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ETEC JACINTO FERREIRA DE SÁ OURINHOS
CURSO TÉCNICO EM AÇUCAR E ÁLCOOL
THIAGO FELIPE DA SILVA
COGERAÇÃO DE ENERGIA:COGERAÇÃO DE ENERGIA:
ESTUDO DE CASO NO BRASILESTUDO DE CASO NO BRASIL
Ourinhos - SP
2
Dezembro de 2012
ETEC JACINTO FERREIRA DE SÁ OURINHOS
CURSO TÉCNICO EM AÇUCAR E ÁLCOOL
THIAGO FELIPE DA SILVA
COGERAÇÃO DE ENERGIA:COGERAÇÃO DE ENERGIA:
ESTUDO DE CASO NO BRASILESTUDO DE CASO NO BRASIL
Trabalho de Conclusão de Curso entregue junto ao Curso
de Técnico em Açúcar e Álcool da Etec Jacinto Ferreira
de Sá, Ourinhos, como pré-requisito para obtenção do
Título de Técnico em Açúcar e Álcool.
Orientador: Prof. Fransber Santade
Ourinhos - SP
3
Dezembro de 2012
THIAGO FELIPE DA SILVA
COGERAÇÃO DE ENERGIA:COGERAÇÃO DE ENERGIA:
ESTUDO DE CASO NO BRASILESTUDO DE CASO NO BRASIL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado aos vinte e quatro (24) dias
de dezembro (12) de dois mil e doze (2012) e APROVADA para obtenção do Título
de TECNICO EM AÇUCAR E ÁLCOOL da Etec Jacinto Ferreira de Sá - Ourinhos.
BANCA EXAMINADORABANCA EXAMINADORA
_________________________________________________
Prof. Fransber Santade
Etec Jacinto Ferreira de Sá, Ourinhos
Orientador
_________________________________________________
Profa. Adelaide
Etec Jacinto Ferreira de Sá, Ourinhos
Professora TCC
_______________________________________________
Profa. Adriana Vicioli
Etec Jacinto Ferreira de Sá, Ourinhos
4
Professor Convidado
Dedico este trabalho à minha família e a todos aqueles que contribuíram para
a realização deste como também a aqueles que influenciaram de forma positiva,
5
mesmo que não diretamente, à conclusão deste curso bem como depositaram
confiança em mim.
Ao professor orientador, Engenheiro Fransber Santade, que com dedicação,
fez com que aprimorássemos e desenvolvêssemos nossos conhecimentos. À
professora, Andréia Archangelo, que conduziu positivamente a realização deste
6
curso. À professora Adelaide pelo apoio e compreensão. E aos meus amigos, pelo
companheirismo e os muitos momentos de alegria compartilhados.
7
“O lucro do nosso estudo é tornarmo-nos melhores e mais sábios."
(Michel de Montaigne)
RESUMO
Este trabalho demonstra o processo de cogeração de energia elétrica usando
como insumo a biomassa da cana-de-açúcar – o bagaço – a chamada
bioeletricidade. Tal processo ocorre com a queima do bagaço em máquinas
geradoras de vapor, as caldeiras. O vapor gerado pode ser usado como energia
mecânica (acionamento de máquinas), energia térmica (usada no processo de
evaporação do caldo, por exemplo) e para a geração de energia. Esta última ocorre
através de um eficiente processo de cogeração onde o vapor é usado para acionar
turbinas a vapor que alimentam geradores elétricos (ou turbogeradores) para que
assim, este gere a energia elétrica que é enviada à subestação de energia onde é
distribuída para os diversos setores da usina que dela dependem bem como pode
ser destinada à comercialização. A bioeletricidade sucroenergética tem ganhado
grande destaque na matriz energética brasileira, que a soma de todas as formas de
energia usadas no país e sua representatividade. Posto isso, a bioeletricidade
mostra-se uma fonte de energia renovável, limpa e que promove a diversificação da
matriz energética, sendo complementar à hidroeletricidade que é a fonte mais
significativa de energia da matriz. Entretanto, apesar destes e outros benefícios da
bioeletricidade, ela recentemente tem mostrado um considerável declínio em relação
aos anos anteriores, o que podemos atribuir à falta de incentivo governamental e a
falta de organização e atenção à esta forma de energia nos chamados leilões de
energia onde diferentes formas de energia são vendidas para diversos setores da
sociedade. Considera-se que a transformação na matriz energética brasileira
proveniente da cogeração de energia tenha um potencial muito elevado no que se
trata ao abastecimento de energia no Brasil, superando até mesmo o potencial de
muitas usinas hidroelétricas, podendo se tornar a energia verde do Brasil, sendo que
comparada até mesmo à energia hidroelétrica, considerada limpa, mostra-se menos
prejudicial ao meio ambiente.
8
Palavras chave: Matriz energética, bioeletricidade, cogeração, energia limpa,
biomassa da cana-de-açúcar.
ABSTRACT
This work demonstrates the process of cogeneration of electricity using
biomass as a feedstock of cane sugar - bagasse - the call bioelectricity. This process
occurs by burning bagasse in generating machines steam boilers. The steam
generated can be used as mechanical energy (driving machines), heat (evaporation
process used in the broth, for example) and for the generation of energy. The latter
occurs through an efficient cogeneration process where steam is used to drive steam
turbines that feed electricity generators (or turbo) so that, it generates electricity that
is sent to the substation where power is distributed to the various sectors that depend
on the plant and can be allocated to marketing. Bioelectricity sugarcane has gained
great prominence in the Brazilian energy matrix, the sum of all forms of energy used
in the country and its representativeness. That said, bioelectricity proves a source of
renewable energy, clean and promotes the diversification of the energy matrix, being
complementary to hydropower which is the most significant source of energy matrix.
