Prieto, Mario Gabriel Sanchez.PDF

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA

COMISSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Alternativas de Cogerao na Indstria Sucro-Alcooleira, Estudo de Caso.

Autor: Mario Gabriel Snchez Prieto Orientador: Silvia Azucena Nebra Co-orientador: 02/03




Alternativas de Cogerao na Indstria Sucro-Alcooleira, Estudo de Caso.

Autor: Mario Gabriel Snchez Prieto Orientador: Silvia Azucena Nebra Co-orientador: Curso: Engenharia Mecnica rea de Concentrao: Energia Trmica e Fluidos Tese de doutorado apresentada comisso de Ps Graduao da Faculdade de Engenharia Mecnica, como requisito para a obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Mecnica.

Campinas, 2003. S.P. Brasil.




TESE DE DOUTORADO

Alternativas de Cogerao na Industria Sucro-Alcooleira, Estudo de Caso.

Autor: Mario Gabriel Snchez Prieto Orientador: Silvia Azucena Nebra ____________________________________________________ Profa. Dra. Silvia Azucena Nebra, Presidente Instituio FEM/UNICAMP

____________________________________________________ Prof. Dr. Jorge Isaias Llagostera Beltran Instituio FEM/UNICAMP

____________________________________________________ Prof. Dr. Isaias de Carvalho Macedo Instituio NIPE/UNICAMP

____________________________________________________ Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jr Instituio USP/So Paulo

___________________________________________________ Prof. Dr. Manoel Regis Lima Verde Instituio COPERSUCAR/Piracicaba/So Paulo

Campinas, 26 de fevereiro de 2003

Dedicatria: Dedico este trabalho a meu pai Rafael Angel Snchez (in memoriam).

Agradecimentos

Culmina este trabalho de tese, que como outros tantos deixam a porta aberta a novas

pesquisas, visando aprofundar nesta ou outra temtica... No decorrer destes anos muitas foram as

pessoas que possibilitaram no apenas elevar meu nvel acadmico, mas tambm que

contribuiriam ao meu crescimento. Desejo cit-las explicitamente:

A minha esposa e filha, pela capacidade de resistir separao e manter seu amor e carinho.

Aos meus queridos irmos, pai e me, pela dedicao e ajuda nestes anos.

A Silvia, grande orientadora e amiga, meu agradecimento pelo apoio e orientao.

A FAPESP, CNPq e ALFA pelo financiamento do meu estgio e tese de doutorado.

Aos colegas e amigos Rodolfo Rodrguez, Rafael Pratts, Felipe Ponce e Hiplito Carvajal,

pela ajuda e amizade ao longo destes anos.

Aos colegas de sala Maria Isabel, Jefferson, Marcelo e Loureno meu agradecimento.

Aos inesquecveis amigos de repblica pelo carinho e proximidade. Desejo expressar meu

agradecimento a Martha, Victoria, Jairo, Ana Maria, Javier, Jess e Joo.

Minha gratido tambm para amigos queridos como Eliana, Andrs, Amlia, Dora, Mary,

Eliza, Carmencita e Miguel, entre outros muitos.

A Clia dos Santos e sua bela famlia, pelas mostras de carinho e amizade, minha gratido.

Aos trabalhadores da Usina Cruz Alta pelo valioso atendimento e apoio.

A Maria Luzia, Walderez J e Gyselene pela amizade e carinho nestes anos.

Ao pessoal da COPERSUCAR, especificamente para Linero, Lamnica e Regis Lima pelas

valiosas orientaes e atenes que recebi, muito obrigado.

A todos os professores e colegas do departamento, que ajudaram de forma direta e indireta

na concluso deste trabalho, especialmente ao professor Llagostera pela reviso do mesmo.

Ao povo brasileiro pelas mostras de carinho, minha mais profunda gratido.

i

Contedo

Lista de Figuras v

Lista de Tabelas vii

Nomenclatura xi

Introduo xvi

1 Sistemas de Cogerao: Conceitos Gerais 1

1.1 Introduo 1

1.2 Classificao dos sistemas de cogerao 5

1.2.1 Cogerao com turbinas a Vapor 6

1.2.2 Cogerao com turbinas a gs 9

1.2.2.1 Ciclo de Turbina a Gs com Injeo de Vapor 10

1.2.2.2 Ciclos Combinados 12

1.2.2.3 Ciclos de Turbinas a Gs com Recuperao Qumica 14

1.2.2.4 Outras modificaes do ciclo padro 16

1.3 Cogerao com motores de combusto interna 17

1.4 O setor Sucro-alcooleiro Brasileiro dentro do contexto da cogerao 18

ii

2 Emprego de combustveis slidos na cogerao 22

2.1 Introduo 22

2.2 Gaseificao 23

2.3 Emprego do carvo mineral como recurso energtico 25

2.4 O emprego da madeira como recurso energtico 31

2.5 Emprego do bagao 37

2.6 Queima combinada 40

3 Mtodos de avaliao de Sistemas de Cogerao 42

3.1 ndices de desempenho dos Sistemas de Cogerao baseados na Primeira Lei da

Termodinmica. 42

3.2 ndices de desempenho baseados na segunda lei 47

3.3 Outros ndices de desempenho 52

3.4 ndices de cogerao propostos pela ANEEL 53

3.5 Metodologias de anlise termoeconmica 56

3.6 Otimizao 58

4 Descrio do Sistema de Cogerao da Usina Cruz Alta 60

4.1 Gerador de Vapor 62

4.2 Sistema de Preparo de Cana. Difusor e Sistema de Moenda 64

4.3 Sistema de Gerao de Energia Eltrica 65

4.4 Vlvulas redutoras 66

4.5 Sistema de Bombeamento, Condensado e gua de reposio 66

iii

5 Resultados da avaliao termodinmica do sistema de cogerao da Usina Cruz

Alta 74

5.1 Resultados da avaliao do sistema de gerao de vapor e cogerao da usina 74

5.2 Critrios de Desempenhos Globais do Sistema, baseados na 1ra Lei da

Termodinmica 78

5.3 ndices Propostos pela ANEEL 80

6 Anlise Termoeconmica do Sistema de Cogerao da Usina Cruz Alta 82

6.1 Teoria do custo exergtico 82

6.2 Estrutura produtiva para o sistema avaliado 88

6.3 Levantamento dos dados econmicos 90

7 Anlise de Propostas para a Otimizao do Sistema de Cogerao 102

7.1 Potencial energtico da cana de acar 102

7.2 Influncia dos parmetros de gerao de vapor no desempenho do ciclo a vapor 104

7.3 Os sistemas de cogerao das usinas sucro-alcooleiras brasileiras dentro da

perspectiva do incremento dos parmetros de gerao de vapor 107

7.3.1 Simulao de alternativas do Grupo A 109

7.3.2 Simulao das alternativas do Grupo B 116

7.4 Otimizao termodinmica 119

8 Proposta para planta de cogerao da Usina Cruz Alta 125

8.1 O Novo investimento na planta de cogerao na safra 2002 125

8.2 Anlise de propostas 126

8.2.1 Avaliao da Proposta I 131

iv

8.2.2 Avaliao da Proposta II 135

8.3 Aumento dos parmetros de gerao 142

8.4 Avaliao do custo exergtico 147

9 Concluses e Sugestes para prximos trabalhos 153

9.1 Concluses gerais 153

9.2 Sugestes e recomendaes para trabalhos futuros 159

Bibliografia 160

Apndices

A Dados gerais da safra. Parmetros termodinmicos do sistema de cogerao. 175

B Metodologia para a determinao da eficincia das caldeiras da usina Cruz Alta e

ndices de desempenho da primeira e segunda lei da termodinmica dos elementos

componentes do sistema de cogerao 179

C Equaes que conformam a matriz de produo para a determinao dos custos

exergticos. Resultados. 190

D Determinao da perda de calor no pr-aquecedor de ar 204

E Levantamento de preos de equipamentos 211

F Procedimento empregado para a simulao nos Grupos A e B do captulo 7 221

G Procedimento de simulao empregado nas Propostas I e II do captulo 8 234

H Resultados da avaliao do custo exergtico correspondentes s Propostas das

plantas de cogerao 246

v

Lista de Figuras Figura 1.1 Diagrama de um sistema de cogerao com turbina de vapor de contrapresso. 7

Figura 1.2 Sistema de cogerao empregando turbina de extrao-condensao. 9

Figura 1.3. Diagrama de uma turbina a gs com injeo de vapor. 11

Figura 1.4. Diagrama de uma planta de cogerao com ciclo combinado. 12

Figura 1.5. Diagrama conceitual do sistema de turbina a gs com recuperao qumica. 15

Figura 1.6. Diagrama do ciclo composto. 16

Figura 2.1. Diagrama de um combustor atmosfrico de leito fluidizado circulante. 27

Figura 2.2 Esquema de cogerao com caldeira de leito fluidizado circulante acoplado a um ciclo

a vapor. 33

Figura 2.3. Diagrama do ciclo hbrido, combinao do ciclo de turbina a gs queimando gs

natural e a Caldeira de Leito Fluidizado, queimando madeira. 34

Figura 2.4. Diagrama do ciclo combinado, com gaseificao pressurizada e limpeza de gs

quente. 35

Figura 4.1 Diagrama simplificado da planta de cogerao da Usina Cruz Alta. 61

Figura 4.2 Diagrama da Estao Geradora de Vapor 1. 67



Figura 4.5 Diagrama da Estao de turboexaustores das Caldeiras 2 e 3, e a turbobomba de gua

de alimentao. 69

Figura 4.6 Diagrama com ponto bifurcao que inclui as reas de Preparo, Moenda, Vlvula

