Roberto Teixeira Pessine 25 Abril 2008

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Roberto Teixeira Pessine 25 Abril 2008

  1. 1. COGERAÇÃO <ul><li>IMPACTOS POSITIVOS E ADVERSOS NO MEIO AMBIENTE </li></ul><ul><li>Instituto de Eletrotécnica e Energia - USP </li></ul><ul><li>São Paulo, 25 de abril de 2008 </li></ul><ul><li>Roberto T. Pessine </li></ul>
  2. 2. <ul><li>ÍNDICE </li></ul><ul><li>1. Conceitos e definições </li></ul><ul><li>2. A industria sucroalcooleira </li></ul><ul><li>3. Sistemas de cogeração do setor sucroalcooleiro </li></ul><ul><li>4. Sistema de Cogeração/ meio ambiente </li></ul><ul><li>5. Projeto conceitual de uma unidade industrial </li></ul><ul><li>6. Cenário típico de um up-grade em cogeração </li></ul><ul><li>7. Simulações </li></ul><ul><li>8. Up-grade radical </li></ul><ul><li>9. Cogeração:conseqüências da otimização energética </li></ul><ul><li>10.Cogeração/meio ambiente: enfoque global </li></ul>
  3. 3. 1. CONCEITOS E DEFINIÇÕES Conceito termodinâmico – cogeração é a produção de mais de uma forma de energia útil, a partir de um único energético num mesmo processo. Conceito empregado no setor elétrico - Res. ANEEL 235/2006 Art 3º inciso I – Cogeração: processo operado numa instalação específica para fins da produção combinada das utilidades calor e energia mecânica, esta geralmente convertida total ou parcialmente em energia elétrica,a partir da energia disponibilizada por uma fonte primária, .... Definição do Cogeneration Handbook (Califórnia Energy Commission, September 1982) – In broadest terms, cogeneration is the simultaneous production of electrical or mechanical energy and thermal energy. Outras definições – em geral limitadas Observação: a análise de sistemas de cogeração compreende necessariamente o enfoque de duas centrais de potência e sistemas para aproveitamento de calor residual. Nesses processos, em geral, as transformações energéticas enfocam 04 formas de energia: energia elétrica (mais nobre das energias), energia mecânica, calor de processo e refrigeração.
  4. 5. <ul><li>Comentários sobre as definições: </li></ul><ul><ul><li>cogeração: aplicação direta da 1ª e 2ª leis da termodinâmica </li></ul></ul><ul><ul><li>conceito de calor empregado como energia útil – a exergia </li></ul></ul><ul><ul><li>a forte presença da energia elétrica nas definições </li></ul></ul><ul><ul><li>fronteiras das definições: ciclo combinado a gás natural etc. </li></ul></ul><ul><li>Implicação das definições que enfatizam a energia elétrica : </li></ul><ul><li>Definição dos ciclos de operação de cogeração: </li></ul><ul><li>CICLO TOPPING: Combustível eletricidade calor de processo </li></ul><ul><li>CICLO BOTTOMING: Combustível calor de processo eletricidade </li></ul>
  5. 6. caldeira geração elétrica geração mecânica bagaço água de reposição T V T V T V – turbina a vapor DIAGRAMA TÉRMICO – UTE - COGERAÇÂO bomba bomba vapor (P 1 , T 1 , H 1 ) vapor (P, T, H) calor de processo
