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25 e 26 de setembro de 2014
O USO DA BIOMASSA DA CANA-DE-AÇÚCAR PARA COGERAÇÃO E
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA: ANÁLISE TERMODINÂMICA E
TERMOECONÔMICA – ESTUDO DE CASO.
R. D. D. dos SANTOS1*, S. N. M Souza3
1
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Bioenergia. Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE,
Campus Cascavel-PR (Times New Roman 10)
2 Professor Associado B regime T-40/TIDE da Universidade Estadual do Oeste do Paraná-UNIOESTE, Centro de
Ciência Exatas e Tecnológicas-CCET. Professor do Programa de Pós Graduação em Energia na AgriculturaPPGEA/UNIOESTE e do Programa de Pós Graduação em Bioenergia-PPGB/UNIOESTE/UEL.
*Autor correspondente E-mail para contato: [email protected]
PALAVRAS-CHAVE: Cogeração, Termodinâmica, Termoeconômica.
INTRODUÇÃO
Ao longo do século XX, o sistema elétrico mundial se tornou cada vez mais centralizado, no que
diz respeito à geração de eletricidade, devido principalmente à estruturação e transmissão de
energia a longas distâncias. Entretanto, a elevação do custo de eletricidade, devido às políticas
ambientais, somado à recessão de produção nos países industrializados e à crise do petróleo, vêm
incentivando a busca por outras fontes geradoras de energia e acelerando o processo de
reformulação do setor mais descentralizado.
Segundo Rezac e Metghalchi (2004), a introdução de uma energia “limpa” e barata tem a
capacidade de promover governos, de melhorar a economia dos países pobres, de oferecer
saneamento básico e melhorar os benefícios de saúde, como também reduzir a quantidade de
poluentes que entram em nossa atmosfera sob a forma de gases de efeito estufa6.
Este cenário criado pela necessidade de desenvolvimento e uso de novas fontes energéticas é
amplamente favorável à utilização da biomassa como fonte de geração de energia elétrica.
A necessidade de melhoria no sistema energético brasileiro ficou ainda mais evidente na crise do
apagão em 2001, que ocorreu devido à falta de investimento no setor elétrico, ausência de um
planejamento energético adequado e aumento da demanda no consumo decorrente do crescimento
econômico da população. Além disso, a seca que ocorreu no País nesta época agravou a crise, visto
que a energia utilizada em grande parte é proveniente da força das águas1.
Este contexto de crise incentivou o aumento nas pesquisas em torno da cogeração visando a
produção excedente de eletricidade no setor sucroalcooleiro. O motivo da comercialização do
excedente elétrico deve-se a biomassa residual da moagem da cana-de-açúcar. Esta é constituída
por elevados teores de materiais lignocelulósicos, que as tornam matérias-primas capazes de
produzir energia térmica e elétrica.
O uso da biomassa da cana-de-açúcar com fins energéticos vem contribuir não apenas com a oferta
de energia nos momentos de seca e crise energética, mas também, surge como fonte de energia que
não agride ao meio ambiente.
25 e 26 de setembro de 2014
OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo modelar a configuração atual de uma usina de açúcar e álcool
localizada no interior do Paraná, realizando análises termodinâmicas e termoeconômicas do
aproveitamento do bagaço da cana-de-açúcar em seu sistema de cogeração, a fim de ver a
viabilidade de produção de energia elétrica.
MATERIAIS E MÉTODOS
Fundamentos da Análise Energética
A solução do problema tratado neste artigo envolve os princípios básicos da termodinâmica,
respectivamente, Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.
Considerando que os volumes de controle se encontram em regime permanente e que as variações
de energia cinética e potencial podem ser desprezadas. A Primeira Lei da Termodinâmica pode ser
descrita da seguinte forma3:
(1)
Onde:
- Taxa de transferência de calor no volume de controle (kW);
- Taxa de potência
referente ao volume de controle (kW);
- Fluxo de massa de entrada no volume de controle
(kg/s);
- Fluxo de massa de saída no volume de controle (kg/s); he- Entalpia específica da
entrada do volume de controle (kJ/kg); hs - Entalpia específica da saída do volume de controle
(kJ/kg).
