Nucleo de Excelência emGeração Termelétrica e

Distribuída

UNIFEI-Brasil

Cogeneración y generación de

electricidad em la industria azucarera

Electo Eduardo Silva Lora

Cursosde superación

Modelación de procesos y sistemas

Diagnostico de Centrales

Termoelectricas

Entrenamiento operadores CTE

Microturbinasde gas

Energia de la biomasa

Células de combustíble

Cogeneración y trigeneración

Motores Stirling

Control de poluentes

Células SOFCGasificación de biomasa

Motores StirlingMicroturbinas de gas

Ciclo a vapor 80 kWe Simulador para entrenamientode operadores

de centrales termoeléctricas

Laboratório de simulación de sistemas y procesos térmicos

INTRODUCCIÓN A LA COGERACIÓN

Sistemas de cogeneracion son aquellos enque se realiza, simultaneamente, y ensecuencia, la generación de energia elétrica o mecánica y de energia térmica (calor de proceso y/o frio), a partir de la quema de uncombustible.

Economia de energia durante la cogeneración

C. Termica42%

Caldera90%

Generaciónconvencional Cogeneracion

Electricidad35%

Calor55%

100

Comb

Total100

Economia energia = (144 - 100)144 = 30%

35

55

electricidad

calor

83

61

Comb

Total144

Fundamentos de la cogeración en la indústria

azucarera

Histórico en Brasil

Oportunidades de generación de eletricidad en el setor de azúcar y alcohol

Existen en Brasil 320 fábricas de azúcar y alcohol, que processan 357,50 millones de toneladas de caña por año, generando 94,4 millones de toneladas de bagazo. El potencial técnico de generación de electricidad excedente en el sector de azúcar y alcohol utilizando ciclos a vapor con altos parámetros es de 3,85 GW (aprovechando el 40 % de la paja existente). Otros estudios mencionan un rango entre 6,0-8,0 GW. En el año 2002 fueron disponibilizados para el sistema eléctrico 619 MW. En el 2022 la potencia instalada pronosticada es de 5,8 GW y la generación de electricidad excedente 30 TWh (MME, 2002).

Indicadores de eficiencia energética de un central azucarero

Cvapor- Consumo específico de vapor en el proceso, expresado en kg de vapor consumidos en el proceso de fabricación por cada tonelada de caña molida (kg/tc). Otra forma de expresar el consumo de vapor es como “por ciento de vapor en caña”.

Ig.exc.- Índice específico de generación de electricidad excedente, expresado en kWh de electricidad excedente (no es considerado el consumo propio del central) por tonelada de caña molida (kWh/tc).

Ig.v- Índice de generación de vapor- representa los quilogramos de vapor generados en la caldera por cada kg de bagazo utilizado como combustible (kg de vapor / kg de bagazo).

- Central azucarero típico- 550 kgv/tc, 20 kWh/tc de electricidad.

- Fábricas modernas - 350 kgv/tc y 50 kWh/tc (50 TWh elect. excedente en el mundo).

- Centrales de Hawai- 60 kWh/tc(valormedio), algunos 100 kWh/tc o más.

Tecnologias de cogeneración en la industria de azúcar y álcohol

Ciclo a vapor con turbina de contrapresión(convencional y más difundido)Ciclo a vapor con turbina de condensaciónextraccion con altos parámetros del vapor (40-80 bars) (tecnologia comercial moderna y eficiente)Ciclo combinado con gasificacion del bagazo y ciclo combinado con TG e TV (tecnologia avanzadaen etapa de demonstración)

P = 0,25 MPa

TV ( geração elétrica): Vazão = 43,9 t/hW = 3,4 MW

TV ( acionamento mecânico):Vazão = 60 t/hW = 3,6 MW

P = 2,1 MPaT = 300 oC

Bagaço Umidade = 50 % (base úmida)

PROCESSO DEFABRICAÇÃO

Esquema de cogeneracióncon turbina de contrapresión

Esquema de cogeneración con turbinade condensación con extracciones

21,86 t/h44,6 t/h

P = 0,25 MPa

TV ( extração/condensação): W = 16,7 MW

TV ( acionamentomecânico):Vazão = 55,4 t/hW = 3,6 MW

P = 8,0 MPaT = 450 oC

Bagaço Umidade = 50 %(base úmida)

PROCESSO DE FABRICAÇÃO

Caldeira APU-70-7GI-PSE para bagazo de caña fabricada por la empresa CALDEMA Equipamentos Industriais Ltda.

Estudio general de la cogeneración en la industria

azucarera

Sistemas TV-CP y TV-2E

Indicadores técnico-económicos de lossistemas TV-CP y TV-2E

Esquema simplificado de un sistema BIG/BT

Balance de energia de sistemas TCE y BIG/GT

El costo de generación

Análisis termodinámica(exergo-económica) de

sistemas de cogeneración en la industria de azucar y

alcohol

Datos y parámetros del central analizado

4.320.000 toneladas de caña;300.000 toneladas de azucar;112.000 metros cúbicos de alcohol (anidro+hidradato).

