1 Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e

Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás DAVID ZYLBERSZTAJN SUANI TEIXEIRA COELHO 1 1. Introdução O Brasil tornou­se, a partir de 1975, o primeiro país no mundo a implementar, em grande escala comercial, um programa visando a utilização da biomassa como fonte de energia. O Programa Nacional do Álcool (Proálcool) criado em meio à crise gerada pelo primeiro choque do petróleo, serviu também, além de sua finalidade oficial de substituição de gasolina em carros de passeio, para amenizar os efeitos de uma crise no setor do açúcar, decorrente da queda de suas cotações no mercado mundial. Com a acentuação da crise energética no segundo choque do petróleo, a escassez de divisas para pagamentos dos compromissos externos do país e um generoso subsídio concedido ao comprador de um automóvel movido a álcool, o Proálcool conheceu um imenso sucesso. Ao final dos anos 80, quase 5 milhões de veículos, essencialmente de passeio, eram movidos a álcool hidratado (96% álcool, 4% gasolina). Além disto, cerca de 6,5 milhões de automóveis a gasolina passaram a utilizar uma mistura de, aproximadamente, 22% etanol e 78% gasolina. Nesta mesma época, a produção nacional de álcool atingiu a marca de 12 bilhões de litros anuais, com uma 2 capacidade instalada de 16 bilhões de litros, em destilarias anexas e autônomas . Esta situação proporcionou ao país expressiva economia em divisas e significativa melhoria nas condições do ar nas grandes metrópoles (a emissão de CO por automóveis movidos a gasolina é 1,8 vezes maior do que aqueles movidos a álcool) 3 . Apesar das virtudes acima descritas, o Proálcool encontra seus limites econômicos associados ao baixo preço do petróleo, o que implica na necessidade de importantes subsídios para a sua efetiva manutenção e mesmo sobrevivência. Essencial para sua sobrevida foi a crise do Golfo Pérsico, que fez aflorar as incertezas quanto à real disponibilidade e acesso ao petróleo 4 . No entanto, as perspectivas de relativa estabilidade dos preços do petróleo em seu níveis atuais , a curto e médio prazos, tornam sombrias as perspectivas de manutenção do Proálcool, caso não haja medidas que proporcionem uma redução de custos, de modo a torná­lo ao menos mais próximo de um grau aceitável de competitividade em relação ao petróleo e seus derivados. Associado ao panorama acima, o contexto energético brasileiro global defronta­se, atualmente, com um grave impasse quanto às possibilidades de expansão da produção de eletricidade. De base essencialmente hidráulica 5 , o suprimento nacional de eletricidade vem encontrando fortes limitações à sua expansão, devido à grande necessidade de aporte de capitais, indisponíveis tanto interna quanto externamente, e devido aos impactos ambientais e sociais causados pelas grandes barragens 6 . Quanto às termoelétricas, a experiência da energia nuclear no Brasil revela­se um verdadeiro desastre técnico e econômico, além da sua inaceitabilidade social e ambiental, cuja discussão foge ao escopo deste trabalho. As termoelétricas que utilizam combustíveis fósseis carregam consigo o grave inconveniente das emissões de poluentes, tais como o enxofre e os óxidos de nitrogênio (responsáveis principais pela chuva ácida), os particulados e o carbono, principal elemento causador do efeito estufa. Apesar da existência de mecanismos suscetíveis de diminuir as emissões de enxofre e nitrogênio, sua utilização 1 Instituto de Eletrotécnica e Energia ­ USP Destilarias e anexas são aquelas capazes de produzir álcool e açúcar em proporções variáveis, enquanto destilarias autônomas são aquelas que se dedicam exclusivamente à produção de álcool 3 Estima­se que carga da 200.000 litros diários equivalente de gasolina deixam de ser importados e consequentemente, queimados. A título de exemplo, segundo a CETESB (Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental) "...cerca de 40% dos 4.3 milhões de carros que circulam em São Paulo são a álcool, o que reduz em muito a quantidade de enxofre e partículas inaláveis (poeira) na atmosfera."(R.Godinho, gerente da Divisão de Qualidade do Ar da CETESB, Jornal a Tarde, 24.5.91) 4 A respeito de mais detalhes ver J.R.MOREIRA e D.ZYLBERGSZTAJN, "The Brasilian Alcohol Program­Performance and Difficulties", Proceedings of The World Renewable Energy Congress, Reading (UE), setembro 1990 e D.ZYLHERSZTASN, "A lição de Saddam" Folha de São Paulo, 22.9.1990 5 Pouco mais da 92% de toda geração de eletricidade no Brasil 6 As principais delas são o deslocamento de grandes comunidades das áreas inunáveis, a perda das áreas férteis ao longo doe rios, a destruição de grandes reservas biológicas, e a acidificação das águas dos lagos formados pelas barragens, causando grandes perdas á agricultura e à pesca a jusante da barragem.
