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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

 

Análise termodinâmica e termoeconômica de uma usina sucroalcooleira que produz excedente de bagaço para comercialização

 

 

Thales Brandão Uchôa; Anderson Henrique Beneduzzi; Marcos Hideo da Silva Mashiba; Cassio Roberto Macedo Maia; Ricardo Alan Verdú Ramos

NUPLEN - Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de Energia- UNESP - Campus de Ilha Solteira - Departamento de Engenharia Mecânica - Av. Brasil, 56 - Caixa Postal 31 - CEP 15385-000 - Ilha Solteira, SP- Fone: (18) 3743-1038 - Email: nuplen@dem.feis.unesp.br

 

 


RESUMO

Este trabalho consiste na análise termodinâmica e termoeconômica de uma planta de cogeração de energia de uma usina sucroalcooleira paulista (Usina Iracema) que privilegia a venda do bagaço excedente por estar localizada em uma região onde a demanda pelas industrias locais é intensa. A planta é composta por cinco caldeiras que produzem 470 ton/h de vapor a pressão de 2,2 MPa e temperatura de 300 ºC e turbinas de contra-pressão de simples estágio para a geração de energia e acionamento das moendas, picadores desfibradores, bombas e exaustores. Vale destacar que parte deste vapor e da energia gerada atende ainda a demanda de uma empresa associada (OMTEK) que produz ácido ribonucléico e o excedente de bagaço é comercializado. Para tanto, é feito um estudo termodinâmico, bem como uma criteriosa análise da viabilidade técnica e econômica, determinando-se alguns índices de desempenho, as eficiências globais, bem como os custos de produção de energia elétrica e térmica.

Palavras-Chave: Cogeração de energia, Termoeconomia, Bagaço de cana, Usina sucroalcooleira.


ABSTRACT

This work presents an analysis of a cogeneration plant of a sugarcane industry of Sao Paulo State (Iracema) that privileges the commercialization of the bagasse surplus because it is located in a region where the consume of bagasse by the local industries is intense. The plant is composed by five boilers that produce 470 ton/h of steam at pressure of 2,2 MPa and temperature of 300ºC and back-pressure turbines of simple stage for energy generation and for driving the millings, cutters, shredders, pumps and exhaust fans. Part of the steam generated is also utilized to supply consume of an associated company (OMTEK) that it produces acid ribonucleic and the bagasse excess is commercialized. For this, a thermodynamic study is made, as well as a detailed analysis of the technical and economical viability, determining some performance indexes, the global efficiencies, as well as the costs of production of electric and thermal energy.


 

 

1. Introdução

Diversos programas governamentais foram implementados recentemente no Brasil para promover a geração independente e descentralizada de energia, tais como o Programa Prioritário de Termoeletricidade (PPT) e o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA), buscando uma maior diversificação da matriz energética brasileira, hoje ainda baseada na hidroeletricidade e, também, para evitar racionamento de energia elétrica, tal como ocorrido em 2001.

Nesse sentido, o setor sucroalcooleiro apresenta um grande potencial através da cogeração de energia a partir da biomassa da cana, que é uma das fontes incentivadas pelo PROINFA, embora ainda exista um grande descontentamento dos empresários com relação à remuneração oferecida para comercialização da energia cogerada por esta fonte.

Por esse motivo, algumas usinas não tem se interessado em investir na geração de excedentes de energia para comercialização, preferindo comercializar o excedente de bagaço, principalmente aquelas que se situam em regiões onde a demanda por bagaço pelas indústrias locais é intensa.

Diante deste contexto, o presente trabalho tem por objetivo a realização de uma análise termodinâmica e termoeconômica de uma planta de cogeração de energia de uma usina sucroalcooleira paulista (Usina Iracema), que privilegia a venda do bagaço excedente.

 

2. Revisão Bibliográfica

Existem diversos livros clássicos sobre análise de sistemas e cogeração de energia, entre eles podem ser citados: ORLANDO (1991) e KOTAS (1995), mas a seguir serão apresentados resumidamente apenas alguns trabalhos que serviram como referência para o desenvolvimento do presente trabalho.

WALTER (1994) analisou várias alternativas de geração elétrica em larga escala e determinadas as principais características técnicas de cada sistema, tais como a capacidade de geração, a produção de energia elétrica, a disponibilidade de excedentes e a demanda de biomassa.

