Cogeração de energia na cadeia do carvão vegetal · Célula combustível Motores ... cluster...

Cogeração de energia na cadeia do

carvão vegetal

Dr. Electo Eduardo Silva Lora

Eng. Mateus Henrique Rocha

Fórum Nacional sobre Carvão Vegetal

Belo Horizonte, 21 de outubro de 2008.

Microturbinas a gás

Célula combustível

Motores

Stirling a biomassa

Gaseificação de biomassa

Núcleo de Excelência em Geração

Termelétrica e Distribuída

NEST

ATIVIDADES

DE PESQUISA

Cogeração

LIVROS PUBLICADOS

EM 2009

O NEST na internet

www.nest.unifei.edu.br

1) Oferta/Demanda/Preço da energia no Brasil

2) Fundamentos da cogeração

3) Possibilidades de cogeração em outros setores da economia

4) Cogeração de energia na cadeia de produção do carvão

vegetal

5) Alternativas de cogeração na cadeia de produção do carvão

vegetal e custos associados

6) Conclusões/recomendações

Estrutura da apresentação

1.1 Relação de oferta e demanda de eletricidade no Brasil

Fonte: BEN (2007)

1.2 Participação da indústria de lenha e carvão vegetal na

oferta de energia (1970 – 2005).

Fonte: BEN (2007)

1.3 Preço médio da eletricidade industrial (1991 – 2006)

Fonte: BEN (2007)

2.1 Fundamentos da cogeração

• A cogeração é definida como a produção seqüencial de energia elétrica ou

mecânica e de energia térmica útil em processos industriais, a partir de uma

mesma fonte de energia primária.

• A cogeração não é uma tecnologia nova e tem sido utilizada há anos em

muitas unidades industriais como um meio econômico de satisfazer, parcial ou

totalmente, as suas necessidades térmicas e elétricas.

• Historicamente no Brasil um dos grandes financiadores dos

empreendimentos de cogeração é o BNDES.

1) Econômicos:

• Reduz os riscos associados a incrementos nos preços da eletricidade

para as indústrias que utilizam esta tecnologia.

• Diminui os custos associados à compra de energia primária no sistema.

• Permite a venda de excedentes elétricos ao sistema elétrico.

2) Operacionais:

• Incrementa a eficiência na conversão e utilização de energia primária nos

processos de geração térmica e elétrica.

• Melhora a qualidade da eletricidade mediante sistemas de controle que

garantem a tensão e freqüência requerida pelo sistema.

• Melhora a confiabilidade no fornecimento energético.

3) Ambientais:

• Diminui o impacto ambiental associado à utilização de combustíveis

fósseis.

• Redução das emissões específicas de poluentes (kg/kWh).

• Diminui a quantidade de resíduos gerados no processo.

2.2 Vantagens da cogeração

2.3 Tecnologias de cogeração

O NOSSO CASO!

FORNO DE CARVÃO GRUPO GERADOR

2.4 Alternativas para a demanda de eletricidade e calor

Fonte: CONAE (2007)

3.1 Cogeração em outros setores da indústria

3.2 Cogeração no setor sucroalcooleiro

34-36 %

100 %

64-66 %

4.1 Recuperação de energia na cadeia de produção

do carvão vegetal

• A conversão do total de gases e líquidos emitidos pela

indústria de produção de carvão vegetal no Brasil, cerca

de 10 milhões de toneladas de carvão por ano, com

apenas 10% de eficiência de conversão em eletricidade,

representaria uma potência instalada de 1 GW.

• Uma UPC de 12.000 toneladas de carvão por ano

poderia ter uma potência instalada de quase 7 MW.

4.2 Potencial de geração de eletricidade

4.3 Experiências em andamento para recuperação de energia

Incinerador de gases da Plantar

Termobalança e

incinerador de

fumaça na V&M

florestal.

Incinerador de gases da Acesita

Energética/ArcelorMittar.

4.4 Incineradores de fumaça

Fonte: ArcelorMittal

Necessidade de integração de processos!

4.5 Geração da energia através da fumaça

• Necessidade de se operar com vários fornos simultaneamente

(clusters) a fim de homogeneizar a vazão e composição dos

gases.

• Considera-se que 8 fornos seriam suficiente para formar um

cluster deste tipo, 4 estariam gerando gás para o sistema de

geração, 2 estariam na etapa de secagem da madeira e 2

estariam na etapa de resfriamento antes da descarga do forno.