2 1 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás implica um acréscimo excessivo de custos, além de não serem disponíveis atualmente tecnologias capazes de evitar as emissões de C02. Sob o quadro acima descrito, este trabalho propõe­se a avaliar, através de tecnologias atualmente disponíveis (ou em vias de implantação), as possibilidades de utilização da biomassa, e mais especificamente o bagaço da cana de açúcar, para a geração de eletricidade no Brasil. O bagaço é um sub­produto inevitável tanto no processo para produção de álcool quanto no de açúcar. O processo descrito a seguir preconiza a gaseificação do bagaço e a utilização deste gás em um ciclo combinado de produção de eletricidade e vapor, através de turbinas a gás. Como será detalhado mais adiante, a utilização da biomassa, sob uma forma de renovabilidade contínua, implica na fixação do carbono através de um balanço natural de equilíbrio entre o carbono emitido na queima e o carbono capturado pela nova planta em crescimento. Consideramos que, juntamente com a conservação e uso racional de energia (GELLER,l990; GELLER e ZYLBERSZTAJN,l990), a utilização de maneira equilibrada da biomassa pode tornar­se o grande salto tecnológico para a produção de energia, associada ao conceito de desenvolvimento sustentado, ou seja, garantido o crescimento econômico e a preservação ambiental. No caso específico do Brasil, a melhor rentabilização do bagaço de cana significará um grande impulso econômico ao Proálcool, em virtude do rateio de custos entre a produção de álcool e de eletricidade. Isto trará efeitos evidentes sobre a qualidade do ar das grandes cidades, devido ao aumento da participação do etanol como carburante. 2. A geração de energia elétrica através da biomassa No Brasil, a indústria sucro­alcooleira, ainda que de forma extremamente ineficiente, utiliza o bagaço da cana de açúcar como combustível em caldeiras, visando a produção de vapor de processo e energia elétrica. Estima­se, no entanto, que no caso da utilização de turbinas a vapor de alta pressão (CEST­Condensing Extraction Steam Turbines), o excedente de eletricidade fornecido pela usina produtora de açúcar e álcool poderia atingir 100 kWh/tc(tonelada de cana) (OGDEN et alii, 1990). Sendo um equipamento de alto rendimento termodinâmico (95%) e custo de capital relativamente baixo (investimentos da ordem de US$ 300,00 a US$ 500,00/kW), as turbinas a gás aeroderivativas (como as utilizadas na aviação) passaram a ser intensamente utilizadas nos países desenvolvidos para a produção combinada de calor e eletricidade (cogeração). Quando combinadas com ciclos a vapor tradicionais, formam os chamados ciclos combinados. Nos ciclos combinados, o rendimento termodinâmico aumenta significativamente (de 30% em média para até 40­45%), devido à utilização dos gases de exaustão da turbina a gás na caldeira de recuperação. A Figura 1 mostra, esquematicamente, um diagrama que representa o ciclo combinado. Processos variantes também vêm sendo propostos, no sentido de aumentar a eficiência do processo. Entre estes últimos encontra­se o processo STIG (Steam Injection Gas Turbine) (LARSON et alii, 1987), esquematizado na figura 3. No caso da utilização do bagaço, o rendimento passa de 13% (em relação ao poder calorífico superior) no processo CEST, para 30% no processo STIG (em sistemas de cogeração) (OGDEN et alii, 1990). Os processos mais modernos utilizam o gás natural como combustível. A partir desta experiência, existem dados estimados para a utilização da biomassa como fonte de produção de gás e posterior combustão em turbinas a