Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro

1. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro Joaquim E. A. Seabra FEM / UNICAMP jeaseabra@fem.unicamp.br

2. Escopo da apresentação • Geração de eletricidade e cogeração a partir da biomassa: situação atual e perspectivas, no Mundo. • Geração de eletricidade e cogeração a partir da biomassa no Brasil. • Cogeração a partir da biomassa residual da cana: situação atual e potencial. • Cogeração e MDL. • Tecnologia BIG-GT(CC). • Segunda geração x eletricidade.

4. Experiências mundiais relevantes • Em todo o mundo, boa parte da geração de eletricidade a partir da biomassa está baseada em resíduos, principalmente no próprio local onde estes são disponibilizados. • Assim, grande parte da capacidade existente está nas usinas de açúcar e álcool, nas indústrias de celulose, e com emprego de resíduos sólidos urbanos, seja a partir de sua incineração ou a partir do aproveitamento dos gases gerados na sua decomposição.

5. Geração de eletricidade no Cenário de Referência WEO 2009 • Biomassa para energia elétrica cresce de 259 TWh em 2007 para 840 TWh em 2030. A maior parte vem de plantas de CHP; outras áreas de uso incluem co-firing em plantas a carvão e gás de aterro.

6. Fração de renováveis na geração de energia elétrica

7. Capacidade instalada

8. Investimento em fontes renováveis para eletricidade

9. Comparação com cenário 450

10. Comparação com cenário 450

11. Tecnologias e perspectivas • No presente, a tecnologia majoritária é a dos ciclos a vapor. As UTEs a biomassa são uma ordem de grandeza menores do que as UTEs a carvão, com impacto sobre os custos de capital. • São menos eficientes: rendimentos da ordem de 50% das UTEs a carvão (40-50%). • As tecnologias comerciais mais eficientes são cogeração e co-firing. • As maiores expectativas estão nos ciclos baseados na gaseificação da biomassa (tecnologia não comercial, com apenas uma unidade construída até hoje).

12. Sistemas de potência a vapor

13. Potência e calor

14. Cogeração

15. Tecnologias e perspectivas • A viabilidade da geração de eletricidade a partir da biomassa depende do custo da biomassa, e do custo da instalação. Se não houver biomassa residual, e/ou a baixo custo, as perspectivas são limitadas. • No caso de biomassa residual, não há emissões de GEE associadas à biomassa. Nesse caso, a redução das emissões depende da tecnologia de geração que é deslocada. • Se for preciso plantar, transportar biomassa, etc., as emissões evitadas serão menores. • Custos de geração de 20 US$/MWh no caso de co-firing (em situações favoráveis; baixíssimos custos de emissões evitadas) e de 100-150 US$/MWh no caso de BIG-GT (estimativas; altos custos de emissões evitadas).

16. Geração de eletricidade a partir da biomassa – Brasil • 4,5% da geração total em 2006. • 4,5% da capacidade total instalada em Novembro de 2008. • 4,6 GW, sendo 3,4 GW nas usinas de cana, 0,86 GW nas indústrias de celulose e papel e 0,24 GW com resíduos de madeira. • + 42 MW com biogás e 25 MW com casca de arroz. Walter (2009)

17. Perspectivas para o Brasil • Os custos de produção de biomassa são mais baixos no Brasil em relação a vários países do Mundo, mas o nicho aqui também está no aproveitamento dos resíduos. • O sistema elétrico brasileiro tem particularidades que reduzem o potencial econômico da geração a partir da biomassa. O sistema elétrico precisa de complementação térmica, com unidades flexíveis, o que não é o caso da cogeração com resíduos. • O aproveitamento de resíduos onde estão disponíveis, inclusive com geração de eletricidade excedente, não deve ser solução geral, mas pode ter grande importância local ou regional.

18. Cogeração a partir da biomassa residual da cana • A figura ao lado mostra a evolução da produção de eletricidade a partir da biomassa residual da cana (bagaço, principalmente), a partir de 1990. • Há comercialização de eletricidade excedente desde 1987. Em termos médios, só em 1995 as usinas brasileiras atingiram a auto-suficiência. Walter (2009)

19. Cogeração a partir da biomassa residual da cana – tecnologia básica

20. Cogeração a partir da biomassa residual da cana – uma boa configuração Caldeira AP Caldeira MP Bagaço Bagaço Vapor AP Vapor 22 bar Vapor 2,5 bar Processos

21. Cogeração a partir da biomassa residual da cana – a “melhor” configuração Caldeira AP • Melhor tecnologia “comercialmente” disponível: (i) geração de vapor a > 60 bar, 450°C, (ii) redução da demanda de vapor de processo para 300 kgv/tc, ou menos, (iii) eletrificação dos processos de acionamento mecânico, e (iv) queima conjunta de bagaço e palha da cana. Bagaço / palha Vapor AP Vapor 2,5 bar Cond. Processos

22. Problemas (potenciais) para queima da palha

23. Componentes

24. Rendimentos CTC (2001)

25. Investimento EPE (2008)

26. Rendimentos e custos da eletricidade excedente Seabra (2008)

27. Plano Decenal de Energia 2019 Energia contratada x potencial técnico de bagaço de cana-de-açúcar EPE (2010)

28. Plano Nacional de Energia 2030 Geração de energia elétrica excedente a partir da biomassa do setor sucroalcooleiro. Segundo as tecnologias de geração termelétrica empregadas na expansão e renovação no parque industrial do setor sucroalcooleiro – GWh/ano EPE (2007)

29. Comparando resultados e potencial • A figura ao lado mostra uma comparação de resultados associados a diferentes alternativas de geração de eletricidade por cogeração. • A relação entre a situação de auto-suficiência e a potencial geração em ciclos BIG-CC é 23, e 13 em relação aos sistemas CEST otimizados. Walter (2007)

30. Redução das emissões de GEE - MDL • Vários projetos de expansão da cogeração em usinas foram submetidos no âmbito do MDL. • O cálculo das emissões evitadas segue metodologia aprovada pela UNFCCC.

31. Cálculo da margem combinada

32. Esquema da operação em um dia Walter (2007)

33. Fatores de emissão

34. Emissões para plantas de geração Weisser (2007)

35. CARB LUC: 46 g CO2eq/MJ California ARB (2009)

36. US EPA EPA (2010)

37. Ciclos combinados

38. O desafio do desenvolvimento tecnológico – e.g., BIG-CC

39. B-IGCC aquecimento indireto Jinet al. (2009)

40. B-IGCC pressurizado Jinet al. (2009)

41. Eficiências e custos projetados Jinet al. (2009)

42. Exemplos de biorrefinariasde cana Juice processing Cane juice Ethanol Steam Electricity Juice processing Cane juice Mill’s power plant Ethanol Cane trash Electricity Bagasse Steam Electricity Adjacent plant Mill’s power plant Bagasse surplus Electricity Bagasse Electricity option: Power plant Electricity OR Bagasse surplus Ethanol option: Biochem. conversion plant Ethanol Electricity

43. Plantas anexas Seabraand Macedo (2011); Macedo andSeabra (2008)

44. Aproveitamento da biomassa

45. Capacidade de mitigação de emissões de GEE(kg CO2eq/t cana)

46. Capacidade de mitigação de emissões de GEE

49. Segunda geração x eletricidade Walter e Ensinas (2010)

50. Rota Termoquímica x Bioquímica Seabraet al. (2010)