Ciclos Combinados

Report
Cogeração de Energia no Setor
Sucroalcooleiro
Joaquim E. A. Seabra
FEM / UNICAMP
[email protected]
Escopo da apresentação
• Geração de eletricidade e cogeração a partir da biomassa: situação
atual e perspectivas, no Mundo.
• Geração de eletricidade e cogeração a partir da biomassa no Brasil.
• Cogeração a partir da biomassa residual da cana: situação atual e
potencial.
• Cogeração e MDL.
• Tecnologia BIG-GT(CC).
• Segunda geração x eletricidade.
Experiências mundiais relevantes
• Em todo o mundo, boa parte da geração de eletricidade a partir da
biomassa está baseada em resíduos, principalmente no próprio
local onde estes são disponibilizados.
• Assim, grande parte da capacidade existente está nas usinas de
açúcar e álcool, nas indústrias de celulose, e com emprego de
resíduos sólidos urbanos, seja a partir de sua incineração ou a partir
do aproveitamento dos gases gerados na sua decomposição.
Geração de eletricidade no Cenário de Referência WEO
2009
• Biomassa para energia elétrica cresce de 259 TWh em 2007 para
840 TWh em 2030. A maior parte vem de plantas de CHP; outras
áreas de uso incluem co-firing em plantas a carvão e gás de aterro.
Fração de renováveis na geração de energia elétrica
Capacidade instalada
Investimento em fontes renováveis para eletricidade
Comparação com cenário 450
Comparação com cenário 450
Tecnologias e perspectivas
• No presente, a tecnologia majoritária é a dos ciclos a vapor. As
UTEs a biomassa são uma ordem de grandeza menores do que as
UTEs a carvão, com impacto sobre os custos de capital.
• São menos eficientes: rendimentos da ordem de 50% das UTEs a
carvão (40-50%).
• As tecnologias comerciais mais eficientes são cogeração e cofiring.
• As maiores expectativas estão nos ciclos baseados na gaseificação
da biomassa (tecnologia não comercial, com apenas uma unidade
construída até hoje).
Sistemas de potência a vapor
Potência e calor
Cogeração
Tecnologias e perspectivas
• A viabilidade da geração de eletricidade a partir da biomassa
depende do custo da biomassa, e do custo da instalação. Se não
houver biomassa residual, e/ou a baixo custo, as perspectivas são
limitadas.
• No caso de biomassa residual, não há emissões de GEE
associadas à biomassa. Nesse caso, a redução das emissões
depende da tecnologia de geração que é deslocada.
• Se for preciso plantar, transportar biomassa, etc., as emissões
evitadas serão menores.
• Custos de geração de 20 US$/MWh no caso de co-firing (em
situações favoráveis; baixíssimos custos de emissões evitadas) e
de 100-150 US$/MWh no caso de BIG-GT (estimativas; altos
custos de emissões evitadas).
Geração de eletricidade a partir da biomassa – Brasil
30
25
Geração [TWh]
• 4,5% da geração total em
Bagaço de cana
Outras recuperações
Lixívia
20
Lenha
15
10
5
Walter (2009)
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
1978
1976
1974
1972
1970
0
2006.
• 4,5% da capacidade total
instalada em Novembro de
2008.
• 4,6 GW, sendo 3,4 GW
nas usinas de cana, 0,86
GW nas indústrias de
celulose e papel e 0,24 GW
com resíduos de madeira.
• + 42 MW com biogás e 25
MW com casca de arroz.
Perspectivas para o Brasil
• Os custos de produção de biomassa são mais baixos no Brasil em
relação a vários países do Mundo, mas o nicho aqui também está
no aproveitamento dos resíduos.
• O sistema elétrico brasileiro tem particularidades que reduzem o
potencial econômico da geração a partir da biomassa. O sistema
elétrico precisa de complementação térmica, com unidades
flexíveis, o que não é o caso da cogeração com resíduos.
• O aproveitamento de resíduos onde estão disponíveis, inclusive
com geração de eletricidade excedente, não deve ser solução
geral, mas pode ter grande importância local ou regional.