  6. 7. 2.A INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA <ul><li>O processo global </li></ul><ul><li>A unidade industrial </li></ul><ul><li>Ciclo de vapor: cogeração </li></ul><ul><li>A evolução tecnológica no tempo: </li></ul><ul><li>- Processos/equipamentos </li></ul><ul><li>- O impacto no meio ambiente </li></ul>
  7. 8. PROCESSO INDUSTRIAL USINA CANA CRUA LIMPA (90 A 95 T.C./há) OUTROS RESÍDUOS VINHOTO, TORTA, ETC . SOBRA DE BAGAÇO 20 A 28 kg /T.C. ENERGIA MECÃNICA CALOR DE PROCESSO PROCESSO INDUSTRIAL VAPOR DE ALTA PRESSÃO 1,9 A 2,6 kg VAPOR/kg BAGAÇO T.C. = TONELADA DE CANA LIMPA ENERGIA ELÉTRICA ( 2,4 A 8,8 ) kg BAGAÇO / kWh RETORNO 30 A 50 % DISPONÍVEL (60 A 200)kg /T.C. COLHEITA MECÂNICA INDUSTRIA SUCROALCOOLEIRA SUBPRODUTOS DISPONÍVEIS PARA COGERAÇÃO DE ELETRICIDADE BAGAÇO (200 A 280) kg /T.C. ~ 50% UMIDADE PALHA E PONTA (120 A 280) kg /T.C. ~ 50% UMIDADE
  8. 9. Panorama de uma Usina de Açúcar
  9. 11. USINA DE AÇÚCAR - SISTEMA DE MOAGEM
  10. 12. Turbina de acionamento da moenda
  11. 13. USINA DE AÇÚCAR - PRODUÇÃO DE AÇÚCAR
  12. 14. USINA DE AÇÚCAR – PRODUÇÃO DE ÁLCOOL
  13. 15. USINA DE AÇÚCAR – CICLO DE VAPOR
  14. 16. COMBUSTÍVEL BAGAÇO DE CANA ENERGIA ELÉTRICA kWh CANA DE AÇÚCAR COGERAÇÃO - BAGAÇO DE CANA CALDEIRA A BAGAÇO DE CANA REDE SE ELEVATÓRIA GERADOR TURBINA
  15. 17. EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA DAS USINAS AO LONGO DO TEMPO <ul><ul><ul><ul><li>Resumo da evolução temporal em ordem crescente: </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>1980 a 1990, 1990 -1995 - 2000, 2000 a 2007. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Processo : modernização de equipamentos, métodos (álcool anidro), controle de processo. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Cogeração : otimização e racionalização energética – caldeiras, turbinas, interligação com a rede elétrica (paralelismo), tubulações. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Informatização. </li></ul></ul></ul></ul>
  16. 18. EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA DAS USINAS AO LONGO DO TEMPO MEIO AMBIENTE <ul><li>Decréscimo da agressão ao meio ambiente ao longo do tempo </li></ul><ul><ul><li>produtos impactantes: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>processo: vinhoto,tortas,óleo fúsel, rectisol etc. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>sistema de cogeração: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>caldeira: MP, cinzas, CO 2 ,etc. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>o excesso de bagaço (queima, fermentação na armazenagem, etc.) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><li>Consumo de recursos naturais: água, lenha, cal, etc. </li></ul></ul>
  17. 19. <ul><li>3. Sistemas típicos de cogeração do setor sucroalcooleiro </li></ul><ul><li>No processo de beneficiamento da cana ,seja para a produção de açúcar ou de álcool, atualmente são empregados três formas de energia, todas obtidas a partir do bagaço de cana: </li></ul><ul><ul><li>Calor (parâmetro determinante na definição dos equipamentos do sistema de geração elétrica e mecânica); </li></ul></ul><ul><ul><li>Eletricidade </li></ul></ul><ul><ul><li>Energia mecânica. </li></ul></ul><ul><li>Nas unidades mais modernas a energia elétrica tem sido privilegiada em detrimento da mecânica </li></ul>
