Cogeneración y
generación de
electricidad em
la industria
azucarera
Electo Eduardo Silva Lora
Nucleo de Excelência em
Geração Termelétrica e
Distribuída
UNIFEI-Brasil
Entrenamiento
operadores CTE
Cursos
de superación
Energia de la
biomasa
Diagnostico de
Centrales
Termoelectricas
Microturbinas
de gas
Modelación de
procesos y
sistemas
Células de
combustíble
Motores Stirling
Cogeneración y
trigeneración
Control de
poluentes
Gasificación de biomasa
Motores Stirling
Células SOFC
Microturbinas de gas
Ciclo a vapor 80 kWe
Simulador para entrenamiento
de operadores
de centrales termoeléctricas
Laboratório de simulación de
sistemas y procesos térmicos
INTRODUCCIÓN A LA COGERACIÓN
Sistemas de cogeneracion son aquellos en
que
se realiza, simultaneamente, y en
secuencia, la generación de energia elétrica o
mecánica y de energia térmica (calor de
proceso y/o frio), a partir de la quema de un
combustible.
Economia de energia durante la
cogeneración
Generación
convencional
Cogeneracion
Comb
83
Comb
C. Termica
42%
electricidad
35
calor
61
Caldera
90%
55
Electricidad
35%
100
Calor
55%
Total
144
Total
100
Economia energia =
(144 - 100)
= 30%
144
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(valor
medio), 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 condensación
extraccion con altos parámetros del vapor (4080 bars) (tecnologia comercial moderna y eficiente)
Ciclo combinado con gasificacion del bagazo y
ciclo combinado con TG e TV (tecnologia avanzada
en etapa de demonstración)
Esquema de cogeneración
con turbina de contrapresión
P = 2,1 MPa
T = 300 oC
Bagaço
Umidade = 50 %
(base úmida)
TV ( geração elétrica):
Vazão = 43,9 t/h
W = 3,4 MW
TV ( acionamento
mecânico):
Vazão = 60 t/h
W = 3,6 MW
P = 0,25 MPa
PROCESSO DE
FABRICAÇÃO
Esquema de cogeneración con turbina
de condensación con extracciones
P = 8,0 MPa
o
T = 450 C
Bagaço
Umidade = 50 %
(base úmida)
TV ( extração/condensação):
W = 16,7 MW
TV ( acionamento
mecânico):
Vazão = 55,4 t/h
W = 3,6 MW
44,6 t/h
P = 0,25 MPa
PROCESSO DE
FABRICAÇÃO
21,86 t/h
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 los
sistemas 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
63 bar abs. @ 480°C
G.V n°: 5
33 bar abs. @ 320°C
G.V n°: 4
T.G 40 MW
G.V n°: 2
T.G 15 MW
22 bar abs.
22 bar abs.
G.V n°: 1
22 bar abs. @ 300°C
11 bar abs.
***
*
**
Bomba 1
2,47 bar abs.
2,47 bar abs.
Bomba 2
P roce sso
R efino
128°C
180°C
Bomba circulação
Bomba 3
* Tandem I
** Tandem II
*** Tandem III
Maximización de la Generación de Potencia
Escenários propuestos para la evaluación
Caso
Base
Caldera: 22 bar (abs) @ 300°C
SIM
Caldera: 33 bar (abs) @ 320°C
SIM
Caldera: 63 bar (abs) @ 480°C
SIM
B1
B2
SIM
SIM
Caldera: 82 bar (abs) @ 520°C
TVCP Contra-Presión 40 MW
SIM
TVCP Contra-Presión 15 MW
SIM
TVCE Extraçción/Condensación
100 MW
Consumo de vapor 540 kgv/tc
Consumo de vapor 480 kgv/tc
SIM
SIM
SIM
SIM
C1
C2
SIM
SIM
SIM
SIM
SIM
SIM
SIM
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
Estructura Física
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
Base para la
construcción de la
Estructura Productiva de
la planta.