gás. Já são conhecidos resultados experimentais do uso de gás de madeira (LARSON et alii,1987), estando sendo realizados testes com o bagaço da cana de açúcar. Neste tipo de processo, de forma similar à madeira, o bagaço é gaseificado e o gás produzido é alimentado na câmara de combustão da turbina a gás. Existem diferentes processos de utilização, onde o rendimento relativo à quantidade de cana e a produção de eletricidade varia significativamente, de 130 kWh/tc (HUKAI,l990) até 900 kWh (OGDEN et alii, 1990), este último com tecnologia dificilmente disponível a custos competitivos nos próximos anos. As figuras 2 e 3 mostram dois destes sistemas, considerados mais passíveis de utilização a curto prazo. Esta enorme variação pode ser imputada, além da tecnologia utilizada, ao aproveitamento integral da cana de açúcar. Em outros termos: atualmente o processo de colheita da safra é precedido da queima do canavial, visando tornar mais fácil a colheita da cana. Neste caso, são destruídas as folhas e as pontas da cana, o que implica uma perda energética estimada em 80%. A utilização das folhas e pontas permitiria a produção praticamente ininterrupta de eletricidade ao longo do ano, fora dos períodos da safra (bagaço na safra, folhas e pontas na entressafra). Outra opção, que será analisada abaixo, quando do cálculo econômico, prevê a utilização do gás natural em períodos de entressafra. Esta solução apesar de adequada tecnológica e
2 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás economicamente, tem o duplo inconveniente de necessitar a instalação de uma rede de gás natural e implicar no aumento das emissões de carbono não intercambiável na atmosfera (apesar das excelentes qualidades do gás natural, se comparado com outros combustíveis fósseis). 3 Potencial de eletricidade a ser gerada com bagaço de cana O consumo de energia elétrica no Brasil, em 1989, foi de 202,5 TWh para uma potência instalada de 53,8 TW, dos quais 49,3 são de origem hidráulica. Considerando­se a safra 90/91, prevista em 260 milhões (Folha de São Paulo, 1991) de toneladas de cana, e estimando que o bagaço represente 30% deste total, então poderíamos obter 78 milhões de toneladas de bagaço com 50% de umidade. Em termos teóricos, se utilizássemos todo o bagaço para a produção de eletricidade, teríamos: 1 ton de bagaço ­­­­­> 1,8 Gcal (PCI) x 4,18 J/cal ­­­­­> 7,52 GJ x 0,35 (eficiência de conversão térmica/elétrica) ­­­­­> 2,63 GJe / 3600 ­­­­­> 7,31 x 10^­4 GWh/ton bagaço No caso específico da safra brasileira, obteríamos 78 x 10^6 ton bagaço x 7,31 x 10^4 GWh/ton bagaço = 57,0 x 10^3 GWh. Para um fator de utilização de 50% ao ano (4383 h/ano) ­­­­> 13,0 x 10^3 GW instalados. Se, no entanto, considerarmos a utilização das folhas e pontas, este valor é multiplicado por 1,8 ­ ­­­­­> 23,4 x 10^3 GW, o que eqüivale a mais de 40% da potência elétrica nacional instalada. A tabela 1, construída a partir de referências encontradas na literatura, leva em consideração a energia elétrica gerada em termos de excedentes comercializáveis, após o atendimento das necessidades de vapor e eletricidade das usinas produtoras de açúcar e/ou álcool. TABELA 1 Potência e energia geradas a partir de sistemas de gaseificação de bagaço de cana ­ Brasil SISTEMA DIAS OPERACIONAIS ENERGIA GERADA (kWh/tc) Tradicional(1) Anexa 37 Autônoma 65 Turbina a gás(2) 130 CEST(3) 110 STIG(4) 230 Fontes: (1) Dedini, (2) HUItAI, (3) OGDEN, (4) OGDEN 240 240 180 160 160 POTÊNCIA (MW) 1670 2930 7820 7450 15570 Estes valores poderão ser progressivamente aumentados, especialmente em função do grande potencial de ganhos de eficiência passíveis de serem obtidos no processo de conversão térmica/elétrica.