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Cogeração: como funciona a produção de energia elétrica numa usina sucroalcooleira


As necessidades energéticas de uma destilaria autônoma, relacionadas às demandas de calor, eletricidade e energia mecânica, são atendidas pela planta de cogeração que consome a biomassa residual gerada no processo. O bagaço de cana, atualmente empregado como combustível em todas as usinas de cana-de-açúcar existentes no país, é consumido em sistemas a vapor que, ao operarem com maior eficiência, propiciam a redução do consumo de combustível e/ou aumento da geração de excedentes de eletricidade.

O processo produtivo demanda vapor a baixa pressão, normalmente a 2,5 bar, como fonte de calor para processos de tratamento e evaporação do caldo e destilação do etanol. O consumo de vapor pode variar em função do grau da tecnologia e da integração térmica existente, o que influencia diretamente o consumo de combustível na caldeira. Além disso, sistemas de cogeração que operam com turbinas de extração-condensação necessitam baixos consumos de vapor de processo para que o último estágio das turbinas tenha condições de operar com vazões suficientes para justificar o investimento.

Os sistemas de preparo da cana e de extração do caldo também são consumidores de vapor para acionamento das turbinas, que fornecem energia mecânica aos picadores, desfibradores e ternos de moenda. Normalmente, a extração de vapor para atendimento dessa demanda ocorre a 22 bar de pressão, sendo que a vazão varia de acordo com a eficiência da turbina de acionamento. A substituição das antigas turbinas de simples estágio por turbinas multiestágio, de maior eficiência, vem ocorrendo em muitas usinas e destilarias, o que possibilita o aumento da geração de excedentes de eletricidade no sistema de cogeração.

Outro avanço tecnológico importante quanto ao sistema de preparo e de moagem da cana é o emprego de motores elétricos para acionamento dos equipamentos, em substituição às turbinas a vapor. A eletrificação desses sistemas possibilita um aumento significativo na eficiência de conversão da energia, o que resulta em aumento de geração elétrica excedente. Alternativamente, algumas usinas têm empregado sistemas de acionamento hidráulico, que representam uma solução intermediária, do ponto de vista da eficiência e da geração de excedentes elétricos, entre o acionamento puramente elétrico e o acionamento puramente mecânico diretamente viabilizado por turbinas a vapor.

Sistemas a vapor: caldeiras, turbinas e geradores

Atualmente, no Brasil e em todo o mundo, somente sistemas a vapor são encontrados nas usinas de cana-de-açúcar. Esta é uma tecnologia amplamente conhecida pelo setor e, no Brasil, são utilizados majoritariamente equipamentos de fabricação nacional. Diversos fabricantes de caldeiras, turbinas a vapor e geradores elétricos são encontrados na indústria nacional, sendo que muitos também atendem o mercado externo.

Os sistemas de cogeração mais eficientes em operação no setor de cana-de-açúcar nacional são ciclos a vapor que trabalham com vapor vivo a 65 bar de pressão (variando entre 60 e 65 bar na maioria dos casos) e 480ºC de temperatura. A tendência verificada junto aos fabricantes é o emprego de parâmetros mais elevados na geração de vapor, propiciando maior eficiência na geração elétrica. Existem diversas consultas de usinas para viabilizar sistemas que operem a mais de 80 bar de pressão, embora as vendas ainda se concentrem em sistemas de 42 e 65 bar. Foi verificado que um projeto, atualmente em construção, conta com um sistema de 90 bar de pressão.

O aumento da temperatura do vapor gerado pelas caldeiras é outro fator considerado para aumento de eficiência na geração elétrica. São encontradas no mercado caldeiras de 65 e 90 bar com temperatura máxima de 520°C. Segundo fabricantes de caldeiras, existe uma limitação econômica para o emprego de temperaturas mais altas na geração do vapor vivo, uma vez que no Brasil são produzidos aços que podem suportar temperaturas de até 520ºC. O emprego de aços especiais, que suportam temperaturas acima deste nível, teria que ocorrer com a importação do material ou por encomenda de lotes específicos à indústria nacional, o que torna os custos proibitivos.

Também foi verificada uma tendência de aumento da capacidade de geração de vapor das caldeiras destinadas ao setor sucroalcooleiro. Atualmente, a maior parte das vendas destina-se a caldeiras de capacidade de geração de vapor de 150 a 250 t/h e eficiência acima de 85% (base PCI), segundo os fabricantes. Novos projetos em fase de conclusão e alguns já instalados contam com caldeiras de 300 a 450 t/h de vapor gerado.