Estructura Productiva
Bagazo
En. Eléctrica
En. Mecánica
Producto → Insumo
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
Calor de Proceso
Todo Insumo que entra en la
planta se refleja en los costos
finales de los produtos
La Exergoeconomia permite
DISTRIBUIR / acompañar
el proceso de FORMACIÓN
de los costos !!
Custo específico da energia produzida
[R$/MWh]
Costo exergético de la energía, R$/MWh
100
85,52
80,88
83,19
80,86
83,16
80
64,24
54,07
60
53,98
53,93
53,97
40
22,78
19,76
19,07
21,05
20,34
20
0
A
B1
B2
C1
C2
Cenários analisados
Energia Elétrica Gerada
Energia Mecânica Produzida
Calor Processo
La electrificación de los
molinos 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 cogeração
parcialmente modernizado.
Los critérios pequeño y grande porte se refieren a las
capacidades de molienda de respectivamente 375 ton/h y
900 ton/h.
Datos básicos de los sistemas de cogeneración
de los centrales analizados
Central A
Central B
Central C
Capacidad de Molienda [ton/h]
375
900
900
Generación de Vapor [ton/h] 1
190
157; 324
180; 300
22 @ 300
43 @ 400;
22 @ 305
66 @ 520;
43 @ 400
3
1; 4
1; 2
Consumo de Vapor de Proceso [ton/h] 1
190
445; 31
354; 19
Presión Vapor Proceso [bar abs] 1
2,3
2,5; 22
2,5; 22
Producción de Electricidad [MW] 2
5,10 / 0,00
24,40 / 1,05
58,50 / 32,50
Producción 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 / 67
Accionamento de la Preparación y
Extracción 3
TSE
Parte TSE e
TME
Turbinas para Producción de
Eletricidade 1,4
CP
CP
Parámetros de Vapor [bar abs @ °C] 1
Número de Calderas 1
Parte TSE,
TME e ME
TCES; CP
Configuraciones del central A
„
„
„
„
„
Para el central A fueron consideradas las
siguientes 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 desde
2,98 unidades en el caso AB hasta 16,15
unidades en el caso AAP.
Cuando se utiliza una turbina de
condensación con extracciones en el caso
AAP no se necessita de una válvula de
reducción de presión (Flujo VII en el caso
AB).
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
Forced draft fan
Superheater
Furnace
Secondary air heater II
Drum
Main bank
Secondary air heater I
Primary air heater III
Primary air heater II
Economizer
Primary air heater I
Forced draft fan
Forced draft fan
Induced draft fan
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$/t) : 155 oC
Abordaje II (precio de la eletricidad): 120-130 oC
Impactos ambientales de la
cogeneración en la industria
de azucar y alcohol
Impactos ambientales: NOx
NOx [ppm]
200
180
160
140
120
100
y = 39,096Ln(x) + 189,09
R2 = 0,5546
80
60
40
20
Excesso de ar
0
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Impactos ambientales: dispersión NOx
Impactos ambientales:
Comparacion con las normas NOx
Abordagem 2 (NO2 = fj . NOx)
1400
1200
Concentração (µg/m3)
1000
800
NOx
NO2
600
400
Padrão CONAMA [3]
Padrão OMS [4]
200
0
0
5000
10000
15000
Distância (m)
20000
25000
CONCLUSIONES
„
„
„
El costo de generación disminuye con el aumento de la
capacidad de molienda del central, presenta un mínimo para un
valor del consumo de vapor de 450 kg/tc y varia muy poco al
pasar la presión del vapor de 60 para 80 bars.
La metodologia de análisis exergo-economica permite la
determinación de los costos del vapor, trabajo mecánico y
electricidad. Los menores valores observados fueron 53.93,
83.15 y 20.34 R$/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.
CONCLUSIONES
„
„
„
„
La implementación de la eletrificación debe ser realizada
simultaneamente 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 los
gases de escape en calderas debe estar en el rango de 120130 oC, lo que corrresponde a una eficiencia de 88-89 %.
La emisión de óxidos de nitrógeno en calderas para bagazo
depende principalmente del exceso de aire, factor este que
puede ser utilizado para la prevencion de la formación de los
mesmos.