Estudos de Casos de Sistemas de Cogeração

Automation and Drives
CURSO INTERNACIONAL
Bereichskennung
oder Produktname
“ENERGIA NA INDÚ
INDÚSTRIA DE
AÇÚCAR
ÇÚCAR E ÁLCOOL”
LCOOL”
Estudos de Casos de
Sistemas de Cogeração
Thiago Teodoro Pistore
SIEMENS
Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Energia na Indústria de Açúcar e Álcool
Estudos de Casos de Sistemas de Cogeração
Thiago Teodoro Pistore
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Roteiro da Apresentação
Introdução
Usina A
Usina B
Considerações Finais
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Considerações Iniciais
Introdução
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.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Objetivo dos Estudos de Casos
Introdução
Visando:
-Elevar a eficiência do sistema de cogeração
-Incentivar aexpansão da produção de eletricidade
na indústriasucroalcooleira
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
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Elevação Parâmetros Vapor e Aplicação de CEST
Introdução
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 energiatérmica 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
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Eletrificação do Preparo e Extração
Introdução
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 pelasturbinas 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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Co mercialização de Créditos de Carbono
Introdução
Esta medida estimula o aumento da produção de
eletricidade, pois:
-Representa fonte de renda adicional
projetos de cogeração com bagaço são elegíveis como 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
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Abrangência dos Estudos de Casos
Introdução
Estudos de Casos consistem em:
-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.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Dados Principais
Capacidade de Moagem: 9.000 [ton/dia]de cana
Usina A
1 linha com picador, nivelador, desfibrador e 6 ternos
Geração de Vapor: 190 [ton/h] -22[bara]@
290[°C]
1x44 + 1x80 + 1x100 [ton/h] -22[bara] @ 290[°C]
Produção de Eletricidade: 5100[kWe]
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[kWe]
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]
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Esquema Simplificado
Usina A
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Resultados Simulação – Caso AB
Eficiência do ciclo para produção de trabalho:5,78%
Usina A
Produção total de trabalho: 9.940[kW]
Eficiências dos componentes do ciclo:
-Caldeiras: 79%
-Turbinas dosturbogeradores: 67%
-Turbinas de acionamento mecânico: 42%
Exportação de Eletricidade: 0[kWe]
Sistema de cogeração não opera na entressafra.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Eletrificação – Caso AE
Alterações propostas:
Usina A
-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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Alta Pressão – Caso AAP
Alterações propostas:
Usina A
-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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Extra Alta Pressão – Caso AEAP
Alterações propostas:
Usina A
-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[MW] 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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Resultados Simulações
Usina A
AB
AE
AAP
AEAP
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
9.940
5,78
83,0
0
20.250 11,07
87,8
9.250
35.890 18,68
92,2
23.900
38.230 19,70
93,2
25.230
Safra
AB
AE
AAP
AEAP
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
22.445 21,97
49,0
20.000
27.250 26,85
48,7
24.250
28.320 27,66
49,2
24.800
Entressafra
-W prod –trabalho total produzido ( kWe + kW mec)
-η -eficiência para geração de trabalho
-m comb – vazão mássica de bagaço
-EEexp – energia elétrica adicional exportada
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Análise dos Resultados
Usina A
-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 consideráveisna produção de trabalho indicam
que a eficiência de conversão de energia tem papel
fundamental na eficiência global do ciclo
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Análise dos Resultados
Usina A
-Através da elevação dos parâmetros de vapor é possível
incrementarconsideravelmente 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 setorna menos intenso a medida que estes vão
sendo aumentados
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Análise Econômica
Parâmetros considerados:
Usina A
-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 reduzidaslíquidas:ano 1 a 7 – 604 tCO2 /G Wh e
ano 8 a 21 -569 tCO2 /G Wh
-Preço [M Wh] - R$93,00
-Preço tCO2 - R$15,00
-Preço tonelada de bagaço – R$ 15,00
-Custos Anuaisde O& M – 4 operadores na entressafra
(R$60,00/h) + 1% do investimento em Caldeiras, CEST,
Acionamentos e Interligação com a Rede
-OBS.:mesmos parâmetros foram considerados para a Usina B.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Exemplo de Cálculo