Redutora de Fabricao e Vlvula Redutora de Refino. 69

Figura 4.7 rea de Gerao de Energia Eltrica. 70

Figura 4.8 Diagrama do Desaerador e retorno de condensado. 70

Figura 4.9 Vapor a Processo. 71

vi

Figura 4.10 Distribuio do bagao nas esteiras distribuidoras e alimentadoras. 71

Figura 4.11 Esquema simplificado do sistema de extrao de caldo misto. 72

Figura 6.1 Variao nos custos da energia eltrica, mecnica e calor para processo com a variao

do preo do bagao no mercado. 96

Figura 6.2 Variao do custo do vapor para processo com a variao no preo do bagao no

mercado. 97

Figura 6.3 Variao do custo do caldo misto com o preo do bagao no mercado. 99

Figura 7.1 Dependncia da exergia fsica do vapor em funo da presso para diferentes valores

de temperatura. 106

Figura 7.2. Diagrama da planta de cogerao que agrupa as alternativas do Grupo A. 110

Figura 7.3 Variao da energia eltrica produzida em funo da temperatura do vapor. 112

Figura 7.4 Variao da energia eltrica com o aumento da temperatura. Grupo A. 115

Figura 7.5 Variao do excedente de bagao com o aumento da temperatura. Grupo A. 115

Figura 7.6 Esquema de cogerao que agrupa as alternativas do Grupo B. 116

Figura 7.7 Variao da energia eltrica com o aumento da temperatura. Grupo B. 118

Figura 8.1. Diagrama dos principais equipamentos componentes do investimento para a safra

2002. 126

Figura 8.2 Diagrama da planta de cogerao. Proposta I. 132

Figura 8.3 Diagrama da planta de cogerao. Proposta II. 137

Figura 8.4 Resultado grfico do custo exergtico unitrio da energia eltrica produzida para o

caso base e as alternativas das Propostas I e II. 150

Figura 8.5 Resultado grfico do custo exergtico unitrio do calor para processo para o caso base

e as alternativas das Propostas I e II. 151

Figura D1 Diagrama do pr-aquecedor de ar. 205

vii

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 Alguns ndices de desempenho comparativos entre as turbinas a gs de grande porte e

as turbinas a vapor. 14

Tabela 2.1 Dados de desempenho de plantas de potncia dotadas de combustores de leito

fluidizado circulante. 28

Tabela 2.2 Principais estatsticas do consumo de carvo mineral no Brasil. 31

Tabela 2.3 Valores de eficincia, potncia produzida e ganho de combustvel, entre outros

resultados, devido ao emprego da cogerao para distintas configuraes tecnolgicas. 36

Tabela 3.1 Valores de X e Fc, em funo da potncia instalada. 54

Tabela 4.1 Parmetros termodinmicos fundamentais das caldeiras da Usina Cruz Alta. 61

Tabela 5.1 Parmetros de desempenho fundamentais obtidos na avaliao do sistema de gerao

de vapor da usina Cruz Alta. 75

Tabela 5,2. Resultados dos valores de eficincia de primeira e segunda lei da termodinmica nos

equipamentos de produo de energia eltrica e mecnica. 76

Tabela 5,3. Resultados da avaliao termodinmica dos restantes componentes de cada sistema

de gerao de vapor. 76

Tabela 5.4. Tabela comparativa dos ndices obtidos. 80

Tabela 6.1 Contedo dos volumes de controle e classificao dos fluxos para a safra 2000. 88

Tabela 6.2 Tabela resumo dos custos dos equipamentos da Usina Cruz Alta. 91

Tabela 6.3 Valores porcentuais empregados na estimativa dos itens correspondentes. 92

Tabela 6.4 Resultados da avaliao termoeconmica (safra 2000), considerando iguais custos

unitrios do bagao e do caldo misto na sada do sistema de extrao. 94

Tabela 6.5 Resultados da avaliao termoeconmica considerando igualdade entre os custos

exergticos unitrios para o bagao e a cana (safra 2000). 99

viii

Tabela 7.1 Exemplos de dados de caldeiras a vapor para a Indstria Aucareira. 103

Tabela 7.2 Resultados do procedimento de simulao aplicados s alternativas do Grupo A, para

diferentes valores da presso e temperatura de vapor gerado. 113

Tabela 7.3 Resultados mais importantes na condio de mxima potncia para cada valor de

temperatura nas alternativas do Grupo A 120

Tabela 7.4 ndices de desempenho da primeira lei para as alternativas do Grupo A 121

Tabela 7.5 Resultados mais importantes na condio de mxima potncia para cada valor de

temperatura nas alternativas do Grupo B 122

Tabela 7.6 ndices de desempenho da primeira lei da termodinmica (Grupo B). 123

Tabela 8.1 Resultados da simulao da Proposta I avaliada durante o perodo de safra. Presso de

vapor de 6,2 MPa e Temperatura de vapor de 480 oC. 134

Tabela 8.2 Resultados da simulao da Proposta II avaliada durante o perodo de safra. Presso

de vapor: 6,2 MPa, Temperatura de vapor: 480 oC. 139

Tabela 8.3 Resultados da simulao da Proposta II avaliada durante a entressafra. Presso de

vapor de 6,2 MPa, Temperatura de Vapor de 480 oC. 140

Tabela 8.4 Avaliao dos ndices da primeira lei da termodinmica nas Propostas I e II, tomando

como referncia o desempenho de ambas propostas durante os sete meses de safra. 140

Tabela 8.5 Avaliao dos ndices propostos pela ANEEL para as Propostas I e II. 142

Tabela 8.6 Resultados da simulao da Proposta I avaliada durante o perodo de safra. Presso de

vapor de 12,0 MPa e Temperatura de 540 oC. 143

Tabela 8.7 Resultados da simulao da Proposta II avaliada durante o perodo de safra. Presso

de vapor: 12,0 MPa, Temperatura de vapor: 540 oC. 144

Tabela 8.8 Resultados da simulao da Proposta II avaliada durante a entressafra. Presso de

vapor de 12,0 MPa, Temperatura de Vapor de 540 oC. 145

Tabela 8.9 Avaliao dos ndices de desempenho para as Propostas I e II durante os sete meses de

safra, gerando vapor a P = 12,0 MPa e T = 540 oC. 146

Tabela 8.10 Avaliao dos ndices propostos pela ANEEL para as Propostas I e II. A capacidade

e parmetros de gerao so estabelecidos segundo a caldeira VU-40 da CBC. 147

Tabela 8.11 Contedo dos volumes de controle e classificao dos fluxos para as duas

alternativas avaliadas da Proposta I. 148

ix

Tabela 8.12 Contedo dos volumes de controle e classificao dos fluxos para as duas

alternativas avaliadas da Proposta II. 149

Tabela A1. Dados gerais da safra 2000. Fonte: boletim de safra da usina Cruz Alta. 175

Tabela A2. ndices operacionais da usina Cruz Alta na safra 2000. 175

Tabela A3. Tabela com os dados dos fluxos do sistema de cogerao. 176

Tabela B1. Composio de um kg de bagao para diferentes umidades. 185

Tabela B2. Frao do contedo total de cinzas na grelha, pr-aquecedor de ar e na rea de

lavagem. 188

Tabela B3. Contedos de carbono fixo na grelha, pr-aquecedor de ar e na rea de lavagem. 188

Tabela B4. Parmetros dos principais fluxos do sistema. Gerador de Vapor 1. 189



Tabela C1. Avaliao do custo exergtico dos fluxos do sistema de cogerao. 198

Tabela D1. Dimenses de cada pr-aquecedor de ar. 210

Tabela D2. Resultados da avaliao da perda de calor em cada pr-aquecedor de ar. 210

Tabela E1. Valores das anuidades dos equipamentos. 220

Tabela F1 Resultados da simulao para a Presso de vapor de 4,2 MPa. Grupo A, avaliando

cinco valores de temperatura de vapor 225









Tabela F6 Resultados da simulao para a Presso de vapor de 4,2 MPa. Grupo B, avaliando




x



Tabela H1. Resultados da avaliao do custo exergtico para a Proposta I. Presso de gerao de


Tabela H2. Resultados da avaliao do custo exergtico para a Proposta I. Presso de gerao de


Tabela H3. Resultados da avaliao do custo exergtico para Proposta II. Presso de gerao de


Tabela H4. Resultados da avaliao do custo exergtico para a Proposta II para a Presso de

gerao de vapor de 12,0 MPa e Temperatura de 540 oC. 249

xi

Nomenclatura

Letras Latinas Maisculas

W - potncia (kW, MW)

Q energia em forma de calor (kW)

E energia (kW)

H fluxo entlpico (kW)

T temperatura (oC)

Z frao em massa, referida aos elementos qumicos presentes no bagao, ou custo de

investimento (inclui capital, operao e manuteno)

I Irreversibilidade (kW)

D Destruio, referido destruio de exergia (kW)

M matriz de custos

Y - vetor de valorao externa

C custo monetrio, ou vetor de custo (R$/s)

P - presso (kPa, MPa), ou Produto de um volume de controle

B Fluxo exergtico (kW)

F frao em massa, referido aos componentes de uma mistura de gases, ou Fuel

X - frao molar, referido aos componentes de uma mistura de gases

L entalpia de vaporizao da gua (2442 kJ/kg), ou perda

R relao do preo da unidade de produto do calor para processo com o preo da unidade de

produto da energia eltrica, ou constante universal dos gases (kJ/kmol K).