Bagazo disponíble: 280 t/h;Consumo de vapor de proceso: 540 kgv/tc a 2,47 bar y 128°C;Parámetros de vapor en la refinaria: 11 bar @ 180°C ;Consumo de eletricidad: 13.000 kW (13,00 kWh/tc);Consumo de energia mecánica (molinos, etc): 17.000 kW (17,00 kWh/tc);Excedente generado: 30.000 kW (30,00 kWh/tc) a 13,8 kV;Productividad industrial: 69,44 kg de azucar por tc; 25,93 litros de alcohol por tc;

Esquema da Planta de Cogeração no Gate Cycle : Caso Base

Processo

Refino

63 bar abs. @ 480°C

33 bar abs. @ 320°C

T.G 40 MW

T.G 15 MW

G.V n°: 122 bar abs. @ 300°C

11 bar abs.

2,47 bar abs.

22 bar abs.

22 bar abs.

G.V n°: 5

G.V n°: 4 G.V n°: 2

Bomba 1

Bomba 2

Bomba 3

***

***

2,47 bar abs.

180°C

128°C

Bomba circulação

* Tandem I ** Tandem II *** Tandem III

Caso Base B1 B2 C1 C2

Caldera: 22 bar (abs) @ 300°C SIM

Caldera: 33 bar (abs) @ 320°C SIM

Caldera: 63 bar (abs) @ 480°C SIM SIM SIM

Caldera: 82 bar (abs) @ 520°C SIM SIM

TVCP Contra-Presión 40 MW SIM

TVCP Contra-Presión 15 MW SIM

TVCE Extraçción/Condensación100 MW SIM SIM SIM SIM

Consumo de vapor 540 kgv/tc SIM SIM SIM

Consumo de vapor 480 kgv/tc SIM SIM

Maximización de la Generación de PotenciaEscenários propuestos para la evaluación

Resumen de los Critérios de Eficiencia

Cenário FUE[%]

FESR[%]

ηexerg[%]

Ie.exced.m[kWh/tc]

Atual 82,20 13,73 22,69 30,00

B1 80,73 18,28 25,85 71,81

B2 78,16 16,74 25,01 73,81

C1 82,07 20,78 27,19 83,61

C2 79,53 19,37 26,35 85,60

A Primeira Ley lleva a un resultado “confuso”

Sobrevalorización de la Energia Térmica

Evaluación Exergoeconómica

Unidade Produtiva Insumo (I) Produto

(P)

G.V Bbagaço B1-B12

B+M.E B8 B12-B11

T.G B1-B2-B5-B9 B7

Tandem B2-B4 B3

Processo m5.(b5-b10)+m4(b4-b10) B14

Estructura Física

Base para laconstrucción de la

Estructura Productiva de la planta.

Estructura Productiva

Producto → Insumo

Bagazo En. Eléctrica

En. Mecánica

Calor de Proceso

Unidades Equações

G.V C1.B1 = ZG.V+Ccomb.

J1 C3.B3 – (C2.B2+C1.B1) = 0

B C2.B2 – C6.B6a = ZB

S1 C4.(B4a+B4b+B4c) – C3.B3 = 0

T.G.C.E C5.B5 – C4.B4a = ZT.G.C.E

S3 C6.(B6a+B6b+B6c) – C5.B5 = 0

Tandem C7.B7 – C4.B4b = Ztandem

S2 C8.B8 – C4.B4c = 0

Todo Insumo que entra en laplanta se refleja en los costos

finales de los produtos

La Exergoeconomia permite DISTRIBUIR / acompañar

el proceso de FORMACIÓN de los costos !!

Costo exergético de la energía, R$/MWh

64,24

54,07 53,98 53,93 53,97

85,5280,88 80,86 83,19 83,16

22,7819,07 19,76 20,34 21,05

0

20

40

60

80

100

A B1 B2 C1 C2

Cenários analisados

Cus

to e

spec

ífico

da

ener

gia

prod

uzid

a [R

$/M

Wh]

Energia Elétrica Gerada Energia Mecânica Produzida Calor Processo

La electrificación de losmolinos y la cogeneración

La cogeración y la electrificación de los molinos

Central A, de pequeño porte y com un sistema de cogeneración no modernizado;

Central B, de grande porte y com un sistema de cogeneración no-modernizado

Central C, de gran porte com sistema de cogeraçãoparcialmente modernizado.

Los critérios pequeño y grande porte se refieren a lascapacidades de molienda de respectivamente 375 ton/h y 900 ton/h.