A Primeira Lei da Termodinâmica para volume de controle é fortemente baseada na utilização da
propriedade entalpia, que nos permite analisar os processos dentro de um sistema de maneira
quantitativa. Já a Segunda Lei da Termodinâmica baseia-se na propriedade entropia, que permite a
realização de uma análise quantitativa e qualitativa dos processos.
Este segundo princípio está relacionado à qualidade da energia e direção do fluxo energético. Um
de seus postulados afirma que o calor fluirá da temperatura mais alta para a mais baixa, caso as
temperaturas sejam iguais não haverá fluxo de calor.
A segunda lei afirma que não há processo natural reversível. Isto significa que cada processo
envolve a degradação dos recursos energéticos, ou seja, eles são considerados irreversíveis.
O balanço de entropia para um volume de controle em regime permanente pode ser descrito assim:
(2)
Onde:
- Taxa de geração de entropia no volume de controle (kW/K);
- Taxa de entropia
gerada pelo fluxo de calor no volume de controle (kW/K);
- Temperatura superficial do volume
de controle (K); se - Entropia específica na entrada do volume de controle (kJ/kg.K); ss - Entropia
específica na saída do volume de controle (kJ/kg.K).
Fundamentos da Análise Exergética
De acordo com Kotas (1985), a palavra exergia foi utilizada pela primeira vez por Rant em 1956,
para substituir vários termos de significados similares que eram empregados em diferentes países:
energia útil (França), disponibilidade (EUA) e capacidade de trabalho (Alemanha)5.
Segundo Rant, apud Torres (2001), foi ele quem sugeriu a palavra exergia, também propôs a
palavra Anergia, que é a parte da energia não aproveitada, ou melhor: Energia = Exergia +
25 e 26 de setembro de 2014
Anergia10. Energia, portanto, é tudo aquilo que pode ser aproveitado (exergia) somado àquilo que
não é útil (anergia). Em outras palavras energia é aquilo que pode ser convertido em calor e/ou
trabalho. Porém, para calcular a exergia é necessário que se defina o estado de referência, para que
se tenha uma base sobre quais são os valores a serem adotados8.
Para Szargut et al. (1988), exergia é a quantidade de trabalho obtido quando uma massa é trazida
até um estado de equilíbrio termodinâmico com os componentes comuns do meio ambiente.
Segundo o mesmo autor, a exergia total de um determinado fluxo, de um fluido pode ser
subdividida em exergia potencial, cinética, química e física. Quando as exergias cinéticas e
potenciais podem ser desprezadas a exergia do fluxo de um fluido é dada somente pela soma das
exergias físicas e químicas9.
(3)
Onde:
- Temperatura de referência (K);
- Refere-se ao potencial químico de referência do
elemento
;
- Potencial químico do elemento na mistura
;
- Fração do
componente na mistura.
A primeira parte da Equação (3) ( ) corresponde a exergia física de um fluxo, e é calculada onde há
equilíbrio térmico e mecânico com o meio, com base em um estado de referência restrito
.A
segunda parte ( ) de acordo com Szargut et al. (1988), denota que a exergia química expressa o
valor exergético da substância resultante da diferença de sua concentração em relação à composição
química do ambiente, com a temperatura e pressão em equilíbrio com o meio de referência, o valor
do potencial químico vai aumentando à medida que vai se afastando do padrão7.
O estado morto ou ambiente de referência é indicado pelo subíndice “0”. O trabalho reversível será
máximo quando
e
.
Fazendo uso da ideia de um ambiente que represente o mundo físico real, este artigo adotorá como
ambiente de referência as condições normais de temperatura e de pressão (CNTP), =298,15K e
=101,325 kPa.