BARREDA DEL CAMPO et al. (1998) estudaram o sistema de cogeração de uma usina sucroalcooleira que fornece excedentes de energia para a rede elétrica. Foram calculados, além das propriedades termodinâmicas dos diferentes fluxos do sistema, os balanços de massa, energia e exergia. Além disso, realizaram uma comparação das eficiências de primeira e segunda lei, mostrando a utilidade desta última na avaliação de um sistema real, e como elemento importante para decisão de melhorias das plantas térmicas ao evidenciar os equipamentos de maiores irreversibilidades .

LOBO et al. (2002) analisaram duas empresas sucroalcooleiras que usam turbinas de contrapressão para fornecer trabalho, sendo o vapor de contrapressão utilizado como energia térmica de processo. Foi verificado que a empresa que utiliza energia elétrica cogerada, com turbinas maiores para acionar as máquinas, chega a economizar 65 % do bagaço gasto para moer uma tonelada de cana quando comprada com a empresa que utiliza várias turbinas menores e menos eficientes. Os autores concluíram que, com o uso mais racional do bagaço gerando vapor em temperaturas e pressões maiores, obtém-se uma grande economia de bagaço, que tanto pode ser comercializado in natura, ou ser usado para cogeração de excedentes de eletricidade.

JAGUARIBE et al. (2004) discutiram um caso real de investimento na ampliação do sistema de cogeração de energia em uma indústria sucroalcooleira paraibana considerando o preço sazonal do bagaço, os custos de geração de energia e levando-se em conta um período de 10 anos. Com o novo parque de cogeração a indústria se tornou auto-suficiente em energia, dispondo de 21.240 MWh para comercialização, com uma potência média de exportação de 4.000 kW. Todavia, após a análise econômica efetuada, verificou-se que a melhor opção seria manter a planta na forma original e vender o bagaço a R$ 26,00 por tonelada.

Diante, principalmente, do resultado deste último trabalho verifica-se a importância de uma análise termodinâmica e termoeconômica, motivando assim, a realização do presente trabalho.

 

3. Metodologia

3.1 Análise Energética

A análise de sistemas e processos pela Primeira Lei da Termodinâmica baseia-se na conservação da energia e massa. As equações que representam os processos são ajustadas para volumes de controle com fluxo de massa em cada subsistema que compõe o ciclo, sendo que em regime permanente e desprezando-se as variações de energia cinética e potencial, resulta (BEJAN, 1988):

A Segunda Lei da Termodinâmica para um volume de controle, considerando o processo em regime permanente, pode ser representada pela seguinte equação:

A entropia pode ser usada para prever se um processo qualquer que envolve iterações de energia pode ocorrer ou, ainda, se os sentidos dos processos de transferência do calor são possíveis.

3.2 Análise Exergética

A determinação do valor termodinâmico de um fluxo em termos do trabalho mecânico que poderia ser extraído dele e as ineficiências e perdas reais dos sistemas energéticos vinculam estreitamente a aplicação da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica. Em sistemas energéticos cujos fluxos operam com parâmetros fora das condições do ambiente de referência, a exergia pode ser entendida como a parte da energia que pode ser transformada em trabalho mecânico de forma reversível e útil, sendo a destruição de exergia o resultado direto das irreversibilidades de um sistema.

SZARGUT et al. (1988), KOTAS (1985) e outros autores propõem a seguinte relação para o cálculo da exergia:

onde: bfis é a exergia física específica (kJ/kg) e bqui é a exergia química específica (kJ/kg).

A exergia física de um fluxo é calculada com base num estado de referência restrito (P0, T0) onde há equilíbrio térmico e mecânico com o meio, através da seguinte equação:

Para haver equilíbrio completo com o meio, o sistema deve estar também em equilíbrio químico com ele. O trabalho que pode ser obtido através de um processo reversível que leva o sistema do estado de referência restrito até o estado de referência onde há equilíbrio completo ("estado morto"), é a exergia química. Sendo μ0,i o potencial químico de referência do elemento (T0, P0); μi o potencial químico do elemento na mistura (T0, P0) e xi a fração do componente na mistura; a exergia química pode ser definida por:

Logo, a exergia total (bt) pode ser representada por:

3.3 Eficiências Termodinâmicas

A eficiência termodinâmica baseada na primeira lei ( ηi ) relaciona o trabalho realizado no volume de controle com o trabalho produzido em um processo hipotético isoentrópico desde o mesmo estado de entrada até a mesma pressão de saída, através da seguinte equação:

Associado ao uso da análise de exergia, foi desenvolvido o conceito de eficiência determinada a partir do ponto de vista da segunda lei da termodinâmica ( ηii ). Esse conceito envolve a comparação da taxa de transferência de trabalho real produzido no processo com a variação de exergia avaliada entre o estado real de entrada e o estado real de saída conforme segue:

No caso específico das caldeiras, as eficiências de primeira e segunda lei são calculadas, respectivamente, pelas equações seguintes; onde PCI é o poder calorífico inferior:

3.4 Índices de Desempenho de Sistemas de Cogeração

Na caracterização dos índices de desempenho, vários são os indicadores, sendo uma prática comum avaliar a eficiência dos sistemas de cogeração através da chamada Eficiência de Primeira Lei ou Fator de Utilização de Energia (FUE). Este parâmetro é a relação entre a energia térmica ou eletromecânica aproveitada no ciclo e a energia do combustível gasto para na geração do vapor, conforme segue:

Deve ser levado em conta que este e outros índices avaliam quantidade de energia, o que significa que um possível alto valor do fator de utilização de energia pode estar associado a um pequeno valor de potência elétrica produzida em comparação ao calor para processo, significando que o fator FUE pode, em alguns casos, não ser considerado, ou fornecer informação incompleta sob o sistema avaliado.

O Índice de Poupança de Energia (IPE) refere-se à economia de energia de combustível obtida por sistemas de cogeração em comparação a plantas convencionais que produzem separadamente energia elétrica e térmica, sendo definido por:

Onde: ηterm_ref é eficiência térmica de uma planta de potência de referência (adotada 40%) e ηcald_ref é a eficiência térmica de caldeiras que produzem apenas vapor saturado (adotada 77%).

Quanto menor o IPE do combustível, melhor será o desempenho do sistema tendo como referência as eficiências adotadas. Logo, a quantidade de Energia a Economizar (EEC), devido à cogeração, é dada pela equação:

O Índice de Geração de Potência (IGP) é o critério definido para calcular separadamente a eficiência da geração de potência, descontando no insumo de energia aquela utilizada para fins puramente de aquecimento. Sendo ηcald a eficiência térmica das caldeiras da unidade, tem-se:

A efetividade de custo de um sistema de cogeração está diretamente relacionada com a quantidade de potência elétrica que este possa produzir para uma dada quantidade de calor utilizada no processo. É por isso que um critério importante num sistema de cogeração é a Razão Potência/Calor (RPC):

3.5 Conceitos Termoeconômicos

Na prática, no sentido de se atingir uma economia efetiva de energia na instalação, três fatores adicionais devem ser considerados (LOZANO e VALERO, 1993): (i) nem toda irreversibilidade pode ser evitada; (ii) as reduções locais na destruição de exergia não são equivalentes; (iii) as oportunidades de economia só podem ser especificadas através de um estudo mais detalhado dos mecanismos fundamentais da geração de entropia.

A percepção destas falhas levou ao surgimento de metodologias que relacionam a geração de irreversibilidade em um equipamento isolado com o restante dos equipamentos, através da definição do conceito de custo exergético. Concomitantemente, conjugam-se as análises termodinâmica e econômica, relacionando-se o custo monetário e o custo exergético, em um conjunto de metodologias às quais se denomina Termoeconomia (CERQUEIRA, 1999).

A Teoria do Custo Exergético contabiliza as eficiências e perdas exergéticas em cada um dos volumes de controle do sistema (equipamento, conjunto de equipamentos, ou junções e bifurcações), tendo como resultado o custo exergético de produção de cada um dos fluxos (portadores de energia). Outro aspecto deste método é que a medida do custo de um fluxo do sistema está representada pela exergia contida nele. Em uma análise do custo exergético, um custo é associado com cada fluxo de exergia.

Considerando os fluxos de matéria entrando e saindo com taxas associadas de transferência de exergia ( e ), potência (), taxa de transferência de exergia associada com a transferência de calor (), um componente que recebe uma transferência de calor e gera potência, como também as expressões de taxa de custo, tem-se:

As taxas de exergia (, e ) saindo e entrando no k-ésimo componente, bem como a potência (), são calculadas em uma análise exergética. O termo é obtido, primeiramente, calculando o investimento de capital associado com o k-ésimo componente e, então, computando os valores particionados destes custos por unidade de tempo de operação do sistema.