A - Anuidade (R$)

Letras Latinas Minsculas

b exergia especfica (kJ/kg)

xii

h - entalpia (kJ/kg)

s entropia (kJ/kg K)

q referido as perdas de calor (%)

m fluxo de massa (kg/s)

c custo monetrio unitrio, ou calor especfico (kJ/kg o)

k custo exergtico unitrio

d contedo de gua no ar (kg de gua/kg de ar seco)

u umidade do bagao (kg de gua/kg de bagao mido)

x umidade do bagao (kg de gua/kg de bagao seco)

j taxa de juros

Letras Gregas

- eficincia

- referido variao de algum parmetro

- coeficiente de excesso de ar

- coeficiente funo das fraes em massa dos componentes qumicos do bagao

- efetividade

- coeficiente de atividade

Superescritos 1 referido ao custo exergtico B1 (kW)

Subscritos

a - referido ao ar

aa referido gua de alimentao

af - referido ao ar frio

aq - referido ao ar quente

b referido ao bagao

e referido entrada

i,j,n,m - contadores

g gases

xiii

bom referido s bombas

cir referido s bombas de circulao

exa referido aos turboexaustores.

moe referido rea de Moenda

pre referido rea de Preparo

0 referido s condies ditadas pelo ambiente de referencia

s referido sada

w- referido gua

Abreviaes

PCI Poder calorfico inferior (kJ/kg)

S - Secador de bagao

VTI ventilador de exausto

PA Pr-aquecedor de ar

VTF Ventilador Forado

VA Ventilador Auxiliar

C - i Referente s caldeiras

TE Turboexaustor

TC - i Referente aos trocadores de calor

TB Turbobomba

DRD Desaerador

RR Redutora de Refino

RF Redutora de Fabricao

GE rea de Gerao eltrica

TAM Turbina de acionamento mecnico

BMU Bomba de gua de reposio

BCR Bomba de condensado de retorno

ED Esteiras de distribuio

EA Esteiras de alimentao

VC Volume de controle

xiv

Resumo

SANCHEZ, Prieto, Mario Gabriel, Alternativas de Cogerao na Indstria Sucro-Alcooleira,

Estudo de Caso, Campinas,: Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de

Campinas, 2003. 280 p. Tese de Doutorado.

No presente trabalho, realizada uma anlise termoeconmica baseada na teoria de custo

exergtico do sistema de cogerao de uma usina de acar para a safra do ano 2000. Foi feita

uma detalhada anlise energtica visando determinar a eficincia de Primeira lei da

Termodinmica dos Geradores de Vapor da Usina e o consumo de combustvel envolvido.

Seguidamente foram determinadas as eficincias de Primeira e Segunda Lei para os principais

equipamentos da planta, assim como determinados alguns ndices de desempenho tpicos dos

sistemas de cogerao baseados na Primeira lei da Termodinmica. O objetivo fundamental da

avaliao foi o de determinar os custos dos principais fluxos do sistema, considerando os custos

de instalao da planta de cogerao, como se fosse um sistema novo, que ser amortizado em 15

anos com uma taxa de juros de 15% ao ano. Na anlise foi includo o sistema de extrao de

caldo como um dos volumes de controle visando avaliar a variao do custo de bagao e a sua

influncia nos custos dos fluxos na planta. Faz-se tambm uma anlise termodinmica decorrente

do aumento dos parmetros de gerao de vapor, como veiculo para melhorar a economia do

combustvel nas usinas de acar fazendo nfase na potncia eltrica e ndices de desempenho

das diferentes alternativas. So avaliadas duas propostas de planta de cogerao do ponto de vista

termodinmico, acompanhadas da determinao do custo exergtico.

Palavras Chave

Energia, Bagao, Exergia, Cogerao.

xv

Abstract

SANCHEZ, Prieto Mario Gabriel, Cogeneration Alternatives in Sugar and Alcohol Factories,

Case of Study, Campinas,: Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de

Campinas, 2003. 280 p. PHD Thesis.

In the present work, a cogeneration system of sugar-alcohol cane mill is evaluated. Using

the Exergetic Cost Theory, a thermoeconomic analysis is made for the crop corresponding to the

year 2000. Previously a detailed energetic analysis was made in order to determine of the first

law efficiency for steam boilers and the fuel consumption involved. The first and second law

equipments efficiencies were calculated as well as some performance criteria of the overall

system. The fundamental aim of the evaluation was to obtain the cost of the principal fluxes of

the system, considering a discount rate of 15 % and a capital recovery period of fifteen years for

the energetic equipment in the sugar mill for the monetary cost calculations. In the analysis, was

included the sugar mill juice extraction system as a control volume in order to determine the

variation in the bagasse cost and its influence in the cost of other fluxes. A Thermodynamic

analysis is also made, in which the increase of thermodynamic parameters is studied as a way of

improving the fuel economy in Sugar Mill Factories focusing the electric energy obtained in the

different alternatives. Diverse strategies are discussed, and as a result, the thermodynamic

evaluations of two Proposals of Steam Cogeneration Systems are accomplished as well as the

calculations of the exergetic cost.

Key Words

Energy, Bagasse, Exergy, Cogeneration.

xvi

Introduo

O setor eltrico brasileiro atravessa nos ltimos anos uma fase de reestruturao

profunda, que atinge no s modificaes na sua legislao, mas um desenvolvimento da

privatizao dentro da nova poltica, matizada por muitas mudanas definidas pelo Governo

Federal. Como parte dessa fase, as vantagens da gerao descentralizada e da cogerao

tm sido reavaliadas, assim como a compra de excedentes de eletricidade, sendo uma

possibilidade a que se abre com a utilizao do bagao de cana para a cogerao de energia

eltrica e seu fornecimento para as concessionrias de energia ou unidades produtivas de

outros setores.

Precisamente estes ltimos anos tm sido testemunhas de momentos de crise

energtica, devido ao aumento da demanda de eletricidade. Um dos exemplos mais

ilustrativos aparece citado na Gazeta Mercantil (O SETOR..., 2000). O referido dirio cita o

seguinte exemplo: as 18 h e 29 min. do dia 27 de abril ltimo (ano 2000), o Operador

Nacional do Sistema (ONS), responsvel pela operao do sistema eltrico brasileiro,

informou que esse sistema operou com mais de 95% de sua capacidade instalada total,

representando um recorde no consumo de energia eltrica no pas, cenrio que se torna

mais preocupante ainda, quando se verifica que nesse mesmo ms de abril, mais de dez

recordes histricos de consumo foram batidos sucessivamente.

Vale a pena comentar que uma situao como esta foi atribuda, sobretudo, falta de

investimentos no setor em anos anteriores. Desde 1987, ano em que os investimentos em

energia eltrica atingiram o pice no pas (U$ 15 bilhes aproximadamente), o aporte de

xvii

recursos para o setor de energia vem caindo, sendo que em 1995, chegaram a ser de U$ 4

bilhes (PANORAMA.., 1998).

Antecedentes como estes constituem o ponto de partida para tornar relevante a

elaborao de programas de incentivo ao aumento das capacidades de gerao de energia

instaladas no pas, destinado a atender demanda crescente e evitar o risco de

desabastecimento. Dentro desse contexto, onde so avaliados hoje os aumentos das

capacidades de gerao hidreltrica, e se discute a construo de termeltricas a gs, o

bagao de cana pode vir a ser um componente importante na matriz energtica brasileira.

A insero na matriz energtica brasileira da energia eltrica excedente produzida por

cogerao a partir de bagao, vem se mostrando como uma alternativa barata para gerar

energia para o mercado, ao tempo que contribui diversificao do setor sucro-alcooleiro

aumentando as receitas do mesmo (Emirandetti, 2001). Nesse sentido, o desempenho

eficiente dos sistemas energticos exige investimentos aliados a um gerenciamento mais

profissional, com maior interesse de investidores internacionais, que implique a entrada de

capital estrangeiro e um novo padro de comportamento para o empresariado brasileiro.

At o ano 2001, (Emirandetti, 2001) a cogerao a partir do bagao de cana nos seis

meses da safra no passava de 150 MW no Brasil, quantidade insignificante quando

comparada ao potencial de gerao do setor, estimado entre 5 mil e 6 mil MW, mas mesmo

neste baixo nvel, cabe assinalar a liderana do setor sucro-alcooleiro paulista, pioneiro na

comercializao em larga escala da energia da cogerao, utilizando bagao de cana como

combustvel.