However, despite these and other benefits of bioelectricity, she recently has shown a
significant decline compared to previous years, which can be attributed to the lack of
government incentives and a lack of organization and attention to this form of energy
called the energy auctions where different forms of energy are sold to various sectors
of society. It is considered that the transformation in the Brazilian energy from
cogeneration energy has a huge potential when it comes to energy supply in Brazil,
surpassing even the potential of many hydroelectric plants, can become green
energy in Brazil that even being compared to hydropower, considered clean, has a
less harmful to the environment..
Keywords: Matrix energy, bioelectricity, cogeneration, clean energy, biomass from
sugar cane.
9
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO................................................................................10
1.1 OBJETIVOS.....................................................................................................11
2. VAPOR E ENERGIA ELÉTRICA..........................................................12
2.1 REVISÃO HISTÓRICA........................................................................................12
2.2 VAPOR E SUAS PROPRIEDADES..........................................................................12
2.3 PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DO VAPOR..........................................13
3. CALDEIRAS....................................................................................14
3.1 TIPOS DE CALDEIRAS.......................................................................................14
3.1.2 Caldeiras Flamotubulares.................................................................................14
3.1.3 Caldeiras Aquatubulares..................................................................................15
4. TURBINAS À VAPOR E GERADORES ELÉTRICOS................................18
4.1 TURBINAS À VAPOR.........................................................................................18
4.2 GERADORES ELÉTRICOS...................................................................................21
4.2.1 Principio de Funcionamento.............................................................................22
5. CASA DE FORÇA E SUBSTAÇÃO ELÉTRICA........................................24
5.1 CASA DE FORÇA.............................................................................................24
5.2 SUBSTAÇÃO ELÉTRICA.....................................................................................25
6. COGERAÇÃO NO BRASIL.................................................................27
6.1 DEFINIÇÃO DE COGERAÇÃO..............................................................................27
6.2 VIABILIZAÇÃO DA COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA.......................................................27
6.3 PRINCIPAIS ATRATIVOS DA COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA...........................................27
6.4 POTENCIAL DE COGERAÇÃO: IMPLANTAÇÃO DE PROJETOS.......................................28
6.5 MATRIZ DE COGERAÇÃO NO BRASIL...................................................................29
6.5.1 A Transformação da Matriz Energética Brasileira.............................................30
6.5.2 O Potencial de Aproveitamento da Bioeletricidade..........................................36
7. CONCLUSÃO..................................................................................38
8. BIBLIOGRAFIA...............................................................................40
SANTOS, F. A. . COGERAÇÃO E COMERCIALIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
NAS USINAS DE AÇÚCAR E ETANOL, DISPONÍVEL EM:
<HTTP://WWW.IEE.USP.BR/EVENTOS/COGERACAO_.....................................40
EM_USINAS.PDF> ACESSO EM 28 ABRIL 2012......................................40
10
ANEXO A – FOTOS DIVERSAS..............................................................40
1. INTRODUÇÃO
A produção de energia elétrica é uma atividade de grande importância no
planejamento do crescimento de qualquer economia no mundo. Novas alternativas
de geração de energia se tornaram primordiais tanto para as principais potências
mundiais quanto para os países emergentes. Assim, o desenvolvimento econômico
mundial, a modernização do ocidente e o aumento dos padrões de vida de uma
sociedade cada vez mais capitalista e globalizada impulsionam a busca por fontes
de energia renováveis, sustentáveis e pelo interesse pela autossuficiência
energética.
O Brasil possui, em relação a outras nações, a vantagem de poder planejar
sua matriz energética utilizando grandes quantidades de fontes primárias
renováveis.
Uma delas é a biomassa gerada pelo setor sucroalcooleiro, a qual, através da
cogeração, pode contribuir significativamente para o fortalecimento da matriz
brasileira. A cogeração de energia mostra-se um eficiente método, não só para este
fim, bem como para o aproveitamento dos resíduos da própria matéria prima, posto
que desempenha tal processo usando o bagaço da cana-de-açúcar como biomassa.
A produção de energia elétrica a partir da biomassa da cana-de-açúcar é
tema há muito presente nos estudos sobre energia no Brasil. Apesar disso, ela é
utilizada numa parcela pequena da energia comercialmente produzida no país.
Contudo, observa-se que o setor sucroalcooleiro brasileiro vem ganhando espaço no
mercado nacional e internacional por conta da diversificação e melhoria da sua
produtividade.
Apesar desta elevada produção de biomassa e de seu imenso potencial
energético, a maioria das usinas e destilarias produz energia elétrica apenas para
consumo próprio, ou seja, todos os acionamentos elétricos e mecânicos dos
equipamentos, iluminação e bombeamentos nos processos de produção são
supridos pelas turbinas da própria usina. Entretanto, a parte comercializada com as
distribuidoras ainda é muito pequena.
11
Perde-se dessa forma a maior parte do potencial energético da biomassa. A
palha da cana-de-açúcar não podendo ser mais queimada na própria lavoura
(segundo o Acordo Agroambiental que deve entrar em vigor em 2014) e o bagaço
produzido nas usinas são desperdiçados em caldeiras de baixo rendimento.
Países como o Brasil, com imensas áreas agriculturáveis e um clima
favorável, não podem “abrir mão” da energia da biomassa como parte integrante de
suas matrizes energéticas.
São várias as barreiras que o país precisa vencer para tornar aproveitável
todo o potencial da biomassa de cana-de-açúcar disponível, convertendo-a em
energia elétrica.
1.1 Objetivos
O presente trabalho tem por objetivos demonstrar a importância e a eficiência
no processo de cogeração, utilizando como insumo energético os resíduos de
biomassa originados na produção de etanol e de açúcar, enfatizar que a cogeração
de energia contribui com a eficiência econômica e elétrica ao reduzir os custos e as
perdas com a transmissão da mesma, considerando-se a cogeração no setor
sucroalcooleiro para a autoprodução e para a produção independente de energia
elétrica, o trabalho se propõe traçar um panorama histórico da situação energética
brasileira, abordando a importância da cogeração de Energia no Balanço Energético
Nacional e, consequentemente, na composição da Matriz Energética.
