Estudos de Casos de Sistemas de Cogeração - Nest

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Automation and Drives
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Thiago Thiago Teodoro Teodoro Pistore
SIEMENS
SIEMENS

Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Energia na Indústria de Açúcar e Álcool
Estudos de Casos de Sistem as de Cogeração
Thiago Teodoro Pistore
2

Roteiro da Apresentação
Introdução
Usina A
Usina B
Considerações Finais
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
3

Introdução
Considerações Iniciais
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Algumas características da cogeração na indústria de
açúcar e álcool:
-Trata-se de uma fonte renovável de energia e
conseqüentemente apresenta vantagens do ponto de
vista ambiental;
-Apresenta potencial de melhoria da eficiência
energética;
-Constitui uma oportunidade de diversificação dos
produtos das usinas (eletricidade e créditos de
carbono)
indicam que a elevação da eficiência e expansão da
produção de eletricidade no setor sejam avaliadas.
4

Introdução
Objetivo dos Estudos de Casos
Visando:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Elevar a eficiência do sistema de cogeração
-Incentivar a expansão da produção de eletricidade
na indústria sucroalcooleira
São avaliados os efeitos combinados dos fatores:
-Elevação dos parâmetros de produção de vapor e
aplicação de CEST* de alta eficiência
-Eletrificação dos acionamentos do preparo e
extração
-Comercialização de créditos de carbono
*Turbogerador de condensação com extração
5

Introdução
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Elevação Parâmetros Vapor e Aplicação de C E S T
Estas medidas visam aumentar a produção de
eletricidade e eficiência do ciclo através da:
-Elevação do salto entálpico do ciclo
aumento da entalpia de entrada pela elevação dos parâmetros de vapor
e redução da entalpia do escape pela condensação
-Expansão do vapor em turbina de alta eficiência
aumento da eficiência de conversão da energia térmica do vapor em
trabalho
-Geração de energia ao longo de todo o ano
aumento do período de funcionamento da planta de geração de energia,
além do período de safra
6

Introdução
Eletrificação do Preparo e Extração
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Esta medida visa aumentar a produção de eletricidade e
eficiência do ciclo através da:
-Eliminação de turbinas de baixa eficiência
melhoria da eficiência de conversão de energia, realizada por motores
elétricos de alto rendimento
-Maior disponibilidade de vapor para o CEST
elimina a demanda de vapor vivo pelas turbinas do preparo e extração
-Estabilização das demais condições do processo
vazão de caldo pode ser automatizada eliminando oscilações de fluxo
causada por variações de pressão do vapor, no caso de acionamento
com turbinas
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Introdução
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Co mercialização de Créditos de Carbono
Esta medida estimula o au mento da produção de
eletricidade, pois:
-Representa fonte de renda adicional
projetos de cogeração com bagaço são elegíveis co mo atividades de
redução de emissões de gases de efeito estufa e proporcionam a
geração de créditos de emissões reduzidas
-Já é uma realidade
O projeto “Cogeração com Bagaço: Vale do Rosário” é um caso
concreto de geração de créditos de emissões reduzidas na indústria
sucroalcooleira em concordância com os critérios do Mecanismo de
Desenvolvimento Limpo
8

Introdução
Abrangência dos Estudos de Casos
Estudos de Casos consistem em:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Simulações termodinâmicas dos sistemas de
cogeração (Programa Gate Cycle 5.51.0.r);
-Análise econômica das alternativas propostas
(Métodos TIR / VPL);
para duas usinas de açúcar com destilaria anexa reais
situadas no estado de São Paulo.
9

Usina A
Usina A – Dados Principais
Capacidade de Moagem: 9.000 [ton/dia] de cana
1 linha com picador, nivelador, desfibrador e 6 ternos
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Geração de Vapor: 190 [ton/h] -22[bara] @ 290[°C]
1x44 + 1x80 + 1x100 [ton/h] - 22[bara] @ 290[°C]
Produção de Eletricidade: 5100[k We]
2 x 1500 kVA + 1 x 6500 kVA – Contrapressão
Produção de Trabalho Mecânico: 4900[K W mec]
6 x Turbinas simples estágio – contrapressão
Exportação de Eletricidade: 0[k We]
Vapor de Processo: 190[ton/h] 2,5[bara]@ 190[°C]
70 [t/h] dos TG’s + 100[t/h] preparo e extração + 20[t/h] redutora
Consumo de Bagaço: 83[ton/h] – PCI=7500[KJ/kg]
10

Usina A
Usina A – Esquema Simplificado
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
11