O panorama das usinas paulistas mostra 131 usinas, todas auto-suficientes no

emprego de bagao para a produo da energia eltrica que consomem. Do total de usinas,

doze (9,16 %), geram excedente de energia eltrica, quantidade estimada, considerando os

investimentos j em pratica na safra 2001, em 85 MW (56,67 % da quantidade cogerada no

pas), sendo que nove das doze tem contrato com a CPFL para a venda de eletricidade, com

a perspectiva aumentar esta capacidade para 200 MW em 2005 (Duarte, 2001). Aqui se

xviii

destaca a adequao da cogerao e o seu desenvolvimento, ao setor sucro-alcooleiro

brasileiro, sendo uma tecnologia que se adapta perfeitamente s condies do setor, que

produz o combustvel a ser empregado na gerao de energia. Esta afirmao vale

fundamentalmente para o estado de So Paulo, responsvel pela produo de 240 milhes

de toneladas de cana por safra.

Por outro lado, o uso do bagao como alternativa energtica apresenta vantagens tais

como a reduo da emisso de resduos no meio ambiente com um grau de poluio

atmosfrica muito pequeno, se comparado a outros combustveis, como leo diesel e

carvo. Alm disso, o fornecimento da energia eltrica produzida ocorre entre abril e

novembro, perodo em que os reservatrios hidreltricos se encontram nos nveis mais

baixos.

Estes aspectos tm gerado empreendimentos que colocam a procura de fontes

alternativas de gerao de energia eltrica como uma prioridade, existindo inmeras

pesquisas, nas que destaca a elaborao de um programa prioritrio para a cogerao de

energia eltrica no setor sucro-alcooleiro, o que tem sido sugerido aos agentes de fomento

do setor eltrico brasileiro. Assim, embora em estgios diferentes, quase todas as empresas

sucro-alcooleiras do Pas tm ampliao de projetos de cogerao de energia a partir do

bagao de cana, mesmo existindo tambm programas de apoio a investimentos com

marcada presena do gs natural como combustvel, alguns deles em vigor recentemente.

Decorrente da expanso destes empreendimentos tem aumentado a procura de

equipamento energtico que inclui caldeiras, turbinas, equipamento auxiliar, assim como a

automao, sendo ela um requisito para o desenvolvimento da cogerao. Ao mesmo

tempo, o bagao de cana-de-acar, resduo da moagem da matria prima, passou a valer

tanto quanto a prpria cana (Biaggi, 2001), atingindo o valor de at R$ 30 por tonelada

sendo a tendncia atual que as usinas sejam mais eficientes, produzam mais energia eltrica

para vender no mercado, e por tanto, que sobre menos bagao, cujo preo deve subir.

xix

Na prtica atual da engenharia nas plantas de cogerao das usinas de acar e lcool,

fundamentalmente baseadas em sistemas a vapor, geralmente o incremento do potencial de

gerao de energia eltrica acontece atravs do aumento dos parmetros de gerao de

vapor, sendo possvel discutir cenrios visando maximizar a capacidade de trabalho de um

portador energtico. Por outro lado, pesquisas aplicadas com sucesso, encaminhadas a

aumentar o potencial de produo de energia atravs da gaseificao de slidos

combustveis como o carvo mineral e madeira e que tem permitido executar projetos de

gaseificadores economicamente viveis a escala comercial, no tem atingido a mesma sorte

com o emprego do bagao, existindo problemas com a limpeza do gs e com a alimentao

de slido combustvel (Hobson et al. 1999).

A partir da disponibilidade de bagao, a tendncia das usinas a de incrementar o

potencial de gerao de energia eltrica com fins de obter excedentes para a venda. No

Estado de So Paulo mltiplos podem ser os exemplos a serem citados. Porm, as

possibilidades de aumento da gerao de energia eltrica pelo setor sucro-alcooleiro exigem

definies ainda pouco esclarecidas, tais como: que tecnologia e potncia instalar, qual o

perodo de gerao (na safra ou o ano todo), a quem e de que forma vender o excedente de

energia, quais as condies de viabilidade do novo investimento, o possvel aproveitamento

da palha de cana e as necessrias mudanas na lavoura canavieira? Ou seja, como afirmam

Baccarin e Castilho (2002), no interessa apenas a disponibilidade de combustvel a baixo

custo, mas tambm estudar o potencial termodinmico, traduzido na capacidade de produzir

energia, definir a tecnologia mais adequada e eficiente para o sistema, assim como definir

os investimentos, garantindo o retorno no menor tempo possvel de acordo com a demanda

de mercado.

O presente trabalho concentra-se na usina sucro-alcooleira Cruz Alta, do municpio

de Olmpia, estado de So Paulo. Esta usina dedica-se somente produo de acar,

(cristal e lquido), que atinge 25000 sacos/dia, com uma capacidade de moagem de 10000

toneladas de cana/dia. Sendo uma usina de menor porte, baseada num sistema de co-

gerao relativamente mais simples, possvel estabelecer cenrios para avaliar propostas

de incremento dos parmetros de gerao, que permitam, atendendo aos requerimentos

xx

prprios do processo de fabricao de acar, maximizar a produo de energia eltrica

para a venda. Assim, a contribuio do presente estudo a proposio e discusso de

cenrios baseados em sistemas a vapor, que permitam obter resultados do potencial

termodinmico, na procura de facilitar, no apenas propostas de modificaes tecnolgicas

visando um determinado fim, mas tambm que facilitem a definio de estratgias

relacionadas, por exemplo, com o emprego da palha de cana, a eletrificao dos sistemas de

impulso mecnico, o emprego de sistemas de extrao-condensao, entre outros fatores,

que devem ser avaliados do ponto de vista econmico num contexto destinado a

modernizar as plantas de cogerao de usinas de acar.

No captulo 1 v-se uma resenha bibliogrfica do tema a ser abordado. Trata-se dos

aspectos gerais da cogerao, assim como as tendncias atuais das tecnologias empregadas.

feita uma sntese dos principais aspectos que envolvem a mudana radical que sofre o

setor eltrico brasileiro nos ltimos tempos.

No captulo 2 trata-se do uso de combustveis slidos na cogerao, ressaltando

fundamentalmente o emprego do carvo mineral, madeira e bagao de cana, assim como as

tendncias tecnolgicas aplicadas.

No captulo 3 feita uma discusso do embasamento terico dos ndices de

desempenho fundamentais, baseados na primeira e segunda lei da termodinmica, como

passo prvio anlise e compreenso da teoria de custo exergtico, visando efetuar a

anlise termoeconmica do sistema de cogerao. Nesse sentido, ressaltada a anlise

exergtica, como ferramenta fundamental para a aplicao da termoeconomia.

No captulo 4 feita uma descrio detalhada do sistema de cogerao da usina que

ser estudada, onde ressaltam caractersticas operacionais da planta e dos equipamentos,

assim como particularidades no funcionamento da planta na safra avaliada.

No captulo 5 so oferecidos os resultados da avaliao termodinmica da planta de

cogerao. So determinadas as eficincias dos equipamentos componentes mais

xxi

importantes, assim como os ndices de desempenho de 1a lei e a eficincia de segunda lei

da termodinmica, sendo ressaltada a utilidade do estudo particularizado efetuado nos

Geradores de Vapor visando determinar a eficincia de 1a lei destes equipamentos e dessa

forma, o consumo de combustvel de cada caldeira e da planta.

O captulo 6 apresenta os resultados da anlise termoeconmica. Na anlise efetuada,

o bagao tratado como um produto do sistema de extrao de caldo misto, sendo includo

este sistema como um volume de controle dentro da anlise. Posteriormente so reportados

os resultados dos custos monetrios dos principais fluxos da planta de acordo com o preo

do bagao no mercado. Finalmente so mostrados os custos monetrios considerando iguais

custos unitrios entre o bagao e a cana.

O captulo 7 estuda o aumento dos parmetros de gerao de vapor como forma de

avaliar a economia do combustvel decorrente do aumento dos nveis de gerao de

potncia nos sistemas a vapor das plantas de cogerao. Tomando como ponto de partida a

avaliao energtica da Usina Cruz Alta, possvel definir cenrios que, acompanhados

de critrios operacionais permitam executar a simulao de duas propostas de plantas de

cogerao trabalhando no perodo da safra. Os resultados obtidos permitem por sua vez,

estabelecer restries ao procedimento de otimizao termodinmica, sendo o objetivo

fundamental a determinao dos mximos nveis atingveis de potncia eltrica cogerada,

levando em conta as restries impostas pela necessidade e condio de vapor empregado

no processo fabril e a disponibilidade de combustvel. O procedimento de otimizao

acompanhado pela determinao dos ndices de desempenho baseados da primeira lei de

termodinmica.

Finalmente, o captulo 8 aborda a anlise termodinmica de duas Propostas de

modificao do sistema de cogerao atual, que incluem algumas modificaes no esquema

energtico, entre as que se destacam o emprego de combustvel complementar, a

eletrificao total da usina, o emprego de trocadores de calor do tipo pelcula descendente

para a gerao de vapor, destinado a atender as necessidades do processo fabril, numa usina

cujo consumo especfico de 400 kg de vapor/tonelada de cana. Cada proposta avaliada

xxii

para dois nveis diferentes nos parmetros de gerao de vapor, permitindo avaliar o

aumento da potncia obtida e o desempenho termodinmico da planta numa mesma

proposta. Os resultados da anlise vo acompanhados da determinao dos custos

exergticos de cada um dos fluxos da planta, assim como dos produtos principais.

Para concluir, no captulo 9 so discutidas algumas concluses e recomendaes,

assim como propostas de futuras avaliaes de interesse.