Outro objetivo igualmente importante é a elaboração da relação entre o
avanço e demanda dos demais produtos com a Cogeração de energia e a
comercialização da mesma (tonelada de cana processada/quantidade de bagaço
gerado/MW de energia), abordando a cogeração de energia no Brasil conforme suas
expectativas e parâmetros.
Para tanto, serão explicitados o processo da cogeração em si como também
dos equipamentos que compõem tal processo.
12
2. VAPOR E ENERGIA ELÉTRICA
A eletricidade por si mesma não é uma fonte de energia. As centrais
termelétricas queimam carvão ou outro combustível para produzir vapor. O vapor
fornece a energia para acionar os geradores que produzem eletricidade.
A geração de energia elétrica segue as variações da demanda de vapor de
processo determinada pelo ritmo de operação das usinas e destilarias, o que pode
ser considerada uma barreira importante à comercialização de eventuais excedentes
de eletricidade pelo setor.
Para que se tenha uma ideia da importância do vapor, é necessário que seja
feita uma revisão histórica.
2.1 Revisão Histórica
A necessidade de se gerar o vapor veio da Revolução Industrial e os meios
da época que se tinham eram de pouca utilização, mas o vapor no inicio serviu para
a finalidade de mover máquinas e turbinas, para geração de energia e uso em
locomotivas. Com o advento da indústria se fez necessário se fez necessária a
evolução das caldeiras.
As Usinas de açúcar e álcool utilizam o próprio bagaço da cana para gerar
vapor e, este, gerar energia elétrica, sendo atualmente, um dos produtos
comercializados pelas mesmas.
2.2 Vapor e suas Propriedades
A água, quando elevada à altas temperaturas e, considerando-se
determinada pressão, atinge seu ponto de ebulição tornando-se assim o vapor.
Considerando-se um sistema eficiente de moagem e geração de vapor, uma
tonelada de cana-de-açúcar resulta em cerca de 290 kg de bagaço (50% de
umidade e no máximo 30% usando-se um difusor de qualidade), cuja queima produz
em média 460 kg a 520 kg de vapor (temperatura média de 300 °C e pressão de 21
bar).
13
É usada também para a queima e produção de vapor, a palha da cana de
açúcar que mostrou ter um potencial energético superior ao do bagaço.
As propriedades do vapor estão diretamente relacionadas à capacidade de
geração das usinas de tal modo que aumentar os níveis de pressão e a temperatura
de operação do ciclo a vapor possibilita a melhora de sua eficiência e o aumento de
sua capacidade de geração, com o uso de turbinas mais potentes;
Os equipamentos que compõem as etapas de preparo e moagem são
normalmente acionados por turbinas a vapor, que convertem a energia térmica
contida no fluxo de vapor em energia mecânica disponível no eixo das turbinas.
2.3 Produção de Energia Elétrica através do Vapor
No processo de cogeração de energia em usinas, o vapor gerado nas
caldeiras, é alimentado nas turbinas de acionamento mecânico do processo e nas
turbinas que acionam geradores para produção de energia elétrica.
Ao sair das turbinas, após a realização do trabalho, o vapor é encaminhado
para atender às necessidades térmicas do processo produtivo. O vapor que “sobra”
é condensado e volta ao ciclo.
É importante ressaltar que todo o processo de cogeração depende
completamente da eficiência na produção de vapor, ou seja, no setor de caldeiras.
14
3. CALDEIRAS
Caldeira é um recipiente metálico cuja função é, entre muitas, a produção de
vapor através do aquecimento da água. As caldeiras em geral são empregadas para
alimentar máquinas térmicas, autoclaves para esterilização de materiais diversos,
cozimento de alimentos através do vapor.
Nas indústrias do início do século XVIII muitos eram os inconvenientes
gerados pela combustão local de carvão para geração de calor. As primeiras
máquinas destinadas à geração de vapor surgiram para sanar este problema, uma
vez que a energia era captada em uma unidade central e distribuída para os
diversos setores da empresa, através do vapor.
São usadas atualmente, para a geração de vapor em Usinas de Açúcar e
Álcool, uma vez que esta precisa do vapor para os seus processos de fabricação de
seus produtos, assim como para a geração de energia elétrica.
Há diversos tipos de caldeiras, mas comumente e na maioria dos casos, os
principais tipos são aquatubulares e flamotubulares.
3.1 Tipos de Caldeiras
As caldeiras industriais podem ser classificadas por vários critérios. Um deles
muito utilizados nas industriais é a classificação por critério de combustão. De
acordo com este pode-se classificar as caldeiras em:
• caldeiras flamotubulares (ou fogotubulares) e
• caldeiras aquatubulares.
3.1.2 Caldeiras Flamotubulares
As caldeiras flamotubulares são aquelas cuja troca térmica se da com gases
quentes passando por dentro dos tubos e água por fora dos tubos.
As aplicações de caldeiras flamotubulares com vazões da ordem 300 a
20.000 kg/h e pressões de 8,0 kg/cm2 a 15 kg/cm2, em indústrias de alimentos,
15
frigoríficos, bebidas, lacticínios, indústrias testeis, e fábricas de óleos que usam
caldeiras da ordem de 15000 kg/h.
Figura 01- Caldeira Flamotubular.
3.1.3 Caldeiras Aquatubulares
As caldeiras aquatubulares são caldeiras que os gases quentes estão por fora
dos tubos e água por dentro dos tubos, basicamente.
Figura 02- Esquema de uma Caldeira Aquatubular.
16
As caldeiras aquatubulares são caldeiras usadas em usinas de açúcar,
fábricas de papel e celulose e em geração de energia, com pressões de 120 kg/cm2
e vazões da ordem 150.000 kg/h. ou mais.
Estas utilizam bagaço e a palha da cana como combustível. Para tais
equipamentos há basicamente três modelos: caldeiras com fornalha do tipo
ferradura, caldeiras com grelha plana ou inclinada, e caldeiras que realizam queima
em suspensão. Os dois primeiros modelos realizam queima em leito fixo (em pilhas),
já o terceiro, realiza queima em suspensão. O tipo de queima influencia a caldeira.
