquida em vapor, consome uma quantidade de calor (Q1) igual a 217 cal (cal). Na mudança de estado físico da água, emprega-se a fórmula [3.4] para o calculo de Q. Com massa (m) igual 1 grama, e calor latente (L) recebendo o valor de 540 cal/g (ETAPA, 2010). Tem-se: [3.4] Na mudança de estado físico, liquido-gasoso, são gastos uma quantidade de calor (Q2) de 540 cal. Para chegar a uma temperatura máxima da caldeira de 480ºC, onde a água já é gasosa utiliza-se a fórmula [3.3] novamente, para calcular Q3. Com m igual a 1, C assume o valor de 0,5 cal/g e valendo agora 198°C, a quantidade de calor gasta nessa passagem é de 99 cal. Para obter o valor da quantidade de calor total realizada nessa transformação, é feita a ΣQ = Q1 + Q2 + Q3, já calculados. Portanto ΣQ igual a 856 cal por grama de água utilizada na caldeira. 52 Para se produzir uma quantidade de calor de 1800cal, são necessários 1000g de bagaço comum. Para saber quantas gramas de bagaço serão utilizados por grama de água, faz-se uma regra de três, onde: 1000 g de bagaço 1800 calorias X g de bagaço 856 calorias Achando-se assim, para produzir uma quantidade de 856cal são necessários aproximadamente 476 g de bagaço por grama de água. Com o briquete, 1000 gramas produz uma quantidade de calor de 4700cal, por possuir poder calorífico 2,6 vezes maior que o bagaço comum (CTC, 2010). Efetuando a regra de três para o briquete, tem-se: 1000 g de briquete 4700 calorias Y g de briquete 856 calorias Assim, para produzir 856 cal, são necessárias aproximadamente 182 g/g de água. Para saber o melhor método, é feita a diferença entre o bagaço comum e o briquete: 476 g bagaço comum – 182 g briquete É gerada uma economia de 294 g de bagaço de cana-de-açúcar por grama de água. Para uma visão macroscópica desse consumo, analisa-se a quantidade economizada em toneladas. A caldeira tem uma produção de vapor de 240 t/h, para saber a economia de bagaço na caldeira, multiplica a economia em gramas de bagaço pela capacidade da caldeira: 294 * 240.000.000 totalizando uma economia de 70.560 t/h de bagaço. 53 CONCLUSÃO Baseando-se na análise bibliográfica, foi possível confirmar o quanto a biomassa da cana-de-açúcar tem se apresentado como ótima alternativa de geração de energia. Por ser uma das mais baratas do Brasil, tem tornado as usinas sucroalcooleiras auto suficientes em sua demanda de energia térmica, elétrica e mecânica, quando a adotam como combustíveis para o processo. No Brasil existe grande volume de resíduos agroindustriais de natureza ligno- celulósicos, mas ainda com baixo índice de aproveitamento. Esses resíduos estão concentrados nas regiões mais populosas do país, as quais também apresentam a maior demanda de energia. Além disso, é igualmente nessas regiões onde ocorre deficiência de lenha. Apesar de o Brasil ser um grande produtor de biomassa, a sua distribuição no território nacional é irregular. A técnica de compactação de resíduos para use energético ainda é pouco conhecida e pouco utilizada no Brasil. Os empresários ao tomarem conhecimento desta técnica mostram-se bastante surpresos a interessados. Com o estudo realizado nesse trabalho, pode-se ter uma ideia de que a nova tecnologia utilizada, a briquetagem, pode trazer muitos benefícios tanto em questões ambientais quanto econômicas. Uso de menor quantidade de matéria prima com o uso do briquete para produção da mesma quantidade de vapor comparada com a utilização de bagaço comum. Ocupação de menos espaço e gasto menor com transporte. O briquete tem um poder calorífico maior (2,6 vezes maior). Pode-se vender o briquete para terceiros (padarias, pizzarias, cerâmicas). A empresa pode lucrar com a sobra de bagaço ou com a venda do briquete.Para a realização do projeto tem-se duas opções: construir uma usina de briquete dentro da usina estudada ou melhorar os equipamentos existentes na usina, para venda do briquete com a sobra do bagaço. 54 REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE, A. G. Avaliação energética dos efluentes no processo industrial do álcool. 2005, 178f. Dissertação (Mestrado em hidráulica e Saneamento) – Escola de Engenharia de São Carlos - USP, São Carlos-SP. ANTUNES, R.C. Briquetagem de Carvão Vegetal: Produção e Utilização de Carvão Vegetal. Revista CETEC. Belo Horizonte, vol. 1, p. 197-206, 1982. BALESTIERI, J. A. P. Cogeração: geração combinada de eletricidade e calor. Florianópolis-SC: Editora da Universidade Federal de Santa Catarina, 2003. BEN. 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