PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG
Universidade Federal de Uberlândia
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DA BIOMASSA DA CANA
DE AÇÚCAR
Renato Francisco Faustino1
Universidade Federal de Uberlândia- Av. Engenheiro Diniz, 1178 , Uberlândia Minas Gerais – Brasil
[email protected]
José Roberto Camacho2
Universidade Federal de Uberlândia- Av. Engenheiro Diniz, 1178 , Uberlândia Minas Gerais – Brasil
[email protected]
Resumo: O desenvolvimento tecnológico e econômico de um país cresce na mesma
proporção da energia elétrica produzida, como o Brasil é um país em desenvolvido, a sempre a
necessidade do aumento da demanda de energia Elétrica. O Brasil, um país que produz 95 % de
energia elétrica através de usinas hidrelétricas, poderá ter daqui a alguns anos, sérios problemas
em relação ao abastecimento de energia. Já que existe a previsão de um crescimento econômico
elevado e conseqüente deficiência de energia, ou seja, podendo gerar prejuízos e instabilidade
econômica, sendo assim é vital desenvolver novas alternativas de energia e melhorar as já
existentes.
Este trabalho apresenta um projeto de cogeração de uma usina de açúcar e álcool típica do
Brasil e a partir dessa são feitos estudos para que o projeto seja modificado com a finalidade de
aumentar o rendimento do ciclo de vapor e como conseqüência a geração de energia elétrica.
Esses estudos são de ligação direta com a engenharia mecânica, elétrica e química. Os estudos de
casos mencionados são feitos análises de investimentos para que o retorno financeiro seja
avaliado.
Palavras-chave: cogeração, biomassa da cana de açúcar, turbina a vapor, caldeira,
gerador elétrico.
1
2
Graduando em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia .
Professor titular da Faculdade de Eng. Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia- PhD em Engenharia Elétrica.
1
1.
INTRODUÇÃO
Primeiramente será definido um projeto de cogeração da indústria sucroalcooleira (figura1).
A cana de açúcar é colhida e levada às usinas através de caminhões, sendo estocada ou enviada
imediatamente às mesas alimentadoras, onde serão lavadas para a retirada de terra, areia e outras
matérias estranhas. A mesa alimentadora também tem a função de controlar a quantidade de cana
que é transferida para o setor de preparo, e esse por sua vez tem a finalidade de aumentar a
densidade e, conseqüentemente a capacidade de moagem. Depois do preparo a cana picada e
desfibrada é levada as moendas que consiste em retirar o caldo através de conjuntos de rolos, um
objetivo secundário da moagem, porém importante, é a produção de um bagaço final em condições
de propiciar uma queima rápida nas caldeiras. Nas caldeiras gera-se vapor superaquecido que é
fornecido à turbina e diretamente para produção dos derivados do caldo, onde a ultima a pressão é
rebaixada através das válvulas redutoras de fabricação, geralmente usada em caso de emergência.
Na turbina há transformação de energia térmica em energia mecânica em que a ultima é
usada para alimentar bombas, moenda e os geradores elétricos. Na própria turbina, o vapor é
direcionado a produção de açúcar e álcool e outra parte do vapor são condensadas nas superfícies
dos tubos do condensador, sendo o calor latente removido utilizando água de resfriamento de uma
fonte fria, que é levada ao condensador pelas bombas de circulação. O condensado, logo após as
bombas de condensado, passa pelo aquecedor de baixa pressão, o desaereador, a bomba de
alimentação e os aquecedores de alta pressão, retornando de novo para a caldeira, a fim de fechar o
ciclo. A eletricidade produzida nos geradores é convertida para tensão requerida pelo consumidor
através dos transformadores e transmitidas para eles através das linhas de transmissão.
Figura 1: Definição de um projeto de cogeração
2
2.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DE UM PROJETO DE COGERAÇÃO DE
UMA USINA SUCROALCOOLEIRA
Figura 2: Diagrama padrão de sistema de cogeração das maiorias das usinas sucroalcooleiro
do Brasil
3
2.1 Caldeira
A caldeira queima biomassa gerando vapor superaquecido. Segue na figura 3, o esquema de
controle da caldeira seguindo da aplicação dos balaços de massa e energia.
Figura 3: Esquema do volume de controle da caldeira para o balanço de energia
.

m 4  m5
(1)



QF  m 4 h4  m 5 h5  0
(2)
2.2 Turbina de contrapressão
A turbina a vapor transforma a energia térmica em mecânica para posteriormente
transformá-la em energia elétrica e o vapor de escape segue para o processo. Segue abaixo o
volume de controle da turbina de contrapressão seguido dos balanços de massa e de energia.