Aquelas com queima em leito fixo são mais antigas e ineficientes, e bastante
comuns no setor por terem sido empregadas nas primeiras unidades produtivas. Já
aquelas com queima em suspensão são mais modernas, apresentam maior
eficiência e possibilitam maiores capacidades de operação. Estas últimas têm sido a
opção quando da substituição de equipamentos antigos e instalação de novas
unidades.
No inicio, as usinas de álcool quando a finalidade era só a fabricação de
álcool, se faziam caldeiras com grande quantidade de refratários e fornalhas tipo
ferradura para ter um baixo rendimento 60% para consumir todo bagaço da cana
que se tornava um problema a sobra do mesmo, logo em seguida, foi se achando
alternativas para o bagaço e com isto foi se melhorando a eficiência das caldeiras, e
hoje a grande alternativa é cogeração de energia elétrica para as cidades,
melhorando a eficiência das caldeiras trabalhando com rendimentos de 90%.
A vantagem da cogeração é o uso mais eficiente do conteúdo de energia da
fonte primária, por meio do aproveitamento de parte da energia térmica que
antigamente seria rejeitada para a atmosfera. Vale ressaltar que o conceito de
cogeração vai além do simples aproveitamento de uma corrente com conteúdo
térmico útil. O que se busca é a melhor utilização da energia primária, desde a fase
de projeto de uma instalação, exigindo-se que o projetista leve em consideração
tanto a demanda térmica quanto a potência mecânica ao projetar o sistema de
suprimento.
Com relação à eficiência das caldeiras, um ponto importante a destacar é o
aproveitamento da energia contida no fluxo de gases de exaustão. Isso pode ser
feito através de superaquecedores de vapor, que aumentam a temperatura do vapor
gerado; através de economizadores que, ao aquecer a água de alimentação da
caldeira, reduzem o consumo de bagaço; e com pré-aquecimento do ar de
17
combustão, que tem o mesmo efeito. O vapor gerado atende a duas demandas de
energia: eletromecânica e térmica. O atendimento da demanda eletromecânica é
feito pelo acionamento de turbinas a vapor acopladas a geradores de eletricidade,
moendas, bombas e ventiladores. A demanda térmica do processo é atendida pelo
vapor de escape das turbinas, o que caracteriza a cogeração de energia.
Quanto à geração eletromecânica, o atendimento das demandas de potência
elétrica e mecânica é feito por um conjunto de turbinas a vapor, acionadas pelo
vapor produzido a partir da queima do bagaço em caldeiras.
Figura 03 - Diagrama esquemático de uma Caldeira Aquatubular típica.
18
4. TURBINAS À VAPOR E GERADORES ELÉTRICOS
A turbina é uma máquina rotativa que converte em energia mecânica a
energia térmica do vapor d'água ou de um gás. Do ponto de vista termodinâmico a
turbina a vapor ocupa umas posições favoráveis, transformando em energia
mecânica relativamente grande parte da energia térmica que consome. Sua
eficiência pode ser considerada boa, especialmente nas turbinas de grandes
capacidades acionadas por vapor de alta pressão.
Essa energia mecânica é transferida através de um eixo para movimentar
uma máquina, um compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se
classificam como hidráulicas ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a
maior parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de geradores
movidos por turbinas.
4.1 Turbinas à Vapor
O trabalho mecânico realizado pela máquina pode ser o acionamento de um
equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico, um compressor,
uma bomba. A energia, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, em
muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador.
Operadas com vapor de alta pressão na condição superaquecida, as turbinas
a vapor são turbo-máquinas. Podem ser classificadas, dependendo do seu uso, em:
• turbinas de contrapressão pura: fornecem integralmente a mesma vazão
de vapor recebida para os trocadores de calor situados a jusante da
turbina, submetendo-o a uma expansão desde a condição inicial (de alta
pressão) até níveis de pressão da ordem de 2 a 10kgf/cm².
• turbinas de condensação e extração: recebem o vapor de alta pressão e
de um ou mais pontos extrai-se vapor de processo com pressão pré-
fixada conforme necessidade da unidade.
19
Figura 04 – Exemplo de Turbina à Vapor.
Fonte: IEE – Instituto de Eletrotécnica e Energia
As turbinas de contrapressão são recomendadas nos processos industriais
nos quais a demanda por calor de processo é igual à demanda por energia
eletromecânica. As turbinas de condensação e extração são aplicadas nos
processos em que a produção de energia elétrica/ mecânica é prioritária.
Figura 05 – Tipos de turbinas à vapor.
Os principais componentes de uma turbina a vapor são carcaça, eixo,
mancais, rotor, vedação, bocais, palhetas móveis e diafragma.
20
• Carcaça: É a parte fixa que envolve o equipamento, possuindo as
conexões de entrada e saída para o vapor. Geralmente é envolvida por
isolamento térmico para evitar perdas de calor e possíveis aquecimentos
diferenciais.
• Eixo: É a parte na qual é fixado o rotor. Apoia-se nos mancais e transmite
o movimento de rotação ao equipamento acionado.
• Mancais: São os apoios posicionadores e rotativos do eixo. Nas turbinas
são normalmente lubrificados a óleo.
• Rotor (ou disco): É uma peça em forma de disco fixa ao eixo em cuja
periferia são fixadas as palhetas móveis.
• Vedação: É a parte da turbina que impede o vapor de sair da carcaça pela
folga existente entre o eixo e a carcaça. Existem dois sistemas principais
de vedação: por anéis de labirinto e por anéis de carvão.
• Bocais: São as partes fixas das turbinas e responsáveis pela
transformação da energia de pressão do vapor em energia mecânica de
velocidade. Podem ser do tipo convergente ou convergente-divergente.
São instalados na entrada da turbina e entre as carreiras de palhetas
móveis.
