cogeração de energia no setor sucroalcooleiro joaquim e. a. seabra fem / unicamp...
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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.
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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.
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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.
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Fração de renováveis na geração de energia elétrica
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Capacidade instalada
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Investimento em fontes renováveis para eletricidade
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Comparação com cenário 450
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Comparação com cenário 450
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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 co-firing.
• As maiores expectativas estão nos ciclos baseados na gaseificação da biomassa (tecnologia não comercial, com apenas uma unidade construída até hoje).
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Sistemas de potência a vapor
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Potência e calor
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Cogeração
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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).
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Geração de eletricidade a partir da biomassa – Brasil
• 4,5% da geração total em 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.
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Ger
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Bagaço de cana
Outras recuperações
Lixívia
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Walter (2009)
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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.
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Cogeração a partir da biomassa residual da cana
• 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.
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Walter (2009)
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Processos
Caldeira MP
Bagaço
22 bar / 300� C
2,5 bar
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – tecnologia básica
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Processos
Caldeira AP
Bagaço
Caldeira MP
Bagaço
Vapor 22 bar
Vapor 2,5 bar
Vapor AP
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – uma boa configuração
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Processos
Caldeira AP
Cond.
Bagaço / palha
Vapor AP
Vapor 2,5 bar
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.
Cogeração a partir da biomassa residual da cana – a “melhor” configuração
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Problemas (potenciais) para queima da palha
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Componentes
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Rendimentos
Exportada Combust. Calor/Pot. EficiênciaAlternativa 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 7543bar-400C - Coge 12 6,9 0 30 700 Não 51,3 23,6 6,4 7961bar-450C - Coge 16 9,8 0 43 900 Não 61,4 33,7 5,3 7981bar-480C - Coge 19 11,9 0 53 200 Não 68,6 40,9 4,8 79101bar-520C - Coge 21 13,8 0 61 700 Não 75,2 47,5 4,4 7943bar-400C - CEST 26 18,1 18,1 138 000 Sim 133,8 106,1 1,7 4561bar-450C - CEST 28 20,3 20,3 154 900 Sim 146,9 119,2 1,5 4781bar-480C - CEST 30 21,5 21,5 164 300 Sim 154,1 126,4 1,4 48101bar-520C - CEST 32 22,8 22,8 174 000 Sim 161,6 133,9 1,4 49BIG/GT - 1 Modulo 34 28,1 29,2 218 000 Sim 195,8 167,6 1,2 51BIG/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 : BagaçoCEST - Vapor para Processo: 340 kg/tc - Combustível: bagaço + 40 % palhaBIG/GT 1 Modulo - Vapor para Processo: 340 kg/tc - Combustível: bagaço + 40% palhaBIG/GT 2 Module - Vapor para Processo: 280 kg/tc - Combustível: bagaço + 70% palhaMoagem 1,3 milhões t de cana 290 tchPara todos os casos os geradores são de alta-pressãoPara 43 bar todas as turbinas são de 43 bar
Energia Elétrica (MW) Potência (kW/tc)Exportada
CTC (2001)
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Investimento
EPE (2008)
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Rendimentos e custos da eletricidade excedente
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Excedente - safra (kWh/tc) Excedente - entressafra (kWh/tc)
Capacidade instalada (MW) Excedente - safra (MW)
Excedente - entressafra (MW)
Seabra (2008)
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Capital O&M Biomassa
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Plano Decenal de Energia 2019
Energia contratada x potencial técnico de bagaço de cana-de-açúcar
EPE (2010)
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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)
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Comparando resultados e potencial
• A figura ao lado mostra uma comparação de resultados associados a diferentes alternativas de geração de eletricidade por cogeração.
• 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.
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Auto-suficiência
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Walter (2007)
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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.
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Cálculo da margem combinada
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Esquema da operação em um dia
Térmicas
Térmicas
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Horas do dia
Gera
ção d
e E
letr
icid
ade,
MW
h
Hidrelétricas + TérmicasHidrelétricas + Térmicas
Hidrelétricas
Hidrelétricas
MargemBase
Walter (2007)
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Fatores de emissão
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0.500
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Fato
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emis
são
méd
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t CO
2/M
Wh]
Margem de operação 2007
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Emissões para plantas de geração
Weisser (2007)
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CARB
LUC: 46 g CO2eq/MJ
California ARB (2009)
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US EPA
EPA (2010)
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Ciclos combinados
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O desafio do desenvolvimento tecnológico – e.g., BIG-CC
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B-IGCC aquecimento indireto
Jin et al. (2009)
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B-IGCC pressurizado
Jin et al. (2009)
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Eficiências e custos projetados
Jin et al. (2009)
![Page 42: Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro Joaquim E. A. Seabra FEM / UNICAMP jeaseabra@fem.unicamp.br](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061618/552fc12f497959413d8d3eef/html5/thumbnails/42.jpg)
Juice processing
Cane juice Ethanol
Bagasse
Mill’s power plant
ElectricitySteam
Electricity
Bagassesurplus
Juice processing
Cane juice Ethanol
Cane trash
Bagasse
Mill’s power plant
Electricity option:Power plant
ElectricitySteam
Electricity
Bagassesurplus
Ethanol
Electricity
Ethanol option:Biochem. conversion
plant
OR
Adjacent plant
Electricity
Exemplos de biorrefinarias de cana
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Seabra and Macedo (2011); Macedo and Seabra (2008)
Plantas anexas
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Aproveitamento da biomassa
Parameter Units 2006 2020 Electricity 2020 Ethanol
Bagasse use 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
Ethanol yield L/tc 86 91 124
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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
Avoided emissions -201.5 -281.8 -310.2
Gasoline displacement -182.2 -76.6 -29.7
Marginal electricity displacement -6.4 -205.1 -280.5
Fuel oil displacement -12.9 0.0 0.0
Net avoided emissions -158.9 -241.8 -267.9
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Capacidade de mitigação de emissões de GEE
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Segunda geração x eletricidade
Walter e Ensinas (2010)
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Rota Termoquímica x Bioquímica
Seabra et al. (2010)
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