1

Captulo 1

Sistemas de Cogerao: Conceitos Gerais

Neste captulo feita uma resenha bibliogrfica sobre a cogerao. Nele, so destacados

aspectos relacionados com a definio, aplicao prtica e publicaes mais recentes sobre o

tema, assim como uma classificao de acordo com o motor trmico presente no sistema.

Finalmente apresentada uma panormica sobre as perspectivas da cogerao a partir do bagao

de cana na industria sucro-alcooleira brasileira.

1.1 Introduo

Embora existam diferentes definies atribudas ao termo cogerao, expressa-se a seguir

um enfoque que tenta representar o conceito fsico fielmente. Assim, definida a cogerao

como o termo empregado para a produo conjunta, em processo seqencial, de energia eltrica

ou mecnica e de energia trmica til, partindo de uma mesma fonte de energia primria (Lozano,

1998). Desta forma um sistema de cogerao fica constitudo por uma combinao de

equipamentos convencionais dentro da Engenharia Energtica, (caldeiras, turbinas, trocadores de

calor e outros), que integrados funcionalmente num determinado ciclo, procuram obter o maior

aproveitamento da fonte primria consumida, normalmente um combustvel, seja fssil,

renovvel, ou de outro tipo.

Cabe citar que alguns autores como Horlock (1997), empregam a expresso produo

combinada de calor e potncia ao tratar o termo cogerao, sem alterar o sentido fsico do

conceito.

2

Um dos aspectos mais importantes, inerentes definio, mas com muita relao com a

funcionalidade da tecnologia, que estes sistemas so projetados para satisfazer

fundamentalmente a demanda trmica do consumidor, j que no vivel na maioria dos casos

comprar este tipo de energia de uma empresa externa, podendo a potncia produzida, em geral

potncia eltrica, atender parte ou a totalidade das necessidades da prpria planta industrial,

existindo tambm a possibilidade de produo de excedente de energia eltrica para a venda,

constituindo-se em mais um produto da empresa.

Sendo obtidos dois produtos de valor distinto, - calor e potncia -, utilizando uma mesma

fonte de energia, os sistemas de cogerao tornam-se atrativos pelo fato de operar a eficincias de

primeira lei maiores do que aquelas encontradas quando ambas formas de energia so produzidas

em processos independentes. Estas eficincias podem ser da ordem de 75% a 90%, (Walter et al.

1997).

A cogerao aconteceu de maneira mais ou menos acentuada, dependendo das condies de

cada pas. Um fato influente resultou da tradio de servios energticos a comunidades em

pases de clima frio, prtica associada ao desenvolvimento de sistemas para aquecimento de

ambientes. Deste ltimo aspecto partem as concepes da cogerao, estando a primeira delas

ligada ao funcionamento de centrais termeltricas, onde o calor rejeitado, produto do ciclo

gerador de potncia, recuperado na forma de um fluxo de calor, que pode estar destinado ao

aquecimento ambiental, sendo este princpio referenciado na literatura geralmente como

sistemas de calor distrital. Dependendo do porte da instalao, a quantidade de calor produzido

pode chegar a suprir totalmente a demanda energtica de uma comunidade.

O fluxo de energia em forma de calor, utilizado como calor de processo numa indstria,

constitui outra alternativa de produo combinada de calor e potncia. A prpria indstria, ao

estar dotada de um esquema trmico para a produo de potncia eltrica, pode satisfazer parte

ou a totalidade da demanda da planta, no descartando a possibilidade de uma produo

excedente de potncia, satisfeita a demanda interna, com a conseqente venda do excedente

rede concessionria local.

3

Esta segunda aplicao encontra lugar em indstrias metalrgicas, refinarias de petrleo,

plantas qumicas, etc. Pode ser citada dentro do contexto brasileiro a avaliao termoeconmica

de um sistema de cogerao numa planta qumica (Teixeira e Oliveira Jr., 2000). Um caso

particular dentro desta segunda possibilidade tem-se desenvolvido em processos onde h um

subproduto que pode ser empregado como combustvel, merecendo destaque as usinas de acar

e lcool a partir da cana. Nesse sentido se destaca o trabalho de Teixeira e Milanez (2000), onde

avaliada a indstria sucro-alcooleira e a possibilidade de melhorar a sua participao dentro da

matriz energtica nacional, no s em termos de produo de lcool, mas na produo de energia

eltrica obtida nas plantas de cogerao perante o incremento da demanda de energia no pas.

Uma terceira concepo da cogerao, mais recentemente viabilizada do ponto de vista

tanto de mercado, quanto tecnologicamente a vinculada ao setor tercirio, onde toda a demanda

de potncia e calor pode ser satisfeita pelo sistema em configuraes conhecidas tecnicamente

como sistemas de energia total. Similar ao caso anterior, a potncia produzida pode suprir

parcial ou totalmente a demanda, existindo a possibilidade de uma produo excedente. A energia

em forma de calor obtida nestes sistemas empregada com propsito de aquecimento ou

resfriamento de gua, tarefas geralmente destinadas a uma grande variedade de objetivos. As

instalaes energticas de hospitais pertencem a esta concepo, merecendo destaque o trabalho

de Santo e Gallo (1997).

A tecnologia de cogerao tem reconquistado prioridade nas duas ltimas dcadas. Fatores

como as tendncias de desregulamentao, e o estmulo da gerao independente incentivada pela

participao da iniciativa e capital privados, tornaram-se mais definidos como resposta adoo

de polticas de racionalizao das fontes de energia na maioria dos pases de Amrica Latina e do

mundo, levando em conta o constante aumento da demanda. Ao mesmo tempo a cogerao tm

despertado o interesse especial dos empresrios dos mais diversos setores industriais, e no

apenas dos setores tradicionalmente envolvidos, casos das indstrias sucro-alcooleiras e de papel

e celulose, (Vieira e Oliveira Jr., 1998).

Na Europa, nos ltimos anos tem se incrementado a participao da cogerao na produo

de energia eltrica. Um bom exemplo pode ser visto na Unio Europia, onde alguns paises como

4

Holanda, Dinamarca e Finlndia j cogeram 35% da energia consumida. Nestes paises a matria

prima para o processo a madeira, principalmente a de eucalipto, sendo este um recurso

disponvel e que cada vez melhor aproveitado (Duarte, 2001).

Na Alemanha, Lemoult et al. (1998), afirmam que existem aproximadamente duas mil

plantas de gerao de energia eltrica de pequeno porte, (500 kWe e capacidades inferiores), e

nesse sentido, a Frana, pas cujo modelo energtico caracterizado pela centralizao estatal e

fortemente baseado na energia nuclear, a mesma fonte revela o incremento de plantas de

cogerao de recente funcionamento, sendo que a capacidade de gerao de energia eltrica

atinge os 1200 MWe. Turbinas e motores alternativos respondem respectivamente por

aproximadamente 55% e 45% da potncia instalada.

Na Itlia, revitalizada energeticamente com a definio de um programa de estmulo

estabelecido ao final dos anos 80, foi possvel incentivar a cogerao industrial e a viabilizao

em curto prazo do aumento da oferta de energia eltrica. O trabalho de Casarosa e Franco (2000),

objetivando a otimizao termodinmica na recuperao de calor em ciclos combinados onde so

empregados dois nveis de presso de vapor gerado, constitui um bom exemplo das pesquisas

mais recentes.

Na Europa Oriental, as plantas de cogerao tm experimentado um desenvolvimento

notvel. Dupleac et al. (2000), apresentam um modelo de otimizao visando obter melhores

ndices econmicos em plantas de cogerao dotadas de motores de combusto interna, a partir

do dimensionamento e caractersticas operacionais. Entretanto, Szargut (2000) apresenta os

resultados da aplicao dos ciclos com turbinas a gs em redes de calor distrital, onde foi

determinada a relao entre a produo anual de eletricidade e a produo anual de calor para os

parmetros timos do ciclo HAT (Humid Air Turbines em ingls), em funo das temperaturas

de aquecimento distrital para vrias temperaturas ambiente.

Existem vrios aspectos que se combinam no desenvolvimento da cogerao nos Estados

Unidos nas ultimas duas dcadas. A grande fragmentao de sua industria eltrica, com inmeras

empresas pblicas e privadas submetidas ao controle federal, permite e prioriza o aproveitamento

5

das condies especficas dos recursos energticos locais. Cabe assinalar como exemplos, o

desenvolvimento da cogerao nos estados Texas, Nova York e Califrnia, destacando-se como

fonte primria, o gs natural, (Saad e Cheng, 1996), assim como a quantidade de pequenos

produtores que a partir dos anos 70, comearam a ampliar a produo de energia eltrica a partir

de fontes renovveis, com forte presena da energia elica, (Barreda del Campo, 1999).

Na sia, a ndia constitui um caso representativo decorrente da gradual liberalizao do

mercado de energia. Van Groen (1999), confirma o interesse da indstria de acar desse pas em

obter excedentes de bagao com a implantao de novas tecnologias com propostas de obteno

de energia eltrica excedente para a venda rede eltrica, o que gera no s renda, mas tambm o

fato de contribuir com o desenvolvimento dos sistemas energticos e sua capacidade para suprir a

demanda. Entre os objetivos abordados por esse pesquisador encontra-se o estado e

desenvolvimento dos esquemas de cogerao de usinas na ndia e a interao com o processo de

fabricao de acar.