• Palhetas móveis: São as peças fixas à periferia do rotor e responsáveis
pela mudança de direção, ou de direção e intensidade da velocidade do
vapor. São as peças da turbina que recebem o impulso motor.
• Diafragma: É um disco fixo à carcaça onde são montada as palhetas
fixas. Tem um furo central por onde passa o eixo, sendo provido de
vedação para impedir o vazamento de vapor de um estágio para o
segundo através da folga entre o referido furo e o eixo.
21
Figura 06 – Turbina à vapor: foto do rotor interno.
4.2 Geradores Elétricos
Geradores são maquinas destinadas a transformar energia mecânica em
energia elétrica. Toda a energia consumida é proveniente destes geradores.
O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL
FARADAY. Este gerador consistia basicamente de um ima que se movimentava
dentro de uma espiral, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma f.e.m.
(propriedade de que dispõe um dispositivo qualquer a qual tende a ocasionar
produção de corrente elétrica num circuito) registrado num galvanômetro
(instrumento que pode medir correntes elétricas).
22
Figura 07 – O galvanômetro "G" indica a passagem de uma corrente quando o
ímã se move em relação a bobina.
4.2.1 Principio de Funcionamento
A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia
mecânica em elétrica. Para facilitar o estudo do princípio de funcionamento,
considera-se inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por
um ímã permanente (Fig. 08). O princípio básico de funcionamento está baseado no
movimento relativo entre uma espira e um campo magnético. Os terminais da espira
são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito externo através de
escovas. Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória.
Figura 08 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura girante)
23
Figura 09 – Gerador elétrico síncrono WEG.
Figura 10 – Gerador elétrico WEG.
24
5. CASA DE FORÇA E SUBSTAÇÃO ELÉTRICA
A casa de força é o local onde são instalados os equipamentos para produção
de energia. Enquanto uma subestação é uma instalação elétrica de alta potência,
contendo equipamentos para transmissão e distribuição de energia elétrica, além de
equipamentos de proteção e controle.
5.1 Casa de Força
As casas de força abrigam equipamentos de alta tensão, tais como os
geradores elétricos e turbinas, e devido a isso devem primeiramente estar sob total
segurança. Para isso devem ser fechadas, sinalizadas, e estar com as revisões e
manutenção em dia.
Outro fator de suma importância para a segurança de uma casa de força é o
seu aterramento. A revisão do aterramento é feita com aparelhos de medição
específicos, e por eletrotécnicos com qualificação para tal. O aterramento é a
garantia de que qualquer vazamento de tensão elétrica será escoado para a terra, e
não colocará em risco vidas humanas.
25
Figura 11 – Casa de força pré-moldada.
Figura 12 – Exemplo de instalação em uma casa de força.
5.2 Substação Elétrica
A chamada subestação elétrica funciona como ponto de controle e
transferência em um sistema de transmissão de energia elétrica, direcionando e
controlando o fluxo energético, transformando os níveis de tensão e funcionando
como pontos de entrega para consumidores industriais.
Durante o percurso entre as usinas e as cidades, a eletricidade passa por
diversas subestações, onde aparelhos chamados transformadores aumentam ou
diminuem a sua tensão. Ao elevar a tensão elétrica no início da transmissão, os
transformadores evitam a perda excessiva de energia ao longo do percurso. Ao
rebaixarem a tensão elétrica perto dos centros urbanos, permitindo uma satisfatória
distribuição.
Depois de a energia ser produzida, ela passa pelas subestações para que
então possa ser distribuída para os setores das usinas e para, em muitos casos de
usinas sucroalcooleiras atualmente, que possa ser comercializada.
26
Figura 13 – Substação elétrica: elementos diversos.
Figura 14 – Substação elétrica: transformadores.
27
6. COGERAÇÃO NO BRASIL
6.1 Definição de Cogeração
A cogeração, definida como o processo de transformação de energia térmica
de um combustível em mais de uma forma de energia útil.
As formas de energia útil mais frequentes são a energia mecânica e a
térmica. A energia mecânica pode ser utilizada diretamente no acionamento de
equipamentos ou para geração de energia elétrica. A energia térmica é utilizada
diretamente no atendimento das necessidades de calor para processos, ou
indiretamente na produção de vapor ou na produção de frio.
6.2 Viabilização da Cogeração na Indústria
Para que seja viável a implantação de cogeração em uma indústria, é
necessário que:
• A indústria seja consumidora das diferentes formas de energia cogerada
(energia mecânica ou elétrica e de calor ou frio);
• O custo da energia cogerada seja inferior à soma dos insumos
energéticos adquiridos (energia elétrica mais combustível);
• Existam garantias de suprimento de combustível;
• Não ocorram restrições ambientais à implantação do empreendimento.
6.3 Principais Atrativos da Cogeração na Indústria
Sendo viável a implantação do empreendimento, a cogeração pode
apresentar vários atrativos.
Para o usuário da cogeração os atrativos principais são:
• Independência total ou parcial do sistema da concessionária de energia
elétrica;
28
• Dependendo do processo de cogeração, pode haver maior flexibilidade na
escolha de insumos (combustíveis) regionais;
• Possibilidade de redução do impacto ambiental, dependendo do
combustível utilizado na cogeração;
• Possibilidade de modular as cargas de acordo com suas necessidades,
sem ter renegociar contratos de energia elétrica;
• Maior independência energética e maior controle e gestão dos custos
totais da energia;
• Maior eficiência energética global.
Para o Meio Ambiente os atrativos principais são:
• Redução da carga térmica rejeitada para o ambiente ao se utilizar de
forma mais eficiente a energia contida no combustível;
• Postergação de ampliação de reservatórios de usinas hidroelétricas, ao
substituir o insumo elétrico do sistema;
• Redução dos poluentes dos efluentes gasosos se o insumo da cogeração
for um combustível mais limpo que o utilizado na produção do calor do
processo.