  18. 20. DIAGRAMAS PADRÃO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO <ul><li>EMPREGADOS PELAS INDÚSTRIAS DO SETOR SUCROALCOOLEIRO </li></ul><ul><li>DO ESTADO DE SÃO PAULO </li></ul>
  19. 21. DIAGRAMA PADRÃO DE SISTEMA DE COGERAÇÃO EMPREGADO PELAS INDÚSTRIAS DO SETOR SUCROALCOOLEIRO DO ESTADO DE SÃO PAULO BAGAÇO H2O DE REPOSIÇÃO CALDEIRA P=22 kgf/cm 2 GERADOR TURBINA CONTRAPRESSÃO ENERGIA MECÂNICA VALVULA REDUTORA T= 300 O C BOMBA PROCESSO T=140 O C P=1,6 kgf/cm 2 <ul><li>NÚMERO DE UNIDADES INDUSTRIAIS QUE UTILIZAM ESTE ESQUEMA = 128 </li></ul><ul><li>% DA CANA PROCESSADA NESTE MÉTODO = 87,5 ( dados de 1997) </li></ul>H=720 kcal/kg H=657 kcal/kg T=90°C H=90 kcal/kg
  20. 22. DIAGRAMA PADRÃO DE SISTEMA DE COGERAÇÃO EMPREGADO PELAS INDÚSTRIAS DO SETOR SUCROALCOOLEIRO DO ESTADO DE SÃO PAULO BAGAÇO H2O DE ALIMENTAÇÃO CALDEIRA P = 42 kgf/cm 2 a 46 kgf/cm 2 GERADOR TURBINA CONTRAPRESSÃO T= 400 O C 450 O C BOMBA PROCESSO T=140 O C P=1,6 kgf/cm 2 <ul><li>NÚMERO DE UNIDADES INDUSTRIAIS QUE UTILIZAM ESTE ESQUEMA = 05 </li></ul><ul><li>% DA CANA PROCESSADA NESTE MÉTODO = 10,5 ( dados de 1997) </li></ul>
  21. 23. DIAGRAMA PADRÃO DE SISTEMA DE COGERAÇÃO EMPREGADO PELAS INDÚSTRIAS DO SETOR SUCROALCOOLEIRO DO ESTADO DE SÃO PAULO BAGAÇO H2O DE ALIMENTAÇÃO CALDEIRA P= 60 kgf/cm 2 GERADOR TURBINA DE CONTRAPRESSÃO T= 460 O C BOMBA PROCESSO T=300 O C P=18 kgf/cm 2 <ul><li>NÚMERO DE UNIDADES INDUSTRIAIS QUE UTILIZAM ESTE ESQUEMA = 01 </li></ul><ul><li>% DA CANA PROCESSADA NESTE MÉTODO = 1,1 ( dados de 1997) </li></ul>TURBINA DE CONTRAPRESSÃO LINHA DE VAPOR GERADOR P=1,6 kgf/cm 2 T=140 O C H=794 kcal/kg H=657 kcal/kg T=110°C H=111 kcal/kg H=722 kcal/kg
  22. 24. 4 . SISTEMA DE COGERAÇÃO/ MEIO AMBIENTE <ul><li>a) Usina de açúcar </li></ul><ul><li>Produtos : açúcar (principal) </li></ul><ul><ul><li>eletricidade (secundário) </li></ul></ul><ul><ul><li>melaço (secundário) </li></ul></ul><ul><ul><li>bagaço (eventualmente secundário) </li></ul></ul><ul><li>Setores da indústria que provocam alterações no meio ambiente: </li></ul><ul><ul><li>Caldeiras – MP, gases (CO 2 , CO, NOx, etc.), cinzas, calor </li></ul></ul><ul><ul><li>Armazenagem do bagaço – bagacilho em suspensão </li></ul></ul><ul><ul><li>Processo – produtos típicos impactantes da produção de açúcar </li></ul></ul><ul><ul><li>Perdas de água – válvula de alívio, lagoa de refrigeração, etc. </li></ul></ul>
  23. 25. 4.SISTEMA DE COGERAÇÃO/ MEIO AMBIENTE continuação <ul><li>b) Usina de açúcar com destilaria anexa </li></ul><ul><li>Produtos : açúcar e álcool anidro e/ou hidratado (principal) </li></ul><ul><ul><li>eletricidade (secundário) </li></ul></ul><ul><ul><li>fermento (secundário) </li></ul></ul><ul><ul><li>bagaço (eventualmente secundário) </li></ul></ul><ul><li>Setores da indústria que provocam alterações no meio ambiente: </li></ul><ul><ul><li>Caldeiras – MP, gases(CO 2 , CO, NO x etc.), cinzas, calor. </li></ul></ul><ul><ul><li>Armazenagem do bagaço – bagacilho em suspensão </li></ul></ul><ul><ul><li>Processo – produtos típicos impactantes do setor de produção de açúcar e do setor de produção de álcool </li></ul></ul><ul><ul><li>Perdas de água – válvula de alívio, lagoa de refrigeração, etc. </li></ul></ul>