1.2 Classificao dos sistemas de cogerao

O desenvolvimento da cogerao como uma alternativa eficiente para o uso racional de uma

fonte primria de energia, tem motivado o desenvolvimento de distintas configuraes

tecnolgicas, assim como vrios ndices de desempenho segundo o caso. No entanto, o processo

seqencial de gerao de eletricidade e consumo de calor til admite duas possibilidades segundo

seja a ordem de produo das formas de energia.

O ciclo topping o mais freqentemente encontrado na prtica. Nele a energia

proveniente do combustvel gera primeiro potncia eltrica, sendo que a energia trmica

resultante recuperada e produtivamente utilizada. caracterstico destes ciclos a existncia de

uma mquina motriz, cuja energia residual (geralmente de tipo trmica), satisfaz a carga trmica

do processo.

Segundo Lizarraga (1994), nos chamados ciclos bottoming, a energia trmica residual

associada a processos industriais que precisam de alta temperatura, empregada para a produo

6

de energia eltrica. Nestes processos, geralmente vinculados a indstrias qumicas, o resduo

energtico na forma de calor pode atingir temperaturas muito altas que favorecem a ulterior

converso. Contudo, muito freqente que esse efluente energtico esteja altamente contaminado

por agentes corrosivos, o que pode alterar significativa e negativamente o custo das caldeiras de

recuperao da instalao global.

Desse modo, os ciclos topping podem ser usados em processos que requerem

temperaturas moderadas ou baixas, tendo assim uma grande variedade de aplicaes, permitindo

uma maior versatilidade no momento de escolher o equipamento a empregar, podendo-se utilizar,

do ponto de vista tecnolgico, sistemas topping de cogerao baseados em ciclos a vapor,

motores de combusto interna a pisto ou ainda turbinas a gs. Para sistemas bottoming, ciclos

a vapor so a resposta mais freqente.

Este ltimo aspecto oferece a classificao mais habitual. Ela realiza-se em funo do tipo

de motor trmico presente no sistema, porm, cabe adicionar que dentro de cada grupo

classificado existe uma grande variedade de sistemas alternativos que podem ser considerados

para uma aplicao especfica dentro da cogerao.

1.2.1 Cogerao com turbinas a Vapor

O emprego das turbinas a vapor como mquinas trmicas na cogerao aparece vinculado a

trs configuraes fundamentais, todas operando em ciclos a vapor. Nelas o aspecto comum

consiste no aproveitamento do contedo energtico do vapor gerado na estao geradora para o

acionamento da turbina e conseqente gerao de potncia. A condensao de uma parte do

vapor de escape, ou de uma extrao de vapor de uma turbina de extrao-condensao, garante

as necessidades de energia em forma de calor do sistema. As configuraes so trs:

Turbinas de contrapresso.

Combinao de turbinas a vapor de contrapresso com turbinas de condensao que

empregam fluxo excedente.

Turbinas de extrao-condensao dotadas de sistemas de regulao automticos.

7

A Figura 1.1 apresenta graficamente um esquema de processo trabalhando em regime de

cogerao que emprega uma turbina de contrapresso. Neste esquema, tpico da Indstria Sucro-

lcooleira Brasileira, caracterstico que a gerao de energia eltrica seja determinada pelas

variaes da demanda da energia em forma de calor de processo. A aplicao desta configurao

contribui a dar um carter sazonal a eventuais excedentes de eletricidade para comercializao.

Na opinio de Lozano (1998), este sistema tem melhores resultados, na medida em que o

consumo de calor da planta seja na forma de vapor de gua a baixa presso. Este aspecto constitui

o critrio mais apropriado para determinar o uso de turbinas a vapor numa instalao deste tipo.

Figura 1.1. Diagrama de um sistema de cogerao com turbina de vapor de contrapresso.

s vezes uma mesma indstria precisa de vapor a distintos nveis de presso, o que pode

estar unido necessidade de estabilizar o fornecimento da energia eltrica s concessionrias.

Para implementar esse requerimento, Lozano (1998) indica que uma soluo adequada pode ser a

Caldeira

Processo

Turbo-gerador

DesaeradorBomba

8

combinao de turbinas a vapor de contrapresso com turbinas de condensao, estrutura que

permite uma maior flexibilidade s entregas de energia eltrica e calor para processo, ainda que o

custo de duas turbinas seja maior do que o custo de uma, aliado ao fato da complexidade do

ponto de vista operativo, conclui o mesmo pesquisador.

Quando o objetivo perseguido implica adequar a instalao para a produo e venda de

eletricidade excedente, Walter (1994), afirma que o uso de turbinas de extrao-condensao

providas de sistemas de regulao automtica tem viabilizado a operao da planta de cogerao

em longos perodos.

O interesse em empregar uma turbina de condensao com extrao regulada, se justifica

pela sua capacidade de satisfazer uma relao energia trmica/energia eltrica, que pode variar

numa ampla faixa. Neste caso uma frao de energia que pode ser significativa cedida no

condensador.

Este sistema, com maior capacidade de produo eltrica, possui normalmente turbinas de

extrao dupla, sendo a primeira, no nvel de presso em que o vapor requerido pelas turbinas

de acionamento mecnico, e a segunda, na presso em que o vapor consumido no processo

produtivo. Comumente o vapor de escape das turbinas de acionamento mecnico soma-se ao

fluxo da segunda extrao visando satisfazer a demanda de vapor do processo. Dentro do setor

sucro-alcooleiro, a adoo de tal sistema implica analisar a viabilidade de operao de tal sistema

no perodo fora da safra, conjuntamente com o emprego de combustveis complementares que

respondam ao dficit de bagao na entressafra.

A Figura 1.2 reproduz o diagrama de um sistema de cogerao, com turbina de extrao-

condensao, tomada como ponto de partida na anlise do preo mnimo de comercializao de

eletricidade no setor de acar e lcool com fins de venda, efetuado por Carpio e Lora (2001).

9

Figura 1.2 Sistema de cogerao empregando turbina de extrao-condensao.

Em resumo, o emprego da cogerao com turbinas a vapor prov aos sistemas trmicos de

grande disponibilidade de equipamentos e configuraes para acompanhar o atendimento das

demandas trmica e eltrica, segundo o caso, inclusive durante o funcionamento a carga parcial.

Este aspecto manifesta-se quando h necessidade de manter constante o nmero de revolues,

seguindo a freqncia da rede eltrica acoplada. Impe-se destacar a rapidez de resposta dos

sistemas que geralmente tem como varivel o consumo de vapor.

1.2.2 Cogerao com turbinas a gs

Como descreve Barros (1998), as turbinas a gs tm sido usadas nas reas industrial e

aeronutica como elementos geradores de energia eltrica e/ou acionamento mecnico, assim

Gerador de Vapor

Processo

4,2 8 MPa

400 480 oC

P = 0,25 MPa

P = 0,012 MPa

Bagao

Turbo-gerador a vapor

Condensador

10

como propulsores de aeronaves. A evoluo tecnolgica de seus componentes implicou uma

grande contribuio ao incremento da sua eficincia, que, unida ao fato da disponibilidade

crescente de gs natural a preos competitivos tem favorecido a implantao de sistemas de

cogerao com turbinas a gs.

Os gases de escape carregam entre 60 e 80% da energia primria consumida pela turbina, e

constituem de fato a fonte de calor fundamental nestes sistemas. Assim, as temperaturas

relativamente altas (400-600 oC), o elevado contedo de oxignio nos gases de sada (13-18 %),

decorrente do excesso de ar usado na combusto e os baixos teores de gases poluentes com o

emprego de gs natural como combustvel, constituem o ponto de partida de algumas

modificaes feitas ao ciclo padro, visando acrscimos nos valores da eficincia trmica, e/ou

trabalho lquido. Neste sentido, os esforos tm sido dirigidos ao aproveitamento do potencial

energtico dos gases de escape da turbina, sendo uma das primeiras modificaes estudadas e

avaliadas, o Ciclo de Turbina a Gs com Regenerador, que aproveita a energia dos gases na sada

da expanso para o aquecimento do ar antes da cmara de combusto.

Devido aos altos ndices de desempenho obtidos e partindo do citado aproveitamento do

potencial energtico dos gases de sada, merecem destaque o Ciclo com Injeo a Vapor, o Ciclo

Combinado, sendo reportados tambm estudos de interesse sobre Plantas de Turbina a Gs com

Recuperao Qumica, (Carcasci et al., 1998).

1.2.2.1 Ciclo de Turbina a Gs com Injeo de Vapor

A injeo de vapor numa turbina a gs tem adquirido muita divulgao nos ltimos anos.

Este efeito envolve a combinao de do ciclo padro com a injeo de vapor gerado numa

caldeira recuperadora, que segundo Lizarraga (1994), conhecido como ciclo Cheng, em honra

do pesquisador desse nome, quem partindo dos parmetros mais significativos do ciclo fez

aportes para a otimizao da sua eficincia.

A energia dos gases de sada da turbina recuperada numa caldeira de recuperao

produzindo vapor que pode ser usado num processo, podendo ser parte dele injetado na cmara

11

de combusto da turbina a gs. A capacidade de produo de vapor poderia ser aumentada

colocando um queimador de ps-combusto adicional, o que permite a possibilidade de alterar a

produo de eletricidade e vapor (Guarinello, 1997), o que dota o sistema de uma grande

flexibilidade operacional.

