Geração Biomassa
- 1. SEMINÁRIO SOBRE GERAÇÃODE ENERGIA ELÉTRICA POR BIOMASSA UNICAMP UNICAMP – Geração de Energia por Biomassa Carlos Baccan Netto RA:37122
- 2. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Conteúdo do Seminário A Energia da Biomassa Aspectos Gerais Participação na MEB Produtos da Cana Ciclo Vapor e cogeração a partir do bagaço Usinas Tradicionais x Novos Projetos/ Retrofit Competitividade no Mercado Nacional Analise de preços dos empreendimentos de biomassa Aspectos específicos dos empreendimentos de biomassa Estado da Arte – Cogeração a partir da vinhaça Vantagens e Desvantagens Referências
- 3. A geração deenergia a partir de biomassa é proveniente da transforma- ção de energia química em outras formas de energia. Os combustíveis mais comuns são os resíduos agrícolas, madeiras e Plantas. UNICAMP – Geração de Energia por Biomassa A Energia da Biomassa Dependendo da técnica de conversão a bioenergia pode gerar eletricidade, calor e outros combustíveis
- 4. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa A Energia da Biomassa Principais Técnicas de Conversão: Combustão Gaseificação Fermentação
- 5. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa A Energia da Biomassa MEB Mais de 30% da Matriz Energética Brasileira já é suprida por Biomassa Tendência de Crescimento impulsionada pelos produtos da Cana Bagaço Vinhaça
- 6. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa O Ciclo Vapor na produção de açúcar e etanol
- 7. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Ciclo Vapor Padrão empregado em Usinas
- 8. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Otimização do Ciclo Vapor para cogeração elevação de eficiência da turbinas; elevação de pressão de geração de vapor; redução de consumo de vapor de processo; elevação de recuperação de condensado; aquecimento de água de reposição; redução da potência (consumo de energia elétrica); superaquecimento de vapor em caldeiras; redução de pressão de vapor de baixa. Novas Usinas/ Projetos Retrofit Configuração Tradicional caldeiras de baixa eficiência e média pressão (21 a 60 bar), turbinas a vapor de contrapressão para geração de eletricidade e turbinas para processos mecânicos (picadores, moendas, bombas etc.) de estágio simples; Configuração Recente caldeiras de mais alta eficiência e mais alta pressão (85 a 100 bar),combina turbinas a vapor de contrapressão com turbinas de condensação e extração para geração de eletricidade, eletrificação dos acionamentos mecânicos. O vapor produzido a ser destinado principalmente à geração de energia elétrica. X
- 9. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Ciclo Vapor Otimizado para geração de excedentes
- 10. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Ciclo Vapor Otimizado para geração de excedentes
- 11. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Ciclo Vapor Otimizado para geração de excedentes Componentes Básicos e Custos
- 12. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Competitividade no Mercado Os geradores de fonte de biomassa de cana, por terem o custo de combustível muito baixo, e gerarem energia nos períodos de maior escassez de chuvas (maio a novembro), obtêm sempre preço real de venda ligeiramente maior do que média de mercado Leilão Realizado (nº e ano) Ano de Início de Suprimento Preço Médio do Leilão Preço Médio de Outros empreendimentos ICB Médio (R$ MWH) Data Base Preço Preço Médio reajustado mar/2010 Preço Médio de Outros empreendimentos reajustado mar/2010 ICB Médio reajustado mar/2010 1º EN2005/2008 2008 R$ 129,42 R$ 106,95 R$ 132,26 jan/06 R$ 156,29 R$ 129,15 R$ 160,28 1º EN2005/2009 2009 R$ 128,50 R$ 114,28 R$ 129,26 jan/06 R$ 155,18 R$ 138,01 R$ 156,64 1º EN2005/2010 2010 R$ 118,37 R$ 115,04 R$ 121,81 jan/06 R$ 142,95 R$ 138,92 R$ 147,62 2º EN2006/2009 2009 R$ 128,96 R$ 126,77 R$ 132,39 jul/06 R$ 153,99 R$ 151,37 R$ 158,01 3º EN2006/2011 2011 R$ 128,89 R$ 120,86 R$ 137,44 nov/06 R$ 152,53 R$ 143,03 R$ 162,76 4º EN2007/2010 2010 R$ 134,67 R$ - R$ 134,67 fev/07 R$ 157,22 R$ - R$ 157,54 5º EN2007/2012 2012 R$ 128,61 R$ 129,14 R$ 128,37 fev/07 R$ 150,15 R$ 150,76 R$ 150,16
