PRODUÇÃO DE VAPOR E
ELETRICIDADE – A EVOLUÇÃO
DO SETOR SUCROALCOOLEIRO
II GERA: Workshop de Gestão de Energia e
Resíduos na Agroindustria Sucroalcooleira
FZEA - USP
Pirassununga, 12 de junho de 2007
Helcio M. Lamonica
Divulgação Livre – Divulgar a Fonte
Centro de Tecnologia Canavieira
•
•
•
Em 2004 a Copersucar abriu para o mercado
nacional o seu Centro de Tecnologia,
constituindo o Centro de Tecnologia Canavieira.
O Centro de Tecnologia Canavieira - CTC é
voltado a P&D de tecnologias para a produção e
transformação da cana-de-açúcar.
Atualmente mais de 159 associados compõem o
novo CTC, representando 50% da produção total
do Brasil.
Base: Atualizado em junho/2007
Fabricação de Açúcar e Álcool
Matéria Prima
• Cana-de-açúcar
Tabela 1 - Composição média da cana-de-açúcar.
Composição
Água
Açúcares
Fibras
Sólidos solúveis
Teor (%)
65 - 75
11 - 18
8 - 14
12 - 23
Fluxograma Geral do Processo
FL UXOGRAMA DE PROCESSO - AÇÚCAR E ÁL COOL
AÇÚCAR
ÁL COOL ETÍL ICO
Uso da Energia na Usina
Energia Consumida na Usina
• Usina necessita de duas formas básicas de
energia:
– Eletromecânica (acionamentos, iluminação, etc.)
– Térmica (aquecimento, evaporação, cozimento,
etc.)
Como obter esta energia ?
No Passado (antes 1980)
• Energia eletromecânica obtida comprando-se
energia elétrica da rede pública
• Energia térmica obtida com a combustão de
combustível fóssil ou lenha para geração de
vapor d’água a baixa pressão
Portanto a usina tinha que comprar a energia
necessária ao seu processo
Avaliação Caldeiras – CTC - 1981
Grupo A
Grupo B
Grupo C
10 a 19,
SAT
22, SAT
22, 280
Eficiência %
66
70
78
% total
33
24
43
P bar, T ºC
Atualmente (após 1980)
• Usina obtém toda energia térmica e
eletromecânica a partir da combustão do
bagaço.
• Como ?
– Gera vapor a uma pressão superior a necessária no
processo
– Este vapor é expandido em turbinas a vapor sendo
convertido em energia mecânica/elétrica
– O calor rejeitado no escape das turbinas fornece a
energia térmica necessária ao processo
Portanto é auto-suficiente em energia ☺
Isto é COGERAÇÃO de energia !
• Cogeração é a obtenção, integrada, de mais de
uma forma de energia a partir de um único
combustível
Cenário Médio (22 bar)
• Pressão de operação: 22 bar / 300 °C
• Auto-suficiente em energia térmica e elétrica
– Consumo de energia eletromecânica:
– Consumo de energia térmica:
28 kWh/tc
330 kWh/tc
(equivalente a 500 kg vapor / tc)
– Sobra de bagaço:
– Não utiliza palha
7%
Distribuição de Energia na Usina 22 bar
Bagaço Excedente
41 kWh/tc (7%)
Bagaço
Total
580 kWh/tc
(100%)
Bagaço
Consumido
477 kWh/tc
(83%)
Bagaço Reserva
62 kWh/tc (10%)
Perdas
119 kWh/tc
(21%)
Energia Térmica
Processo
330 kWh/tc (57%)
Energia
Eletromecânica
28 kWh/tc (5%)
Relação Potência / Calor 0,085
Fluxograma –22 bar
Operação só na safra
Sobra bagaço
Exportação
máx E.E. 10 kWh/tc
Otimizado
Bagaço
Vapor 22 bar
TG – Contrapressão
Caldeira
Turbinas AM
Vapor 2,5 bar
Processo
Potencial de Geração de Energia
Elétrica do Setor
Produção de Cana-de-açúcar - Brasil
400
380
360
340
Mt
320
300
280
260
240
220
90
/9
91 1
/9
92 2
/9
93 3
/9
94 4
/9
95 5
/9
96 6
/9
97 7
/9
98 8
/9
99 9
/0
00 0
/0
01 1
/0
02 2
/0
03 3
/0
04 4
/0
05 5
/0
6
200
Fonte: www.unica.com.br, 11/06/2007
Áreas Cultivadas – Cana-de-açúcar
Fonte: Sordi, R. CTC - 2005
Cana-de-açúcar na Região Centro-sul
Sensoriamento remoto – imagens de satélite
Fonte: Sordi, R. CTC - 2005
Imagem de Satélite
Índice de Vegetação (NDVI)
Cana
FOLHAS VERDES
PONTEIRO
COLMO
FOLHAS SECAS
Energia da Cana
1 TON DE CANA (COLMOS)
• 140 kg de açúcar
• 280 kg de bagaço (50% umidade)
• 280 kg de palha (50% umidade)
TOTAL
Energia (MJ)
2 300
2 500
2 500
7 300 (0.174 tep)
386,6 milhões de toneladas de cana (05/06) 67 106 tep/ano
Produção de energia primária no Brasil: 200 106 tep/ano
Fontes: Unica e MME BEN 2006 – ano base 2005
Alternativas de Aproveitamento
Energético
• Açúcar
Álcool
• Fibra
Energia Elétrica e/ou Álcool
Balanço Energético da Produção e
Processamento da Cana
Fluxos Externos de Energia
Valores Médios
Agricultura
Indústria
Etanol produzido
Excedente de bagaço
Totais
Produção/Consumo
Consumo Produção
MJ/tc
MJ/tc
202
49
1 919
168
251
2 087
8,3
Nota: Etanol de milho = 1,3 (USDA, 2002)
Atualização – outubro 2003
Como aumentar a Exportação de
Energia Elétrica em Cogeração ?