A tendência, quando se trata de caldeiras de maior capacidade, é a construção de caldeiras do tipo monodrum. Essa tecnologia é novidade no setor sucroalcooleiro, mas já vem sendo empregada há vários anos, no Brasil e no mundo, em setores como o de papel e celulose, petroquímicas e termelétrico. Segundo os fabricantes, a tecnologia possibilita a adoção de grandes vazões de vapor e pressões superiores a 100 bar.

Com relação às turbinas a vapor nacionais, verificou-se que os sistemas mais modernos vendidos atualmente para o setor de cana-de-açúcar são turbinas que operam com vapor de entrada a 65 bar e 490ºC e com sistemas de condensação e extração controlada e contrapressão. A potência das turbinas nacionais, segundo os fabricantes, está limitada a 50 MW por motivos econômicos, uma vez que os geradores elétricos nacionais atendem somente até esse nível de potência, sendo a importação desinteressante do ponto de vista da viabilidade do investimento.

Foi verificado que existe tecnologia na indústria nacional para produção de turbinas a vapor de reação com potência de até 150 MW, operando com vapor de admissão de até 120 bar e 530°C, mas destinadas ao mercado externo. Alguns projetos estão em andamento visando à compra de turbinas de 85 bar e 520ºC. Entretanto, parte significativa das vendas ao setor estava concentrada em turbinas que operavam com vapor a 22 bar/320ºC (sistemas que apenas viabilizavam a autossuficiência do atendimento elétrico) e 42 bar/420ºC (que permitiam a geração de excedentes elétricos modestos); a partir de 2007 a maioria dos equipamentos vendidos são para condições de vapor acima de 60 bar, possivelmente motivado por financiamentos mais favoráveis para esta situação.

Para simulação do excedente de eletricidade gerado pelas destilarias dentro dos cenários de evolução tecnológica nos horizontes de 2015 e 2025 apresentados nestas projeções, foram consideradas duas variantes associadas à hipótese de produção, ou não, de etanol por hidrólise do bagaço. Diferentes configurações de sistema de cogeração foram simuladas baseando-se na disponibilidade de combustível (bagaço e palhiço) e na introdução ou não da planta anexa de hidrólise.

As configurações de sistema de cogeração foram simuladas com o emprego de um software de simulação de sistemas de potência a vapor, desenvolvido em linguagem orientada para o objeto, utilizando como base o software comercial Delphi. O módulo “Potência” do programa de simulação permite a realização dos cálculos termodinâmicos da configuração definida pelo usuário. A figura reproduz a tela Fluxograma do programa. A configuração objeto de análise pode ser definida (i) nos modos de operação cogeração ou termoelétrico, (ii) com um ou dois níveis de pressão na geração de vapor, (iii) com emprego de turbinas de contra pressão ou de extração-condensação (até duas extrações de vapor podem ser consideradas), (iv) com eletrificação ou não da moagem e do preparo da cana, etc.

Fluxograma completo do sistema de cogeraçãoFluxograma completo do sistema de cogeração

Quando da simulação dos sistemas de potência operando na situação em que há produção de etanol por hidrólise, foi considerado que não há recuperação de condensado correspondente à extração que ocorre a 37 bar. Nesse caso, tal situação é representada por um fluxo de vapor (ou de condensado) para a atmosfera na posição 45 do fluxograma apresentado acima.

Na simulação das destilarias que não possuem planta de hidrólise (Configuração Otimizada) foi considerado que todo o combustível disponível na destilaria é destinado ao sistema de cogeração, maximizando a geração de excedente de eletricidade. Nas configurações com hidrólise, foram adotados sistemas de cogeração com turbinas de contrapressão, operando somente durante a safra, fornecendo o máximo possível de bagaço para a planta de hidrólise anexa à destilaria sem comprometer a geração de vapor para o processo.

Em todos os casos, adotou-se que 10% do combustível são reservados para viabilizar as partidas do sistema, após as suas paradas, sendo o restante totalmente consumido na geração de vapor. Além disso, assumiu-se a utilização de motores elétricos para acionamento do sistema de extração do caldo, sendo, portanto, a demanda elétrica total da destilaria atendida pelo sistema de cogeração.