6.4 Potencial de Cogeração: Implantação de Projetos
A determinação do potencial de cogeração associado a um processo
industrial ou a uma instalação comercial envolve um conjunto de providências, das
quais, as principais são listadas a seguir:
• Análise e balanço de massa e de energia dos requisitos de energia
térmica (nas suas diferentes modalidades), acionamentos, energia
elétrica, nas condições atuais e no horizonte de vida útil do projeto;
• Modelagem técnica das necessidades de energia nas condições atuais e
no horizonte de vida útil do projeto;
• Análise e modelagem econômica das condições de operação atuais e
futuras;
29
• Modelagem de diversas alternativas de cogeração e análise econômica
destas alternativas;
• Modelagem e análise do impacto ambiental provocado pela implantação
deste projeto;
• Assegurar o abastecimento de combustível, suprimento de utilidades
necessárias à operação (por exemplo: água), dar destino aos efluentes,
prover acessos, prever condições de operação e manutenção;
• Se ocorrer excedentes de energia elétrica, assegurar seu mercado e
condições de transporte;
• Se o projeto envolver a produção de energia elétrica, independentemente
de ser autossuficiente ou não haverá necessidade de ser prever “back-up”
de energia elétrica. Para isto deve-se contratar reserva de capacidade
com a concessionária local (ou com o sistema de transmissão). Este
contrato e seus custos são regulados pela ANEEL. A compra da energia
elétrica pode ser contratada com terceiros, com a concessionária local de
distribuição de energia elétrica ou adquirida no mercado.
Para que o projeto possa se viabilizar é fundamental que as garantias de
suprimento de combustível, de mercado, de qualidade técnica, de operação e de
manutenção sejam asseguradas. Normalmente as “receitas” destes projetos são a
garantia do próprio financiamento.
6.5 Matriz de Cogeração no Brasil
O Brasil tem uma matriz elétrica predominantemente hídrica o que lhe confere
uma posição privilegiada em relação ao resto do mundo no que toca à
sustentabilidade ambiental.
Entretanto, o perfil ímpar da matriz brasileira não significa que o Brasil não
necessite promover investimentos em fontes alternativas e renováveis de energia,
como a bioeletricidade sucroenergética. O adequado entendimento da necessidade
de inserção de fontes renováveis e alternativas na matriz brasileira passa por
compreender que o modelo de geração de energia baseado em hidroelétricas com
grandes reservatórios tende ao esgotamento. Os limites são dados pela atual e
30
restritiva legislação ambiental que permite, no máximo, a construção de novas
hidroelétricas sem formação de reservatórios significativos.
Além disso, novas hidrelétricas como Madeira e Belo Monte armazenam
pouca água, produzindo energia elétrica fortemente sazonal, concentrada nos
meses chuvosos (janeiro e abril). Daí a necessidade de fontes de energia renovável,
complementares à matriz elétrica brasileira. Assim, a diversificação do parque
gerador, sobretudo com a presença de fontes de energia complementares ao parque
hídrico, é um dado concreto e irreversível na evolução do sistema elétrico brasileiro
nas próximas décadas.
A complementaridade entre a bioeletricidade e a hidroeletricidade é perfeita,
já que a cana produz biomassa exatamente nos meses de maior seca (abril a
novembro). Deste modo, a bioeletricidade funciona como verdadeiro “seguro” contra
níveis baixos de água nos reservatórios.
A bioeletricidade sucroenergética apresenta vantagens inerentes a uma fonte
de energia renovável, gerada através do eficiente processo de cogeração, utilizando
como insumo energético os resíduos de biomassa originados na produção de etanol
e de açúcar.
Com alto teor de fibras, o bagaço de cana, desde a revolução industrial, tem
sido empregado na produção de vapor e energia elétrica para a fabricação de
açúcar e etanol, garantindo a autossuficiência energética das usinas durante o
período da safra. Além disso, a bioeletricidade possui vantagens adicionais para o
Brasil, como a geração de renda e emprego no campo, estímulo à indústria de bens
de capital e poupança de divisas (coeficiente de importação é próximo de zero,
dispensando tanto a importação de equipamentos como de combustíveis).
6.5.1 A Transformação da Matriz Energética Brasileira
Matriz Energética define-se como a combinação de fontes de energia que um
país utiliza (biomassa, hidráulica, petróleo, nuclear, eólica, dentre outras demais
formas de energia).
Na matriz energética brasileira o bagaço, além de atender as necessidades
de energia das usinas, desde a década de 1980 tem permitido a geração de
31
excedentes de energia elétrica que são fornecidos para o sistema elétrico brasileiro,
com índices mais significativos a partir do ano de 2002 (Tabela 1).
Tabela 01 – Uso do Bagaço de cana.
Em 2011, o total de bioeletricidade da cana comercializado para o setor
elétrico foi de 9.925 GWh, de acordo com dados preliminares do Ministério de Minas
e Energia, o equivalente à energia necessária ao abastecimento de 5,3 milhões de
residências durante o ano inteiro. No ano anterior, conforme podemos perceber com
uma análise da tabela acima, a produção de bioeletricidade foi maior, o que
evidencia a falta de incentivo à esse tipo de energia. Contudo, estima-se que o Brasil
pode gerar mais de 15.000 megawatts médios de energia da cana-de-açúcar - o
equivalente a mais de três usinas de Belo Monte (Gráfico 01).
A bioeletricidade excedente às necessidades de consumo próprio das mais de
400 usinas no setor sucroenergético cresceu 13% entre 2010 e 2011, mostrando a
potencialidade dessa fonte renovável e sustentável. Quando se avalia apenas a
bioeletricidade fornecida para a rede elétrica, a importância dessa fonte também se
mostra estratégica.
32
Gráfico 01 – Potencial de mercado da bioeletricidade para a rede elétrica – Brasil (2010 – 2021)
O total de 9.925 GWh comercializado junto ao Sistema Interligado Nacional
em 2011 representou 2,3% do consumo brasileiro total de energia elétrica. Além do
mais, a bioeletricidade fornecida para a rede elétrica, por ser complementar à fonte
hídrica, proporcionou uma economia de 5% da água dos reservatórios das Regiões
Sudeste e Centro-Oeste no período seco no ano.
