escola politécnica da universidade de são paulo avaliação de

ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO

JOO PAULO MACEDO GUERRA

AVALIAO DE DESEMPENHO TERMODINMICO E AMBIENTAL DE CENRIOS DE COGERAO ELTRICA EM USINAS

AUTNOMAS

SO PAULO

2014


AVALIAO DE DESEMPENHO TERMODINMICO E AMBIENTAL DE CENRIOS DE COGERAO ELTRICA EM USINAS

AUTNOMAS

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo como requisito necessrio para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.

SO PAULO

2014


AVALIAO DE DESEMPENHO TERMODINMICO E AMBIENTAL DE CENRIOS DE COGERAO ELTRICA EM USINAS AUTNOMAS

Dissertao apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo como requisito necessrio para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia rea de Concentrao: Engenharia Qumica

Orientador: Prof. Dr. Luiz Alexandre Kulay

SO PAULO

2014

FICHA CATALOGRFICA

Guerra, Joo Paulo Macedo

Avaliao de desempenho termodinmico e ambiental de cenrios de cogerao eltrica em usinas autnomas / J.P.M. Guerra. -- So Paulo, 2014.

345 p.

Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Qumica.

1.Cogerao de energia eltrica 2.Anlise energtica 3.Ciclo de vida (Avaliao) I.Universidade de So Paulo. Escola Politc-nica. Departamento de Engenharia Qumica II.t.

Dedico este trabalho minha me, pela sua vida de dedicao aos filhos e ao meu irmo Walysson, pela sua humildade inspiradora e pelo seu exemplo de perseverana.

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar, agradeo ao egrgio professor Dr. Luiz Alexandre Kulay pelo seu

comprometimento no desenvolvimento desse trabalho, pela orientao consistente

e, sobretudo, pela amizade cultivada e pelo exemplo de lealdade, principalmente nos

momentos mais difceis.

Aos nobres colegas e amigos do GP2 que de certa forma contriburam para a

elaborao desse trabalho, pelas experincias trocadas e pelo companheirismo ao

longo desta caminhada: Alex, Letcia, Henrique e Victor.

Ao amigo Lauro pelo incentivo elaborao desse esforo de pesquisa, e seu irmo

lvaro Meneguetti, que gentilmente disponibilizou a usina Santa Terezinha, Unidade

Paranacity para coleta de dados e acompanhamento do processo produtivo.

Aos amigos Marcelo, Ricardo, Diogo e Isabela, que acompanharam e incentivaram

minha dedicao nesse trabalho e foram excelentes companhias durante minha

estadia em So Paulo.

O cientista um apaixonado da verdade pelo prprio amor verdade, aonde quer que ela leve

Luther Burbank Procure ser um homem de valor, em vez de ser um homem de sucesso

Albert Einstein

RESUMO

A descentralizao do setor de eletricidade brasileiro associado premente

necessidade de aumento da oferta de energia eltrica tem fomentado a busca por

fontes alternativas para produo de energia eltrica. Este fato motiva empresas do

setor sucroalcooleiro a produzir eletricidade a partir da queima do bagao de cana-

de-acar em sistemas de cogerao, elevando dessa forma a capacidade de

gerao de energia eltrica exatamente no perodo de menor oferta hdrica. A

gerao de eletricidade a partir da biomassa canavieira revela-se uma opo

interessante, pois alm de ser produzida de forma distribuda e prxima aos centros

consumidores, tem criado oportunidades a destilarias e usinas de acar para

aumentarem seus portflios de produtos.

Nesse aspecto, o presente estudo se prope a apresentar e discutir possibilidades

de cogerao de energia eltrica em usinas autnomas (destilarias) em diferentes

condies de processo e operao. Para atender a estes propsitos, foram definidos

cenrios de cogerao e desenvolvidos modelos para simulao e anlise da

produo de energia trmica e eltrica bem como estimar os impactos ambientais

associados, considerando um sistema de cogerao que opera atravs do ciclo

Rankine, que o sistema mais utilizado pelas usinas brasileiras. Os cenrios foram

analisados a partir das tcnicas de Anlise Exergtica (Anlise Termodinmica de

Primeira e Segunda Lei) e Avaliao de Ciclo de Vida (ACV). Adotou-se para o caso

da avaliao ambiental um enfoque do bero ao porto da fbrica, conforme

diretrizes metodolgicas descritas nas normas ISO 14040 e 14044. A unidade

funcional adotada foi gerar 1,0 MWh de eletricidade excedente em sistema de

cogerao energtica. O sistema de produto compreende as cargas ambientais da

etapa industrial e da produo agrcola da cana-de-acar.

Especialistas no setor e pesquisadores da rea sugerem concentrar esforos de

melhoria de desempenho termodinmico na elevao das propriedades de estado

do vapor na sada da caldeira de 20 bar at 100 bar, e simulao de sistemas de

cogerao com reaquecimento e regenerao, que so melhorias tcnicas prprias

de centrais termeltricas, mas com potencial de aproveitamento pelo setor

sucroalcooleiro. Os cenrios foram projetados com base em diferentes combinaes

dessas condies considerando duas possibilidades de utilizao da biomassa como

fonte de energia trmica: exclusivamente bagao de cana-de-acar; e uma

composio de bagao e palha. A comparao dos desempenhos termodinmicos e

ambientais dos cenrios ocorreu principalmente em termos da gerao especfica de

eletricidade, da eficincia exergtica, do perfil destruio de exergia ao longo do

ciclo e dos perfis de impactos ambientais potenciais.

Os resultados obtidos indicam que a eficincia exergtica aumenta com a

elevao das funes de estado do vapor superaquecido na alimentao da turbina,

e ao aumento do grau de complexidade do ciclo Rankine, conseguido medida que

arranjos com reaquecimento e regenerao so integrados ao ciclo. Esses arranjos

mostraram-se efetivos na melhoria dos desempenhos exergtico e ambiental dos

sistemas de cogerao a partir da queima do bagao e da palha da cana-de-acar.

Em termos de desempenho ambiental, observou-se a reduo sistmica de efeitos

negativos associada ao aumento da eficincia do ciclo termodinmico. Os resultados

da ACV ratificaram tambm, que a melhoria da eficincia exergtica do sistema

seguida de reduo de impactos ambientais. Os melhores resultados ambientais,

tanto em termos relativos, como absolutos, foram obtidos aproveitando a palha como

fonte de energia trmica na caldeira, na condio de gerao de vapor a 100 bar e

511 oC, com ciclo Rankine que utiliza reaquecimento e regenerao

simultaneamente, numa proposta chamada de ciclo Resultante, cuja reduo de

impactos ambientais ocorreu entre 5,3% e 15,6% nas categorias analisadas.

Palavras-chave: cogerao via cana-de-acar; ciclo Rankine; anlise energtica,

anlise exergtica; Avaliao do Ciclo de Vida (ACV).

ABSTRACT

The decentralization of the Brazilian electricity sector in association with the internal

electricity supply crisis has encouraged companies in the sugarcane industry to

produce electricity by burning sugarcane bagasse in cogeneration plants. This

approach reduces the environmental impact of the sugarcane production and has

opened up opportunities for distilleries and annex plants to increase their product

portfolios. Potential scenarios for technically and environmentally improving the

cogeneration performance were analyzed by using Thermodynamic analysis and Life

Cycle Assessment (LCA). The method used in this study aimed to provide an

understanding and a model of the electrical and thermal energy production and the

environmental impacts of conventional vapor power systems which operate with

Rankine cycle that are commonly used by Brazilian distilleries. Vapor power system

experts have suggested focusing on the following technical improvement areas:

increasing the properties of the steam from 20 to 100 bar, regeneration and

reheating. The case scenarios were projected based on different Rankine cycle

configurations and two possibilities of biomass utilization: only sugarcane bagasse or

sugarcane bagasse with straw.

The LCA was carried out according to ISO 14040 and 14044 regulations, with focus

from cradle to gate. A Functional unit of: "To delivery 1.0 MWh of electricity to the

power grid using cogeneration system" was defined. The product system covers the

environmental burdens of the industrial stage and the agricultural production of

sugarcane.

Thermodynamic evaluation indicated that the energy efficiency and the potential net

power exported to the grid increase as the pressure at which the vapor leaves the

boiler increases.

From the LCA, it was noted that the improved energy performance of the system is

accompanied by reduced environmental impacts for all evaluated categories. In

addition, vapor production at 100 bar and 511 C resulted in greater environmental

gains, both in absolute and relative terms. Reheating and regeneration concepts

were found to be considerably effective in improving the energy and environmental

performance of cogeneration systems by burning sugarcane bagasse and straw. For

the evaluated categories, the results indicated that the proposed modifications are

favorable for increasing the efficiency of the thermodynamic cycle and for decreasing

the environmental impacts of the product system. The best results were obtained

using bagasse and straw in the boiler furnace and using reheat-regenerative Rankine

cycle. In this case it was noted a reduction between 5.3% and 15.6% over all impact

categories analysed.

Keywords: cogeneration, sugarcane industry, Rankine cycle, energetic analysis,

exergetic analysis, Life Cycle Assessment (LCA).