Alguns parâmetros adotados no procedimento de cálculo das configurações são apresentados a seguir:

  • Pressão do vapor de processo: 2,5 bar;
  • Temperatura do vapor de processo: 128°C;
  • Pressão de operação do desaerador: 1,3 bar;
  • Eficiência da caldeira: 85% (base PCI);
  • Eficiência isentrópica da turbina a vapor: 78%;
  • Eficiência isentrópica das bombas: 65%;
  • Temperatura de retorno do condensado: 79°C;
  • Perda de vapor no processo: 5% do vapor de processo;
  • Vapor consumido no desaerador: 5% do vapor vivo gerado;
  • Poder calorífico inferior do bagaço: 7.524 kJ/kg (50% umidade);
  • Poder calorífico inferior do palhiço: 12.960 kJ/kg (15% umidade);
  • Poder calorífico inferior da lignina: 16.219 kJ/kg (50% umidade);
  • Produção total de bagaço: 140 kg/t cana (base seca);
  • Produção total de palhiço: 140 kg/t cana (base seca);
  • Produção de lignina: 200 kg/t bagaço hidrolisado (base seca).

Configuração Atual

A configuração Atual foi estimada como uma média da situação vigente para sistemas de cogeração do setor sucroalcooleiro, tendo sido adotada como referência na destilaria padrão. Foi considerado que o excedente de eletricidade para este caso seria de 40,0 kWh/t cana em uma destilaria com produção de 85 l/tc. Essa configuração representa uma situação ainda muito comum no setor sucroalcooleiro brasileiro e serve de referência para comparação com os avanços tecnológicos propostos para as demais configurações.

Configuração Otimizada

A configuração Otimizada representa destilarias sem planta de hidrólise anexa e com a melhor tecnologia de geração elétrica atualmente disponível para o setor sucroalcooleiro nacional, com geração de vapor a 90 bar e 520°C e geração de energia elétrica ao longo de todo o ano com emprego de turbinas de extração-condensação. Embora tal hipótese seja conservadora do ponto de vista tecnológico, já que sistemas mais eficientes poderiam ser considerados em um horizonte de médio e longo prazo, é realista do ponto de vista do potencial que poderia ser viabilizado, desde que grande número de usinas adote tal configuração.

Esta configuração foi subdividida em Otimizada I, II e III, sendo prevista a introdução do palhiço como combustível auxiliar ao bagaço, visando à maximização da geração elétrica. Na tabela são apresentados alguns parâmetros adotados para essa configuração e o índice de geração de excedente elétrico calculado.

ConfiguraçãoOtimizada IOtimizada IIOtimizada III
Pressão do vapor vivo (bar) 90 90 90
Temperatura do vapor vivo (ºC) 520 520 520
Consumo de vapor de processo1 (kg/t cana) 385 4442 4553
Demanda elétrica do processo (kWh/t cana) 12,0 12,0 12,0
Demanda elétrica para acionamento do sistema de extração (kWh/t cana) 16,0 16,0 16,0
Demanda elétrica total (kWh/t cana) 28,0 28,0 28,0
Fração do bagaço consumido nas paradas do sistema (%) 10 10 10
Fração do bagaço consumido na cogeração (%) 90 90 90
Fração do total do palhiço consumida pelo sistema de cogeração (%) 0 25 50
Produção de bioetanol (l/t cana) 88,3 88,3 88,3
Eletricidade excedente gerada (kWh/t cana) 87,8 121,3 160,2
1saturado a 2,5 bar de pressão. 2Considera concentração de vinhoto com redução de 50% do volume inicialmente gerado. 3Considera concentração de vinhoto com redução de 66% do volume inicialmente gerado.

Configuração “Hidrólise”

Foram simuladas destilarias nas quais a máxima quantidade de bagaço possível seria destinada à planta anexa de hidrólise, sem o comprometimento da geração de vapor de processo (processo tradicional + planta de hidrólise). Nesse caso também é considerada a geração de vapor com lignina, em complementação à geração de vapor com o palhiço disponível e a quantidade de bagaço requerida (não hidrolisado).