A geração da bioeletricidade sucroenergética em 2011 foi equivalente a 14%
da geração total no Estado de São Paulo em 2011 ou a 29% do consumo residencial
do Estado de São Paulo no ano passado. Em 2011, o Estado de São Paulo importou
do Sistema Interligado Nacional 46% do total de energia elétrica necessária para
atendimento ao consumo do Estado (SEESP, 2012). Posto que a região sudeste do
país é onde se concentra a maior demanda por eletricidade (Tabela 2).
33
Tabela 02 – Consumo de Eletricidade por Região.
A tabela acima evidencia também o gradativo aumento no uso de energia da
região Nordeste, uma vez que o índice demográfico da região aumentou e o setor
energético da região ampliou-se. O índice demográfico em todo o território brasileiro
ampliou-se, e uma vez que o consumo de energia é diretamente proporcional a este
parâmetro, observa-se no decorrer dos anos o gradativo aumento na demanda por
energia elétrica (Gráfico 01).
Outro aspecto importante também é a sustentabilidade ambiental dessa fonte.
Estima-se que a bioeletricidade tenha evitado a emissão do equivalente a 2,2
milhões de toneladas de CO2, em 2011. Estima-se ainda que para atingir a mesma
economia de CO2, seria preciso plantar 16 milhões de árvores nativas ao longo de
20 anos. E sem essa geração da bioeletricidade em 2011, a matriz de emissões do
setor elétrico teria um acréscimo de 8%.
Apesar de todos esses benefícios da bioeletricidade, o ano de 2011 não foi
muito diferente de 2010 ou 2009, em termos de um avanço mais vigoroso dessa
fonte na matriz energética brasileira. Ao contrário, como notado na Tabela 01, houve
um declínio do uso dessa fonte. Em virtude da vigente política para o setor, toda a
cadeia produtiva da bioeletricidade opera em ociosidade, principalmente devido ao
atual formato dos leilões que misturam fontes em um único certame. Fontes que são
incomparáveis até pelas próprias qualidades intrínsecas de cada uma delas.
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Gráfico 02 – Crescimento da Demanda por energia Elétrica.
A variação de preço quanto às outras fontes fez com que o declínio da
biomassa da cana (Tabela 3), fosse suprido pelo aumento do consumo de petróleo
(Gráfico 2).
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Gráfico 03 – Variação no Consumo de Fontes Energéticas.
Os leilões de energia são realizados pela Agência Nacional de Energia
Elétrica (Aneel) com o objetivo de expandir a oferta. Participam vendedores de
energia (empresas geradoras) e compradores (distribuidoras). Há dois tipos de
leilões: os de energia existente e os de energia nova, para projetos que devem
ocorrer cinco e três anos antes do efetivo fornecimento de energia elétrica, sendo,
por isso, chamados de A-5 e A-3.
Tabela 03 – Variação no Consumo de Fontes Energéticas.
36
Respondendo à sinalização dada em 2008, a cadeia produtiva da
bioeletricidade se preparou para atender algo como 500 a 600 MW médios
anualmente. No entanto, de 2009 até 2011, o total comercializado anualmente pela
fonte tem sido uma média de poucos mais de 90 MW médios nos leilões promovidos
pelo Governo Federal, que ainda são a “porta de entrada” da bioeletricidade no setor
elétrico.
A descontinuidade na contratação da bioeletricidade põe em risco a estrutura
tecnológica e operacional criada para a cadeia produtiva da bioeletricidade. A
bioeletricidade é uma fonte de resposta rápida, às vezes em até um ano e meio se
consegue colocar de pé um novo projeto, senão menos. A bioeletricidade apresenta
externalidades positivas ambientais, energéticas, econômicas e sociais ainda não
adequadamente reconhecidas no atual formato dos leilões, qualidades que não têm
sido corretamente valorizadas ou incentivadas.·
6.5.2 O Potencial de Aproveitamento da Bioeletricidade
O valor estratégico da bioeletricidade fica mais evidente quando verificamos
seu potencial, ainda bem distante da geração efetiva de 2011. A energia elétrica da
cana capaz de ser “exportada” para a rede elétrica tem potencial estimado de 134
mil GWh/ano até 2020. Utilizar plenamente esse potencial significaria proporcionar o
atendimento anual de cinco cidades do tamanho de São Paulo, quase 87 cidades do
porte de Ribeirão Preto ou 450 cidades do tamanho de Sertãozinho, considerando
dados de consumo atual dessas cidades. Representaria quase o dobro da energia
elétrica produzida no Estado de São Paulo em 2011.
É equivalente a mais de três vezes o que a Usina Belo Monte será capaz de
produzir ou duas usinas Itaipu em termos de capacidade instalada. Contudo, atingir
esse potencial de geração no setor sucroenergético significaria um investimento
adicional de R$ 100 bilhões na bioeletricidade. Lembrando que a bioeletricidade cria
15 vezes mais empregos diretos que a geração a carvão mineral, 22 vezes mais que
a fonte gás natural e 72 vezes mais empregos diretos que a energia nuclear
(BNDES, 2005).
Se hoje a bioeletricidade representa apenas 2,3% do consumo brasileiro,
essa fonte renovável e sustentável poderá representar 18% do consumo nacional de
energia elétrica em 2020, caso seu potencial seja efetivamente concretizado.
37
Importante também é o aspecto da sustentabilidade dessa fonte. Aproveitar todo
esse potencial de geração de bioeletricidade em 2020 significaria evitar quase 40
milhões de toneladas em emissões de CO2/ano, equivalente a mais de duas vezes e
meia o total de Gases de Efeito Estufa (GEEs) emitidos no município de São Paulo.