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 1 - SRIE HISTRICA DA PRODUO DOS PRINCIPAIS PASES PRODUTORES DA CANA-DE-ACAR, EM MILHES DE TONELADAS

(MAPA, 2013) ...............................................................................................................................................23

FIGURA 2 - MAPA DE PRODUO DE CANA-DE-ACAR NO BRASIL (NICA, 2013). ..............................................................23

FIGURA 3 - PRODUO DE CANA NO BRASIL POR ESTADOS (MAPA, 2013)...........................................................................24

FIGURA 4 - DIAGRAMA DE BLOCOS SIMPLIFICADO PARA PRODUO DE ETANOL ANIDRO A PARTIR DA CANA-DE-ACAR NUMA USINA

AUTNOMA (ADAPTADO DE DIAS ET AL., 2010).....................................................................................................28

FIGURA 5 - EVOLUO DA PRODUO DE ETANOL ANIDRO, SEGUNDO GRANDES REGIES 2002 A 2013 (ANP,2013)................29

FIGURA 6 - EVOLUO DA PRODUO DE ETANOL HIDRATADO, POR GRANDES REGIES 2003 A 2012 (ANP, 2013) .................30

FIGURA 7 - NOVAS UNIDADES E PROJETOS DE NOVAS USINAS (BNDES, 2012).......................................................................31

FIGURA 8 - PARTES DA CANA-DE-ACAR (IEL, 2008) ......................................................................................................36

FIGURA 9 - DIAGRAMA DE BLOCOS E DIAGRAMA T-S DO CICLO DE CARNOT (VAN NESS, 2007) .................................................40

FIGURA 10 - DIAGRAMA T-S DO CICLO RANKINE (VAN NESS, 2007)....................................................................................41

FIGURA 11 - REPRESENTAO DE UM CICLO RANKINE CONVENCIONAL DE UM SISTEMA DE COGERAO.......................................43

FIGURA 12 - DIAGRAMA T-S DO CICLO RANKINE COM SUPERAQUECIMENTO (VAN NESS, 2007) ...............................................45

FIGURA 13 - INFLUNCIA DA PRESSO DO VAPOR NA SADA DA CALDEIRA (VAN NESS, 2007). ...................................................45

FIGURA 14 - CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO (ADAPTADO DE MORAN E SHAPIRO, 2008). .............................................47

FIGURA 15 - REAQUECIMENTO COM INFINITOS TROCADORES DE CALOR (BRSCHER, 1991). ....................................................48

FIGURA 16 - CICLO REGENERATIVO IDEAL (BRSCHER, 1991). ...........................................................................................48

FIGURA 17 - VOLUME DE CONTROLE PARA UMA MASSA LEVADA AT AS CONDIES DO AMBIENTE. ............................................53

FIGURA 18 - ESQUEMA DA ANLISE DE CICLO DE VIDA DE UM PRODUTO (GRIPP, 2013). .........................................................60

FIGURA 19 - ESTGIOS DO ESTUDO DE ACV. ...................................................................................................................63

FIGURA 20 - REPRESENTAO DA PROPOSTA DE UM CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO PARA UM SISTEMA DE COGERAO. .....81

FIGURA 21 - REPRESENTAO DA PROPOSTA DE UM CICLO RANKINE REGENERATIVO PARA UM SISTEMA DE COGERAO. ...............82

FIGURA 22 - REPRESENTAO DA PROPOSTA DE UM CICLO RANKINE RESULTANTE PARA UM SISTEMA DE COGERAO. ...................83

FIGURA 23 - ILUSTRAO DA CALDEIRA...........................................................................................................................86

FIGURA 24 - ILUSTRAO DA CALDEIRA COM REAQUECIMENTO. ..........................................................................................90

FIGURA 25 DIAGRAMA H-S PARA ILUSTRAO DA EFICINCIA DA TURBINA (ADAPTADO DE LI ET AL, 1985). ...............................93

FIGURA 26 - ILUSTRAO DO CONJUNTO TURBINA E GERADOR. ...........................................................................................94

FIGURA 27 - ILUSTRAO DO CONJUNTO CONDENSADOR E TORRE DE RESFRIAMENTO. .............................................................97

FIGURA 28 - ILUSTRAO DA BOMBA DE CONDENSADO DO CONDENSADOR..........................................................................101

FIGURA 29 - DIAGRAMA H-S PARA ILUSTRAR EFICINCIA DA BOMBA (ADAPTADO DE LI ET AL, 1985). .......................................102

FIGURA 30 - REPRESENTAO DO DESAERADOR DO SISTEMA DE COGERAO. ......................................................................104

FIGURA 31 - ILUSTRAO DE UM TROCADOR DE CALOR DO CICLO REGENERATIVO. .................................................................109

FIGURA 32 - ESQUEMA SIMPLIFICADO DO SISTEMA TURBOGERADOR NO 1 DA UTE-STP. .......................................................117

FIGURA 33 - ESQUEMA SIMPLIFICADO DO SISTEMA TURBOGERADOR NO 2 DA UTE-STP. .......................................................117

FIGURA 34 - REPRESENTAO DO SISTEMA DE PRODUTO ANALISADO..................................................................................121

FIGURA 35 - CICLO DE VAPOR CONVENCIONAL PARA UMA PLANTA DE COGERAO (INTERFACE DO SIMULADOR).........................125

FIGURA 36 - CICLO DE VAPOR COM REAQUECIMENTO PARA UMA PLANTA DE COGERAO (INTERFACE DO SIMULADOR). ..............137

FIGURA 37 - CICLO DE VAPOR REGENERATIVO PARA UMA PLANTA DE COGERAO (INTERFACE DO SIMULADOR). ........................148

FIGURA 38 - CICLO DE VAPOR RESULTANTE PARA UMA PLANTA DE COGERAO (INTERFACE DO SIMULADOR). ............................161

FIGURA 39 - MOINHO HAYBUSTER SENDO ALIMENTADO COM FARDO DE PALHA. ..................................................................188

FIGURA 40 - COMPARAO DOS RESULTADOS DA AVALIAO DE IMPACTOS AMBIENTAIS ASSOCIADOS GERAO DE 1,0 MWH DE

ELETRICIDADE EXCEDENTE EM SISTEMA COM CICLO CONVENCIONAL, COM E SEM UTILIZAO DE PALHA............................196


ELETRICIDADE EXCEDENTE EM SISTEMA COM REAQUECIMENTO, COM E SEM UTILIZAO DE PALHA. .................................197


ELETRICIDADE EXCEDENTE EM SISTEMA COM CICLO REGENERATIVO, COM E SEM UTILIZAO DE PALHA.............................198


ELETRICIDADE EXCEDENTE EM SISTEMA COM CICLO RESULTANTE, COM E SEM UTILIZAO DE PALHA. ...............................199


ELETRICIDADE EXCEDENTE EM SISTEMA COM CICLO CONVENCIONAL, COM E SEM UTILIZAO DE PALHA, ADOTANDO CRITRIO

ENERGTICO DE ALOCAO NO SISTEMA DE COGERAO. ........................................................................................208

GRFICO 1 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS I A V. ..................................................126

GRFICO 2 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS I A V. .....................................127

GRFICO 3 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS I A V........................................................................129

GRFICO 4 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS I A V. .......................................................................131

GRFICO 5 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS VI A X. ................................................133

GRFICO 6 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS VI A X. ...................................133

GRFICO 7 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS VI A X......................................................................135

GRFICO 8 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS VI A X. .....................................................................136

GRFICO 9 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS XI A XV. ..............................................138

GRFICO 10 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS XI A XV. ...............................139

GRFICO 11 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS XI A XV. ................................................................141

GRFICO 12 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS XI A XV. .................................................................142

GRFICO 13 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS XVI A XX. ..........................................144

GRFICO 14 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS XVI A XX. .............................145

GRFICO 15 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS XVI A XX. ..............................................................146

GRFICO 16 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS XVI A XX................................................................147

GRFICO 17 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS XXI A XXV. ........................................149

GRFICO 18 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS XXI A XXV. ...........................150

GRFICO 19 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS XXI A XXV. ............................................................152

GRFICO 20 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS XXI A XXV..............................................................153

GRFICO 21 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS XXVI A XXX. ......................................154

GRFICO 22 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS XXVI A XXX. .........................156

GRFICO 23 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS XXVI A XXX. ..........................................................158

GRFICO 24 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS XXVI A XXX............................................................159

GRFICO 25 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS XXXI A XXXV.....................................162

GRFICO 26 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS XXXI A XXXV. .......................163

GRFICO 27 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS XXXI A XXXV. ........................................................164

GRFICO 28 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS XXXI A XXXV..........................................................165

GRFICO 29 - RESULTADOS DA EFICINCIA ENERGTICA E EXERGTICA PRA OS CENRIOS XXXVI A XL. ......................................167

GRFICO 30 - RESULTADO DOS INDICADORES DE PERFORMANCE ESPECFICOS, PARA OS CENRIOS XXXVI A XL...........................168

GRFICO 31 - RESULTADOS DA ANLISE ENERGTICA PARA OS CENRIOS XXXVI A XL............................................................169

GRFICO 32 - RESULTADOS DA ANLISE EXERGTICA PARA OS CENRIOS XXXVI A XL. ...........................................................170

GRFICO 33 - INFLUNCIA DA ADIO DE TROCADORES DE CALOR SOBRE A EFICINCIA EXERGTICA DO CICLO RANKINE, NA CONDIO

DE PRESSO DE OPERAO DE 20 BAR. ................................................................................................................343








DE PRESSO DE OPERAO DE 100 BAR. ..............................................................................................................345

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - SUCESSO DE TRANSFORMAES TERMODINMICAS OCORRIDAS NO CICLO CARNOT (VAN NESS, 2007) .....................40

TABELA 2 - SUCESSO DE TRANSFORMAES TERMODINMICAS OCORRIDAS NO CICLO RANKINE (VAN NESS, 2007).....................41

TABELA 3 - DISTRIBUIO DAS PRESSES DE OPERAO DAS CALDEIRAS NAS USINAS BRASILEIRAS (IDEA, 2012) ..........................42

TABELA 4 CARACTERSTICAS DOS CENRIOS AVALIADOS PARA O SISTEMA DE COGERAO. ......................................................77

TABELA 5 - BASE DE CLCULO DOS CENRIOS ...................................................................................................................79

TABELA 6 - PRESSO DE EXTRAO TIMA PARA CADA PRESSO DA CALDEIRA ........................................................................91

TABELA 7 RESUMO DAS CARACTERSTICAS TCNICAS DOS EQUIPAMENTOS INSTALADOS NA UTE-STP. ....................................116

TABELA 8 - DESVIOS NA FORMA DE ERROS PERCENTUAIS DO MODELO EM RELAO OS SISTEMAS DA UTE-STP. ..........................118