- 13. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Competitividade no Mercado
- 14. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Competitividade no Mercado Por ser considerada uma energia limpa, a energia gerada a partir de BIOMASSA obtêm percentuais de desconto na tarifa TUSD, como forma de incentivo a sua geração. Bagaço de Cana – 50% de desconto no TUSD Encargos e tarifas aplicáveis à comercialização da energia excedente produzida do bagaço
- 15. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Cogeração a partir da vinhaça A vinhaça é um subproduto do processo de geração do Álcool
- 16. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Cogeração a partir da vinhaça A vinhaça é um resíduo altamente poluente do processo da produção do Etanol a partir da cana-de-açucar devido a sua grande carga orgânica (100 vezes maior que o esgoto domestico). Em uma planta de açúcar e álcool para cada 1 litro de etanol se produz 12 litros e vinhaça. A carga orgânica da vinhaça, se submetida ao processo bioquímico de fermentação anaeróbia produz o metano (CH4) A produção potencial do metano para o ano de 2009 é de 8 MMm3/dia, e a previsão para a de 2016 é de 14,6 MMm3/dia meio gasoduto Brasil-Bolívia em 2016
- 17. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Cogeração a partir da vinhaça Acima, visão de uma planta de produção de biogás, com lagoa anaeróbia ao fundo, queimadores a frente e instalação de bombeamento do gás a direita. Ao lado, detalhe da unidade geradora com 3 motores Jenbacher-GE de 1,05MW cada. Instalação de um unidade de produção de Biogás
- 18. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Cogeração a partir da vinhaça – Estado da Arte Esquema de uma planta de Biogás
- 19. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Cogeração a partir da vinhaça Principais Diferenciais Aumento da eficiência energética da usina Redução de Resíduos Tóxicos do processo produtivo Aumento do ROI, devido à geração excedente de MWh por R$ investido 100% de Isenção da TUSD para a energia gerada da vinhaça
- 20. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa Biomassa - Vantagens e Desvantagens Baixo custo de aquisição Não emite dióxido de enxofre As cinzas são menos agressivas ao meio ambiente que as provenientes de combustíveis fósseis Menor corrosão dos equipamentos (caldeiras, fornos) Menor risco ambiental Recurso renovável Quando usada como forma de cogeração, reduz os resíduos do processo industrial Menor poder calorífico Maior possibilidade de geração de material particulado para a atmosfera. Isto significa maior custo de investimento para a caldeira e os equipamentos para remoção de material particulado Dificuldades no estoque e armazenamento
- 21. UNICAMP – Geraçãode Energia por Biomassa http://www.ambientebrasil.com.br/ Referências Bibliográficas
Notas do Editor
- #4 Através da fotossíntese, as plantas capturam energia do sol e transformam em energia química. Esta energia pode ser convertida em eletricidade, combustível ou calor. As fontes orgânicas que são usadas para produzir energias usando este processo são chamadas de biomassa. Os combustíveis mais comuns da biomassa são os resíduos agrícolas, madeira e plantas como a cana-de-açúcar, que são colhidos com o objetivo de produzir energia. O lixo municipal pode ser convertido em combustível para o transporte, indústrias e mesmo residências. Técnicas de conversão Dependendo da tácnica de conversão, a bionergia pode ser transformada nos seguintes produtos: eletricidade, calor e combustíveis. As técnicas são as seguintes: Combustão Gaseificação Fermentação Produção de substâncias líquidas O emprego da biomassa e do lixo para gerar energia está passando por várias modificações. Atualmente está focada principalmente no aproveitamento de sobras de produção e lixo, na tentativa de recuperar o máximo de energia possível. Pensa-se que num futuro próximo a usinas de carvão começarão a operar também com biomassa, para que gradualmente possa ir substituindo o carvão como produto principal. E mais para frente com o avanço das tecnologias usinas de biomassa com alto rendimento e geração de energia e gas, deixarão de ser um sonho.