Os resultados para as configurações Hidrólise I e Hidrólise II, apresentados na próxima tabela, correspondem, respectivamente, a uma primeira etapa de desenvolvimento do processo de hidrólise (com rendimento mais baixo), que se estima que possa ser atingido em 2015, e uma segunda etapa de desenvolvimento a ser atingida em 2025, refletindo ganhos de produtividade em função do amadurecimento da tecnologia e otimização do processo.

Neste caso, a geração de energia elétrica é bastante reduzida em relação ao caso anterior, em função da menor disponibilidade de biomassa para geração de eletricidade, mesmo considerada a queima da lignina residual do processo de hidrólise.

ConfiguraçãoHidrólise IHidrólise II
Pressão do vapor vivo (bar) 90 90
Temperatura do vapor vivo (ºC) 520 520
Consumo de vapor de processo tradicional (kg/t cana) (saturado a 2,5 bar) 3531 3722
Consumo de vapor de processo para a hidrólise (kg/t cana) (saturado a 2,5 bar) 131,2 146,1
Consumo de vapor total do processo (kg/t cana) (saturado a 2,5 bar) 484,2 518,1
Consumo de vapor de alta pressão para a hidrólise (kg/t cana) (extração a 37 bar) 22,8 36,2
Demanda elétrica do processo tradicional (kWh/t cana) 12,0 12,0
Demanda elétrica do processo hidrólise (kWh/t cana) 17,6 19,7
Demanda elétrica para acionamento do sistema de extração (kWh/t cana) 16,0 16,0
Demanda elétrica total (kWh/t cana) 45,6 47,7
Fração do total de bagaço para hidrólise (%) 47,5 76,0
Fração do total de bagaço consumido em paradas do sistema (%) 10 10
Fração do total de bagaço destinada ao sistema de cogeração (%) 52,5 24
Fração do total de palhiço consumido pelo sistema de cogeração (%) 25 50
Produção de bioetanol (l/t cana) 103,6 124,3
Eletricidade excedente gerada (kWh/t cana) 49,3 54,7
2Considera concentração de vinhoto com redução de 50% do volume inicialmente gerado. 3Considera concentração de vinhoto com redução de 66% do volume inicialmente gerado.

Foi considerado o emprego exclusivo de turbinas de extração contrapressão, com operação restrita ao período de safra, visando à maximização da produção de etanol. Considerou-se também que a produção de etanol por hidrólise ocorreria apenas durante o período da safra, hipótese que ainda precisa ser verificada quanto à sua viabilidade econômica. Adotou-se a mesma tecnologia de geração de vapor a 90 bar, 520°C, pois foi observado que no caso da hidrólise a geração de vapor a menor pressão e temperatura (i.e., 65 bar, 480°C) não resultaria vantagem significativa do ponto de vista da disponibilização de biomassa para hidrólise: comparando a geração de vapor a 65 bar, 480°C, com a alternativa de geração a 90 bar, 520°C, a disponibilidade de biomassa para hidrólise aumentaria pouco mais de 1%, enquanto a geração de energia elétrica seria sacrificada em quase 20% em relação à situação escolhida.

De acordo com os cenários previstos no estudo, a introdução de cada configuração segue a sequência apresentada na próxima tabela, na qual são apresentados os perfis das destilarias que devem ser introduzidas em cada período de 5 anos entre 2005 e 2025.

Com relação à configuração Otimizada, assumiu-se que as destilarias com essa configuração teriam uma evolução da capacidade de geração ao longo do tempo, decorrente da introdução do palhiço como combustível auxiliar a partir de 2015. Por outro lado, teriam seu consumo de vapor de processo aumentado devido ao fato de concentrarem parte do vinhoto gerado, como indicado abaixo. Assim, as destilarias com configuração Otimizada I, introduzidas no período 2005-2010 no cenário Prudente e entre 2005 e 2015 no cenário Progressivo, passariam a contar com configuração Otimizada II a partir de 2015, e com a configuração Otimizada III a partir de 2025.

Cenário5 Anos (2005-2010)10 Anos (2010-2015)15 Anos (2015-2020)20 Anos (2020-2025)
Sem Tecnologia 100% Atual 100% Atual 100% Atual 100% Atual
Prudente 100% Otimizada I 100% Otimizada I 100% Hidrólise I 100% Hidrólise I
Progressivo 100% Otimizada I 50% Otimizada I50% Hidrólise I 100% Hidrólise I 50% Hidrólise I50% Hidrólise II
100% Tecnológico 100% Hidrólise II 100% Hidrólise II