TABELA 9 - CARACTERSTICAS DOS CENRIOS DE COGERAO COM CICLO RANKINE CONVENCIONAL. ........................................125

TABELA 10 - CARACTERSTICAS DOS CENRIOS DE COGERAO COM CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO. .............................138

TABELA 11 - CARACTERSTICAS DOS CENRIOS DE COGERAO COM CICLO RANKINE REGENERATIVO. .......................................148

TABELA 12 - CARACTERSTICAS DOS CENRIOS DE COGERAO COM CICLO RANKINE RESULTANTE. ...........................................161

TABELA 13 - INVENTRIO CONSOLIDADO DA PRODUO DE 1 KG DE CANA COM QUEIMADA PRVIA PERCENTUAL DEFINIDA, SEM

APROVEITAMENTO DA PALHA.............................................................................................................................174

TABELA 14 - INVENTRIO CONSOLIDADO DA PRODUO DE 1 KG DE CANA CENRIO FUTURO, SEM QUEIMADA PRVIA E COM

APROVEITAMENTO DE 50% DA PALHA.................................................................................................................177

TABELA 15 - FATORES DE EMISSO PARA A QUEIMA DA PALHA ANTERIOR COLHEITA ............................................................181

TABELA 16 - INVENTRIO DA PRODUO DE 1 KG DE ETANOL ANIDRO.................................................................................185

TABELA 17 - FATORES DE EMISSO PARA A QUEIMA DE LEO DIESEL EM MAQUINRIOS AGRCOLAS. .........................................186

TABELA 18 - PERCENTUAIS DE ALOCAO PARA CENRIOS SEM APROVEITAMENTO DA PALHA. .................................................190

TABELA 19 - PERCENTUAIS DE ALOCAO PARA CENRIOS COM APROVEITAMENTO DA PALHA. ................................................190

TABELA 20 - RESULTADOS DA AVALIAO DE IMPACTOS AMBIENTAIS PARA OS CENRIOS I A V ASSOCIADOS GERAO DE 1,0 MWH

DE ELETRICIDADE EXCEDENTE, NA UNIDADE DE COGERAO. ....................................................................................193

TABELA 21 - RESULTADOS DA AVALIAO DE IMPACTOS AMBIENTAIS PARA OS CENRIOS VI A X ASSOCIADOS GERAO DE 1,0

MWH DE ELETRICIDADE EXCEDENTE, NA UNIDADE DE COGERAO. ..........................................................................194

TABELA 22 - PERCENTUAIS DE ALOCAO POR CRITRIO ENERGTICO PARA CENRIOS SEM APROVEITAMENTO DA PALHA. .............206

TABELA 23 - PERCENTUAIS DE ALOCAO POR CRITRIO ENERGTICO PARA CENRIOS COM APROVEITAMENTO DA PALHA. ............206

TABELA 24 - INFLUNCIA DA ADIO DE TROCADORES DE CALOR SOBRE A EFICINCIA EXERGTICA DO CICLO RANKINE, NA CONDIO DE

PRESSO DE OPERAO DE 20 BAR. ....................................................................................................................341








PRESSO DE OPERAO DE 100 BAR. ..................................................................................................................343

SUMRIO

1. INTRODUO.......................................................................................................................................16

2. OBJETIVOS ...........................................................................................................................................21

3. REVISO BIBLIOGRFICA......................................................................................................................22

3.1. SETOR SUCROENERGTICO NO BRASIL............................................................................................... 22

3.2. O ETANOL COMBUSTVEL ................................................................................................................... 24

3.2.1. Breve Histrico do Etanol...............................................................................................................24

3.2.2. Processo Produtivo do Etanol ........................................................................................................26

3.2.3. Estatsticas da Produo de Etanol no Brasil .................................................................................28

3.2.4. Competitividade do Etanol Brasileiro ............................................................................................31

3.2.5. Aspectos ambientais da produo do etanol.................................................................................32

3.3. COGERAO DE ENERGIA ELTRICA ................................................................................................... 33

3.3.1. Contexto da cogerao de energia eltrica no Brasil ....................................................................34

3.3.2. Descrio da biomassa da cana-de-acar....................................................................................35

3.3.3. Unidades de Cogerao e o Ciclo Rankine .....................................................................................39

3.4. MELHORIAS NO CICLO RANKINE ......................................................................................................... 46

3.4.1. Ciclo Rankine com Reaquecimento ................................................................................................46

3.4.2. Ciclo Rankine Regenerativo ...........................................................................................................47

3.4.3. Ciclo Rankine Resultante................................................................................................................49

3.5. REVISO DOS CONCEITOS TERMODINMICOS................................................................................... 49

3.5.1. Primeira Lei da Termodinmica .....................................................................................................49

3.5.2. Segunda Lei da Termodinmica.....................................................................................................51

3.6. ANLISE EXERGTICA.......................................................................................................................... 51

3.6.1. O conceito de Exergia ....................................................................................................................52

3.6.2. Definio do Ambiente de Referncia............................................................................................52

3.6.3. O Balano de Exergia .....................................................................................................................53

3.6.4. Informaes adicionais sobre Exergia ...........................................................................................58

3.7. ANLISE AMBIENTAL: AVALIAO DE CICLO DE VIDA ACV .............................................................. 59

3.7.1. Conceitos e Definies ...................................................................................................................59

3.7.2. Breve histrico e aspectos normativos da ACV..............................................................................60

3.7.3. Mtodo de ACV..............................................................................................................................62

3.8. ESTUDOS CIENTFICOS ENVOLVENDO ACV E ANLISE EXERGTICA.................................................... 69

4. MTODO..............................................................................................................................................74

4.1. DEFINIO DOS CENRIOS ................................................................................................................. 75

4.2. MODELAGEM TERMODINMICA DOS CENRIOS............................................................................... 78

4.2.1. Premissas e Definio dos parmetros operacionais dos cenrios................................................78

4.2.2. A ferramenta usada para construo dos modelos matemticos .................................................80

4.2.3. Caractersticas especficas dos arranjos com reaquecimento e regenerativo ...............................80

4.2.4. Modelagem dos equipamentos .....................................................................................................83

4.3. VALIDAO DO MODELO TERMODINMICO ................................................................................... 114

ASPECTOS ESPECFICOS PARA AVALIAO AMBIENTAL ................................................................... 119

4.4. 119

4.4.1. Definio de Objetivo e Escopo....................................................................................................119

4.4.2. Sistema de Produto e Fronteiras do Sistema ...............................................................................119

4.4.3. Requisitos e qualidade dos dados................................................................................................122

5. RESULTADOS E DISCUSSO ................................................................................................................123

5.1. ANLISE TERMODINMICA .............................................................................................................. 124

5.1.1. Ciclo Rankine Convencional .........................................................................................................124

5.1.2. Ciclo Rankine com Reaquecimento ..............................................................................................137

5.1.3. Ciclo Rankine Regenerativo .........................................................................................................148

5.1.4. Ciclo Rankine Resultante..............................................................................................................160

5.2. ANLISE AMBIENTAL ........................................................................................................................ 172

5.2.1. Anlise de Inventrio ...................................................................................................................172

5.2.2. Avaliao de Impacto ..................................................................................................................192

5.2.3. Anlise de Sensibilidade...............................................................................................................206

6. CONCLUSES .....................................................................................................................................210

7. REFERNCIAS .....................................................................................................................................213

APNDICE A MODELAGEM DO SISTEMA DE COGERAO COM CICLO RANKINE CONVENCIONAL..............226

APNDICE B MODELAGEM DO SISTEMA DE COGERAO COM CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO ...245

APNDICE C MODELAGEM DO SISTEMA DE COGERAO COM CICLO RANKINE REGENERATIVO................264

APNDICE D MODELAGEM DO SISTEMA DE COGERAO COM CICLO RANKINE RESULTANTE....................265

APNDICE E MODELAGEM DO SISTEMA DE COGERAO COM CICLO RANKINE REGENERATIVO PARA

AVALIAO DA INFLUNCIA DO NMERO DE TROCADORES DE CALOR NA EFICINCIA EXERGTICA............312

APNDICE F RESULTADOS DA ANLISE PARAMTRICA PARA DETERMINAR A INFLUNCIA DA ADIO DE

TROCADORES DE CALOR NO CICLO CONVENCIONAL, OBTENDO ASSIM O CICLO REGENERATIVO.................341

16

1. INTRODUO

H aproximadamente quatro dcadas, vem se discutindo em todo o mundo a

incorporao de fontes renovveis matriz energtica das diversas naes. Seja por

causa da instabilidade econmica do preo do petrleo bruto, ou mesmo, devido aos

impactos ambientais associados a diversos estgios da cadeia de suprimentos dos

recursos fsseis. Esse enfoque deriva de uma cultura ambiental recente, que revisou

paradigmas do modelo Desenvolvimentista em que os processos industriais eram

realizados apenas com a preocupao de gerar bens de produo e consumo, a

despeito dos efeitos que proporcionassem sobre o entorno (Gil et al., 2013).

O uso de fontes de energia mais limpas tem se tornado um assunto de interesse

para a sociedade (Gonzles-Garca et al., 2012; Luo et al., 2008). Nesse contexto, o

Brasil merece especial destaque, em virtude de sua matriz energtica apresentar

elevada taxa de modais de origem renovvel. Registros oficiais do Ministrio de

Minas e Energia revelam que 45,4% de toda a energia produzida no pas em 2010

tm origem em recursos naturais que no so finitos (MME, 2011). Registros oficiais

da mesma instituio governamental datados de 2013, reportam que 85% da

energia eltrica nacional originada por fontes renovveis, sendo a oferta hidrulica

responsvel por 70,1%. A mesma fonte d conta de que a oferta de energia eltrica

cresceu 3,9% naquele perodo, sendo o modal elico foi aquele a aportar maior

incremento, com 86,7%, muito embora sua participao compreenda apenas 0,9%

da oferta interna de eletricidade do pas (BEN, 2013). A ttulo situacional, observa-se

que em 2013, a bioeletricidade sucroenergtica representou 3,0% do consumo

nacional de energia eltrica (NICA, 2014).