- #5 Através da fotossíntese, as plantas capturam energia do sol e transformam em energia química. Esta energia pode ser convertida em eletricidade, combustível ou calor. As fontes orgânicas que são usadas para produzir energias usando este processo são chamadas de biomassa. Os combustíveis mais comuns da biomassa são os resíduos agrícolas, madeira e plantas como a cana-de-açúcar, que são colhidos com o objetivo de produzir energia. O lixo municipal pode ser convertido em combustível para o transporte, indústrias e mesmo residências. Técnicas de conversão Dependendo da tácnica de conversão, a bionergia pode ser transformada nos seguintes produtos: eletricidade, calor e combustíveis. As técnicas são as seguintes: Combustão Gaseificação Fermentação Produção de substâncias líquidas O emprego da biomassa e do lixo para gerar energia está passando por várias modificações. Atualmente está focada principalmente no aproveitamento de sobras de produção e lixo, na tentativa de recuperar o máximo de energia possível. Pensa-se que num futuro próximo a usinas de carvão começarão a operar também com biomassa, para que gradualmente possa ir substituindo o carvão como produto principal. E mais para frente com o avanço das tecnologias usinas de biomassa com alto rendimento e geração de energia e gas, deixarão de ser um sonho. Combustão Combustão da biomassa libera calor que pode gerar eletricidade. Então podemos ter: Coprodução de de eletricidade através de combustão de biomassa em usinas de carvão; Combustão de restos de madeira para geração simultânea de de eletricidade e calor, ambos aproveitáveis nas indústrias de madeira; Combustão é a técnica mais desenvolvida, a biomassa já é co-consumida em muitas usinas de carvão no EUA, onde as usinas de calor tamém estão partindo para a biomassa. Gaseificação Gaseificação é a conversão de biomassa em combustível gasoso. Os principais produtos são hidrogênio e monóxido de carbono. São usados tanto na geração de energia quanto na indústria química. A maioria das técnicas ainda está em estágio de desenvolvimento. Fermentação Fermentação é a desintegração da biomassa po uma bactéria anaeróbica para formar uma mistura de metano e dióxido de carbono. Esse biogás é usado para a geração de eletricidade A fermentação é muito útil em indústrias, elas aplicam esse processo no seu lixo e esgoto para purifica-lo. Pode se conseguir que esse gás atinja a qualidade do gás natural, podendo então ser usado numa infinidade de outras coisas. Produção de substâncias líquidas Há muitas maneiras de produzir substâncias líquidas a partir de matéria vegetal. Conversão Biológica Açucares de cana e de beterraba são convertidos em etanol pela ação de bactérias Extração pressionando sementes, pode se obter produtos com muita energia, como o biodiesel Conversão térmica O material vegetal é decomposto na ausência de oxigênio e com temperatura elevada. Dependendo das condições do processo, uma mistura de combustíveis líquidos e gasosos são produzidos.
- #7 A recepção da cana conta com a pesagem da cana recebida, normalmente seguida da amostragem para fins de determinação dos teores de pol2, brix3 e fibra4, parâmetros normalmente utilizados para determinação do pagamento ao produtor. Após a descarga, a cana poderá ou não ser lavada, não sendo recomendada a lavagem da cana recebida picada em colmos, o que provoca a perda de sacarose. A cana recebida segue para a extração do caldo. Os equipamentos mais utilizados no preparo da cana são as facas rotativas e os desfibradores ,que cumprem o papel de abrir o máximo número de células. A extração do caldo de cana para fabricação de açúcar ou etanol é tradicionalmente realizada pelo processo de moagem, apesar da evolução no uso do processo de extração da sacarose por difusão. O tandem de moendas é o equipamento utilizado na moagem. A moenda é uma unidade esmagadora constituída por cilindros tangenciais entre si, e que aplicam pressão à cana-de-açúcar, normalmente embebida em água ou caldo de cana de ternos de moagem posteriores. O processo de difusão consiste em aplicar um caldo de extração sobre a cana preparada, normalmente água e o próprio caldo de cana a temperaturas elevadas, e a sacarose é extraída das células abertas da cana por processos químicos sendo capturada no caldo em que permanece imersa a cana por um período de tempo específico. O caldo extraído da cana-de-açúcar é então tratado com o objetivo de eliminar impurezas que prejudicam o processo de fabricação do açúcar e do etanol, bem como são aplicados processos que agregam valor ao produto final, tal como seu clareamento. Normalmente, são aplicados compostos