•
•
•
•
Aumentar a eficiência das turbinas a vapor
Substituir turbinas a vapor por motores elétricos
Aumentar a pressão do vapor vivo
Uso de turbinas de extração e contrapressão
Convencional – Cogeração Safra
Operação só na safra
Sobra bagaço
Exportação
máx E.E. 40 kWh/tc
Vapor 82 bar
TG – Extração e
contrapressão
Vapor 22 bar
Bagaço
Caldeira
Turbinas AM
Vapor 2,5 bar
Processo
Evolução da Exportação de Energia
Elétrica do Setor na Área da CPFL
GWh/year
6.1% do mercado da CPFL
1400
800
Programa de cogeração da CPFL
360
1992
1993
2003
1991
2002
1990
2001
1989
2000
1988
1999
27
100
1998
26
90
1997
17
70
1996
7
57
1995
10
52
1994
3
49
1987
190
113
~ 80% das Usinas do estado de São Paulo estão na área da CPFL; o estado de São Paulo produz
~ 60% da produção Brasileira de cana.
Fonte:Xavier, B. (2004). “Histórico da co-geração com biomassa na CPFL”
Exportação E.E. Centro-Sul – 2006/07
GWh / safra
Excedente de Energia Gerado por 37%
das usinas
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
2005/2006
Fonte: CMAI – CTC, 2007
2006/2007
Exportação E.E. Centro-Sul – 2006/07
Excedente de Energia Gerado por 37% das usinas
MWmédios / mês
2005/2006
2006/2007
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Abril
Junho
Agosto
Fonte: CMAI – CTC, 2007
Outubro
Dezembro
Geração de Grandes Excedentes
• Caldeiras de alta pressão
• Turbogeradores de extração e condensação
• Exportação de E.E. ano todo (safra e entresafra)
• Utilizar outros ciclos térmicos (gaseificação/
ciclo combinado)
• Reduzir consumo de vapor do processo
• Obter combustível complementar
Uso da Palha da Cana-de-açúcar
Disponibilidade de Palha
• Produtividade média da cana: 82,4 t/ha
• Palha disponível (base seca): 11,5 t/ha
• Palha % de cana (base seca): 14%
Obs.: Valores médios para as variedades plantadas no Brasil
Cana de ano e meio (média de 5 cortes)
Atualização – outubro 2003
Convencional – Condensação
Exportação
E.E. 100 kWh/tc
Vapor 82 bar
Vapor 22 bar
TG – Extração e
condensação
Turbinas
AM
Bagaço
Palha
Caldeira
Condensador
Vapor 2,5 bar
Processo
Torre de
resfriamento
BIG/GT – ano todo
Sistema de
Gaseificação
e Limpeza
de Gás
Gás limpo
Bagaço
Palha
Exportação
E.E. 300 kWh/tc
Vapor 22 bar
Vapor 82 bar
Caldeira de
recuperação de
calor
TG – Extração e
condensação
Turbinas
AM
Condensador
TG a gás
Torre de
resfriamento
Vapor 2,5 bar
Processo
Alternativas de Geração em Usinas
Tecnologia
22bar-300C
TG
Contrapressão
80bar-480C
TG
Contrapressão
Consumo
Operação Processo
kgv/tc
Safra
Safra
Excedente
Energia
kWh/tc
GWh
MW
%
Consumo
Brasil
500
0 – 10
3 600
900
1
500
40 – 60
22 000
5 500
6
Potencial Brasil
80bar-480C
TG
Condensação
Ano todo
340
100 – 150
54 000
7 200
16
BIG/GT
Ano todo
< 340
200 - 300
110 000
14 500
32
Obs.:
Consumo residencial médio 150 kWh/mês
Consumo nacional de energia elétrica 342 10³ GWh/ano (BEN 2004)
Moagem anual de 360 milhões de toneladas de cana
Aspectos Econômicos – 1 t de cana
R$
80 l álcool (R$ 0,70 / l)
56
50 a 150 kWh (R$ 100 / MWh)
5 a 15
25 a 75 kg CO2 evitado (R$ 15 / t CO2)
0,40 a 1,20
Usina Moderna
• Eletrificação de acionamentos
• Redução do consumo de vapor de processo
• Colheita de cana sem queimar com recolhimento de
palha
• Produção de biodiesel
• Uso do biogás
• Uso do gás natural
• Outros produtos
Obrigado !
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Composição do Gás do BIG
C2H4
1%
CH4
4%
CO
15 %
CO2
14 %
H2
12 %
H2O
6%
N2
48 %
PCI – 5,1 MJ/Nm3
% em volume base seca
Fluxograma Básico
Sistema de Gaseificação
Resfriador
Gaseificador Craqueador
Bagaço
Palha
Secador
Lavador
de
Gases
Gás
Filtro
Gases de escape
da caldeira de recuperação
Gás limpo
para a turbina
a gás
BIG/GT - Integrado Usina
Gaseificador
Gás
Ar
Palha
Bagaço
Bagaço
Palha
Secador
G
Turbina a gás
Gás exausto
Consumo:
37 t bag/h (U 50%)
Produção:
16 MW + 72 tv/h - 22 bar / 300 C
Caldeira de Recuperação
Vapor para
Usina
Água