3.5 Descrição da Planta

A planta analisada é mostrada na Figura 1, sendo composta por seis caldeiras operando a pressão de 2,2 MPa e temperatura de 300 ºC, com capacidades apresentadas na Tabela 1. O vapor produzido é usado para o acionamento de três turbogeradores, das turbinas de duas moendas, de seis turbobombas e de dois turboexaustores das caldeiras. Parte deste vapor e da energia gerada atende ainda a demanda da empresa associada OMTEK e o excedente de bagaço é comercializado.

 

 

Na Tabela 2, são apresentadas informações gerais da planta da Usina Iracema. A Tabela 3 mostra os parâmetros operacionais para os fluxos do sistema apresentado na Figura 1.

 

 

 

 

4. Resultados

A seguir são apresentados os resultados das análises termodinâmica e termoeconômica e são determinadas as eficiências da primeira e da segunda lei da termodinâmica para os equipamentos do sistema de geração de vapor e energia elétrica. Além disso, são obtidos a eficiência global e os índices de desempenho da planta de cogeração baseados na primeira lei da termodinâmica.

Vale destacar que a resolução do sistema de equações resultante foi efetuada utilizando-se o programa EES® (Engineering Equation Solver), desenvolvido por KLEIN e ALVARADO (1995), que permite a determinação das propriedades termodinâmicas do sistema, como entalpia e entropia, e possibilita a realização de cálculos de uma maneira simples e eficiente, sem a necessidade de se recorrer a tabelas termodinâmicas.

4.1 Resultados Termodinâmicos

A Tabela 4 mostra as eficiências das caldeiras, sendo que a potência gerada e as eficiências para as turbinas são mostradas na Tabela 5.

 

 

 

 

As eficiências, tanto da primeira lei como da segunda lei, são iguais para todas as caldeiras, conforme mostrado na Tabela 4, pois foram consideradas a mesma temperatura e a mesma pressão na entrada e na saída de todas elas. Além disso, a relação bagaço/vapor também foi mantida constante. Devido à combustão ser um processo de alta irreversibilidade, as eficiências da segunda lei são muito inferiores as da primeira lei (9,5 e 72,0%, respectivamente).

As turbobombas apresentaram as menores eficiências (53,2 %) enquanto os turbogeradores apresentaram as maiores (62,7 %). Os turboexaustores das caldeiras e as turbinas de acionamento tiveram as mesmas eficiências (55,5 %), sendo estas um pouco maiores que as das turbobombas.

A potência total gerada pela Usina Iracema foi de 27,6 MW, dos quais 15,5 MW referem-se à potência mecânica produzida (turbobombas, turboexaustores e turbinas da moenda) e 11,9 MW à potência elétrica produzida pelos turbogeradores.

Os índices de desempenho baseados na primeira lei da termodinâmica são apresentados na Tabela 6 e permitem realizar uma análise comparativa entre as diferentes configurações avaliadas neste trabalho.

 

 

4.2 Resultados Termoeconômicos

A seguir serão apresentados os custos de geração de energia elétrica e de geração de vapor de processo para a planta estudada, em função dos custos do insumo (bagaço). O custo da água de reposição também não foi considerado. O custo médio da energia elétrica produzida é obtido a partir de uma média ponderada entre os custos de geração de cada um dos turbogeradores existentes. Não foi considerado o custo do capital investido nos equipamentos, por se tratarem de equipamentos já amortizados, sendo considerados apenas os custos de operação e manutenção.

As Figuras 2 e 3 mostram, respectivamente, os custos de geração de energia elétrica e de vapor de processo em função do custo do bagaço.

 

 

 

 

Assumindo o custo do bagaço em R$ 25,00 por tonelada, verifica-se que o custo médio da energia elétrica é de R$ 94,64 por MWh e o custo do vapor de processo é de R$ 9,89 por tonelada.

Os custos médios de geração de energia elétrica e de produção de vapor para o processo são apresentados na Tabela 7 em função das condições de operação, tendo sido obtidos considerando o custo de R$ 25,00 por tonelada de bagaço de cana. Nessa mesma tabela pode ser visto a receita anual gerada com a venda de bagaço para indústrias do setor cerâmico e de citricultura da região, considerando o preço de comercialização como sendo R$ 45,00.

