UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PROCESSOS

DISCIPLINA: TECNOLOGIAS DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS

COGERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DA

BIOMASSA RESIDUAL DAS USINAS DE

PRODUÇÃO DE ETANOL

Santa Maria, setembro de 2015.

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1. INTRODUÇÃO

61,6%

18,1%

4,5%

8,9%

5,6% 1,3%

MATRIZ DE ENERGIA ELÉTRICA BRASILEIRA

Fonte: Aneel, 2015

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Fontes de Energia

Fonte: Aneel, 2015

4

Biomassa

Fonte: Aneel, 2015

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Produção de Cana de Açúcar – Safra 2015/2016

Fonte: Conab, 2015

O Brasil deverá produzir 655,16 milhões de toneladas de cana-de-açúcar nesta safra em cerca de 8,95 milhões de hectares.

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Cogeração – Aspectos Históricos

• Crise de petróleo Anos 70;

• Regulamentação do Decreto Lei nº. 1.872, 21/05/1981, permitia aos concessionários públicos de eletricidade adquirir energia elétrica excedente gerada por autoprodutores, a partir de combustíveis preferencialmente renováveis, sendo explorada pelo setor industrial, focado na auto-suficiência energética;

• Crise energética 2001;

• PROINFA, 2002.

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2. COGERAÇÃO

Cogeração é a produção simultânea e de forma sequenciada, de duas ou mais formas de energia a partir de um único combustível. O processo mais comum é a produção de eletricidade e energia térmica (COGEN, 2015).

VANTAGENS DA COGERAÇÃO

• Maior eficiência

• Aspectos ambientais – Menos emissões atmosféricas

– Menor consumo de combustível

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Os sistemas de cogeração são separados em dois grandes grupos de acordo com a sequência de utilização da energia nos sistemas termodinâmicos (Clemente, 2003):

• Configuração Topping: O combustível é queimado para a produção de energia elétrica ou mecânica, onde o calor rejeitado é recuperado para ser utilizado no sistema térmico, como aquecimento por exemplo. Esse modelo termodinâmico é mais difundido e possui um emprego mais amplo.

• Configuração Bottoming: A energia térmica presente nos gases proveniente de fornos, caldeiras e máquinas térmicas é aproveitada em caldeiras recuperadoras para gerar vapor. Esse vapor é utilizado para acionar turbo geradores para produzir energia mecânica.

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Configuração Topping

Fonte: Guimarães, 1998

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Configuração Bottoming

Fonte: Guimarães, 1998

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Os sistemas de potência operam em ciclos, podendo ser ciclos a gás ou a vapor.

No setor sucroalcooleiro utilizam-se principalmente os ciclos a vapor, em que o fluido de trabalho existe em uma parte do processo na fase

de vapor e em outra etapa na fase líquida.

Eficiência da cogeração está ligada diretamente ao rendimento das turbinas.

CICLO DE CARNOT

𝜂 = 1 −𝑇2𝑇1

2ª LEI DA TERMODINÂMICA Nenhuma máquina real é capaz de operar

com 100% de rendimento.

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CICLO RANKINE

Na turbina a vapor os combustíveis são consumidos em uma caldeira, usada para aquecer a água por combustão externa.

Fonte: Lobo (2013)

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Existem duas configurações fundamentais das turbinas a vapor (Prieto, 2003):

• Sistemas de Cogeração com Turbinas de Contrapressão

• Sistemas de Cogeração com Turbinas de Extração-Condensação

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PARÂMETROS DE PROJETO Fonte: Nova Cana (2015)

CONFIGURAÇÃO OTIMIZADA

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PARÂMETROS DE PROJETO Fonte: Nova Cana (2015)

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DADOS INTERESSANTES

1000 kg de cana de açúcar

• 170 kg Resíduos Colheita

• 430 kg Caldo

• 110 kg Açúcar

• 26 kg Mel Final

• 13 L ou 80 L Álcool

• 220 kg Bagaço

• 35 kg Torta de Filtro

• 156 L ou 1040 L Vinhaça

• 10 kg Cinzas

• 1.718 x 103 kcal

Fonte: Adaptado de Nova Cana (2015)

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EXEMPLO – CANABRAVA ENERGÉTICA Campos dos Goytacazes/RJ

CALDEIRA

• Tipo: Aquatubular Fuzi-Tec

• Produção de Vapor: 220 tvh

• Pressão vapor: 65 kgf/cm2

• Temperatura vapor: 480°C

• Consumo Específico: 2,21 kg vapor/kg bagaço

TURBINAS A VAPOR

Turbina 1

• Tipo: Contrapressão TEXAS TXM0406

• Potência Nominal: 6 MW

• Consumo Específico: 7,0 kg vapor/KWh

Turbina 2

• Tipo: Condensação/Extração SIEMENS

• Potência Nominal: 38 MW

• Consumo Específico: 4,5 kg vapor/KWh

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EXEMPLO – CANABRAVA ENERGÉTICA Campos dos Goytacazes/RJ