à base de cal, e dependendo do tipo de produto final, enxofre . O produto residual deste processo é a torta de filtro, composto de impurezas decantadas e filtradas e que possui aplicação na produção agrícola da própria cana-de-açúcar (IPT, 1990; MME, 1983). Para a produção de etanol , o caldo tratado é fermentado mediante a aplicação de enzimas , produzindo vinho. Este vinho possui graduação alcoólica específica, e por meio de processo de destilação , os elementos voláteis são separados, sendo o principal deles o etanol. Normalmente, obtém-se etanol hidratado, e parte deste é convertido em etanol anidro mediante processo com aplicação de benzeno para eliminação total de água (IPT, 1990). Para a produção de açúcar , o caldo da cana deve passar por um processo de evaporação e conseqüente formação de cristais resultantes da agregação de moléculas de sacarose. As etapas de processamento consistem primeiramente na evaporação do caldo, e, quando atingido o limite desse processo, passa-se ao cozimento, onde o teor de água do composto é levado ao seu menor valor, e onde são formados os cristais de açúcar. A secagem completa o processo de fabricação do açúcar (IPT, 1990). O acionamento de equipamentos nas usinas de açúcar e etanol é feito basicamente através de vapor e energia elétrica. Nesse caso, o vapor exerce duas funções, quais sejam: (i) acionar turbinas a vapor que acionam as moendas, bombas, picadores, desfibradores, e o turbogerador de energia elétrica, o que torna a maioria das usinas auto-suficientes em energia elétrica, consumindo energia elétrica da concessionária local apenas em situações de parada forçada e na entressafra; e (ii) fornecer calor aos processos industriais, com destaque para a evaporação, cozimento e secagem na fabricação de açúcar, e nas torres de destilação do etanol. O combustível para produção do vapor é o bagaço resultante do processamento da cana-de-açúcar.
- #8 A Figura apresenta o ciclo vapor padrão empregado em usinas na década de 1990, e hoje ainda presente em parte delas: O vapor primário (alta pressão) é normalmente aplicado no acionamento das turbinas e processos mecânicos, enquanto o vapor secundário (baixa pressão) é aplicado nos processos de tratamento do caldo para açúcar e etanol.
- #9 Por meio de alterações nas plantas de usinas sucro-alcooleiras é possível otimizar a geração de energia de modo a gerar um excedente na forma de energia elétrica, a qual pode ser comercializada no ACL, aumentando o TIR do empreendimento. Segundo Instituto de Pesquisas Tecnológicas – IPT (1990), ao se avaliarem usinas de açúcar e etanol sob o aspecto da eficiência energética, verifica-se uma série de ações possíveis que resultam na melhoria dessa eficiência, com destaque para: elevação de eficiência da turbinas; elevação de pressão de geração de vapor; redução de consumo de vapor de processo; elevação de recuperação de condensado; aquecimento de água de reposição; redução da potência (consumo de energia elétrica); superaquecimento de vapor em caldeiras; redução de pressão de vapor de baixa. Procknor (2008) apresentou a evolução das configurações de sistemas de cogeração movidos a biomassa de cana-de-açúcar, com destaque para as últimas otimizações propostas para plantas de produção de açúcar e etanol, sendo: i. Configuração Tradicional: caldeiras de baixa eficiência e média pressão (21 bar), turbinasa vapor de contrapressão para geração de eletricidade e turbinas para processos mecânicos (picadores, moendas, bombas etc.) de estágio simples; ii. Configuração Tradicional “Otimizada”: caldeiras de média eficiência e média pressão (67 bar), turbinas a vapor de contrapressão para geração de eletricidade e turbinas para processos mecânicos (picadores, moendas, bombas etc.) de estágio simples; iii. Configuração Tradicional Otimizada “com Geração de Excedentes”: caldeiras de mais alta eficiência e mais alta pressão (85 bar), combina turbinas a vapor de contrapressão com turbinas de condensação e extração para geração de eletricidade e turbinas para processos mecânicos (picadores, moendas, bombas etc.) com múltiplos estágios; iv. Configuração Recente: caldeiras de mais alta eficiência e mais alta pressão (85 bar), combina turbinas a vapor de contrapressão com turbinas de condensação e extração para geração de eletricidade, eletrificação dos acionamentos mecânicos, isto é, picadores, moendas, bombas etc., passam a ser movidos por motores elétricos, de elevada eficiência energética, e portanto a geração de vapor reduz sua dependência do processo de paridade térmica, passando o vapor produzido a ser destinado principalmente à geração de energia elétrica.