Fundamentos Termoeconômicos
A termoeconomia é uma metodologia desenvolvida com base nos conceitos de exergia para análise
de sistemas térmicos. Para a disseminação da análise termoeconômica é necessária à realização de
uma análise exergética seguida de uma análise econômica. Esta metodologia tem como objetivo
principal atribuir custos a um portador de energia.
Este trabalho utilizará a metodologia exergoeconômica que faz uso da alocação dos custos médios
dos equipamentos, sendo capaz de determinar o custo dos produtos, de fornecer um meio de
alocação dos gastos e atuar como base de informações para tomada de decisões operacionais2.
A metodologia exergoeconômica quando formulada para um balanço de custo de maneira
individual em cada componente do sistema k, tem-se que a soma das taxas de custo associado a
todos os fluxos exergéticos de saída do sistema, é igual à soma das taxas de todos os fluxos
exergéticos de entrada mais o preço devido ao investimento de capital e despesas com operação e
manutenção de cada k-componente.
(4)
Onde:
- Exergia específica de entrada do volume de controle (kJ/kg);
- Exergia específica de
saída do volume de controle (kJ/kg); – Custo médio total do equipamento por unidade de tempo
no componente k (R$/s).
25 e 26 de setembro de 2014
As variáveis , ,
e
equivalem aos custos exergoeconômicos dos respectivos fluxos físicos
(entrada, saída, trabalho e calor gerado no interior do volume de controle). O custo médio de cada
fluxo é dado em unidades monetárias, por kJ, por exemplo, R$/kJ (reais por Kilojoule).
No caso do sistema proposto neste trabalho, considera-se que o custo dos equipamentos é zero, pois
já foram pagos
Ferramentas Computacionais
As equações podem ser solucionadas utilizando-se qualquer ferramenta de cálculo apropriada para
este fim. Entretanto, será utilizado o software EES® (Engineering Equation Solver), desenvolvido
por Klein e Alvarado (1995), que permite a determinação de propriedades termodinâmicas, como
entalpia e entropia, de maneira simples e eficiente, sem haver a necessidade de recorrer a tabelas
termodinâmicas4.
DETALHAMENTO DO CASO EM ANÁLISE
O estudo de caso refere-se a uma usina sucroalcooleira localizada no interior do Paraná. A empresa
trabalha com duas caldeiras de 21 kgf, e somente com turbinas de contrapressão. É possível
observar que todos os acionamentos (moendas, exaustores, ventiladores e bombas) não são
eletrificados.
A Tabela 1 apresenta dados da safra 2012/2013.
Tabela 1. Dados de moagem, consumo e produção de bagaço da safra 2012/2013.
Parâmetros
Valores
Unidades
Cana moída total
1.970.165
t
Período de safra
282
Dias
Dias efetivos de safra
231
Dias
Moagem diária
8.520
t/dia
Moagem horária
355
t/h
Fluxo de bagaço na caldeira 1
34,6
t/h
Fluxo de bagaço na caldeira 2
37,3
t/h
Fluxo de bagaço nas
71,9
t/h
caldeiras
Fluxo de bagaço total
92,45
t/h
produzido
Bagaço total residual da safra
133.944
t
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Resultados Termodinâmicos
A Tabela 2 refere-se à descrição da potência gerada por cada equipamento, baseado no princípio da
Primeira Lei da Termodinâmica a soma equivale à 10.529,7
.
Tabela 2. Potência Gerada.
Parâmetros Turbinas
Picador Cop 8
Desfibrador
e Ternos da Moenda
e
Ternos da Moenda
Potência (
1.350
1.350
1.110
1.110
Parâmetros Turbinas
Turbo Spray
Exaustor 01
Exaustor 02
Turbo Bomba Água
Cald.
Potência (
676
161
184
326,7
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e Ternos da Moenda
Turbogerador DME-450
1.110
2.952
Turbo Bomba Dest.