  24. 26. 4.SISTEMA DE COGERAÇÃO/ MEIO AMBIENTE continuação <ul><li>c) Destilaria autônoma </li></ul><ul><li>Produtos : álcool anidro e/ou hidratado (principal) </li></ul><ul><ul><li>eletricidade (secundário) </li></ul></ul><ul><ul><li>fermento (secundário) </li></ul></ul><ul><ul><li>bagaço (eventualmente secundário) </li></ul></ul><ul><li>Setores da indústria que provocam alterações no meio ambiente: </li></ul><ul><ul><li>Caldeiras – MP, gases(CO 2 , CO, NO x , etc.), cinzas, calor </li></ul></ul><ul><ul><li>Armazenagem do bagaço – bagacilho em suspensão </li></ul></ul><ul><ul><li>Processo – produtos típicos impactantes da produção de álcool </li></ul></ul><ul><ul><li>Perdas de água – válvula de alívio, lagoa de refrigeração, etc. </li></ul></ul>
  25. 27. 4.SISTEMA DE COGERAÇÃO/ MEIO AMBIENTE continuação Cogeração: eletricidade, energia mecânica, calor <ul><li>Sub-sistemas componentes da cogeração: </li></ul><ul><ul><li>Armazenagem de combustível (bagaço) </li></ul></ul><ul><ul><li>Caldeira – geração de vapor (ciclo Rankine) </li></ul></ul><ul><ul><li>Turbinas a vapor (contrapressão / condensação) </li></ul></ul><ul><ul><li>Geradores elétricos </li></ul></ul><ul><ul><li>Sistema de interligação com a rede externa </li></ul></ul>
  26. 28. Armazenagem de bagaço de cana
  27. 29. Depósito de bagaço de cana de açúcar
  28. 30. Caldeira a bagaço de cana
  29. 31. Caldeira a bagaço de cana
  30. 32. Grupo Turbina - Gerador
  31. 33. Depósito de Bagaço Turbina - gerador Sala de controle
  32. 35. 5. PROJETO CONCEITUAL DE UMA UNIDADE INDUSTRIAL SETOR SUCROALCOOLEIRO <ul><li>Definição da capacidade de produção da indústria: cana de açúcar a ser processada </li></ul><ul><ul><li>Equipamentos de processo (moendas e/ou difusores, dornas, evaporadores, equip. de destilação etc) </li></ul></ul><ul><ul><li>Necessidade de água para o processo </li></ul></ul><ul><ul><li>Necessidades energéticas: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>calor para processo – vapor (determinante) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>energia elétrica (participação temporal crescente) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>energia mecânica (participação temporal decrescente) </li></ul></ul></ul>
  33. 36. 5.PROJETO CONCEITUAL DE UMA UNIDADE INDUSTRIAL SETOR SUCROALCOOLEIRO <ul><li>1.Caldeira : vapor gerado deve atender a demanda de calor de processo – vapor levemente superaquecido </li></ul><ul><ul><li>Pressão = 1,5 a 2,5 kgf/cm 2 , Temperatura = 140 a 160 °C </li></ul></ul><ul><ul><li>Consumo de vapor = 350 a 600 kg vapor/TC </li></ul></ul><ul><li>2.Eficiência energética do processo industrial global determina o consumo de vapor de água </li></ul><ul><li>3.Caldeiras tecnologicamente avançadas: </li></ul><ul><ul><li>maior pressão e temperatura ( P ~ 65 kgf/cm 2 , T~ 480 °C) </li></ul></ul><ul><ul><li>maior eficiência energética (  88%) </li></ul></ul><ul><ul><li>melhor controle operacional </li></ul></ul><ul><ul><li>maior confiabilidade e estabilidade (fator de capacidade  95%) </li></ul></ul><ul><ul><li>menor interferência no meio ambiente </li></ul></ul>Definição do porte do sistema de cogeração