O crescimento da frota de veculos bicombustveis no Brasil tem justificado a forte

expanso da demanda por etanol no mercado interno. O Ministrio de Minas e

Energia, por meio da Empresa de Pesquisa Energtica (EPE), estima que a

demanda por etanol dever triplicar no curso desta dcada, passando de 27 bilhes

de litros em 2010, para 73 bilhes em 2020 j incluidos 6,8 bilhes de litros para

exportao (MME, 2011). Como desdobramentos imediatos desse desempenho,

decorrem um aumento proporcional da gerao da biomassa canavieira e,

consequente, no potencial de gerao de energia eltrica a partir da cogerao.

Somem-se a este fato, outros dois elementos no menos essenciais: O alto grau de

17

vulnerabilidade a que se expea gerao de energia eltricano pas em virtude de

oscilaes recorrentes nos nveis das barragens; e a manifesta preocupao da

sociedade moderna com as mudanas climticas (Sousa e Macedo, 2010).

Segundo dados do Ministrio da Agricultura, Pecuria e Abastecimento, o Brasil tem

se destacado como lder mundial na produo de cana-de-acar. O caldo da cana-

de-acar consumido na produo de etanol e acar. No entanto, at

recentemente o tecido vegetal remanescente da cana, o bagao, no tinha qualquer

aplicao, sendo subutilizado ou descartado na natureza e portanto, gerando

inexoravelmente impactos ambientais. Tecnologias tm sido desenvolvidas ao longo

dos ltimos anos a fim de mudar essa situao. A mais consolidada dessas

abordgens a utilizao do bagao para produo de vapor e eletricidade, (MAPA,

2012). Por conta disso, as usinas tornaram-se potencialmente auto-suficientes em

termos energticos e at, em muitos casos, se credenciaram a exportar o excedente

de eletricidade gerada para a rede concessionria. Com isso, a cogerao

energtica passou a ser uma alternativade alta eficincia de uso racional de

combustvel primrio com vistas s produes de eletricidade e calor (Bocci et al.,

2009; Tina e Passarello, 2011).

A perspectiva de exportar eletricidade para a rede nacional, inclusive durante os

perodos de entressafra, motivou as usinas brasileiras de etanol e acar a

investirem em sistemas de cogerao nos ltimos anos. No entanto a componente

ambiental associada cogerao de eletricidade deve ser aspecto mandatrio em

avaliaes que pretendam viabilizar a integrao ao grid nacional como alternativa

de suprimento.

Por outro lado, teem crescido os questionamentos quanto a relao de dependncia

entre a produo de etanol e o processamento agrcola, a necessidade de aumento

das reas agricultveis, e a possvel competio com a produo de alimentos. Tais

discusses fomentaram a corrida tecnolgica em busca de processos mais

eficientes e com custos de produo atrativos para produo do etanol a partir de

resduos de biomassa, chamado de etanol celulsico, ou de segunda gerao

(Petrobras, 2012; CTC, 2014).

Nesse cenrio, a biomassa da cana, composta por bagao e palha, tornou-se

tambm uma opo de matria-prima para produo do etanol. Segundo dados da

18

Embrapa, a utilizao do bagao e da palha teria potencial para elevar a produo

de etanol em at 40%, para uma mesma rea plantada. A combinao das rotas de

primeira e segunda gerao na produo de etanol de cana-de-acar permitir

obter maior quantidade de combustvel sem aumentar o volume de matria-prima

plantada, porm, em detrimento da disponibilidade de bagao para a cogerao

eltrica (Embrapa, 2014).

De forma geral, h um ritmo cada vez mais intenso da explorao dos recursos

naturais para que possam ser atendidas as demandas de uma populao mundial

que no apenas continua a crescer, mas tambm, e principalmente, que exercita

padres de consumo cada vez mais elevados. A longo prazo, tal ritmo

evidentemente no pode ser sustentado por um motivo bastante simples: os

recursos naturais que o planeta pode fornecer para o atendimento das necessidades

e desejos humanos so finitos. Essa limitao precisa ser levada em conta para que

a melhoria do padro de vida experimentada pelas sociedades humanas, sobretudo

nos ltimos sculos, possa ser mantida tambm no longo prazo (Gripp, 2013).

O desenvolvimento tecnolgico tem papel fundamental no equacionamento de uma

soluo robusta para esse quadro desfavorvel. Para que o ritmo de explorao dos

recursos naturais e de gerao de rejeitos pelas atividades humanas seja compatvel

com os ciclos naturais de renovao desses prprios recursos, torna-se cada vez

mais urgente desenvolver tecnologias menos recurso-intensivas e/ou que permitam

reduzir, reaproveitar e reciclar resduos gerados, os quais, muitas vezes, possuem

grande potencial para tornarem-se novamente recursos (Gripp, 2013).

No campo energtico, esse estado de coisas insita o meio acadmico a buscar

combustveis alternativos aos de origem fssil, derivados de fontes renovveis e

com bom desempenho ambiental associado. No caso especfico da biomassa, este

esforo se concentra em duas vertentes: a viabilizao de fontes de provimento de

energia antes no aproveitadas, ou mesmo, que ainda no foram testadas; e o

aumento da eficincia energtica dos processos de cogerao. Em qualquer dos

dois enfoques, o estudo detalhado dos impactos ambientais associados aos

produtos, aparece como balizador visando agregar mais valor ao produto.

Para que as avaliaes ambientais sejam efetivas no h outra possibilidade que

realiz-las segundo uma abordagem sistmica que compreenda o ciclo de vida ,

19

a fim de detectar, de maneira precisa, pontos positivos e deficincias associadas a

substituio de recursos energticos. Ao medir os efeitos causados por produtos de

origem renovvel sobre o ambiente no exerccio do atendimento de necessidades

energticas, esta leitura possibilita implantar aes e estratgias alm da fronteira

do processo de transformao, evitando solues unilaterais, devido transferncia

de cargas ambientais entre diferentes impactos, regies ou receptores, ou seja, na

relao ambiente e qualidade de vida humana. Nesse cenrio, a incluso de etapas

como preparo do solo, extrao de recursos, transporte, produo, uso, manuteno

e descarte final do produto intrnseca anlise. Tais caractersticas metodolgicas

adicionadas ao levantamento quantitativo dos impactos ambientais relacionados ao

exerccio da funo de um produto caracterizam a base do mtodo de Avaliao do

Ciclo de Vida (ACV) (Kulay, 2000).

Por outro lado, tratando-se especificamente do uso de biomassa da cana-de-acar

como fonte energtica, um diagnstico termodinmico efetivo sobre qualquer dos

padres de sistemas de cogerao mais utilizados no Brasil, que sirva para formar

uma base slida para tomada de decises e aplicao de aes de engenharia,

passa, necessariamente, por uma anlise exergtica. Segundo Oliveira Jr. (2012),

exergia a parte da energia que pode ser completamente convertida em outras

formas de energia, ou seja, trabalho. Normalmente, o que se observa nas anlises

de sistemas trmicos a tentativa de diagnosticar o desempenho de unidades

geradoras por meio de anlise energtica, restrita a Primeira Lei da Termodinmica.

No entanto, a despeito dos resultados que oferece, Oliveira Jr. (2012) argumenta

que essa anlise considera todas as formas de energia como equivalentes, no

sendo possvel contabilizar a capacidade de realizar trabalho que est sendo

perdida ao longo de um processo, nem onde ocorrem suas irreversibilidades.

Como soluo a essa limitao, Torres (1999) sugere aferir o desempenho do

sistema considerando tambm a Segunda Lei da Termodinmica; ou seja,

realizando uma Anlise Exergtica. Segundo Tsatsaronis e Park (2002) a Anlise

Exergtica complementa a anlise energtica ao oferecer uma melhor medida da

magnitude da energia perdida em relao energia total fornecida sob a forma de

insumo energtico; uma medida da qualidade da energia do ponto de vista

termodinmico; uma varivel para definir a eficincia racional que a relao entre a

20

exergia do efeito desejado e a exergia necessria ao processo, para o sistema

energtico.

Diante dessas constataes, elevam-se categoria de requisitos essenciais a

qualquer anlise de cenrio de cogerao que simule a aplicao de tcnicas

factveis de melhoria de desempenho energtico e a utilizao de biomassa, o

conhecimento e a quantificao dos desdobramentos ambientais e energticos a

eles associados, com o intuito no apenas de identificar aspectos chave destas

aes, como tambm, de dar fundamentao consistente a processos de tomada de

deciso, incorporando, sobretudo a varivel ambiental.

21

2. OBJETIVOS

Tendo em vista o contexto apresentado por ocasio do captulo de Introduo deste

documento, o presente estudo se prope, no nvel de objetivo geral, a produzir um

diagnstico termodinmico e ambiental da cogerao de energia eltrica em usinas

autnomas para diferentes condies de processo e operao dessa tecnologia.

Desta forma, para atendimento ao propsito antes enunciado, esta iniciativa foi

estruturada na forma dos marcos intermedirios, ou objetivos especficos, que esto

descritos a seguir:

Construo de modelo conceitual e representativo de um sistema de

cogerao real, que permita comparar condies operacionais e de projeto

para diferentes status de implementao de alternativas tecnolgicas voltadas

ao aumento da eficincia termodinmica;

Avaliao de desempenhos termodinmico e ambiental do sistema em

questo para distintas condies de projeto e composies de combustveis

derivados de biomassa (bagao e palha) como fonte de energia trmica.

Alm disso, como intentos complementares, porm no menos importante e que so

imediatamente decorrentes desta iniciativa, podem-se ainda citar:

Apresentar uma contribuio indstria sucroalcooleira plasmada na forma

de aferio tcnica de potenciais aes de melhoriade eficincia energtica

sobre o ciclo termodinmico Rankine;

Avaliar a importncia de se incorporar a varivel ambiental de mbito

sistmico a projetos de engenharia voltados ao setor sucroalcooleiro com

vistas a dar suporte a processos gerenciais de tomada de deciso.