Figura 4: Esquema do volume de controle da turbina de contrapressão


m 7  m8


(3)

m7 h7  m8 h8  W tc
(4)
Os outros equipamentos dos ciclos, bombas e o desaerador, são usados a mesma
metodologia para encontrar o volume de controle.
Depois do balanço de energia e massa, foi dimensionada uma usina de açúcar e álcool com
os valores típicos de pressão e temperatura da maioria das usinas sucroalcooleira do Brasil.
4
3.
PROJETO E METODOLOGIA PARA O AUMENTO DE RENDIMENTO DO
CICLO DE VAPOR
Caso 1
Nesse caso o projeto foi baseado numa usina típica brasileira, como na figura 2. E o balanço
final do projeto está na tabela 1.
Tabela 1: Balanço final do projeto da usina de açúcar e álcool típica do Brasil(Caso 1)
1,9 milhões toneladas de cana
Capacidade anual de moagem
250 kg/t cana
Consumo de bagaço (50%)
Área plantada
20,2 mil hectares
230 – 270 dias
Safra (março a novembro)
135 - 95 dias
Entressafra (novembro a março)
210 dias / 5.040 horas
Dias / horas efetivas de operação
84 % = 210/250
Fator de capacidade da usina
381,4 t/h
Processamento horário de cana
169,6 kg/t cana
Consumo vapor processo
8.000 kW
Potência mecânica instalada
22 bar / 2,5 bar / 0,1 bar absoluta
Pressões de vapor na extração / exausto/
condensação
31 MW
Capacidade elétrica instalada
18 MW- (85 bar 520ºC)
Potência TGV contrapressão com extração
13 MW – (85 bar 520ºC)
Potência TGV condensação
220 t/h vapor – 85 bar 520ºC
Caldeira
27,84 GWh/ano
Consumo elétrico próprio da usina (anual)
128,3 GWh/ano
Energia anual vendida
R$12.039.749,1 /ano
Valor em Reais da venda de energia elétrica
(anual)
Caso 2
Com as mesmas condições de vapor e temperatura e considerando que a caldeira e as
turbinas estejam nas mesmas condições do projeto anterior, porém, vamos melhorar a eficiência do
processo considerando que o bagaço seja inserido na caldeira com 30% de umidade, uma valor
atípico, já que a maioria das usinas não se preocupa com rendimento da energia primária, essa
secagem pode ser feitas através de secadores.
Caso 3
Supondo ainda que essa usina pretendesse ao invés de vender o bagaço de cana usar o
mesmo como combustível para gerar mais energia elétrica.
Caso 4
Nesse caso será substituída a turbina vapor que produz energia mecânica para o
funcionamento das moendas por motores elétricos de alto rendimento. Já que as usinas possuem
energia excedente, existe a possibilidade de aumentar a eficiência do ciclo térmico de forma a
maximizar a disponibilidade de vapor para a geração de energia elétrica.
A eletrificação de moendas vem justamente com o propósito de reduzir o consumo de vapor
no processo de moagem da cana, empregando um conjunto de motores elétricos e inversores de
freqüência de alta eficiência, em substituição aos acionamentos convencionais por turbina a vapor
5
dos ternos de moenda. Além da redução do consumo de vapor e maior eficiência, a eletrificação de
moendas traz outras vantagens intrínsecas à tecnologia:
• Maior produtividade, extraindo maior quantidade de caldo utilizando o mesmo terno.
• Maior controle do processo, pela flexibilidade no controle de velocidade da moenda.
• Operação remota, reduzindo riscos com acidentes.