(FULKERSON, 1990) 4. Avaliação econômica Para avaliar o grau de competitividade econômica do processo de utilização do gás de bagaço de cana, partimos das premissas abaixo descritas: ­ Custos de investimento : 990 US$/KW (BIG/STIG­LM­5000, 53 MW (FULMER,l990); 1230 US$/KWh (BIG/STIG­LM­1600, 20 Mw) (FULMER,l990); 1500 US$/KWh (NSC/KAMAISHI, 16 MW) (HUKAI,l990) e 1650 US$/KWh (BIG/STIG­GE­38, 5,4 MW ) (FULMER,l990). ­ Taxas de desconto : 10%, 15% e 20% ­ Vida do investimento : 10 anos, 15 anos e 20 anos ­ Fator de Utilização :
3 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás 50% (apenas bagaço, na safra) 90% (bagaço na safra, palhas e pontas na entressafra) 90% (complementação com gás natural) ­ Custo do combustível 7 : Bagaço : US$ 10/ton Gás natural : US$ 100/1000m 3 ­ Custo de 0&M : US$ 7/ MWh A partir destes parâmetros, a formula utilizada foi: Custo Total = Custo de Capital + Custo de Combustível + Custo de O&M onde: Custo de Capital = Investimento*FRC/(8766h/ano*FU) FRC = Fator de Recuperação de Capital, dado pela fórmula FRC = i(1+i)**n/((1+i)**n­1) FU = Fator de Utilização A análise das figuras 4 a 12 leva­nos às seguintes considerações: se tomamos como referência uma termoelétrica a carvão, cujo custo de geração pode ser estimado, conservadoramente, entre 38 e 42 US$/MWh, independentemente de questões ambientais, a geração a partir do bagaço de cana demonstra ser competitiva para taxas de desconto de 15%. No caso da hidroeletricidade, ao compararmos os custos de geração acima obtidos com o custo marginal de expansão da geração para a região sul­sudeste, estimado oficialmente em 55,0 US$/MWh, temos uma faixa de competitividade situada, para faixa de taxas de desconto de até 15%, para retorno esperado de 15 e 20 anos. Para um custo de instalação de até 1230 US$/Kw, poder­se­ia inclusive prever uma participação da concessionária de eletricidade interessada, devido à diferença entre o MWh gerado a partir do bagaço (49 a 51 US$/MWh) e o já citado custo marginal de expansão do sistema via hidroeletricidade. 5. Conclusão A partir das análises e das considerações acima desenvolvidas, podemos afirmar que a produção termoelétrica de energia oriunda da gaseificação do bagaço da cana de açúcar pode tornar­se, a médio prazo, uma das alternativas mais importantes para expansão da capacidade de geração de eletricidade no Brasil. Temos consciência da necessidade do aperfeiçoamento da tecnologia disponível, especialmente no que concerne a gaseificação do bagaço de cana. No entanto, a partir do conhecimento obtido com a gaseificação do carvão e dos testes que vêm sendo realizados com outras formas de biomassa, a expectativa em relação ao processo proposto pode ser estimada como realista e consciente. Se compararmos, por exemplo, estas dificuldades com aquelas a serem transpostas pela geração termonuclear ou mesmo com termoelétricas convencionais ditas "não poluentes", verificamos que as primeiras reduzem­se a proporções mínimas. Em relação aos custos, contempladas as diversas alternativas calculadas para o bagaço, verificamos que algumas delas, compatíveis com as condições de mercado, são absolutamente Competitivas e, em alguns casos, de menor custo. Se levarmos em consideração a maior proximidade (em geral) aos centros consumidores, podemos estimar que, ao associarmos os custos de transmissão, estas vantagens tornam­se mais significativas. E, mais ainda, se incorporarmos os constantes aumentos de eficiência das turbinas (até 52%) e da produtividade esperada no plantio da cana(3%a.a.), estes valores seriam ainda bastante melhorados. Finalmente, juntamente com a conservação de energia, o uso equilibrado da biomassa pode tornar­se a melhor opção em termos de impactos ambientais vinculados às emissões de C02 e de enxofre, devido à recaptura do carbono no processo de replantio da biomassa anteriormente utilizada (ressalvados os cuidados necessários relativos ao uso do solo e da água associados ao processo de plantio) e da ausência de enxofre na biomassa. 