200
Resultados Termoeconômicos
A partir da análise termoeconomica é possível variar o custo de aquisição do bagaço e então
determinar qual será o custo de geração de eletricidade e o custo de vapor destinado ao processo.
A Figura 2 mostra o custo de eletricidade produzida em função do custo do bagaço.
Figura 2. Custo médio de eletricidade em função do custo de bagaço.
Neste trabalho, toma-se como referência o valor de R$15/t que é o preço médio adotado para a
venda de bagaço entre as usinas em época de safra. Observa-se que o custo de eletricidade gerada é
de R$ 86,18/MWh, utilizando a referência adotada para o preço do bagaço de R$15/t.
A Figura 3 representa o custo de vapor de processo em função do custo do bagaço.
Figura 3. Custo do vapor do processo em função do custo de bagaço.
Observa-se neste caso que o custo de vapor de processo é de R$ 20,91/t.
CONCLUSÕES
A Primeira Lei da termodinâmica foi útil para calcularmos a potência gerada por cada equipamento
e nos levou a conclusão que eles estão trabalhando em sua máxima capacidade segundo o manual
do fabricante de cada equipamento.
25 e 26 de setembro de 2014
A Segunda Lei da termodinâmica nos deu ressalvo de calcular o custo de geração de eletricidade e
de vapor de processo citados abaixo.
Considerando o valor de R$15/t, observa-se a partir da análise termoeconômica o baixo custo de
geração de eletricidade R$ 86,18/MWh, devido à elevada quantidade de bagaço excedente, outro
ponto importante a constatar é também o custo de geração de vapor para o processo, este valor é
considerado bom, estando bem abaixo de outras usinas do setor.
AGRADECIMENTOS
Agradecimento à Capes, à UEM, ao Mestrado em Bioenergia pela realização e à usina de Açúcar Santa
Terezinha por disponibilizar dados necessários para este trabalho.
REFERÊNCIAS
1BAER,
W. A Economia brasileira. 2. ed. São Paulo: Nobel, 2003. 509 p.
J. L; LOZANO, M. A; VALERO, A. On-line monitoring of power-plant performance sing exergetic cost. Applied thermal
engineering. v. 16, n. 12, p. 933-948, 1996.
3BORGNAKKE, C.; WYLEN, G. J. V.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinâmica. 7. ed. Edgard Blucher, 2009.
4KLEIN, S. A.; ALVARADO, F.L. EES – Engineering Equation Solver, F-Chart Software, Middleton, WI, 1995.
5KOTAS, T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. Editôra Butterworths, London, 198
5, 296p.
6REZAC, P.; METGHALCHI, H. A Brief Note on the Historical Evolution and Present State of Exergy Analysis. International Journal
Exergy, vol. 1, no. 1, pp. 426 – 437. 2004.
7ROJAS, S. I. P. Análise exergética, termoeconômica e ambiental de um sistema de geração de energia. estudo de caso: Usina
Termelétrica Ute – Rio Madeira. 2007. 195 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Mecânicas) – UNB – Universidade de Brasília,
Brasília. 2007.
8SHIRMER, F. Comparação de Indicadores de Eficiência Energética e Exergética em Duas Indústrias do Setor Sucroalcooleiro. 2006.
81f. Dissertação (Mestrado) – UNIOESTE – Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel, 2006.
9SZARGUT, J.; MORRIS, D.R.; STEWARD, F.R. Exergy analysis of thermal, chemical, and metallurgical processes. New York:
Hemisphere Publishing Co, 1988. 332p.
10TORRES, E. A., Análise exergética. UFBA - Universidade Federal da Bahia. Escola Politécnica, DEQ – LEN, 2001. 31 p. Relatório
Técnico.
2BARTOLOMÉ,
25 e 26 de setembro de 2014
Figura 1. Detalhamento planta atual.