  34. 37. 6.CENÁRIO TÍPICO DE UM UPGRADE EM COGERAÇÃO Indústria sucroalcooleira <ul><li>Não há alteração </li></ul><ul><ul><li>quantidade de cana moída; área de cultivo da cana </li></ul></ul><ul><ul><li>no porte dos equipamentos do processo industrial (moendas, dornas,torres destilação e outros.) </li></ul></ul><ul><ul><li>quantidades de produtos produzidos (álcool, açúcar) </li></ul></ul><ul><li>Pode haver mudanças significativas: </li></ul><ul><ul><li>na eficiência do uso de calor de processo: dornas fechadas, tubulações isoladas, sistema de recuperação do calor mais eficiente etc.; </li></ul></ul><ul><ul><li>no consumo de vapor de água ( 380kg/TC a 650kg/TC) </li></ul></ul><ul><ul><li>Na reposição de água (ciclo de vapor : 5% a 20%; processo industrial: 1,0 m3/TC a 10,0 m3/TC ) </li></ul></ul>
  35. 38. 6.CENÁRIO TÍPICO DE UPGRADE EM COGERAÇÃO Indústria sucroalcooleira <ul><li>Há alteração significativa </li></ul><ul><ul><li>sistema de geração de vapor – caldeiras </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>eficiência: de ~ 70% para ~ 90% </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>pressões: de 21kgf/cm 2 para ~ 65 a 80 kgf/cm 2 </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>temperatura: de ~ 300°C para ~ 460°C a 520°C </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>consumo específico de bagaço (kg bagaço / kg vapor) – função do projeto da caldeira </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>decréscimo do consumo de bagaço (kg bagaço/TC) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Elevação do fator de capacidade: de 75% para 95% </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>turbinas a vapor (contra pressão ou condensação) </li></ul></ul><ul><ul><li>geradores – elevação da geração de eletricidade </li></ul></ul><ul><ul><li>diagrama unifilar, interligação com a rede/paralelismo </li></ul></ul>
  36. 41. <ul><li>7.SIMULAÇÃO DE UM UP-GRADE NO SISTEMA DE COGERAÇÃO </li></ul><ul><li>Considere um up grade numa usina de açúcar e álcool no qual ocorre uma otimização energética, incluindo a substituição de uma caldeira. </li></ul><ul><li>Consumo de vapor da usina: </li></ul><ul><ul><li>Antes do up grade (com a caldeira velha) = 600 kg/TC </li></ul></ul><ul><ul><li>Após o up grade (com a caldeira nova) = 420 kg/TC </li></ul></ul><ul><li>Características da caldeira velha: </li></ul><ul><ul><li>Pressão = 22 kgf/cm 2 ; temperatura = 300°C; eficiência = 72% </li></ul></ul><ul><ul><li>Consumo específico = 2 kg vapor / kg bagaço </li></ul></ul><ul><li>Características da caldeira nova: </li></ul><ul><ul><li>Pressão = 80 kgf/cm 2 ; temperatura = 500°C; eficiência = 88% </li></ul></ul><ul><ul><li>Consumo específico = 2,8 kg vapor / kg bagaço </li></ul></ul><ul><li>Estime a quantidade de combustível (kg de bagaço/TC) a ser usada pela Usina em ambos os casos. </li></ul>