Usina A
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Usina A – Resultados Simulação – Caso AB
Eficiência do ciclo para produção de trabalho:5,78 %
Produção total de trabalho: 9.940[kW]
Eficiências dos componentes do ciclo:
-Caldeiras: 79 %
-Turbinas dos turbogeradores: 67%
-Turbinas de acionamento mecânico: 42 %
Exportação de Eletricidade: 0[k We]
Sistema de cogeração não opera na entressafra.
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Usina A
Usina A – Eletrificação – Caso AE
Alterações propostas:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Eletrificação do preparo e extração
motores de MT com partida direta para picador, nivelador e
desfibrador e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para
ternos 1 a 6.
-Geração de vapor a 38[bara]@400[°C] na caldeira 2
-100[t/h] -η= 81%
-Instalação de novo CEST de 22,5[MW] -
η=84%/82%
-Considerado consumo adicional de 5.900[M We]
devido às alterações do sistema. Consumo de
2,5[ M W] na entressafra.
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Usina A
Usina A – Alta Pressão – Caso AAP
Alterações propostas:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Eletrificação do preparo e extração
motores de MT com partida direta para picador, nivelador e
desfibrador e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para
ternos 1 a 6.
-Geração de vapor a 66[bara] @500[°C] em duas
caldeiras de 100[t/h] - η= 87%
-Instalação de novo CEST de 36,5[MW] -
η=86 %/84,5%
-Considerado consumo adicional de 6.900[M We]
devido às alterações do sistema. Consumo de
3[ M W] na entressafra.
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Usina A
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Usina A – Extra Alta Pressão – Caso AE A P
Alterações propostas:
-Eletrificação do preparo e extração
motores de MT com partida direta para picador, nivelador e
desfibrador e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para
ternos 1 a 6.
-Geração de vapor a 82[bara] @520[°C] em duas
caldeiras de 100[t/h] - η= 87%
-Instalação de novo CEST de 40[ M W] -
η=86 %/84,5%
-Considerado consumo adicional de 7.900[M We]
devido às alterações do sistema. Consumo de
3,5[ M W] na entressafra.
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Usina A
Usina A – Resultados Simulações
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
AB 9.940 5,78 83,0 0
AE 20.250 11,07 87,8 9.250
AAP 35.890 18,68 92,2 23.900
AEAP 38.230 19,70 93,2 25.230
Safra
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
AB - - - -
AE 22.445 21,97 49,0 20.000
AAP 27.250 26,85 48,7 24.250
AEAP 28.320 27,66 49,2 24.800
Entressafra
-W prod –trabalho total produzido ( kW e + k W mec)
-η -eficiência para geração de trabalho
-m comb – vazão mássica de bagaço
-EE exp – energia elétrica adicional exportada
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Usina A
Usina A – Análise dos Resultados
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Sistema apresenta grande potencial de melhoria
-Efeito isolado da eletrificação e utilização de CEST
mantendo parâmetros de vapor constantes, promove
elevação da eficiência em mais de 50 % em relação ao
caso base.
-Pequenas elevações no consumo de bagaço frente a
aumentos consideráveis na produção de trabalho indicam
que a eficiência de conversão de energia tem papel
fundamental na eficiência global do ciclo
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Usina A
Usina A – Análise dos Resultados
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Através da elevação dos parâmetros de vapor é possível
incrementar consideravelmente a eficiência do ciclo e a
produção de eletricidade
-Utilização de CEST possibilita produção de eletricidade
ao longo do ano todo
-O efeito da elevação dos parâmetros de geração de
vapor se torna menos intenso a medida que estes vão
sendo aumentados
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Usina A
Usina A – Análise Econômica
Parâmetros considerados:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Duração do Projeto –21 anos / Periodicidade Anual
-Duração da safra/entressafra –200 / 150 dias
-Taxa de Juros para cálculo do Valor Presente Líquido (VPL)
de 15%
-Emissões reduzidas líquidas: ano 1 a 7 –604 tCO2 /G Wh e
ano 8 a 21 - 569 tCO2 /G Wh
-Preço [M Wh] - R$93,00
-Preço tCO 2 -R$15,00
-Preço tonelada de bagaço – R$ 15,00
-Custos Anuais de O& M – 4 operadores na entressafra
(R$60,00/h) + 1% do investimento em Caldeiras, CEST,
Acionamentos e Interligação com a Rede
-OBS.:mesmos parâmetros foram considerados para a Usina B.
19