Cogeração a partir da biomassa residual da cana
Electricity production (kWh/tc)
25
•
A figura ao lado mostra
a evolução da
produção de
eletricidade a partir da
biomassa residual da
cana (bagaço,
principalmente), a partir
de 1990.
•
Há comercialização de
eletricidade excedente
desde 1987. Em
termos médios, só em
1995 as usinas
brasileiras atingiram a
auto-suficiência.
20
15
10
5
0
1985
Walter (2009)
1990
1995
2000
2005
2010
Cogeração a partir da biomassa residual da cana –
tecnologia básica
Caldeira MP
Bagaço
22 bar / 300 C
2,5 bar
Processos
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – uma
boa configuração
Caldeira AP
Caldeira MP
Bagaço
Vapor AP
Vapor 22 bar
Vapor 2,5 bar
Processos
Bagaço
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – a
“melhor” configuração
Caldeira AP
Bagaço / palha
Vapor AP
Vapor 2,5 bar
Cond.
Processos
Melhor tecnologia
“comercialmente” disponível: (i)
geração de vapor a > 60 bar,
450°C, (ii) redução da demanda
de vapor de processo para 300
kgv/tc, ou menos, (iii) eletrificação
dos processos de acionamento
mecânico, e (iv) queima conjunta
de bagaço e palha da cana.
Problemas (potenciais) para queima da palha
Componentes
Rendimentos
Energia Elétrica (MW)
Potência (kW/tc)
Exportada Combust.
Calor/Pot. Eficiência
Exportada
Alternativa
Instalada
Total
Adicional
Total
Exportada
Relação
Total
Safra
Entre-s
(MWh)
El.+Mec.
Só E.
%
21bar-300C - Coge
8
2,9
0
12 900
Não
37,6
9,9
8,7
75
43bar-400C - Coge
12
6,9
0
30 700
Não
51,3
23,6
6,4
79
61bar-450C - Coge
16
9,8
0
43 900
Não
61,4
33,7
5,3
79
81bar-480C - Coge
19
11,9
0
53 200
Não
68,6
40,9
4,8
79
101bar-520C - Coge
21
13,8
0
61 700
Não
75,2
47,5
4,4
79
43bar-400C - CEST
26
18,1
18,1
138 000
Sim
133,8
106,1
1,7
45
61bar-450C - CEST
28
20,3
20,3
154 900
Sim
146,9
119,2
1,5
47
81bar-480C - CEST
30
21,5
21,5
164 300
Sim
154,1
126,4
1,4
48
101bar-520C - CEST
32
22,8
22,8
174 000
Sim
161,6
133,9
1,4
49
BIG/GT - 1 Modulo
34
28,1
29,2
218 000
Sim
195,8
167,6
1,2
51
BIG/GT - 2 Modulo
64
43,3
58,4
378 000
Sim
319,5
290,7
0,6
50
Notas: Coge - Vapor para Porcesso: 500 kg/tc - Combustível : Bagaço
CEST - Vapor para Processo: 340 kg/tc - Combustível: bagaço + 40 % palha
BIG/GT 1 Modulo - Vapor para Processo: 340 kg/tc - Combustível: bagaço + 40% palha
BIG/GT 2 Module - Vapor para Processo: 280 kg/tc - Combustível: bagaço + 70% palha
Moagem 1,3 milhões t de cana 290 tch
Para todos os casos os geradores são de alta-pressão
Para 43 bar todas as turbinas são de 43 bar
CTC (2001)
Investimento
EPE (2008)
70
140
140
60
120
50
100
40
20
10
20
0
0
0
90-CEST(AT)
65-CEST(AT)
90-CEST
65-CEST
90-CP
65-CP
22-CP
Excedente - safra (kWh/tc)
Excedente - entressafra (kWh/tc)
Capacidade instalada (MW)
Excedente - safra (MW)
Excedente - entressafra (MW)
Seabra (2008)
Capital
O&M
Biomassa
90-CEST(AT)
20
40
65-CEST(AT)
60
90-CEST
30
60
80
65-CEST
40
80
90-CP
100
65-CP
120
R$/MWh
160
Potência (MW)
Energia (kWh/tc)
Rendimentos e custos da eletricidade excedente
Plano Decenal de Energia 2019
Energia contratada x potencial técnico de bagaço de cana-deaçúcar
EPE (2010)
Plano Nacional de Energia 2030
Geração de energia elétrica excedente a partir da biomassa do setor sucroalcooleiro.