Datos básicos de los sistemas de cogeneración

de los centrales analizadosCentral A Central B Central C

Capacidad de Molienda [ton/h] 375 900 900Generación de Vapor [ton/h] 1 190 157; 324 180; 300

Parámetros de Vapor [bar abs @ °C] 1 22 @ 300 43 @ 400; 22 @ 305

66 @ 520; 43 @ 400

Número de Calderas 1 3 1; 4 1; 2Consumo de Vapor de Proceso [ton/h] 1 190 445; 31 354; 19Presión Vapor Proceso [bar abs] 1 2,3 2,5; 22 2,5; 22Producción de Electricidad [MW] 2 5,10 / 0,00 24,40 / 1,05 58,50 / 32,50Producción de Trabajo Mecánico [MW] 2 4,90 / 0,00 16,00 / 0,00 12,28 / 0,98

Exportación de Electricidad [MW] 2 0,00 / 0,00 11,09 / 0,00 42,40 / 28,00

Consumo de Bagazo [ton/h] 2 83 / 0 210 / 12 227 / 67Accionamento de la Preparación y

Extracción 3 TSE Parte TSE e TME

Parte TSE, TME e ME

Turbinas para Producción de Eletricidade 1,4 CP CP TCES; CP

Configuraciones del central A

Para el central A fueron consideradas lassiguientes configuraciones:AE – Electrificación, generación de vapor a 22 bar abs, instalación de TCE de 19 MW;AMP – Electrificación, generación de vapor a 22; 38 bar abs, instalación de TCE de 22,5 MW;AAP – Electrificación, generación de vapor a 66 bar abs, instalación de TCE de 36,5 MW;AEAP – Electrificación, generación de vapor a 82 bar abs, instalación de TCES de 40 MW.

Configuración AB – Central A caso base (GATE-CYCLE)

Configuración AAP – Central A electrificada / altos parámetros de vapor

(GATE-CYCLE)

Eficiencia da generación de potencia mecánica para la variante A

Ig.exc.- Índice específico de generación de electricidad excedente para la variante A

Balance de Energia (Diagrama de Sankey) del Central A con configuración AB e AAP.

Comentários sobre los diagramas de Sankey

El flujo D (eletricidad excedente) va desde2,98 unidades en el caso AB hasta 16,15 unidades en el caso AAP.

Cuando se utiliza una turbina de condensación con extracciones en el casoAAP no se necessita de una válvula de reducción de presión (Flujo VII en el casoAB).

Tasa interna de retorno para las variantes analisadas

Costo limite de la tonelada de bagazo para cada configuración propuesta

Eficiencia en calderas en sistemas de cogeneración

DrumFurnace

Primary air heater IIIEconomizer

Superheater

Secondary air heater I

Primary air heater IIPrimary air heater I

Forced draft fan

Forced draft fan

Induced draft fan

Forced draft fan

Secondary air heater II

Main bank

Relación entre la eficiencia de la caldera y la temperatura de los gases de escape

Temperatura óptima de los gases de escape en calderas para centrales con cogeración

(I) (II)

• Abordaje I (precio del bagazo 30 R$/t) : 155 oC• Abordaje II (precio de la eletricidad): 120-130 oC

Impactos ambientales de la cogeneración en la industria

de azucar y alcohol

Impactos ambientales: NOx

y = 39,096Ln(x) + 189,09R2 = 0,5546

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

Excesso de ar

NOx [ppm]

Impactos ambientales: dispersión NOx

Impactos ambientales: Comparacion con las normas NOx

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5000 10000 15000 20000 25000

Distância (m)

Con

cent

raçã

o ( µ

g/m

3 )

NOx

NO2

Padrão CONAMA [3]

Padrão OMS [4]

Abordagem 2 (NO2 = fj . NOx)

CONCLUSIONES

El costo de generación disminuye con el aumento de la capacidad de molienda del central, presenta un mínimo para un valor del consumo de vapor de 450 kg/tc y varia muy poco al pasar la presión del vapor de 60 para 80 bars.

La metodologia de análisis exergo-economica permite la determinación de los costos del vapor, trabajo mecánico y electricidad. Los menores valores observados fueron 53.93, 83.15 y 20.34 R$/MWh respectivamente,

Existe un potencial técnico significativo de expansión de la generación en el setor de azucar y alcohol através de la eletrificación de los molinos en conjunto con turbinas de condensación con extracciones en el rango de parámetros 66 bar / 520 ºC y 82 bar / 540 ºC.

CONCLUSIONESLa implementación de la eletrificación debe ser realizadasimultaneamente con la instalación de turbinas de extracción/condensación (Mayor eficiencia de generación -TCE y uso de la energia – motores elétricos).

La comercialización de los créditos de carbono contribuye con aproximadamente el 10% del valor obtenido por la venta de eletricidad y entre 15 - 80% de la tasa interna de retorno de la inversión.

En aplicaciones de cogeneración la temperatura optima de losgases de escape en calderas debe estar en el rango de 120-130 oC, lo que corrresponde a una eficiencia de 88-89 %.

La emisión de óxidos de nitrógeno en calderas para bagazodepende principalmente del exceso de aire, factor este quepuede ser utilizado para la prevencion de la formación de losmesmos.