O vapor injetado nas zonas da cmara de combusto onde facilita as condies para criar

uma mistura apropriada, para obter um efeito mais aprecivel na reduo das emisses de NOx.

Bathie (1996), cita a possibilidade de obter partida rpida, o incremento substancial da potncia

lquida e os menores custos de capital como vantagens quando comparados com os ciclos

combinados. A Figura 1.3 apresenta o diagrama operacional do ciclo.

Figura 1.3. Diagrama de uma turbina a gs com injeo de vapor.

O prprio Bathie (1996), considera que as desvantagens fundamentais deste ciclo podem ser

resumidas no requerimento de uma planta de tratamento de gua, para o fornecimento contnuo

de gua tratada, com o conseguinte custo, sendo esta gua jogada fora com os gases de exausto,

e na adio de um equipamento adicional de troca de calor, a caldeira recuperadora. Entretanto,

em Guarinello et al. (2000) avaliada esta modificao aplicada cogerao utilizando os

conceitos da termoeconomia.

Cmara de combusto

Gs combustvel

Caldeira de recuperao

Vapor Vapor para Processo

Bomba

Turbo-Gerador

Compressor

12

1.2.2.2 Ciclos combinados

O termo ciclo combinado tem sido reservado para a instalao cuja essncia de

funcionamento consiste em aproveitar a energia dos gases de sada da turbina a gs para gerar

vapor sob presso na caldeira de recuperao de calor, e posteriormente obter mais potncia

eltrica numa turbina a vapor, constituindo-se assim numa combinao do ciclo a gs com o ciclo

a vapor. Na Figura 1.4, reflete-se uma variante de ciclo combinado reportada por Bathie (1996).

Figura 1.4. Diagrama de uma planta de cogerao com ciclo combinado.

Na Figura 1.4 observa-se que a combinao de ambos os ciclos devida caldeira de

recuperao, encarregada da gerao de vapor, sendo este equipamento formado por uma ou mais

Compressor

Cmara de combusto

Gs

Caldeira

Vapor para processo

Turbo-gerador a Gs

Turbina a vapor

Bomba de gua de alimentao

Condensador

Compressor

Cmara de combusto

Gs

Caldeira

Vapor para processo

Turbo-gerador a Gs

Turbina a vapor

Bomba de gua de alimentao

Condensador

13

superfcies de troca de calor, atravs das quais a energia dos gases recuperada e transferida

gua. Os gases de sada, com alto contedo de oxignio podem ser empregados como

comburentes em queimadores de ps-combusto na caldeira de recuperao. Assim, como afirma

Lizarraga (1994), possvel atingir temperaturas de gases prximas a 1500 oC, chegando a

quantidades de vapor gerado, que no critrio de Walter et al. (1997), podem ser at 6 vezes

superiores obtida em uma unidade sem queima.

A expanso do vapor, para o caso da cogerao acontece at uma presso adequada ao nvel

trmico requerido pelo processo consumidor de vapor. Assim, consegue-se uma utilizao

integral da energia, incrementando-se o rendimento trmico global, alm do fato de obter uma

maior extrao de energia mecnica por unidade de potncia trmica.

Quando o caso tratado sem queima adicional, a concepo da caldeira de recuperao

geralmente mais simples. Os parmetros do vapor gerado so funes diretas da vazo e

temperatura dos gases na sada da turbina a gs.

Na opinio de Bathie (1996), a possibilidade de gerao de vapor a diferentes nveis de

presso, leva a um melhor emprego da energia dos gases de sada da turbina, obtendo melhores

rendimentos trmicos quando comparados com os ciclos combinados a um nico nvel de

presso, permitindo um controle mais eficaz na qualidade e temperatura de vapor, quando o

superaquecimento empregado.

Ainda nas diversas variantes prticas, segundo Gallo (1999), estes ciclos apresentam menor

sensibilidade s variaes de temperatura ambiente e altitude, estando mais aptos para trabalhar

em regimes parciais.

Do ponto de vista da gerao de energia eltrica e ainda da cogerao, o desenvolvimento

da tecnologia de combusto e gaseificao, fundamentalmente em leito fluidizado, partindo de

fontes renovveis, e inclusive considerando o carvo mineral, unido viabilidade de empregar o

gs resultante num ciclo combinado com turbina a gs, representa uma oportunidade de aliar

eficincia tecnolgica e crescimento sustentado, (Iber, 1998).

14

Apesar das limitaes relacionadas com a mxima temperatura do ciclo, a necessidade de

resfriamento de palhetas e a sensibilidade temperatura ambiente e altitude, considerando seu

desempenho, competem com os ciclos a vapor, apresentando ndices favorveis no que respeita a

tempo de montagem, eficincia de primeira lei, que para o caso do ciclo combinado para a

gerao de potncia atinge valores de at 57%, valor superior a 43% da central a vapor (FUPAI,

2000). A mesma fonte compara o custo especfico (US $/kW) com a potncia nominal por

unidade (MW). A tabela 1.1 expressa a informao.

Tabela 1.1 Alguns ndices de desempenho comparativos entre as turbinas a gs de grande

porte e as turbinas a vapor.

Parmetro Central a vapor Ciclo combinado Turbina a gs

Potncia nominal (MW)/unidade 20-1200 20-1000 20-400

Custo especfico (US $/kW) 600-1400 400-1300 300-350

1.2.2.3 Ciclos de Turbinas a Gs com Recuperao Qumica

O conceito de recuperao qumica um dos vrios conceitos inovadores aplicveis aos

ciclos de turbina a gs para a gerao de energia eltrica e cogerao, que utilizam como

combustvel o gs natural, (Adelman et al. 1995).

Como objeto de estudo nos ltimos anos, destacam as sugestes que emanam do trabalho de

Souza Santos (1997), em relao necessidade de incluir anlises exergticas e econmicas

nestas instalaes, o trabalho de Snchez et al. (2000), onde apresentada uma avaliao

exergtica em uma planta de turbina a gs com reforma qumica, assim como os aportes

emanados das simulaes feitas nos trabalhos de Carcasci et al. (1998), e Harvey e Kane, (1997),

na anlise de ciclos de Turbina a Gs com Recuperao Qumica, baseados nas Turbinas LM

6000 da General Electric, e GT26 da ABB, respectivamente.

15

A Figura 1.5 apresenta um diagrama operacional que explica este conceito.

Figura 1.5. Diagrama conceitual do sistema de turbina a gs com recuperao qumica.

O calor dos gases de escape primeiro aproveitado no chamado reformador de vapor - gs

metano, que assume o lugar do Gerador de Vapor Recuperador de Calor, normalmente

empregado nos ciclos de Turbina a Gs com Injeo de Vapor, e os Ciclos Combinados. O

reformador qumico possui uma seo economizadora destinada ao aquecimento da gua at

condies de saturao, uma seo evaporativa para a gerao de vapor e a seo reformadora

propriamente dita. Esta ultima seo esta caracterizada segundo Kesser et al. (1994), pela

presena de um elemento catalisador em base nquel, que pode ser suficientemente ativo acima de

600 K, promovendo uma reao endotrmica entre o metano e o vapor de gua. Assim, a mistura

metano - vapor de gua absorve calor devido ao fluxo de entalpia dos gases quentes, e

quimicamente, devido s reaes qumicas. No critrio de Carcasci et al. (1998), na zona de

reao do reformador verificam-se as seguintes reaes:

CH4 + H2O CO + 3H 2 (1)

CO + H2O CO 2 + H2 (2)

Cmara de combusto

Gases

Gases

Sees economizadora e evaporativa

Vapor para ProcessoMetano

Reformador Metano-Vapor de gua

Gs combustvel reformado

Turbina a Gs

ar

gua

16

O gs obtido, produto da reao qumica e a troca de calor, contm CO, H2, excesso de

vapor de gua, restos de metano e CO2, sendo posteriormente levado ao combustor da turbina a

gs, onde seu potencial energtico aproveitado com excelentes resultados, (Snchez et al.,

2000).

1.2.2.4 Outras modificaes do ciclo padro

Uma delas considera o processo de compresso dotado de resfriamento intermedirio do ar,

visando reduzir o trabalho total fornecido ao compressor, e assim, aumentar o trabalho lquido do

ciclo. Porm como resultado, se tem a diminuio da temperatura do ar na entrada da cmara de

combusto, o que provoca diminuio da eficincia trmica do sistema. Ainda quando este

sistema seja combinado com a regenerao, e sejam atingidos melhores ndices de eficincia

trmica, o problema das baixas temperaturas dos gases pela presena da regenerao, continua

limitando como afirma Lizarraga, (1994), a aplicao prtica destas modificaes na cogerao.

Outra das modificaes so os ciclos com reaquecimento do ar (Figura 1.6). Esta

modificao insere uma segunda cmara de combusto, ficando a expanso dos gases na turbina

subdividida em duas sees. O efeito imediato, o aumento do trabalho especfico, no implica um

aumento da eficincia trmica na mesma medida, devido ao consumo adicional de combustvel.

Figura 1.6. Diagrama do ciclo composto.

Calor

Compressor

regenerador

Turbo-gerador

Cmara 1 Cmara 2

Gs Gs

17

A aplicao prtica do chamado ciclo composto, que pressupe a integrao das

modificaes anteriores apresenta o problema de determinar o nmero de etapas para a expanso

visando trabalhar para a condio de mxima eficincia, embora possa acontecer o fato j

mencionado da diminuio da temperatura do gs na sada, aspecto que geralmente no favorece

a cogerao.