• A fumaça pode ser definida como um gás pobre com um poder

calorífico médio de 6 MJ/kg (4,5 MJ/Nm3).

PARTICULARIDADES E PROBLEMAS

4.6 Fase potencial de geração de energia

Fonte: ArcelorMittal; Delta

4.7 Requerimentos para implantação do sistema

1) Necessidade de instalações “itinerantes” que possam ser

deslocadas para as vizinhanças dos fornos em operação.

2) Indisponibilidade de tecnologias comerciais para a geração de

eletricidade em pequena capacidade.

3) Necessidade do estudo da interação forno/combustor, do ponto

de vista da alteração da vazão de ar admitida ao forno e

conseqüentemente relação com os processos de

carvoejamento e da qualidade do carvão.

4) Aplicação válida apenas para fornos de grande capacidade ou

fornos contínuos.

5) Dificuldades com a condensação do alcatrão contido no gás.

6) Necessidade de estabelecimento de uma logística de operação

diferente, visando a equalização da vazão e composição do

gás utilizado no sistema de cogeração.

A combinação de uma caldeira de baixa eficiência, de uma

turbina de um estágio e de um condensador a ar deve levar a

eficiências de 3-5%.

5.1 Ciclo a vapor

(PROPOSTA CENTRALIZADA E DISTRIBUÍDA)

Fonte: Efficientia Fonte: Promaut

TECNOLOGIAS CONVENCIONAIS

DILEMA: Transporte de gases e ALCATRÃO ou transporte de vapor

5.2 Motores a gás

Queda de rendimento por

compressão do gás

combustível a alta

temperatura, com isso

perde-se potência e

eficiência na geração.

TECNOLOGIAS CONVENCIONAIS

5.3 Sistemas ORC

CICLO RANKINE

ORGÂNICO

TECNOLOGIAS AVANÇADAS

5.4 Motores a vapor

O RETORNO!!!

TECNOLOGIAS AVANÇADAS

5.5 Turbinas a gás de queima externa (EFGT)

TECNOLOGIAS AVANÇADAS

E AS CÉLULAS À COMBUSTÍVEL

NOS ESPERAM NO FUTURO!!!!

5.7 Características e custos dos sistemas

• Necessidade de aprimoramento dos balanços de massa e

energia em fornos.

• Aprimoramento do controle de processos em fornos.

• Definição da tecnologia mais apropriada para diferentes

abordagens do problema da cogeração.

• Integração dos processos de secagem, carvoejamento,

resfriamento e cogeração em clusters de fornos de batelada.

• Desenvolvimento de fornos contínuos.

5.8 Necessidades de pesquisa e desenvolvimento

• O problema do aproveitamento da fumaça dos fornos de

produção de carvão é extremamente complicado devido a fatores

operacionais e a faixa de capacidades.

• Proposta de linhas de financiamento para o setor de carvão

vegetal que incluam a problemática do acréscimo de eficiência

energética.

• Interesse crescente das maiores empresas produtoras de

carvão vegetal na recuperação de energia dos gases e do

alcatrão.

• A Plantar e a ArcelorMittar são as empresas mais avançadas

neste sentido, porém os protótipos existentes limitam-se a

incineradores de fumaça, que embora resolvam o problema da

poluição, não aproveitam o potencial energético do gases.

6. Conclusões/recomendações

• Dentre as tecnologias comerciais o ciclo a vapor descentralizado

e os motores a gás constituem opções interessantes, todavia

ambos os sistemas possuem eficiências muito baixas e o ciclo a

vapor possui custos muito elevados.

• Dentre as tecnologias avançadas o sistema EFGT possui

grandes perspectivas, pois resolve o problema do alcatrão, tem

uma faixa de potência de operação compatível com os

requerimentos dos clusters de fornos e pode fornecer gases

quentes para a secagem da madeira.

• O sistema EFGT poderia alcançar eficiências de 18 a 20% , que

é um valor muito atrativo para sistemas de pequena capacidade,

porém trata-se de uma tecnologia ainda em desenvolvimento.

6. Conclusões/recomendações

CONTATOS:

Dr. Electo Eduardo Silva Lora

electo@unifei.edu.br

Eng. Mateus Henrique Rocha

mateus.rocha@unifei,edu.br

(35) 3629-1355