Tabela 2: Comparação entres os diferentes casos de projeto
Capacidade anual
de moagem
Consumo de
bagaço (50%)
Área plantada
Safra (março a
novembro)
Entressafra
(novembro a
março)
Dias / horas
efetivas de
operação
Fator de
capacidade da
usina
Processamento
horário de cana
Consumo vapor
processo
Potência mecânica
instalada
Pressões de vapor
na extração /
exausto/
condensação
Capacidade
elétrica instalada
Potência TGV
contrapressão com
extração
Potência TGV
condensação
Caldeiras
Consumo elétrico
próprio da usina
(anual)
Energia anual
vendida
Valor em Reais da
venda de energia
elétrica(anual)
Valor em Reais da
venda de bagaço de
cana (anual)
*Retorno de
investimento
Caso 1
1,9 milhões
toneladas de cana
250 kg/t cana
Caso 2
1,9 milhões
toneladas de cana
250 kg/t cana
Caso 3
1,9 milhões
toneladas de cana
250 kg/t cana
Caso 4
1,9 milhões
toneladas de cana
250 kg/t cana
20,2 mil hectares
230 – 270 dias
20,2 mil hectares
230 – 270 dias
20,2 mil hectares
230 – 270 dias
20,2 mil hectares
230 – 270 dias
135 - 95 dias
135 - 95 dias
135 - 95 dias
135 - 95 dias
210 dias / 5.040
horas
210 dias / 5.040
horas
210 dias / 5.040
horas
210 dias / 5.040
horas
84 % = 210/250
84 % = 210/250
84 % = 210/250
84 % = 210/250
381,4 t/h
381,4 t/h
381,4 t/h
381,4 t/h
169,6 kg/t cana
169,6 kg/t cana
169,6 kg/t cana
169,6 kg/t cana
8.000 kW
8.000 kW
8.000 kW
8.000 kW
22 bar / 2,5 bar / 0,1
bar absoluta
22 bar / 2,5 bar / 0,1
bar absoluta
------- / 2,5 bar / 0,1
bar absoluta
------- / 2,5 bar / 0,1
bar absoluta
31 MW
31 MW
53 MW
64 MW
18 MW- (85 bar
520ºC)
18 MW- (85 bar
520ºC)
18 MW- (85 bar
520ºC)
22 MW- (85 bar
520ºC)
18 MW- (85 bar
520ºC)
22 MW- (85 bar
520ºC)
11 MW- (85 bar
520ºC)
13 MW – (85 bar
520ºC)
220 t/h vapor – 85
bar 520ºC
13 MW – (85 bar
520ºC)
220 t/h vapor – 85
bar 520ºC
13 MW – (85 bar
520ºC)
220 t/h vapor – 85
bar 520ºC
127 t/h vapor – 85
bar 520ºC
13 MW – (85 bar
520ºC)
220 t/h vapor – 85
bar 520ºC
127 t/h vapor – 85
bar 520ºC
27,84 GWh/ano
27,84 GWh/ano
27,84 GWh/ano
68,16 GWh/ano
128,4 GWh/ano
128,4 GWh/ano
239,28 GWh/ano
251 GWh/ano
R$12.040.068,00/ano
R$12.040.068,00/ano
R$ 22.437.285,6/ano
R$ 23.578.935/ano
---------------------
R$ 4.763.625,00/ano
---------------------
---------------------
---------------------
---------------------
6,2 anos
4,09 anos
6
4.
CONCLUSÃO
No caso 1, temos um projeto de uma usina típica do Brasil em que o bagaço de cana de
açúcar é inserido na caldeira com 50% de umidade, além disso, temos a linha de média pressão que
usada para acionamentos das turbinas responsáveis pelo acionamento mecânico da usina em
questão. No caso 2, temos a inserção do bagaço de cana na caldeira com 30% de umidade e com
isso foi possível produzir mais energia com menos bagaço e o excedente de bagaço foi possível
vende-lo e obter um lucro de R$ 4.763.625,00 por safra, ou seja, a secar o bagaço torna-se vantajoso
em relação o retorno financeiro. Já o caso 3, foi usado o bagaço excedente para gerar mais energia
elétrica com isso foi comprado uma caldeira de 127 t/h e um gerador de com potência de 22 MW,
pela análise de investimento o retorno financeiro será de 6,2 anos e a venda de energia será de R$
22.437.1285,6 praticamente o dobro do caso 1(R$12.040.068,00), tornando-se também mais
vantajoso que o caso 1 e 2.
No caso 4, foram substituídas as turbinas a vapor que faziam o acionamento mecânico por
motores elétricos, com isso foi eliminada a linha de média pressão e com isso foi possível
aproveitar mais a turbina de condensação aumentando a eficiência da mesma, além disso, essa
substituição aumenta a eficiência do ciclo de vapor, nesse caso foi aproveitado o vapor para gerar
mais energia elétrica, foi comprado um gerador de 11MW além de um transformador, motores e
inversores de freqüência, pela análise de investimento o retorno financeiro será de 4,09 anos e a
venda de energia será de R$ 23.578.935 por ano. Diante desses casos torna-se interessante a
secagem do bagaço e a substituição de turbinas a vapor por motores elétricos no acionamento
mecânicos de usinas de açúcar e álcool.
5.
AGRADECIMENTOS
O autor agradece Orosimbo de Andrade de Almeida Rego (professor da Faculdade de
Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia); ao Tiago Malachias (Instrumentista
da Usina de Açúcar e álcool Santa Cruz), Jefferson Monteiro de Oliveira (Engenheiro Eletricista da
empresa TGM Turbinas), Fernanda Ayako Freitas (Graduando em ciências econômicas pela
Universidade Federal de Uberlândia) e ao seu orientador, Prof. José Roberto Camacho, pela
oportunidade e completo apoio ao desenvolvimento do projeto.
6.
REFERÊNCIAS
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parque energético do estado de São Paulo. São Paulo, 2002. Dissertação de mestrado. Universidade
de São Paulo.