22

3. REVISO BIBLIOGRFICA

Este captulo discorre sobre o setor sucroalcooleironos mbitos de suastendncias

de produo e consumo do etanol combustvel e dacogerao energtica no Brasil.

Alm disso, apresenta uma breve reviso bibliogrfica sobre as tcnicas de Anlise

Exergtica e de Avaliao do Ciclo de Vida (ACV).

O mesmo arrazoado se encerra com uma descrio sucinta de estudos

publicadosrecentemente na literatura acadmico-cientfico que associaram de

alguma forma anlises de desempenho ambiental e exergtica, com os interesses

de verificao e de aprimoramento de sistemas de produo de energia eltrica.

3.1. SETOR SUCROENERGTICO NO BRASIL

O setor sucroalcooleiro brasileiro congrega empresas que produzem acar e/ou

etanol, ou que atuam em algum elo da cadeia produtiva desses elementos. No

Brasil, este setor est diretamente relacionado s culturas de cana-de-acar, por se

tratardo principal insumo dos processos produtivos em questo (Lins e Saavedra,

2007).

Destacam-se os seguintes produtos do processo industrial sucroalcooleiro: acar;

etanol combustvel e de uso comum, empregadona confecco de bebidas

alcolicas e para limpezas domsticas; vinhoto; levedura de cana e a eletricidade. O

bagao tem sido utilizado como fonte de energia trmica em sistemas de cogerao

instalados na maioria das usinas sucroalcooleiras do Brasil. Com incorporao da

eletricidade atualmente gerada a partir da cogerao, o setor tambm passou a ser

chamado de setor sucroenergtico (NICA, 2013).

A cana-de-acar uma das mais importantes culturas brasileira. Apresenta um

ciclo produtivo de cinco anos e com produtividade mdia varivel entre 65 e 120

t/hasempre dependendo da regio em que o cultivo ocorre, e da tecnologia agrcola

ali aplicada (MAPA, 2013). Na safra 2011/2012 a cana ocupou 8,5 milhes de

hectares cerca de 2% de toda a terra arvel do pas (CONAB, 2012). Com esse

desempenho, o Brasil se consolida como maior produtor mundial do ativo agrcola,

seguido por ndia, China, Tailndia, Mxico e Paquisto, como mostra a Figura 1.

23

Figura 1 - Srie histrica da produo dos principais pases produtores da cana-de-acar, em milhes de toneladas (MAPA, 2013)

Segundo dados da NICA (2013), em 2012 haviam 437 usinas sucroalcooleiras

ativas no territrio nacional. O cultivo de cana-de-acar se difunde pelas cinco

regies do pas; no entanto, aparece mais concentrado nas regies sul, centro-

oeste, sudeste e nordeste, assim como aparece destacado no mapa constante da

Figura 2.

Figura 2 - Mapa de produo de cana-de-acar no Brasil (NICA, 2013).

24

O estado de So Paulo aparece como o maior produtor nacional de cana-de-acar,

respondendo por 61,8% de sua produo (MAPA, 2013). Nesta regio ocorrem

tambm a maior produtividade agrcola do pas, entre 80 e 98 t/ha ao longo de cinco

colheitas sucessivas entre reformas de terreno. Registram-se em So Paulo picos

de produoda ordem de 140 t/ha, atingidos em geral no primeiro ano de cultivo

(MAPA, 2013). A Figura 3 apresenta a distribuio da produo de cana-de-acar

porestados brasileiros.

Figura 3 - Produo de cana no Brasil por estados (MAPA, 2013)

3.2. O ETANOL COMBUSTVEL

3.2.1. BREVE HISTRICO DO ETANOL

Ao longo dos tempos, a sociedade adotou os derivados de petrleo como fonte de

fornecimento de energia em detrimento de fontes renovveis, devido a seu custo

mais acessvel, e ao fato dos ativos energticos de origem agrcola serem

destinados ao mercado alimentcio. Entretanto, o aumento dos preos do petrleo

cru em virtude de impostos, tenses polticas e conflitos armados, descobertas de

novas reservas menos acessveis, e mesmo, de inovaes tecnolgicas estimulou

a busca por fontes alternativas a ele e a seus derivados. Dentre essas, ganhou

especial projeo o etanol.

25

Desde o incio do sculo XX, Henry Ford j utilizava etanol como combustvel em

motores de combusto interna; porm, devido ao baixo custo da gasolina praticado

poca este visionrio viu-se obrigado a adaptar seus motores a fontes no

renovveis (Marcoccia, 2007). Nessa mesma toada, data de 1925 o primeiro teste

realizado no Brasil com um veculo movido a etanol, segundo informativo do Instituto

Nacional de Tecnologia (INT, 1979).

Apesar dos esforos, os preos acessveis do petrleo impediram que o etanol se

popularizasse como combustvel. Ao longo do perodo que compreendeu a Primeira

Guerra Mundial, o uso do etanol industrial apresentou significativo crescimento,

alcanado a produes entre 50 e 60 milhes de gales por ano. Essa produo

marca o primeiro pico do uso de etanol nos Estados Unidos, que foi desacelerado

nos anos seguintes devido a uma srie de restries impostas pelo governo. A

Segunda Guerra Mundial revitalizou novamente a produo do etanol, muito

utilizado na produo de borracha sinttica e tambm misturado gasolina. Devido

a problemas de abastecimento de petrleo, mistura combustvel chegou a conter

42% de etanol. No entanto, j no ps-guerra constata-se mais uma vez a

deteriorao da produo de etanol, que fica restrito ao uso industrial e farmacutico

(Menezes, 1980).

A terceira onda do etanol veio em 1973, com a crise mundial do petrleo, quando os

preos da gasolina apresentaram uma alta expressiva. Nas dcadas de 1970 e

1980, o etanol era utilizado como 10% da mistura com gasolina para uso

combustvel. No incio da dcada de 1990, o preo do petrleo j apresentava

significativa reduo, levando mais uma vez contrao de mercado do etanol

combustvel nos EUA. Aps a descoberta de que o MTBE (ter metil terci-butlico),

um dos aditivos usados na gasolina, era contaminante persistente de corpos dgua,

o etanol comeou a ser usado como alternativa. A crise energtica que marcou o

incio do sculo XXI tambm contribuiu para retomada do crescimento dos

combustveis e fontes energticas sustentveis (Pellegrini et al. 2009; Marcoccia,

2007).

J no Brasil, a produo de cana-de-acar foi sempre beneficiada devido aos

fatores climticos e de colonizao. Tambm afetado pela crise de 1973, o governo

brasileiro lanou o Programa Nacional do lcool, tambm conhecido como Pr-

26

alcool, visando substituir uma parcela significativa do consumo de combustveis de

origem fssil por etanol de cana-de-acar produzido no pas. Uma medida inicial foi

expandir a mistura de etanol anidro na gasolina para 20%. Em 1976, logo aps outra

crise econmica o governo passou a incentivar tambm o desenvolvimento de

carros que usassem o etanol puro como combustvel, ao invs de gasolina. Nessa

poca a tecnologia de carros Flex ainda no estava disponvel e os consumidores

tinham que escolher entre carros que rodassem com a mistura de gasolina com 20%

de etanol ou com etanol puro. O sucesso do programa deve-se em parte s medidas

regulatrias tomadas pelo governo, que visavam amortecer oscilao dos preos de

gasolina e etanol por meio da ao da Petrobrs como agente interventor (Bertelli,

2005; BNDES, 2008).

A partir de 2003, os carros com tecnologia Flex passaram a ser comercializados em

larga escala, permitindo que o consumidor escolhesse com maior liberdade o

combustvel que pretende utilizar. Com isso, j em 2008, exatos 87% das vendas de

automveis novos j eram de carros com a tecnologia flex (NICA, 2013).

Verifica-se atualmente, no apenas no Brasil, mas tambm em outras partes do

planeta o crescimento de investimentos em tecnologias de produo sustentvel de

combustveis casos do biodiesel e etanol de primeira e segunda gerao , e de

energia como cogerao, hidreltricas, fontes elicas, energia de mars e ondas,

entre outras (Freudenberger, 2009; NICA, 2013).

3.2.2. PROCESSO PRODUTIVO DO ETANOL

No Brasil, a produo de cana compreende os estgios de preparao do solo,

plantio, tratos culturais e colheita. Os processos de preparo do solo e tratos culturais

consomem macronutrientes primrios na forma de amnia, uria, superfosfatos, ou

mesmo fosfatos de mono e diamnio, alm de cloreto de potssio , corretivos de

acidez e defensivos agrcolas triazina, diuron, ametrina, diquat e 2,4-D

essenciais para propiciar o crescimento adequado do cultivo (CTC, 2012). Mquinas

agrcolas e, por consequncia, leo diesel, so parte integrante desta rota

tecnolgica, dado que 63,65% da cana-de-acar colhida em So Paulo advm de

mecanizao (Sugawara, 2012).

27

A cana colhida ento encaminhada s usinas sucroalcooleiras por meio de modal

rodovirio. Nestas, a produo de etanol se d via fermentao alcolica por

leveduras do gnero Saccharomyces cerevisiae em condies controladas de

temperatura (20 30C) e pH (4,5 5,5).

O sistema de preparo e extrao baseado em moendas ou difusores, em que a

obteno do caldo ocorre sobpresso regulada, a qual ser proporcionada por rolos

montados em conjuntos com quatro a sete ternos de moenda sucessivos. O nmero

de conjuntos faz variar a eficincia de moagem desde 94% at 97% em termos de

volume de caldo extrado (Braunbeck e Cortez, 2005).