  37. 42. <ul><li>7.SIMULAÇÃO DE UM UP-GRADE NO SISTEMA DE COGERAÇÃO </li></ul><ul><li>Geração elétrica evitada pela cogeração do setor sucroalcooleiro no Estado de SP </li></ul><ul><li>Período seco do sudeste (maio a novembro = 210 dias.) </li></ul><ul><li>Potência elétrica evitada ~ 2000 MWe (ponta e fora de ponta) </li></ul><ul><li>Considere uma UTE funcionando nas condições abaixo: </li></ul><ul><ul><li>eficiência da central: η = 35% </li></ul></ul><ul><ul><li>nº de horas médio de um mês = 730 h </li></ul></ul><ul><ul><li>PCi do óleo combustível 1B = 9.505 kcal/kg </li></ul></ul><ul><ul><li>densidade do óleo 1B = 1,04 kg/L </li></ul></ul><ul><ul><li>fator de capacidade da UTE = 100% </li></ul></ul><ul><ul><li>1 kWh = 860 kcal </li></ul></ul><ul><li>Estimativa de emissão - 100 kg de óleo 1B produz: </li></ul><ul><ul><li>CO 2 (315,0 kg) </li></ul></ul><ul><ul><li>SO 2 (5,80 kg) </li></ul></ul><ul><ul><li>NO 2 (1,28 kg) </li></ul></ul>
  38. 43. 7.SIMULAÇÃO DE UM UP- GRADE NO SISTEMA DE COGERAÇÃO <ul><li>Calcule: </li></ul><ul><li>1. O volume de óleo combustível 1B que deixou de ser </li></ul><ul><li>Consumido. Comente. </li></ul><ul><li>2. A quantidade de emissões atmosféricas evitadas. </li></ul><ul><li>3. A quantidade de calor (em Kcal/mês) que deixou de ser emitida para o meio ambiente. </li></ul>
  39. 44. 8.CENÁRIO DE UM UPGRADE RADICAL EM COGERAÇÃO Indústria sucroalcooleira <ul><li>não há expansão da capacidade produtiva </li></ul><ul><li>elevação significativa da produção de energia elétrica: de ~ 12 kWh/TC para ~ 80 a 100 kWh/TC </li></ul><ul><li>decréscimo do uso da energia mecânica: </li></ul><ul><ul><li>acionamento elétrico das moendas </li></ul></ul><ul><li>aumento do consumo próprio de eletricidade </li></ul><ul><li>sistema energético com alta eficiência: </li></ul><ul><ul><li>caldeiras de alta pressão (~65 kgf/cm 2 , 480°C) </li></ul></ul><ul><li>decréscimo do uso de água: </li></ul><ul><ul><li>de ~ 600 kg vapor/TC para ~ 400 kg vapor/TC </li></ul></ul>
  40. 45. 9.COGERAÇÃO: CONSEQÜÊNCIAS DA OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA DO PROCESSO DE BENEFICIAMENTO DE CANA DE AÇÚCAR <ul><li>Aumento da energia elétrica excedente. </li></ul><ul><li>Energia elétrica excedente: disputa espaço com os produtos principais da usina (açúcar e álcool anidro/hidratado). </li></ul><ul><li>Elevação das sobras de bagaço. </li></ul>
  41. 46. <ul><li>Redução de implantação de novas centrais de geração (hidráulicas, térmicas etc); </li></ul><ul><li>Redução de implantação de novas redes de transmissão e distribuição e subestações; </li></ul><ul><li>Aumento da eficiência global do sistema de geração elétrica do país; </li></ul><ul><li>Decréscimo das perdas técnicas das LT’s e LD’s; </li></ul><ul><li>Menor consumo de combustível em UTE’s integradas </li></ul><ul><li>Menor consumo de água nos processos industriais e de geração elétrica: resultado da otimização e racionalização energética. </li></ul><ul><li>Decréscimo do preço da energia elétrica ofertada ao mecado </li></ul>10.COGERAÇÃO/MEIO AMBIENTE: ENFOQUE GLOBAL SEM ALTERAÇÃO DA QUANTIDADE DE CANA PROCESSADA

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