Usina A
Usina A – Exemplo de Cálculo
Descrição
Configuração
E. E. Adic. Exportada Safra [MW]
E. E. Adic. Exp. Entressafra [MW]
Consumo Adic.Bagaço Safra[ton/h]
Con. Adic.Bag. Entressafra[ton/h]
Preço tCO2 [R$]
Custo ton Bagaço [R$]
Preço MWhe [R$]
Investimento [R$]
Custos de O&M [R$]
Custo Bagaço Adicional [R$]
Receita Adicional E.E. [R$]
Créditos de Carbono - ano 1 a 7 [R$]
Créditos de Carbono - ano 8 a 21 [R$]
VPL
TIR
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Caso AE
Usina A Caso eletrificado - Geração Vapor 38/22Bara
Geração de Vapor em 38Bara Caldeira 2
CEST 22,5MW / Eletrificação Preparo & Extração
9,25
20
4,8
49
15,00
15,00
93,00
26.100.000,00
1.074.000,00
2.991.600,00
10.825.200,00
1.054.584,00
993.474,00
20.674.868,69
31,30
20

Usina A
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Usina A – Resultados Análise Econô mica
Investim ento[R$] TIR[% ] VPL[R$]
AE 26.100.000,00 31,30 20.674.866,69
AAP 53.600.000,00 31,25 42.354.815,51
AEAP 57.400.000,00 30,38 42.891.550,88
A condição atual de operação da usina é tal que todas as
alternativas propostas apresentam boa atratividade,
sendo que a eletrificação associada a CEST operando
com 38 ou 66[bara] apresenta TIR’s praticamente iguais.
21

Usina B
Usina B – Dados Principais
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Capacidade de Moagem: 21.600 [ton/dia] de cana
2 linhas: picador, nivelador, desfibrador e 6 ternos (14.400+7.200)
Geração de Vapor: 180[ton/h] -66[bara] @ 520[°C] + 300[ton/h] -
43[bara] @ 400[°C] (duas caldeiras de 150[t/h])
Produção de Eletricidade: 58.050[k We]
1x6,6[M V A] +1x7,5[M V A] + 1x18,75[M V A] - contrapressão
1x45,75[M V A] – CEST (extração 22[bara])
Trabalho Mecânico: 12.350[K W mec]
7xturbinas múltiplo estágio + 2x simples estágio – contrapressão
Exportação de Eletricidade: 40.200[k W e]
Vapor de Processo: 19[ton/h] 22[bara]@300[°C] extração CEST +
353[ton/h] 2,5[bara] @130[°C] contrapressão das demais turbinas.
Consumo de Bagaço: 221[ton/h] – PCI=7500[KJ/kg]
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Usina B
Usina B –Esquema Simplificado
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
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Usina B
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Usina B – Resultados Simulação – Caso B B
Eficiência do ciclo p/ produção de trabalho:15,30 % Safra
e 24,71 % Entressafra
Produção total de trabalho: 70.400[kW] Safra e
34.500[k W] Entressafra
Eficiências dos componentes do ciclo:
-Caldeiras: 81 % (43[bara]) e 87 %(66[bara])
-Turbinas dos turbogeradores: 83% CEST e 78%
Contrapressão
-Turbinas de acionamento mecânico: 55 % M E e 45%
SE
Exportação de Eletricidade: 40.200[kW e] Safra e
29.000[kWe] na Entressafra
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Usina B
Usina B –Eletrificação – Caso BE
Alterações propostas:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Eletrificação do preparo e extração
motores de MT com partida direta para picador, nivelador e
desfibrador da linha 1 e motores de BT acionados por drives de 12
pulsos para ternos 1 a 6 das duas linhas.
-Geração de vapor adicional de 5[t/h] em
43[bara]@400[°C] para refrigeração do novo CEST
no período da safra
-Instalação de novo CEST de 30[ M W] -
η=82%/85%
-Considerado consumo adicional de 10,25[ M We]
devido às alterações do sistema. Consumo adicional
de 3,1[M W] na entressafra.
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Usina B
Usina B –Alta Pressão – Caso BAP
Alterações propostas:
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Eletrificação do preparo e extração
motores de MT com partida direta para picador, nivelador e desfibrador da
linha 1 e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6
das duas linhas.
-Geração de vapor a 66[bara] @520[°C] em duas
caldeiras de 150[t/h] - η= 87%
-Desativação dos TG’s de Contrapressão e reforma dos
acionamentos mecânicos remanescentes para operação
em 66[bar] - η=55%
-Instalação de novo CEST de 65[ M W] - η=87/85%
-Considerado consumo adicional de 11,25[ M We] na
safra e de 3,5[ M W] na entressafra.
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Usina B
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Usina B – Extra Alta Pressão – Caso BE A P
Alterações propostas:
-Eletrificação do preparo e extração
motores de MT com partida direta para picador, nivelador e desfibrador da
linha 1 e motores de BT acionados por drives de 12 pulsos para ternos 1 a 6
das duas linhas.
-Geração de vapor a 82[bara] @540[°C] em duas
caldeiras de 150[t/h] - η= 87%
-Instalação de novo CEST de 70[ M W] - η=87/85%
-Desativação dos TG’s de Contrapressão e reforma dos
acionamentos mecânicos remanescentes para operação
em 82[bar] - η=55%
-Considerado consumo adicional de 12,25[ M We] na
safra e de 4,15[M W] na entressafra.
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Usina B
Usina B – Resultados Simulações
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
BB 70.475 15,30 221 40.200
BE 76.700 16,38 225 46.500
BAP 94.790 20,39 223 62.690
BEAP 99.185 21,17 225 66.085
Safra
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
BB 34.515 24,71 67 29.000
BE 66.310 22,68 140 57.710
BAP 89.950 26,48 163 80.950
BEAP 86.290 26,89 154 76.640
Entressafra
-W prod –trabalho total produzido ( kW e + k W mec)
-η -eficiência para geração de trabalho
-m comb – vazão mássica de bagaço
-EE exp – energia elétrica adicional exportada
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Usina B
Usina B –Avaliação dos Resultados
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-Sistema atual apresenta bom grau de desenvolvimento
tecnológico e boa eficiência
-Configuração do sistema minimiza a melhora obtida
pela eletrificação dos acionamentos devido a necessidade
de redução de vapor pelo by-pass para atendimento da
demanda do processo no Caso BE
-A melhora da eficiência é mais acentuada no período
de safra. A operação de turbogeradores de contrapressão
ou a abertura da extração durante a safra reduz a
eficiência do ciclo para produção de trabalho
-As eficiências obtidas para o período de entressafra são
altas e não apresentam grandes alterações
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Usina B
Usina B –Avaliação dos Resultados
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
-O aumento de produção de eletricidade é mais
dependente do aumento da capacidade de geração, que
do aumento da eficiência dos processos de conversão de
energia. A eletrificação contribui redu-zindo a demanda
de vapor pelos acionamentos, que passa a ser
empregado na geração de E.E.
-A exportação de energia elétrica pode ser elevada ao
longo de todo ano. Na entressafra o au mento da
produção e conseqüente exportação de eletricidade
provoca elevação do consumo de bagaço.
- O fornecimento de vapor para o processo reduz o
potencial de produção de eletricidade sensivelmente.
Assim a redução da demanda de vapor pelo processo
constitui um meio eficaz de aumentar a geração de
energia elétrica
30