No conjunto de rolos da moenda, o caldo que contm a sacarose separado da

fibra (bagao), e segue para a produo de etanol ou acar. O tratamento qumico

do caldo ocorre por meio de calagem, aquecimento e decantao. Uma vez tratado,

o caldo evaporado para ajustar sua concentrao de acares e, eventualmente,

misturado com melao residual da linha de produo de acar. O produto desta

etapa, denominado mosto, prossegue para a fermentao. A adio de leveduras ao

mosto permite que o mesmo seja fermentado dando origem ao vinho com

concentrao de 7% a 10% de etanol, aps um perodo de 8 a 12 horas. Na

destilao, o etanol recuperado inicialmente na forma hidratada, com

aproximadamente 96 GL seguindo nesse forma para produo de etanol anidro

quando couber (CGEE e BNDES, 2008).

28

Figura 4 - Diagrama de blocos simplificado para produo de etanol anidro a partir da cana-de-acar numa usina autnoma (Adaptado de Dias et al., 2010)

Numa destilaria ou usina autnoma, toda cana processada serve produo de

acares destinados fermentao, com vistas a obteno de etanol. As etapas

principais do processo de produo de etanol a partir de cana-de-acar em uma

usina autnoma so ilustradas na Figura 4.

Observe-se por fim que o etanol pode ser produzido a partir de praticamente todos

os acares fermentescveis, como por exemplo, oriundos da cana-de-acar, do

milho, da beterraba, entre outros.

3.2.3. ESTATSTICAS DA PRODUO DE ETANOL NO BRASIL

Segundo o Anurio Estatstico Brasileiro do Petrleo, Gs Natural e Biocombustvel

de 2013, a produo total de etanol (anidro e hidratado) no Brasil atingiu em 2012 o

patamar de 23,8 bilhes de litros, impulsionada pelo crescimento 11,4% da produo

de etanol anidro em relao a 2011 (ANP, 2011). O Sudeste foi a regio do pas que

mais produziu, 6,3 bilhes de litros, com destaque para So Paulo, cujo

desempenhorespondeu por 55,7% da produo nacional. A Figura 5 apresenta o

histrico da produo de etanol anidro de 2003-2012.

29

Figura 5 - Evoluo da produo de etanol anidro, segundo grandes regies 2002 a 2013 (ANP,2013)

A partir de 2010 observa-se uma tendncia de aumento na produo de etanol

anidro; tendo em vista que a ampliao de terras agricultveis para a cultura de cana

no acompanhou tal expanso nota-se, por conseguinte, a reduo deproduo de

etanol hidratado, no mesmo perodo, assim como aparece indicado Figura 6.

30

Figura 6 - Evoluo da produo de etanol hidratado, por grandes regies 2003 a 2012 (ANP, 2013)

Em 2012, a produo de etanol hidratado caiu 2,4% em relao safra de 2011. O

Sudeste manteve-se como maior produtor do pas, com 56% do total nacional, e So

Paulo representou 46,4% da produo nacional (ANP, 2013).

Em 2012, o Brasil exportou 3,1 bilhes de litros de etanol, principalmente para os

Estados Unidos; por outro lado, com a queda de produo ocorrida em anos

anteriores foi necessrio importar 554 milhes de litros de etanol, sendo a quase a

totalidade desse volume advinda, curiosamente, tambm dos Estados Unidos (ANP,

2013).

Desde a introduo dos veculos flex em 2003, o setor sucroenergtico cresceu de

maneira vertiginosa at a crise financeira mundial, em 2008. Desde ento, o

mercado brasileiro vem apresentado descompasso entre a oferta efetiva e a

demanda potencial por etanol. O aumento da demanda tem ocorrido principalmente

devido expanso dos veculos flex, enquanto a oferta de etanol no apresentou

grandes avanos em razo da ausncia de investimentos no setor sucroenergtico

em capacidade produtiva nova (expanses e greenfields) nos ltimos anos.

31

A partir de 2008, houve um estreitamento da rentabilidade do combustvel no

mercado domstico que contribuiu para a reduo de investimentos nos chamados

Projetos Greenfields, que consistem em projetos incipientes de novas e modernas

unidades de produo, como mostra a Figura 7. Estima-se um dficit na produo

de etanol no Brasil at 2015 (BNDES, 2012).

Figura 7 - Novas unidades e projetos de novas usinas (BNDES, 2012)

Frente a esse cenrio, torna-se clara a necessidade de buscar novas tecnologias

para aumentar a eficincia dos processos produtivos no pas, a fim de reduzir custos

e a gerar mais produtos a partir da mesma quantidade de recursos primrios.

3.2.4. COMPETITIVIDADE DO ETANOL BRASILEIRO

A busca por alternativas de matrias-primas de fontes renovveis tem sido uma

preocupao mundial. Nesse segmento, o etanol brasileiro proveniente de cana-de-

acar figura como dos mais competitivos. O aumento do consumo de etanol no

mercado interno provocado pela crescente venda de veculos flex-fuel e o potencial

aumento do mercado externo devido s preocupaes com o Aquecimento Global

se desdobrou em aumento da demanda e do consumo de etanol (Braunbeck e

Cortez, 2005).

Segundo Goldemberg et al., (2008), o etanol brasileiro competitivo quando

comparado gasolina devido ao custo relativamente baixo de produo que o pas

pratica. Essa competitividade deve-se a avanos e inovaes tecnolgicas ocorridos

32

na etapa agrcola e industrial, desde o incio do Programa Proalcool at os dias de

hoje. A melhoria dos processos de produo e a integrao energtica com a

cogerao de vapor e eletricidade produzidos pelo bagao de cana-de-acar para

suporte a esse mesmo processamento so exemplos dos avanos tecnolgicos

ocorridos na etapa industrial. Contudo, existem oportunidades a serem exploradas

para tornar o produto mais competitivo, como por exemplo, o desenvolvimento da

tecnologia para o processo produtivo industrial do etanol de segunda gerao a

partir da biomassa da cana-de-acar, que apresenta grande potencial para o

aumento da produtividade do etanol brasileiro (NICA, 2013; CTC, 2014).

3.2.5. ASPECTOS AMBIENTAIS DA PRODUO DO ETANOL

Apesar das caractersticas de sazonalidade, a situao econmica para a atividade

canavieiratem se demonstrado favorvel nos ltimos anos; no entanto, movimentos

em torno da implantao de aes de desenvolvimento sustentvel, sobretudo no

Estado de So Paulo, criam contrates importantes quanto a produzir

biocombustveis em detrimento de alimentos.

Medidas como a certificao de usinas e plantaes visam a ampliao de

mercados, ao sugerir uma imagem de produo mais limpa e sustentvel. No

entanto, segue ativa uma ampla discusso entre produtores, comunidades locais e

organismos de regulamentao ambiental quanto aos problemas socioambientais

relacionados indstria sucroalcooleira e a produo canavieira.

Aspectos ligados monocultura da cana-de-acar, com o uso intensivo de produtos

qumicos fertilizantes e agrotxicos; a queimada das lavouras, que afeta a

qualidade do ar, destroi micro-organismos do solo, e inside sobre a fauna local; e

tambm do derrame de vinhaa e da gua de lavagem da cana nos rios, gerando

assoreamento e contaminao dos corpos hdricos so tambm objetos de critica.

(Goldemberg et al., 2008).

A realidade do setor heterognea; estudos mostram que j existem tecnologias

capazes de reduzir os impactos ambientais associados s atividades da indstria

sucroalcooleira e produo canavieira. Nesse contexto destaca-se, portanto, a

importncia de se realizar uma varredura adequada do desempenho ambiental da

33

produo do etanol. A fim de proporcionar um diagnstico consistente, esta deveria

ocorrer de maneira sistmica em termos de abrangncia, segundo o conceito de

ciclo de vida. Estudos acadmicos efetuados dentro desse recorte sero

apresentados mais a frente, no captulo especfico sobre Avaliao de Ciclo de Vida.

3.3. COGERAO DE ENERGIA ELTRICA

O sistema de cogerao responsvel pelo suprimento de energia trmica e eltrica

nas usinas de cana-de-acar. A cogerao um processo no qual uma fonte de

energia primria alimenta uma mquina ou aparelho trmico que, de sua parte e

pela reao de combusto, transforma a energia qumica do combustvel em

mecnica de eixo, a qual convertida em energia eltrica por meio de geradores

(Balestieri, 2002).

Os primeiros sistemas de cogerao passaram a ser instalados no mundo a partir da

primeira dcada do sculo XX, motivados pela necessidade de independncia

energtica, em vista das crises sistmicas no setor eltrico. A cogerao de energia

eltrica passou a ser uma prtica adotada pela agroindstria sucroalcooleira, em

virtude da disponibilidade de bagao (Gomazako e Oliveira, 2007).

O Instituto Nacional de Eficincia Energtica (INEE) aponta que a importncia da

cogerao enquanto medida de eficincia energtica levou a Unio Europia a

estabelecer, como meta para 2010, o patamar de 18% da energia por ela consumida

ser cogerada a partir de biomassa. Em pases como Holanda e Finlndia, esta forma

de produo j representa mais de 40% da potncia instalada, o que denota uma

tendncia global.

Nos ltimos anos, o excedente de eletricidade produzida nas unidades de cogerao

tem sido exportado para a rede concessionria e vendido via leiles promovidos pela

Agencia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), sob as diretrizes do Ministrio de

Minas e Energia (MME, 2011). Na safra de 2009/2010, menos de 30% das usinas de

cana-de-acar com capacidade de moagem inferior a 2,0 Mt exportaram

eletricidade para a rede (Nyko et al., 2011).

34

O cenrio nacional apresenta uma fundamentada oportunidade de aumentar a

gerao e exportao de eletricidade para a rede, a partir da modernizao dos

sistemas de cogerao, com projetos orientados para melhorar tanto a eficincia

energtica quanto reduzir os impactos ambientais.

