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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
Eng. Mateus Henrique Rocha
mateus.rocha@unifei,edu.br
(35) 3629-1355