- #13 No presente estudo considerou-se o Índice de Custo Benefício – ICB, utilizado na sistemática de operação dos Leilões de Energia Nova para fonte térmica, como sendo o preço de venda dos agentes vendedores dos leilões. O ICB corresponde ao preço médio esperado a ser vendido por uma usina termoelétrica que negocia energia em leilões do ACR, cuja receita de venda é, na prática, composta por duas parcelas, a saber: (i) receita fixa anual; mais (ii) custo variável unitário de geração (EPE, 2009). Os geradores de fonte de biomassa de cana, por terem o custo de combustível muito baixo, e gerarem energia nos períodos de maior escassez de chuvas (maio a novembro), obtêm sempre preço real de venda ligeiramente maior que o Índice de Custo Benefício – ICB. Dessa forma, adotar o ICB como aproximação do preço de venda atribui caráter conservador ao presente estudo. O índice de reajuste utilizado para os contratos firmados nos leilões indicados no Quadro 1 é o Índice de Preços ao Consumidor Amplo – IPCA, divulgado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE, sendo que o ICB médio atualizado, constante da Quadro 1, corresponde à atualização monetária do ICB médio resultante de cada um dos leilões desde a data-base indicada no Contrato de Comercialização de Energia no Ambiente Regulado – CCEAR até julho de 2009.
- #14 No presente estudo considerou-se o Índice de Custo Benefício – ICB, utilizado na sistemática de operação dos Leilões de Energia Nova para fonte térmica, como sendo o preço de venda dos agentes vendedores dos leilões. O ICB corresponde ao preço médio esperado a ser vendido por uma usina termoelétrica que negocia energia em leilões do ACR, cuja receita de venda é, na prática, composta por duas parcelas, a saber: (i) receita fixa anual; mais (ii) custo variável unitário de geração (EPE, 2009). Os geradores de fonte de biomassa de cana, por terem o custo de combustível muito baixo, e gerarem energia nos períodos de maior escassez de chuvas (maio a novembro), obtêm sempre preço real de venda ligeiramente maior que o Índice de Custo Benefício – ICB. Dessa forma, adotar o ICB como aproximação do preço de venda atribui caráter conservador ao presente estudo. O índice de reajuste utilizado para os contratos firmados nos leilões indicados no Quadro 1 é o Índice de Preços ao Consumidor Amplo – IPCA, divulgado pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE, sendo que o ICB médio atualizado, constante da Quadro 1, corresponde à atualização monetária do ICB médio resultante de cada um dos leilões desde a data-base indicada no Contrato de Comercialização de Energia no Ambiente Regulado – CCEAR até julho de 2009. Modalidade de negociação e preço de venda de energia Dentre as opções de negociação delineadas nos itens 3.1.1 e 3.1.2, a que melhor se enquadra para a análise de viabilidade de implantação do projeto retrofit para cogeração e venda de energia elétrica produzida a partir de bagaço de cana é a venda do excedente de energia cogerado através dos leilões A-5, A-3, Fonte Alternativa e Leilão de Energia de Reserva, ou seja, no Ambiente de Contratação Regulado – ACR. A negociação da energia através dos leilões do ACR produz um fluxo de receitas garantido pelo prazo de 15 (quinze) anos, duração dos Contratos de Comercialização de Energia no Ambiente Regulado – CCEAR para fonte térmica, em contraposição aos Contratos de Compra e Venda de Energia Elétrica - CCVEE do Ambiente de Contratação Livre – ACL, que são firmados pelo prazo de até 5 (cinco) anos. A previsibilidade de receitas dos Contratos de Comercialização de Energia no Ambiente Regulado – CCEAR garante maior segurança e representatividade ao estudo de viabilidade de implantação do projeto retrofit, pois a implantação do referido projeto é iniciada após a venda da energia no leilão. Além disso, a negociação no ACR facilita o acesso às fontes de financiamento de longo prazo, com as taxas mais atrativas praticadas pelo BNDES, conforme definido no item 3.4.4.1, uma vez que os CCEAR são contratos amplamente conhecidos pelo mercado financeiro, com prazos de boa aceitação (15 anos ou mais) e os recebíveis podem ser utilizados como garantia para o financiamento. Desta forma, para análise da viabilidade econômica do projeto retrofit, o preço de venda utilizado foi o ICB médio ponderado de venda da energia nos Leilões A-5, A-3, Fonte Alternativa e Leilão de Energia de Reserva, com negociação de energia de fonte térmica, do Ambiente de Contratação Regulado – ACR, verificado pelos autores, e apresentado na Quadro 1, que é de R$ 151,28 / MWh. O horizonte de análise para o fluxo de caixa do projeto será de 17 (dezessete) anos, dois anos para implantação (2010 e 2011) e 15 (quinze) anos de duração dos Contratos de Comercialização de Energia no Ambiente Regulado – CCEAR (2012 a 2026).