3.3.1. CONTEXTO DA COGERAO DE ENERGIA ELTRICA NO BRASIL

As crises do petrleo ocorridas no curso dos anos 1970 provocaram srias

consequncias economia mundial. Para efeito de mitigao deste quadro, dois

grupos de ao foram implementados: a reduo do consumo de energia; e a busca

por combustveis alternativos. Nesse contexto, a utilizao de bagao de cana-de-

acar e de outros tipos de biomassa como insumo energtico passaram a ser

alternativas para diversificao da matriz energtica brasileira (Camargo al., 1990;

Dantas, 2010).

O bagao de cana gerado na produo de acar e etanol j foi tratado como

resduo industrial nas dcadas de 1970 e 1980 (Camargo al., 1990). No entanto,

atualmente, o bagao considerado como subproduto de processo que apresenta

vrias aplicaes industriais; alm do uso como insumo energtico, destaca-se

tambm seu uso potencial como insumo para produo de etanol de segunda

gerao (Dantas, 2010). A perspectiva de aproveitamento energtico do bagao de

cana abriu novas possibilidades de mercado. No entanto, e para tornar vivel esta

alternativa, a melhoria de desempenho tambm em termos energticos dos

processamentos de acar e etanol, bem como, das unidades de cogerao,

assumiu status de componente estratgica em termos de rentabilidade para o setor

sucroalcooleiro.

Por outro lado, a descentralizao do setor eltrico brasileiro, iniciada no final da

dcada de 1990, e a crise no abastecimento de eletricidade no incio dos anos 2000

incentivaram as usinas sucroalcooleiras a produzirem excedentes de energia eltrica

para comercializao (Neoenergia, 2011). Segundo o Ministrio de Minas e Energia

(MME), em 2010, o bagao de cana-de-acar foi responsvel por 3,4% de toda

energia gerada no pas, correspondente a 18,5 TWh dos quais 9,7 TWh foram

consumidos pelo prprio setor, enquanto que os demais 8,8 TWh destinaram-se a

35

abastecer a matriz energtica nacional. No mesmo perodo, dentro do subgrupo de

biomassa, essa fonte correspondeu a 66% de toda energia gerada (MME, 2011).

No setor sucroalcooleiro h ainda um potencial adicional a ser explorado para a

cogerao, que compreende o aproveitamento da palha de cana-de-acar, insumo

que tradicionalmente queimada durante a colheita ou deixada no campo. Um

grande trabalho tem sido realizado no Brasil na busca de melhores tcnicas para a

colheita/transporte dessa biomassa, assim como para aferio de sua

disponibilidade energtica real (Nyko et al., 2011).

O aproveitamento da palha na cogerao ser incentivado pelo fato de que, no

estado de So Paulo, a lei n 11.241 de 2001 proibir a queima da palha em rea

mecanizvel (inclinao do solo menor que 12%) e no-mecanizvel,

respectivamente nos anos 2021 e 2031. Apesar disso, o governo paulista assinou

um Protocolo Agroambiental em que se compromete a cessar a queima at 2014 em

rea mecanizvel e at 2017 em rea no-mecanizvel. Sendo assim, a introduo

gradual da palha gera novos desafios que exigem constante evoluo tecnolgica

para melhor aproveitamento do seu potencial energtico, com possibilidade de

estender a operao das caldeiras para alm do perodo de processamento da cana

(CTC, 2012). Um estudo realizado pelo Instituto Euvaldo Lodi (IEL) em 2008, em

parceria com a Confederao Nacional da Indstria (CNI) e a usina Itaipu Binacional,

apontou que a biomassa da cana tem condies de adicionar ao sistema eltrico

brasileiro aproximadamente 15 GW at 2020, o que equivaleria a incorporar uma

nova Itaipu no parque gerador nacional. Esta constatao consolida a opinio de

que o setor pode ainda contribuir, em muito, para o suprimentoda crescente

demanda por energia no pas (IEL, 2008).

3.3.2. DESCRIO DA BIOMASSA DA CANA-DE-ACAR

Segundo as estatsticas da Unio da Indstria de Cana-de-Acar (UNICA), na safra

2008/2009 o Brasil processou cerca de 570 milhes de toneladas de cana,

produzindo ao redor de 160 milhes de toneladas de bagao. Toda cana-de-acar

produzida no Brasil ainda apresenta potencial de aproximadamente 140 milhes de

toneladas de palha folhas e ponteiros , sendo que uma pequena frao desse

36

total acompanhou os colmos de cana at a indstria e o restante foi queimado ou

permaneceu no campo.

A palha a denominao popular para as partes no colmos da cana-de-acar,

ou seja, toda parte area da planta menos os colmos industrializveis, conforme

apresentado na Figura 8. Assim, a palha composta pelas folhas verdes e secas e

pelos ponteiros de cana, formados pelos entrens imaturos do topo (palmito) e

folhas novas enroladas ao redor. O bagao, por sua vez, um subproduto do

processo de moagem dos colmos na produo de acar e do etanol (IEL, 2008).

Figura 8 - Partes da cana-de-acar (IEL, 2008)

As caractersticas tanto da palha como do bagao apresentam variaes em funo

do local de coleta do material, sistema de despalha e colheita, condies climticas

no local, estgio de desenvolvimento vegetativo da cultura, entre outras (CTC,

2012). Sendo assim, para modelagem, torna-se necessrio a obteno e utilizao

de dados mdios.

A qualidade da biomassa para fins energticos pode ser medida por meio de seu

Poder Calorfico; ou seja, a quantidade de energia liberada na combusto completa

de um combustvel. Ele pode ser dividido em: superior (PCS), em que a gua

encontra-se no estado lquido nos produtos de combusto, o que quer dizer que foi

37

recuperada a parcela correspondente entalpia de condensao da gua; e inferior

(PCI), no qual a gua encontra-se na forma de vapor nos produtos de combusto

(Cortez, 2010).

Em base mida, o bagao amostrado em diversas usinas e situaes no Brasil

mostrou grande amplitude dos resultados quanto ao Poder Calorfico (CTC, 2012).

Dias et al. (2010), em estudo que tratou de simular a produo de etanol a partir da

cana em uma destilaria autnoma, adotaram os seguintes valores mdios para o

bagao com 50% de umidade (base mida): PCIbagao = 7.565 kJ/kg, e para palha

com 15% de umidade (base umida): PCIpalha = 12.960 kJ/kg. As simulaes

efetuadas neste estudo acompanharam os mesmos valores.

Os valores percentuais de bagao gerado na usina e palha gerada no campo

associados a 1,0 t cana processada variam com as prticas culturais e as

peculiaridades regionais. Lora et at. (1997), estabeleceu um modelo para quantificar

a quantidade de biomassa residual da cultura da cana-de-acar, a partir dos

seguintes parmetros:

Coeficiente de Resduos (CR): relao entre a quantidade de resduo total

(em base seca) e a massa da colheita com umidade do campo (MC);

Coeficiente de Disponibilidade (CD): relao entre a quantidade de resduo

disponvel (em base seca) e a massa total de resduos, em %;

Quantidade Total de Resduos (CRE): CRE = MC CR

A partir do modelo, quando se analisa o bagao como resduo, os pesquisadores

apresentam um coeficiente de resduo varivel entre 0,125 e 0,15 e um coeficiente

de disponibilidade de 100%, ou seja, quando toda a biomassa encontra-se em

condies tcnico-econmicas de aproveitamento.

O parmetro fundamental para anlise do bagao de cana o coeficiente de

resduo, determinado pela variedade da cana-de-acar e seu teor de fibras. O

coeficiente de disponibilidade tende na verdade a ser sempre 100% pelo fato de o

material j se encontra no ptio da usina. Portanto, a quantidade total de bagao

disponvel varia entre 125 e 150 kg/t cana, em base seca, ou 250 a 300 kg/tcana,

com 50% de umidade (Corra Neto, 2001).

38

No caso da palha, Corra Neto (2001) a partir do trabalho de Lora et al. (1997),

sugere um coeficiente de resduo entre 0,20 e 0,30, e um coeficiente de

disponibilidade a ser definido. A situao hipottica de coeficiente de disponibilidade

de 100% consideraria a hiptese de que a palha possa ser integralmente

aproveitada (Corra Neto, 2001).

O aproveitamento da palha determinado principalmente pelo coeficiente de

disponibilidade, que varia em funo: da condio de topologia da rea plantada; do

tipo de colheita (mecanizada ou manual); do impacto da queima; e da

disponibilidade de tecnologias e infra-estrutura de processamento e de transporte. A

respeito destas condies deve-se acrescentar a variabilidade da quantidade de

biomassa que deve ser deixada no campo para cumprir o papel de adubo ou para

preservao das caractersticas do solo, dada a multiplicidade de tipos de lato-solo

em que a cana-de-acar plantada (Corra Neto, 2001; Seabra et al., 2012).

Pesquisadores, como Cardoso et al. (2013), consideraram cenrios de recuperao

de palha para cogerao eltrica com percentuais de recuperao de 30%, 50% e,

no mximo, 70%. O interesse pelo aproveitamento da palha tem crescido

recentemente, principalmente devido possibilidade de utiliza-la como fonte de

energia trmica e para produo de etanol de segunda gerao (Leite et al., 2009;

Seabra et al., 2010; Dias et al., 2012).

O desafio est na recuperao da palha depositada no campo aps a colheita

mecanizada. Segundo Cardoso et al. (2013), a questo compreende saber quanto

de palha poderia ser removida do campo de forma a melhorar a tornar a cadeira

produtiva da cana-de-acar ainda mais sustentvel. No h, por exemplo,

consenso quanto quantidade de material a ser deixado no campo (Torquato,

2012).

Vrios pesquisadores esto buscando uma soluo para elucidar esse problema.

Uma Biorrefinaria Virtual de cana (BVC) est sendo construda para avaliar questes

tcnicas, econmicas e ambientais associadas ao tema considerando a cadeia

completa da produo de cana (Cavalett et al., 2012; Dias et al., 2012).