Usina B
Usina B –Análise Econômica
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Investim ento[R$] TIR[% ] VPL[R$]
BE 30.200.000,00 28,55 19.809.310,02
BAP 80.000.000,00 30,32 59.514.513,66
BEAP 89.500.000,00 27,30 53.248.335,88
A alternativa que se mostra mais atraente associa a
eletrificação das moendas à utilização de CEST
operando a pressão de 66[bara].
31

Considerações
Finais
Considerações Finais
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
As simulações realizadas demonstram que há grande
potencial técnico de expansão da produção de
eletricidade através da eletrificação dos acionamentos do
preparo e extração e utilização de CEST operando com
altos parâmetros.
Os estudos comprovam ainda que a aplicação das
técnicas sugeridas promove a elevação da eficiência do
ciclo. A utilização de sistemas eficientes de conversão de
energia (turbinas de alta eficiência, aciona mentos
motorizados de alto rendimento) são essenciais para este
aumento de eficiência.
32

Considerações
Finais
Considerações Finais
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
As análises econômicas indicam que o desenvolvimento
do potencial técnico identificado através das simulações
é viável.
Estima-se que a consideração de sistemas de cogeração
com CEST e altos parâmetros e eletrificação do preparo
e extração na concepção de novas usinas promovam
ganhos ainda maiores que os obtidos com o emprego
destas soluções em plantas existentes.
A comercialização de créditos de carbono contribui com
uma receita equivalente a cerca de 10 % do valor obtido
com a venda de eletricidade, devendo ser considerada
nos projetos.
33

Considerações
Finais
Considerações Finais
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Outros benefícios provenientes da aplicação das
alternativas propostas são:
-Elevação do grau de automação da usina
-Aumento da disponibilidade da planta
-Redução dos custos específicos de manutenção
-Maior flexibilidade do sistema de cogeração
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool / Cogeração
Obrigado pela Atenção
Gracias por la atención
Thiago Teodoro Pistore – thiago.pistore @siem ens.co m
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