 

 

5. Conclusão

Com relação aos índices de desempenho, nota-se que o FUE é um pouco baixo se comparado com outras usinas do setor, isso porque a planta é bastante antiga e seus equipamentos não são muito eficientes. O IGP mostra que a usina tem uma baixa geração de potência eletromecânica, pois a potência elétrica é destinada apenas para atender ao consumo próprio. Analisando o valor de IPE, verifica-se que a planta da usina não está economizando energia de combustível se comparada a plantas convencionais que produzem separadamente energia elétrica e térmica, uma vez que esse índice é superior a uma unidade. Por fim, nota-se que o valor de RPC é relativamente baixo, isso porque a potência elétrica produzida é pouco superior ao calor útil.

Vale destacar que para a melhoria desses índices seria necessária uma maior geração de energia elétrica, o que exige concepções tecnológicas mais avançadas, como a utilização de caldeiras de alta pressão e temperatura e turbogeradores de maior eficiência, que permitam um melhor aproveitamento energético do combustível, diminuindo as irreversibilidades associadas e as perdas no processo de produção de potência, e, conseqüentemente, o custo unitário de geração.

A redução do custo do bagaço faz com que os custos de produção de energia elétrica e de vapor diminuam significativamente. Ocorre que, a maioria das usinas sucroalcooleiras não tem definido quanto realmente custa o bagaço para a utilização no processo de cogeração de energia, devido ao fato de que o bagaço, até então, era considerado um simples rejeito do processo industrial. A partir do momento que se tem como produto a eletricidade, além do açúcar e do álcool, seria interessante realizar uma melhor partição de custos entre os produtos e insumos envolvidos.

No entanto, verifica-se que a usina possui uma boa receita anual com a venda de bagaço e, por isso, não tem sido muito atrativa a proposta de geração de excedente de eletricidade para comercialização através do PROINFA. Isso porque a remuneração pela venda de energia é ainda considerada baixa pelos usineiros e, considerando a quantidade de energia elétrica adicional que seria produzida para comercialização aproveitando-se todo o excedente de bagaço e os investimentos que deveriam ser feitos em equipamentos (mantendo-se os mesmos níveis de pressão e temperatura e os mesmos tipos de equipamentos hoje existentes), operação e manutenção, muito provavelmente não trariam o retorno desejável pelos usineiros.

 

Referências Bibliográficas

[1] BARREDA DEL CAMPO, E.R., ROXO, R., NEBRA, S.A., BORDONAL, A.F.; Análises Energética e Exergética do Sistema de Cogeração da Usina Vale do Rosário; Anais do VII Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas, Vol. I, pp.307-312; Rio de Janeiro; 1998.

[2] BEJAN, A.; Advanced Engineering Thermodynamics; John Wiley & Sons, N. Y., 850p.; 1988.

[3] CERQUEIRA, S.A.A.G.; Metodologias de Análise Termoeconômica de Sistemas; Tese de Doutorado, Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP; 137p.; Campinas, 1999.

[4] JAGUARIBE, E.F., LOBO, P.C., SOUZA, W.L., ROCHA, R.M., NASCIMENTO, E.T.; Vender Bagaço ou Comercializar a Energia Gerada pela Cogeração ?; Anais do X Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas (em CD-ROM); 12p.; Rio de Janeiro; 2004.

[5] KOTAS, T.J.; The Exergy Method of Thermal Plant Analysis; Ed. Krieger Publishing Co.; 328p.; Florida, USA; 1995.

[6] KLEIN, S.A., ALVARADO, F.L.; EES - Engineering Equation Solver; F-Chart Software, Middleton, WI; 1995.

[7] LOZANO, M.A., VALERO A.; Theory of Exergetic Cost; Energy, Vol.18, No.9, pp.939-960, 1993.

[8] LOBO, P.C., JAGUARIBE, E.F., LIMA NETO, J.R., ROCHA, F.A.A., SOUZA, W.L.; Análise Comparativa de Sistemas de Cogeração Usados em Duas Diferentes Plantas Sucroalcooleiras; Anais do II Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (em CD-ROM); 10p.; João Pessoa; 2002.

[9] ORLANDO, J.A.; Cogeneration Planner's Handbook, Fairmont Press, London, 315p., 1991.

[10] SZARGUT J., MORRIS, D.R., STEWARD, F.R.; Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Process; Hemisphere Publishing Corporation; 332p.; New York; 1988.

[11] WALTER, A.C.; Viabilidade e Perspectivas da Cogeração e da Geração Termelétrica Junto ao Setor Sucro-Alcooleiro; Tese de Doutorado, UNICAMP; 283p.; Campinas; 1994.