Neste estudo adotou-se a partir de informaes disponveis em literatura abalizada a

referncia de produo de 280 kgbagao (50% umidade)/tcana, e 140 kgpalha (base seca)/tcana

39

equivalentes a 164,7 kgpalha(15% umidade)/t cana (Ensinas, 2008); Seabra, 2008;Dias et al.,

2010; Cardoso et al.,2013),

Assim como ser discutido mais adiante, as simulaes efetuadas para a unidade de

cogerao foram realizadas com duas possibilidades de utilizao de biomassa na

caldeira: a primeira contempla queima de bagao na caldeira com coeficiente de

aproveitamento de 100%; a segunda contempla alm da queima plena do bagao,

tambm a queima da palha com 50% de aproveitamento. O excedente de palha para

este segundo caso foi tratado como resduo deixado no campo

importante comentar que o setor sucroalcooleiro, em seus primrdios, ignorava a

possibilidade de aproveitamento do bagao e muito menos da palha. As usinas

compravam energia eltrica das concessionrias locais e queimava leo

combustvel. Com o passar do tempo, o uso do bagao foi se tornando rotina no

processo de cogerao, pois permitia produzir energias: trmica, para o processo

industrial; e eltrica, para a movimentao mecnica da indstria, iluminao e

outros fins (Romo Junior, 2009).

3.3.3. UNIDADES DE COGERAO E O CICLO RANKINE

A possibilidade da venda do excedente energtico impulsionou a busca por

melhores eficincias das unidades de cogerao, que geralmente so plantas de

potncia com ciclo a vapor, cujo fluido de trabalho gua (H2O) escoa em estado

estacionrio, com auxlio de bombas, atravs da caldeira, turbina e condensador.

Nesse arranjo, no h contato entre o fluido de trabalho e a fonte de calor (Pellegrini

et al. 2009).

Historicamente, os conceitos de ciclo, reversibilidade, e mximo rendimento para

uma mquina trmica, foram introduzidos em 1824 pelo engenheiro francs Sadi

Carnot, na publicao Reflections on the Motive Power of fire (Brscher, 1991). O

ciclo a vapor ideal chamado de Ciclo de Carnot, que opera de maneira reversvel.

Este constitudo por duas etapas isotrmicas conectados por outras duas

adiabticas, tal como apresentado a seguir no esquema da Figura 9 (Van Ness,

2007).

40

Figura 9 - Diagrama de blocos e diagrama T-S do ciclo de Carnot (Van Ness, 2007)

As transformaes termodinmicas ocorridas no Ciclo de Carnot compreendem as

etapas de: vaporizao; expanso adiabtica reversvel; condensao parcial do

vapor saturado; e compresso isentrpica, descritas na Tabela 1.

Tabela 1 - Sucesso de transformaes termodinmicas ocorridas no ciclo Carnot (Van Ness, 2007)

Dadas as dificuldades de operacionalizao das etapas de expanso e compresso

bifsicas, o Ciclo de Carnot costuma, no entanto e em geral, ser substitudo pelo

ciclo Rankine em unidades geradoras de potncia de usinas de cana-de-acar

(Sosa-Arnao, 2008). A produo de energia no ciclo Rankine considera por

transformaes termodinmicas os estgios de: aquecimento isobrico; expanso;

condensao; e produo de lquido sub-resfriado. A Figura 10 e a Tabela 2

descrevem na forma do Diagrama T-S (Temperatura e Entropia) e as

transformaes termodinmicas do Ciclo Rankine.

41

Figura 10 - Diagrama T-S do ciclo Rankine (Van Ness, 2007)

Tabela 2 - Sucesso de transformaes termodinmicas ocorridas no ciclo Rankine (Van Ness, 2007)

Nas dcadas de 1970 e 1980 as unidades de cogerao operavam com caldeiras

capazes de produzir vapor em torno de 20 bar e 300C, e se valiam de turbinas de

contrapresso. Esse quadro sofreu significativa remodelao no sentido de

aumentar a eficincia da cogerao. Os projetos mais modernos utilizam sistemas

que geram vapor com presses entre 44 100 bar e temperaturas acima de 480 C,

e turbinas de extrao-condensao (Sosa-Arnao, 2008). Porm a grande maioria

das usinas ainda operam em baixas condies de presso e temperatura (Tabela 3).

42

Tabela 3 - Distribuio das presses de operao das caldeiras nas usinas brasileiras (IDEA, 2012)

A tendncia natural de que cada vez mais usinas alcancem presses de operao

de 67 a 100 bar e temperaturas acima de 500C; desta forma, alm de atender s

demandas internas, gerar-se- um excedente expressivo de eletricidade destinado

ao suprimento de outros mercados (IDEA, 2012).

Melhorias no arranjo dos equipamentos e aproveitamento da energia no ciclo a

vapor so aspectos ainda pouco explorados no setor sucroalcooleiro que tambm

podem aumentar a eficincia global da cogerao. Sistemas de reaquecimento e

regenerao so exemplos de melhorias do ciclo Rankine. Estesreaquecem o vapor

parcialmente expandido pela passagem deste pelo banco de tubos da caldeira, e

aumentam a temperatura da gua de alimentao da caldeira por meio de trocas

trmicas com vapor extrado da turbina (Moran e Shapiro, 2008).

3.3.3.1. Conceitos para modelagem do Ciclo Rakine na cogerao

O ciclo termodinmico Rankine o modelo conceitual mais utilizado pelas unidades

de cogerao que operam a partir da queima de bagao de cana para modelar o

comportamento termodinmico do processo de converso de calor em trabalho

mecnico (Sosa-Arnao, 2008; Dias et al., 2011). A Figura 11 mostra um ciclo

Rankine Convencional, usado tradicionalmente nas usinas brasileiras.

43

Figura 11 - Representao de um ciclo Rankine convencional de um sistema de cogerao.

O fluido de trabalho bombeado para a caldeira sob alta presso para se tornar

vapor saturado seco, atravs do contato indireto com a fonte trmica de energia

gerada a partir da queima do bagao e da palha. O vapor passa atravs da turbina e

ao expandir produz trabalho de eixo. Evita-se usar vapor saturado na entrada da

turbina afim de no comprometer a vida til do equipamento, por conta da eroso

das ps. Justifica-se ento a recomendao de utilizar superaquecedores nas

caldeiras a fim de obter vapor superaquecido. A associao de caldeiras com

superaquecedores chamada de gerador de vapor (Moran e Shapiro, 2008).

No ciclo termodinmico, o vapor superaquecido se expande atravs da turbina, que

est conectada a um gerador de eletricidade, convertendo trabalho de eixo em

energia eltrica. Em turbinas de extrao-condensao, uma frao de vapor

extrada a um ponto intermedirio da turbina e desviada para a produo de etanol,

ilustrada na Figura 11 pela caixa descrita como processo industrial.

A frao remanescente de vapor expande at o ponto de sada da turbina a uma

presso inferior presso atmosfrica e passa atravs de um condensador a fim de

condensar o fluido de trabalho presso constante. A gua de refrigerao torna-se

lquido saturado aps a troca de calor, sendorecirculado at a torre de resfriamento

evaporativa, onde a energia da condensao do fluido de trabalho rejeitada para a

atmosfera.

44

Aps a condensao o fluido de trabalho passa por um desaerador, entrando em

contato com o condensado que retorna da unidade de produo de etanol, onde

nova troca trmica acontece. A desaerao necessria para manter a pureza do

fluido de trabalho e para minimizar a corroso (Moran e Shapiro, 2008). Finalmente

o fluido de trabalho bombeado de volta para o gerador de vapor e o ciclo se

completa.

3.3.3.2. Efeito do superaquecimento do vapor na caldeira

Conforme apresentado a seguir na Figura 12, o superaquecimento do vapor na

sada da caldeira do ponto 3 para o ponto 3, proporciona duas vantagens

importantes para o ciclo Rankine:

I. Aumento do ttulo (ou qualidade) do vapor na cauda da turbina (ponto 4).

Caso a umidade nos estgios de baixa presso da turbina exceda cerca de

10%, no h somente uma diminuio na eficincia da turbina, mas tambm a

eroso das paletas da mesma pode ocasionar um problema grave.

II. Aumento do rendimento trmico do ciclo, representado pelo aumento da rea

3 3 4 4, do diagrama T-S indicado na Figura 10.

45

Figura 12 - Diagrama T-S do ciclo Rankine com superaquecimento (Van Ness, 2007)

3.3.3.3. Efeito da presso do vapor na sada da caldeira

A Figura 13 mostra na forma do diagrama T-S a influncia do aumento da presso

de vapor na sada da caldeira para um ciclo Rankine.

Figura 13 - Influncia da presso do vapor na sada da caldeira (Van Ness, 2007).

46

Note-se quea elevaoda presso do vapor (ponto 3) provoca aumento do trabalho

na rea hachurada simples e diminuio na rea hachurada dupla. Dessa forma o

trabalho lquido tende a permanecer o mesmo, mas o trabalho rejeitado (rea a 1

4 b) diminui; portanto o rendimento do ciclo Rankine aumenta com o aumento da

presso mxima do vapor. Nota-se, no entanto, que o ttulo no ponto 4 menor que

no ponto 4. Assim, muito embora seja desejvel extrair ao mximo a energia do

fluido de trabalho por expanso, deve-se manter o titulo do vapor de cauda da

turbina em torno de 90%, sempre no sentido de, como j discutido, preservar a

integridade fsica do equipamento.

3.4. MELHORIAS NO CICLO RANKINE

Em grandes centrais termeltricas tradicionalmente so realizadas modificaes no

ciclo Rankine com o objetivo de aumentar sua eficincia trmica. Uma modificao

comum a interrupo da expanso do vapor na turbina para adico de mais calor

processo conhecido como Reaquecimento (Brscher, 1991; Moran e Shapiro, 2008).

Outra forma de promovermelhorias de eficincia trmica na planta compreende o

aumento da temperatura mdia do fludo introduzido no ciclo e, a reduo da

diferena de temperatura entre a fonte quente e o lquido comprimido que

alimentado na

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