Para concluir este item, vale a pena citar a aplicao dos ciclos de turbina a gs na

cogerao, adaptados a sistemas de refrigerao por absoro, onde a demanda de refrigerao

para o processamento de produtos necessria, alem das de vapor e energia eltrica. As

propostas recolhidas no trabalho de Gallego et al. (2000), baseadas na avaliao termoeconmica

de um sistema de cogerao que emprega duas turbinas a gs acopladas a uma caldeira

recuperadora de calor, que por sua vez fornece vapor ao sistema de refrigerao por absoro de

amnia, constitui um bom exemplo na hora de avaliar os requerimentos energticos de uma

fbrica de cerveja, extensivos a uma instalao industrial em geral.

1.3 Cogerao com motores de combusto interna

A aplicao dos motores de combusto interna na cogerao resulta de grande utilidade

prtica nas pequenas indstrias, onde prevalecem as necessidades de energia eltrica, e gua

quente ou vapor a baixa presso.

A energia qumica do combustvel libera-se atravs das reaes qumicas da combusto,

sendo aproveitada, segundo Lozano, (1998), at 40% na forma de trabalho mecnico. Entre as

formas de calor recupervel destacam-se, tanto as que provm do sistema de resfriamento do

motor, que na opinio do prprio pesquisador podem atingir at 20% da energia do combustvel,

quanto a frao de energia contida nos gases de sada do motor, cujo valor de temperatura oscila

entre os 400 500 oC, que carrega at 30% da energia do combustvel. Em geral a potncia no

eixo pode ser empregada para a gerao de eletricidade, ou para o acionamento de um

compressor ou bomba, e o calor recuperado pode-se destinar a variados usos, incluindo a

calefao industrial ou domstica, secagem, refrigerao por absoro, e produo de vapor de

baixa presso entre outras aplicaes. Como exemplo, pode ser citado o trabalho de Cruz e Nebra

18

(2002), onde feita uma avaliao termoeconmica de um sistema composto por motor de

combusto interna e refrigerao por absoro.

Existem fatores que tem contribudo a propagar o emprego dos motores de combusto

interna na cogerao. Merecem meno, os seguintes:

Disponibilidade de motores fiveis em variadas dimenses e capacidades.

Disponibilidade de combustveis lquidos e gasosos de qualidade a preos competitivos.

Grande capacidade de adaptao e rpida resposta diante variaes de potncia demandada.

Preferncia de emprego para instalaes de pequeno a mdio porte.

Nos motores de combusto interna destaca-se na cogerao o emprego dos motores

Diesel, ou de ignio por compresso, associados a maiores ndices de rendimento, e aplicaes

onde a potncia eltrica a consumir pode ser relativamente grande. Segundo afirma Barreda del

Campo (1999), estes motores tem sido empregados para a gerao de energia eltrica, onde a

demanda no justifique a instalao de uma central a vapor, ou gs.

Em anos recentes, alguns pesquisadores, entre eles Daz Tey (1998), reportam o

desenvolvimento de tecnologias para alimentar motores de combusto interna com gases

combustveis resultantes da gaseificao de biomassa, visando cobrir a demanda de energia

eltrica em zonas rurais. Este pesquisador prope empregar como fonte primria a madeira

proveniente de um bosque energtico, empregando gaseificadores de leito fixo.

1.4 O Setor Sucro-alcooleiro Brasileiro dentro do contexto da cogerao

A cogerao a partir de bagao de cana, bem como seus aspectos ambientais e sociais, tem

sido analisada por vrios pesquisadores, entre eles, Coelho et al. (1994), que mostraram as

vantagens para os setores envolvidos e os benefcios ambientais possveis de serem obtidos.

Dentro do contexto brasileiro, os prprios pesquisadores j consideravam a agroindstria

aucareira como o setor com maior potencial para a gerao de excedentes de energia eltrica,

fundamentalmente pela enorme quantidade de combustvel disponvel.

19

Porm, a necessidade de desenvolvimento de um programa de cogerao, num ambiente

competitivo implica a ao conjunta dos setores envolvidos, tais so os casos do setor eltrico,

automotivo e outros integrados aos objetivos do Estado. Assim, um fator que tem inibido e ainda

inibe o incremento da cogerao a prpria gesto empresarial. Negociar a venda de excedentes

de energia eltrica, implica uma adequao s caractersticas do mercado junto com os sistemas

de transmisso e distribuio.

Resulta de interesse sintetizar alguns aspectos prvios do ponto de vista do

desenvolvimento desta alternativa e que podem contribuir com a expanso dos sistemas de

gerao dentro do contexto brasileiro:

a) Trabalhos recentes, (Coelho et al. 1997), entre outros, ressaltam os diversos setores

industriais que apresentam potencial para a cogerao, destacando o setor sucro-alcooleiro como

o mais expressivo, sendo um beneficio, tanto para o prprio setor quanto para o setor eltrico.

b) Necessidade de diversificao de produtos para as indstrias de acar e lcool,

conforme as perdas de receita que estas vm enfrentando. Segundo Ramalho (1999), estas perdas

so decorrentes de excedentes de produo de acar e lcool, com significativas quedas nos

preos de comercializao destes produtos.

c) Necessidade de claras definies atravs de diretrizes governamentais para a explorao

do potencial da cogerao, uma vez que o setor sucro-alcooleiro no se desenvolveu

considerando a energia eltrica como um produto (Ramalho, 1999).

d) Desenvolvimento recente da prtica de racionalizao de energia, que j vem atraindo e

estimulando o surgimento de empresas de consultoria e engenharia especializadas em oferecer

solues a indstrias de vrios setores.

Os aspectos citados podem ser considerados como questes prvias s medidas que vem

adotando o setor sucro-alcooleiro, onde a cogerao vai desempenhar, e desempenha j de fato

um rol fundamental. Porm, qualquer alternativa de expanso do parque de gerao de energia

20

eltrica em sistemas a vapor passa necessariamente pela capacidade de investimento da indstria,

e por uma adequada remunerao da energia comercializada. A capacidade de investimento

impe necessariamente um estudo sobre o aumento na produo de eletricidade, o que por sua

vez nos sistemas a vapor, vincula-se ao incremento dos parmetros de gerao, questo que j

tm sido objeto de propostas, no s do ponto de vista termodinmico, mas como plano para

atingir aumento dos lucros (Ramalho, 1999). Nesse sentido vale a pena mencionar as variantes

citadas por Teixeira e Milanez (2000), onde a escolha de um ciclo ideal para a cogerao

avaliada. No citado trabalho so analisados sistemas de cogerao a vapor a altos parmetros,

sendo tambm citada a possibilidade de emprego de um ciclo combinado com gaseificao de

bagao, adaptado a uma caldeira recuperadora de calor.

O estado de So Paulo aporta antecedentes de muito interesse. Sendo de fato responsvel

pela produo de aproximadamente 70 % da biomassa proveniente do resduo da cana de acar

no pas, (DATAGRO, 1999), tem sido alvo de muitos programas de estmulo para o

desenvolvimento de fontes alternativas de energia, visando atender o aumento da demanda de

energia e reduzir os riscos de racionamento de eletricidade.

A compra de excedentes de energia eltrica produzida nas usinas de acar e lcool por

parte das empresas concessionrias j vem acontecendo. Segundo Ramalho (1999), a Companhia

Paulista de Fora e Luz, a que mais se tem destacado na contratao de excedentes de energia

eltrica do setor sucro-alcooleiro. No ano 2001 a empresa fechou contratos de compra de energia

com 15 usinas sucro-alcooleiras, instaladas dentro de sua rea de atuao. Esses negcios

chegaram ao montante de 310 mil MWh de energia excedente, (Emirandetti, 2001). Um bom

antecedente foi a assinatura de contratos entre a CPFL e 8 usinas sucro-alcooleiras do interior,

que implicam a aquisio de 160 mil MWh a R$ 50,00 o MWh, o que garante investimentos e

parcerias para a produo de nova energia, (O SETOR...., 2000), o que faz parte da estratgia da

companhia em ampliar, nos prximos 4 anos, as fontes alternativas de suprimento de energia. A

mesma fonte indica que a cifra chega prxima ao chamado valor normativo para energia gerada

por biomassa, fixado pela resoluo 233/99 da ANEEL, em R$ 57,70 o MWh.

21

Mais recentemente a Companhia Aucareira Vale do Rosrio iniciou negociaes com a

CPFL para a venda de 50 MW de energia, depois de investir 30 milhes para ampliar de 45 para

95 MW a potncia instalada em sua unidade industrial, (Alvarez, 2002).

O desafio do setor aucareiro pode-se resumir na anlise de viabilidade dos investimentos.

Esta anlise exige a ateno de diversos fatores entre os que destacam a disponibilidade de

equipamentos e a sua compatibilidade com as capacidades previstas e o custo do MWh gerado,

considerando que o MWh gerado atravs do bagao da cana pode custar entre R$ 25 e R$ 40,

resultando mais barato quando comparado com custo de produo da mesma quantidade de

energia a partir de gs natural, que segundo a CPFL pode ser estimado em R$ 60 o MWh. Desta

forma, muito difcil contratar um projeto e

Documents

Prieto, Mario Gabriel Sanchez.PDF