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partir de biomassa no Brasil: situação atual, oportunidades e desenvolvimento. Secretaria Técnica
do Fundo Setorial de Energia, julho de 2001.
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de açúcar como biomassa absorvente na absorção de poluentes orgânicos. Departamento de
Química - Universidade Estadual da Paraíba; Unidade Acadêmica de Engenharia Química –
Universidade Federal de Campina Grande. Artigo - Março de 2007.
[4] OSÓRIO DE BRITO. A importância da cana-de-açúcar. Sua cultura reúne condições
relevantes para se tornar a mais importante fonte de geração descentralizada no país- COGEN-SP Associação Paulista de Cogeração de Energia. Janeiro de 2004.
7
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ambiental, planejamento, operação e análise de viabilidade, 3° edição, SP: Manole, 2003.
[6] RICHARD E.SONNTAG; CLAUS BORGNAKKE; GORDO J. VAN WYLEN.
Fundamentos da termodinâmica, Tradução da sexta edição inglesa: EUYALE DE JESUS
ZERBINI, São Paulo, 2003.
[7] ELECTO EDUARDO SILVA LOURA; MARCO ANTÔNIO ROSA DO
NASCIMENTO (coordenadores). Geração termelétrica: planejamento, projeto e operação, Rio de
Janeiro: Interciência,Volume 1, 2004.
[8] EL-SAYED, Y.M. & TRIBUS, M. A. Theoretical Comparison of the Rankine and kalina
Cycles. In: Analysis of Energy Systems- Design and Operation, AES –vol.1, ASME Publications,
New Yoork, 1985.
[9] DA SILVA WALTER, ARNALDO CÉSAR. Viabilidade e perspectiva da cogeração
termoelétrica junto ao setor sucro-alcooleiro. Campinas, 1994. Dissertação de Doutorado.
Universidade Estadual de Campinas.
[10] SILVA LORA, ELETRO. Controle da poluição do ar na indústria açucareira, STAB
2000. Escola Federal de Engenharia de Itajubá.
[11] ALMEIDA REGO, OROSIMBO ANDRADE DE. Notas de aula – Tópicos especiais
em Térmica-Fluidos caldeiras. FEMEC, Universidade Federal de Uberlândia.
[12] GILSON NUNES MAIA; EDSON BAZZO; JOSÉ ALEXANDRE MATELLI.
Resultados experimentais de uma planta de cogeração de pequena escala baseada em microturbinas
a gás natural. Copyright 2006, Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás – IBP, Rio de Janeiro, 2006.
[13] Revista Climatização e Refrigeração/Automação: integração e análise de resultados no
conforto, segurança e energia-Edição 98 outubro de 2008.
[14] WALDIR A. BIZZO, Apostila – Geração, distribuição e utilização do vapor.
[15] MAZURENKO, ANTON STANISLAVOVICH. Turbinas a Vapor: Características
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[20] http://www.procana.com.br/conteudo/noticia.asp?id_materia=5770, CBTA Produtos e
Serviços - Campinas – SP; UFSCar - Departamento de Tecnologia Agroindustrial e Sócio-economia
Rural - Araras – SP, acesso em 25/11/2008
[21] http://www.procknor.com.br, acesso em 10/03/2009
8
ELECTRICITY GENERATION FROM BIOMASS OF SUGAR CANE
Renato Francisco Faustino3
Federal University of Uberlandia - Av. Engenheiro Diniz, 1178 , Uberlândia Minas Gerais – Brazil
[email protected]
José Roberto Camacho4
Federal University of Uberlandia - Av. Engenheiro Diniz, 1178 , Uberlândia Minas Gerais – Brazil
[email protected]
ABSTRACT
Technological and economic development of a country grows in the same proportion of
energy produced, as Brazil is a developing country; need to keep increasing the demand for power.
Brazil, a country that produces 95% of electricity through hydroelectric power plants may have a
few years, serious problems in the supply of energy. Since there is a forecast of economic growth
and consequent deficiency of high energy, or can generate losses and economic instability, so it is
vital to develop new alternative energy and improve existing ones.
This paper presents a design of a cogeneration plant of sugar and alcohol typical of Brazil
and is made from this study for the project is modified in order to increase the efficiency of the
steam cycle and consequently the generation of electricity. These studies are in direct connection
with mechanical engineering, electrical and chemical. The case studies mentioned are made of
investment analysis for the financial return is assessed.
Keywords: cogeneration, biomass of sugarcane, steam turbine, boiler, electric generator.
3
4
Graduating in Electrical Engineering from Federal University of Uberlandia.
Professor, Faculty of Electrical Engineering, Federal University of Uberlandia-PhD in Electrical Engineering.
9