A realização de leilões regionais representa um refinamento necessário do
atual modelo de contratação capaz de permitir um planejamento mais adequado do
potencial das diversas fontes renováveis que o Brasil possui. De acordo com a
Empresa de Pesquisa Energética (2012), a demanda no país por energia elétrica
deverá saltar de 472 mil GWh em 2011 para 736 mil GWh em 2021, um crescimento
de aproximadamente 60% no período, equivalente a quase sete vezes a energia a
ser produzida pela UHE Belo Monte a plena motorização. Isso se deve
principalmente ao elevado crescimento demográfico que tem sido notado e significa
que há espaço para as diversas fontes renováveis que sejam de fato
complementares à fonte hídrica, como é a bioeletricidade (Gráfico 03).
Gráfico 04 – Complementaridade da Bioeletricidade Sucroenergética.
38
7. CONCLUSÃO
A cogeração de energia como um processo das usinas de açúcar e álcool,
mostrou-se e tem mostrado gradativamente que tem potencial para elevar a
bioeletricidade como uma das principais formas de energia que compõe a matriz
energética brasileira.
Contudo, para atingirmos o pleno potencial da bioeletricidade, há necessidade
de uma política setorial de longo prazo para essa fonte renovável e sustentável. É
fato que a opção exclusiva por leilões nacionais, sem discriminação da localização
dos empreendimentos ou tipo de fonte, tem limitado a possibilidade de o Governo
Federal compor a matriz de energia elétrica, conforme as necessidades e potenciais
de cada região, promovendo a expansão concentrada em regiões e a baixa
diversificação entre as fontes.
Promover a contratação das fontes de geração em leilões genéricos que
estão em “desequilíbrio institucional” (quer seja por concessão de benefícios fiscais,
de financiamento ou conjuntura de sua própria indústria) apresenta uma
oportunidade para aprimorarmos esse modelo. Isso, sem mencionar os efeitos da
não-diversificação da matriz elétrica e concentração da geração em regiões longe do
centro de carga.
O formato de leilões regionais para o aproveitamento local das fontes pode
ser uma opção de real política setorial para as fontes renováveis, especialmente
para a biomassa da cana, cujo potencial está inserido nos principais centros
consumidores do país, além de ser plenamente complementar à fonte hídrica e
ambientalmente sustentável.
Se há oferta potencial e demanda, se a energia está sintonizada com as
preocupações mundiais, se ela serve perfeitamente como complemento da energia
hídrica, então a pergunta que se impõe é: por que falta competitividade à
bioeletricidade nos leilões de energia?
Entende-se que os leilões deveriam ser específicos por fonte ou regionais,
levando-se em consideração o potencial de cada fonte ou região. No caso da
biomassa de cana, o potencial está principalmente na Região Centro-Sul, que é o
maior centro consumidor de energia elétrica do País, respondendo por 77% do
consumo nacional. Isto permite aos agentes públicos do setor elétrico o pleno
39
resgate do planejamento para que se possa conseguir um direcionamento para o
aproveitamento locacional das diversas fontes de geração que o Brasil possui.
Um ponto importante também a ser considerado é o papel da bioeletricidade
na expansão da oferta de etanol. Até 2020, de acordo com estimativas da Única
(União da Indústria de Cana de Açúcar), a produção de cana no País teria que
praticamente dobrar, atingindo cerca de 1,2 bilhão de toneladas por ano apenas
para atender o aumento da demanda por etanol e manter a posição brasileira no
mercado mundial de açúcar. Para que isso aconteça, serão necessários
investimentos de mais de R$ 150 bilhões e a construção de 120 novas usinas de
processamento de cana – as chamadas greenfields.
Nesta linha, energia elétrica e etanol são produtos sinérgicos no setor
sucroenergético. Se restringirmos a expansão da bioeletricidade, desestimula-se a
tão necessária expansão do etanol no País. Uma política setorial de longo prazo
adequada para a bioeletricidade certamente colaborará também para a expansão da
produção do etanol e do açúcar. Isto ajudaria não somente a bioeletricidade, mas
também o etanol a deslancharem na matriz energética brasileira.
Trata-se de uma oportunidade literalmente única para promover o diálogo
entre os diversos agentes públicos e privados da cadeia produtiva do setor
sucroenergético para a expansão desses dois produtos sinérgicos na matriz
energética nacional: o etanol e a bioeletricidade.
40
8. BIBLIOGRAFIA
Secretaria de Energia SP – Manual de Administração de Energia, São Paulo,
2001;
BASQUEROTTO, C. H. Cogeração de Energia Elétrica com Bagaço de Cana-
de-Açúcar. 2010. Disponível em <http://www.fatecaracatuba.edu.br/suporte/uplo
ad/Biblioteca/BIO%2017701020002.pdf> Acesso em 29 mar. 2012;
BOTAO, S. G.. Uso de bagaço da cana-de-açúcar para cogeração de energia
elétrica, no Estado de São Paulo e a comercialização do excedente da
energia gerada Araçatuba, 2010 Disponível em: <http://periodicos.unitau.br/ojs-
2.2/index.php/biociencias/article/viewFile/446/264> Acesso em 12 mai. 2012;
PROJETO AGORA – Bioeletricidade, energia verde e inteligente do Brasil
2011. Disponível em <http://www.bioeletricidade.com/oquee.php> Acesso em 02
mar. 2012;
DANTAS, N. J.. Importância e perspectivas da bioeletricidade
sucroenergética na matriz elétrica brasileira UFRJ. Rio de Janeiro, 2009.
Disponível em :<http://www.unica.com.br/downloads/estudosmatrizenergetica/pdf
/Matriz_Bioeletricidade_CasCas5.pdf> Acesso em 26 abril 2012;
SANTOS, F. A. . Cogeração e comercialização de energia elétrica nas usinas
de açúcar e etanol, Disponível em: <http://www.iee.usp.br/eventos/cogeracao_
em_usinas.pdf> Acesso em 28 abril 2012.
ANEXO A – FOTOS DIVERSAS
41
Figura A.1 – Caldeira aquatubular de 67bar (Usina Pau D`alho).
Fonte: www.biochamm.com.br