GERADORES ELÉTRICOS

Gerador 1

• Tipo: Síncrono ATB - GE Gevisa

• Frequência: 60 Hz

• Potência Nominal: 6 MW

• Voltagem: 13,8 (kV)

Gerador 2

• Tipo: Síncrono ATB - GE Gevisa

• Frequência: 60 Hz

• Potência Nominal: 38 MW

• Voltagem: 13,8 (kV)

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EXEMPLO – CANABRAVA ENERGÉTICA Campos dos Goytacazes/RJ

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CENÁRIOS FUTUROS

• Grande potencial de crescimento

• As usinas aguardam remunerações mais atraentes

• Alguns entraves ainda dificultam a comercialização de energia proveniente de biomassa.

• PESQUISAS

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REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL. Banco de Informações de Geração. Disponível em: www.aneel.gov.br. Acessado em: 09 de setembro de 2015.

ASSOCIAÇÃO DA INDÚSTRIA DE COGERAÇÃO DE ENERGIA – COGEN. Conceito e Tecnologias. Disponível em: http://www.cogen.com.br/cog_conceito.asp Acessado em 09 de setembro de 2015.

CANABRAVA ENERGÉTICA. Mecanismo de Desenvolvimento Limpo – Documento de Concepção de Projeto. Disponível em: http://www.usinacanabrava.com.br/ Acessado em 09 de setembro de 2015.

CLEMENTE, Leonardo. Avaliação dos resultados financeiros e riscos associados de uma típica usina de co-geração sucro-alcooleira. Trabalho de Conclusão do Curso de Especialização em Planejamento, Operação e Comercialização na Indústria de Energia Elétrica, da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2003.

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COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO - CONAB. Acompanhamento da Safra Brasileira: Cana de Açúcar. Brasília: CONAB, 2015.

GUIMARÃES, Edison Tito. Sistemas de Cogeração. In: SEMINÁRIO INTERNACIONAL DE CO-GERAÇÃO E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA, 1998. Anais... Rio de Janeiro: INEE, 1998. CD-ROM.

LOBO, Camila da Silva. A importância da cogeração utilizando bagaço de cana-de-açúcar como forma de diversificação da matriz elétrica. Monografia do Curso de Engenharia Elétrica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013.

NOVA CANA. Cogeração: como funciona a produção de energia elétrica numa usina sucroalcooleira. Disponível em: http://www.novacana.com/usina/cogeracao-como-funciona-producao-energia-eletrica/ Acessado em 10 de setembro de 2015.

PRIETO, Mario Gabriel Sánchez. Alternativas de Cogeração na Industria Sucro-Alcooleira, Estudo de Caso. Tese apresentada para o título de Doutor em Engenharia Mecânica, da Universidade Estadual de Campinas, 2003.

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL. Banco de Informações de Geração. Disponível em: www.aneel.gov.br. Acessado em: 09 de setembro de 2015.

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CANABRAVA ENERGÉTICA. Mecanismo de Desenvolvimento Limpo – Documento de Concepção de Projeto. Disponível em: http://www.usinacanabrava.com.br/ Acessado em 09 de setembro de 2015.

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COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO - CONAB. Acompanhamento da Safra Brasileira: Cana de Açúcar. Brasília: CONAB, 2015.

GUIMARÃES, Edison Tito. Sistemas de Cogeração. In: SEMINÁRIO INTERNACIONAL DE CO-GERAÇÃO E GERAÇÃO DISTRIBUÍDA, 1998. Anais... Rio de Janeiro: INEE, 1998. CD-ROM.

LOBO, Camila da Silva. A importância da cogeração utilizando bagaço de cana-de-açúcar como forma de diversificação da matriz elétrica. Monografia do Curso de Engenharia Elétrica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013.

NOVA CANA. Cogeração: como funciona a produção de energia elétrica numa usina sucroalcooleira. Disponível em: http://www.novacana.com/usina/cogeracao-como-funciona-producao-energia-eletrica/ Acessado em 10 de setembro de 2015.

PRIETO, Mario Gabriel Sánchez. Alternativas de Cogeração na Industria Sucro-Alcooleira, Estudo de Caso. Tese apresentada para o título de Doutor em Engenharia Mecânica, da Universidade Estadual de Campinas, 2003.