Descrição
Configuração
Usina A
Caso AE
Usina A Caso eletrificado - Geração Vapor 38/22Bara
Geração de Vapor em 38Bara Caldeira 2
CEST 22,5MW / Eletrificação Preparo & Extração
E. E. Adic. Exportada Safra [MW]
E. E. Adic. Exp. Entressafra [MW]
Consumo Adic.Bagaço Safra[ton/h]
Con. Adic.Bag. Entressafra[ton/h]
9,25
20
4,8
49
Preço tCO2 [R$]
Custo ton Bagaço [R$]
Preço MWhe [R$]
15,00
15,00
93,00
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
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
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina A – Resultados Análise Econômica
Usina A
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 étal 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.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Dados Principais
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]@
Usina B
520[°C] + 300[ton/h] -
43[bara] @ 400[°C] (duas caldeiras de 150[t/h])
Produção de Eletricidade: 58.050[kWe]
1x6,6[MV A] +1x7,5[MV A] + 1x18,75[MV A] -contrapressão
1x45,75[MV A] – CEST (extração 22[bara])
Trabalho Mecânico: 12.350[K W mec]
7xturbinas múltiplo estágio + 2x simples estágio – contrapressão
Exportação de Eletricidade: 40.200[kWe]
Vapor de Processo: 19[ton/h] 22[bara]@300[°C] extração CEST +
353[ton/h] 2,5[bara]@130[°C] contrapressão das demaisturbinas.
Consumo de Bagaço: 221[ton/h] – PCI=7500[KJ/kg]
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Esquema Simplificado
Usina B
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Resultados Simulação – Caso BB
Eficiência do ciclo p/ produção de trabalho:15,30% Safra
e 24,71% Entressafra
Usina B
Produção total de trabalho: 70.400[kW] Safra e
34.500[kW] Entressafra
Eficiências dos componentes do ciclo:
-Caldeiras: 81% (43[bara]) e 87%(66[bara])
-Turbinas dosturbogeradores: 83% CEST e 78%
Contrapressão
-Turbinas de acionamento mecânico: 55% ME e 45%
SE
Exportação de Eletricidade: 40.200[kWe] Safra e
29.000[kWe] na Entressafra
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Eletrificação – Caso BE
Alterações propostas:
-Eletrificação do preparo e extração
Usina B
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[MW] 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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Alta Pressão – Caso BAP
Alterações propostas:
-Eletrificação do preparo e extração
Usina B
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[MW] - 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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Extra Alta Pressão – Caso BEAP
Alterações propostas:
-Eletrificação do preparo e extração
Usina B
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[MW] - 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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Resultados Simulações
Usina B
BB
BE
BAP
BEAP
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
70.475 15,30
221
40.200
76.700 16,38
225
46.500
94.790 20,39
223
62.690
99.185 21,17
225
66.085
Safra
BB
BE
BAP
BEAP
W prod[kW ] η [% ] m com b[t/h] EEexportada[kW ]
34.515 24,71
67
29.000
66.310 22,68
140
57.710
89.950 26,48
163
80.950
86.290 26,89
154
76.640
Entressafra
-W prod –trabalho total produzido ( kWe + kW mec)
-η -eficiência para geração de trabalho
-m comb – vazão mássica de bagaço
-EEexp – energia elétrica adicional exportada
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Avaliação dos Resultados
Usina B
-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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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Avaliação dos Resultados
Usina B
-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 contribuiredu-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 aumento 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
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Usina B –Análise Econômica
Usina B
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].
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Considerações Finais
Considerações
Finais
As simulações realizadas demonstram que há grande
potencialtécnico 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, acionamentos
motorizados de alto rendimento) são essenciais para este
aumento de eficiência.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Considerações Finais
As análises econômicas indicam que o desenvolvimento
do potencialtécnico identificado através das simulações
é viável.
Considerações
Finais
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 receitaequivalente a cerca de 10% do valor obtido
com a venda de eletricidade, devendo ser considerada
nos projetos.
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Energia naIndústria de Açúcar e Álcool/ Cogeração
Considerações Finais
Outros benefícios provenientes da aplicação das
alternativas propostas são:
-Elevação do grau de automação da usina
Considerações
Finais
-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 laatención
Thiago Teodoro Pistore –[email protected]
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