7 No caso onde os dois combustíveis são utilizados (fator de utilização do 90%, aplicou­se a fórmula: Custo do combustível = (O.5*CB+0.4*CG)/0.9 onde CB e CG são o custo do bagaço e o custo do gás natural respectivamente
4 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás 6 Bibliografia
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OGDEN,J.; "A technological and economic assessment of the coproduction of alcohol and electricity from suQar cane"; IECES, Nevada, 1990. Abstract The Brazilian Alcohol Program, designed with the aim of ethanol utilization as an alternative fuel to gasoline is, up to now, the only commercial example of alternative fuel used to replace oil derivatives for transport use. The success of the Program is widely recognized, although several problems, specially price competitiveness when compared to gasoline, frequently dispute it. At the same time, Brazil's electrical sector is facing to capital raising problems and a very strong opposition due to environmental impacts caused by large hydroelectric projects. In this paper we evaluate how gasification of sugar cane bagasse ­ a by­product of alcohol and sugar production­ and the use of this gas for cogeneration (simultaneous production of electricity and process heat) could contribute to solve both problems, by enhancing alcohol fuel competitiveness and providing a new source of demanded electric power. Furthermore, use of renewable biomass reduces global environmental impacts caused by C02 and sulphur emissions large dams.
5 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 1
6 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 2
7 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 3
8 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 4 ­ Cogeração a partir de cana­de­açúcar, em turbina a gás, na safra, usando bagaço Figura 5 ­ Cogeração a partir de cana­de­açúcar, em turbina a gás, na safra, usando bagaço
9 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 6 ­ Cogeração a partir de cana­de­açúcar, em turbina a gás, na safra, usando bagaço Figura 7 ­ Cogeração a partir de cana­de­açúcar, em turbina a gás, na safra (com bagaço), e na entressafra (com palhas e pontas)
10 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 8 ­ Cogeração a partir de cana­de­açúcar, em turbina a gás, na safra (com bagaço), e na entressafra (com palhas e pontas) Figura 9 ­ Cogeração a partir de cana­de­açúcar, em turbina a gás, na safra (com bagaço), e na entressafra (com palhas e pontas)
11 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 10 ­ Cogeração em turbina a gás, usando bagaço de cana na safra e na entressafra. Figura 11 ­ Cogeração em turbina a gás, usando bagaço de cana na safra e na entressafra.
12 Revista Brasileira de Energia Vol. 1 | N o 1 Nome do artigo Potencial de geração de energia elétrica nas usinas de açúcar e álcool brasileira, através de gaseificação da cana e emprego de turbinas a gás Figura 12 ­ Cogeração em turbina a gás, usando bagaço de cana na safra e na entressafra.
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