Segundo as tecnologias de geração termelétrica empregadas na expansão e
renovação no parque industrial do setor sucroalcooleiro – GWh/ano
EPE (2007)
Comparando resultados e potencial
• A figura ao lado mostra
uma comparação de
resultados associados a
diferentes alternativas de
geração de eletricidade
por cogeração.
Geraação de eletricidade [kWh/tc]
300
250
200
150
100
50
0
Autosuficiência
Walter (2007)
Média
brasileira
Média das
80
melhores
Melhores
resultados
Potencial
CEST
BIG-CC
• A relação entre a situação
de auto-suficiência e a
potencial geração em
ciclos BIG-CC é 23, e 13
em relação aos sistemas
CEST otimizados.
Redução das emissões de GEE - MDL
• Vários projetos de expansão da cogeração em usinas foram
submetidos no âmbito do MDL.
• O cálculo das emissões evitadas segue metodologia aprovada pela
UNFCCC.
Cálculo da margem combinada
Geração de Eletricidade, MWh
Esquema da operação em um dia
Margem
Térmicas
Base
Térmicas
Hidrelétricas
Hidrelétricas
Hidrelétricas + Térmicas
Hidrelétricas + Térmicas
0
6
12
Horas do dia
Walter (2007)
18
24
Fatores de emissão
Fator de emissão médio [t CO 2 /MWh]
Margem de operação 2007
0.600
0.500
0.400
0.300
0.200
0.100
0.000
Emissões para plantas de geração
Weisser (2007)
CARB
LUC: 46 g CO2eq/MJ
California ARB (2009)
US EPA
EPA (2010)
Ciclos combinados
O desafio do desenvolvimento tecnológico – e.g., BIG-CC
B-IGCC aquecimento indireto
Jin et al. (2009)
B-IGCC pressurizado
Jin et al. (2009)
Eficiências e custos projetados
Jin et al. (2009)
Exemplos de biorrefinarias de cana
Juice
processing
Cane juice
Steam
Ethanol
Electricity
Cane trash
Bagasse
Mill’s power
plant
Electricity
Adjacent plant
Bagasse
surplus
Bagasse
surplus
Electricity option:
Power plant
Electricity
OR
Ethanol option:
Biochem. conversion
plant
Ethanol
Electricity
Plantas anexas
Seabra and Macedo (2011); Macedo and Seabra (2008)
Aproveitamento da biomassa
Parameter
Units
Bagasse use
2006
2020 Electricity
2020 Ethanol
Low pressure
cogeneration
Advanced
cogeneration
Biochemical
conversion
Electricity surplus
kWh/tc
9.2
130
50
Trash recovery
% total
0
40%
40%
Bagasse surplus
% total
9.6%
0
0
L/tc
86
91
124
Ethanol yield
Capacidade de mitigação de emissões de GEE
(kg CO2eq/t cana)
Parameter
2006
2020 Electricity
2020 Ethanol
Total emissions
42.6
40.0
42.3
-201.5
-281.8
-310.2
-182.2
-76.6
-29.7
Marginal electricity displacement
-6.4
-205.1
-280.5
Fuel oil displacement
-12.9
0.0
0.0
-158.9
-241.8
-267.9
Avoided emissions
Gasoline displacement
Net avoided emissions
Capacidade de mitigação de emissões de GEE
Segunda geração x eletricidade
Walter e Ensinas (2010)
Rota Termoquímica x Bioquímica
Seabra et al. (2010)
Obrigado!
[email protected]

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