Cogeração

Cogeração: como funciona a produção de energia elétrica numa usina sucroalcooleira

As necessidades energéticas de uma destilaria autônoma, relacionadas às demandas de calor, eletricidade e energia mecânica, são atendidas pela planta de cogeração que consome a biomassa residual gerada no processo. O bagaço de cana, atualmente empregado como combustível em todas as usinas de cana-de-açúcar existentes no país, é consumido em sistemas a vapor que, ao operarem com maior eficiência, propiciam a redução do consumo de combustível e/ou aumento da geração de excedentes de eletricidade.

O processo produtivo demanda vapor a baixa pressão, normalmente a 2,5 bar, como fonte de calor para processos de tratamento e evaporação do caldo e destilação do etanol. O consumo de vapor pode variar em função do grau da tecnologia e da integração térmica existente, o que influencia diretamente o consumo de combustível na caldeira. Além disso, sistemas de cogeração que operam com turbinas de extração-condensação necessitam baixos consumos de vapor de processo para que o último estágio das turbinas tenha condições de operar com vazões suficientes para justificar o investimento.

Os sistemas de preparo da cana e de extração do caldo também são consumidores de vapor para acionamento das turbinas, que fornecem energia mecânica aos picadores, desfibradores e ternos de moenda. Normalmente, a extração de vapor para atendimento dessa demanda ocorre a 22 bar de pressão, sendo que a vazão varia de acordo com a eficiência da turbina de acionamento. A substituição das antigas turbinas de simples estágio por turbinas multiestágio, de maior eficiência, vem ocorrendo em muitas usinas e destilarias, o que possibilita o aumento da geração de excedentes de eletricidade no sistema de cogeração.

Outro avanço tecnológico importante quanto ao sistema de preparo e de moagem da cana é o emprego de motores elétricos para acionamento dos equipamentos, em substituição às turbinas a vapor. A eletrificação desses sistemas possibilita um aumento significativo na eficiência de conversão da energia, o que resulta em aumento de geração elétrica excedente. Alternativamente, algumas usinas têm empregado sistemas de acionamento hidráulico, que representam uma solução intermediária, do ponto de vista da eficiência e da geração de excedentes elétricos, entre o acionamento puramente elétrico e o acionamento puramente mecânico diretamente viabilizado por turbinas a vapor.

Sistemas a vapor: caldeiras, turbinas e geradores

Atualmente, no Brasil e em todo o mundo, somente sistemas a vapor são encontrados nas usinas de cana-de-açúcar. Esta é uma tecnologia amplamente conhecida pelo setor e, no Brasil, são utilizados majoritariamente equipamentos de fabricação nacional. Diversos fabricantes de caldeiras, turbinas a vapor e geradores elétricos são encontrados na indústria nacional, sendo que muitos também atendem o mercado externo.

Os sistemas de cogeração mais eficientes em operação no setor de cana-de-açúcar nacional são ciclos a vapor que trabalham com vapor vivo a 65 bar de pressão (variando entre 60 e 65 bar na maioria dos casos) e 480ºC de temperatura. A tendência verificada junto aos fabricantes é o emprego de parâmetros mais elevados na geração de vapor, propiciando maior eficiência na geração elétrica. Existem diversas consultas de usinas para viabilizar sistemas que operem a mais de 80 bar de pressão, embora as vendas ainda se concentrem em sistemas de 42 e 65 bar. Foi verificado que um projeto, atualmente em construção, conta com um sistema de 90 bar de pressão.

O aumento da temperatura do vapor gerado pelas caldeiras é outro fator considerado para aumento de eficiência na geração elétrica. São encontradas no mercado caldeiras de 65 e 90 bar com temperatura máxima de 520°C. Segundo fabricantes de caldeiras, existe uma limitação econômica para o emprego de temperaturas mais altas na geração do vapor vivo, uma vez que no Brasil são produzidos aços que podem suportar temperaturas de até 520ºC. O emprego de aços especiais, que suportam temperaturas acima deste nível, teria que ocorrer com a importação do material ou por encomenda de lotes específicos à indústria nacional, o que torna os custos proibitivos.

Também foi verificada uma tendência de aumento da capacidade de geração de vapor das caldeiras destinadas ao setor sucroalcooleiro. Atualmente, a maior parte das vendas destina-se a caldeiras de capacidade de geração de vapor de 150 a 250 t/h e eficiência acima de 85% (base PCI), segundo os fabricantes. Novos projetos em fase de conclusão e alguns já instalados contam com caldeiras de 300 a 450 t/h de vapor gerado.

A tendência, quando se trata de caldeiras de maior capacidade, é a construção de caldeiras do tipo monodrum. Essa tecnologia é novidade no setor sucroalcooleiro, mas já vem sendo empregada há vários anos, no Brasil e no mundo, em setores como o de papel e celulose, petroquímicas e termelétrico. Segundo os fabricantes, a tecnologia possibilita a adoção de grandes vazões de vapor e pressões superiores a 100 bar.

Com relação às turbinas a vapor nacionais, verificou-se que os sistemas mais modernos vendidos atualmente para o setor de cana-de-açúcar são turbinas que operam com vapor de entrada a 65 bar e 490ºC e com sistemas de condensação e extração controlada e contrapressão. A potência das turbinas nacionais, segundo os fabricantes, está limitada a 50 MW por motivos econômicos, uma vez que os geradores elétricos nacionais atendem somente até esse nível de potência, sendo a importação desinteressante do ponto de vista da viabilidade do investimento.

Foi verificado que existe tecnologia na indústria nacional para produção de turbinas a vapor de reação com potência de até 150 MW, operando com vapor de admissão de até 120 bar e 530°C, mas destinadas ao mercado externo. Alguns projetos estão em andamento visando à compra de turbinas de 85 bar e 520ºC. Entretanto, parte significativa das vendas ao setor estava concentrada em turbinas que operavam com vapor a 22 bar/320ºC (sistemas que apenas viabilizavam a autossuficiência do atendimento elétrico) e 42 bar/420ºC (que permitiam a geração de excedentes elétricos modestos); a partir de 2007 a maioria dos equipamentos vendidos são para condições de vapor acima de 60 bar, possivelmente motivado por financiamentos mais favoráveis para esta situação.

Para simulação do excedente de eletricidade gerado pelas destilarias dentro dos cenários de evolução tecnológica nos horizontes de 2015 e 2025 apresentados nestas projeções, foram consideradas duas variantes associadas à hipótese de produção, ou não, de