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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ - UNIOESTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA
COMPARAÇÃO DE INDICADORES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E
EXERGÉTICA EM DUAS INDÚSTRIAS DO SETOR
SUCROALCOOLEIRO.
FLORIAN SCHIRMER
CASCAVEL – PR
2006
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FLORIAN SCHIRMER
COMPARAÇÃO DE INDICADORES DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E
EXERGÉTICA EM DUAS INDÚSTRIAS DO SETOR
SUCROALCOOLEIRO.
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Agrícola
em cumprimento parcial aos requisitos
para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Agrícola, área de concentração
em Engenharia de Sistemas
Agroindustriais.
Orientador: Prof. Dr. Celso Eduardo Lins
de Oliveira
Co-orientador: Prof. Dr. José Antonio Rabi
CASCAVEL – PR
2006
Florian Schirmer
“Comparação de indicadores de eficiência energética e exergética em
duas indústrias do setor sucroalcooleiro”
Dissertação aprovada como requisito parcial para obtenção do grau de
Mestre no Programa de Pós-Graduação “stricto sensu” em Engenharia Agrícola,
da Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE, pela comissão
formada pelos professores:
Orientador: Prof. Dr. Celso Eduardo Lins de Oliveira
UNIOESTE/CCET – Cascavel - PR
Prof. Dr. José Airton Azevedo dos Santos
UTFPR – Medianeira - PR
Prof. Dr. Jair Antônio Cruz Siqueira
UNIOESTE/CCET – Cascavel - PR
Cascavel, 27 de junho de 2006.
i
i
DEDICO ESTE TRABALHO
Aos meus pais,
Eron Milton Schirmer e Marlene Maria Costa Schirmer.
Por todo o apoio, motivação, confiança, exemplo de vida e por
acreditarem em mim.
A minha noiva,
Fernanda Gaio Pacheco
Pelo companheirismo, confiança, estímulo e paciência.
Aos meus irmãos,
Hamilton Schirmer, Peter Schirmer e Karin Schirmer;
Pelo apoio, amizade, carinho e pelo senso de família.
Aos meus amigos,
Pela amizade, incentivo, respeito e companheirismo.
E, ainda,
Ofereço este trabalho a todos aqueles que acreditaram em mim.
“Embora ninguém possa voltar atrás e fazer um novo começo,
qualquer um pode começar agora e fazer um novo fim.”
Chico Xavier
i
AGRADECIMENTOS
A Deus, por ter estado do meu lado sempre, indicando-me o caminho
correto, dando-me forças para a vida e realização desse trabalho.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Celso Eduardo Lins de Oliveira, por sua
dedicação, interesse e principalmente por sempre me apoiar quando eu precisei.
À Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE), Campus de
Cascavel, em especial ao Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas e aos
professores, por terem me concedido a oportunidade da realização deste curso.
Ao Amigo Jorge Tomoyoshi Tamagi, pelo incentivo, estímulo, amizade
e, principalmente, por não me deixar desistir.
À Usaciga – Açúcar Álcool e Energia Elétrica Ltda. nas pessoas do
engenheiro químico Leandro Tormena, do engenheiro eletricista Reginaldo
Duarte Chaves e de todos que colaboraram direta ou indiretamente para a
realização desse trabalho na Indústria.
Ao acadêmico de engenharia agrícola da UNIOESTE César Marim, pelo
grande apoio na confecção do trabalho.
Aos acadêmicos de Engenharia de Alimentos da USP Fausto Makishi e
Juliana Letra, pelo grande interesse e dedicação nos estudos realizados na Usina
Dedini.
Aos meus amigos que, direta ou indiretamente, contribuíram para o
sucesso desse trabalho, o meu sincero agradecimento.
v
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 1
1.1SETOR SUCROALCOOLEIRO NO BRASIL E NO PARANÁ..................... 1
1.2INCENTIVO GOVERNAMENTAL À INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA
.......................................................................................................... 2
2 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................ 6
1.3A IMPORTÂNCIA DA BIOMASSA NA GERAÇÃO DE ENERGIA........... 6
1.4A COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA......................... 9
1.5A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SETOR INDUSTRIAL .......................12
1.6EXERGIA NA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA...................................17
1.7EQUIPAMENTOS PARA COGERAÇÃO.....................................................19
3 MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................................. 20
1.8USINAS ANALISADAS................................................................................ 20
1.9DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO....................................................................22
3.1.1 Consumo de Bagaço .................................................................................... 22
3.1.2 Bagaço Excedente ........................................................................................ 23
3.1.3 Potência Média Fornecida pelos Geradores ................................................ 24
3.1.4 Energia Produzida pelos Geradores ............................................................. 24
3.1.5 Consumo Elétrico da Fábrica ....................................................................... 25
3.1.6 Energia Disponível para a Venda ................................................................ 25
3.1.7 Potência Média Exportada ........................................................................... 26
3.1.8 Consumo Específico .................................................................................... 26
3.1.9 Geração Média ............................................................................................. 26
3.1.10 Fator de Utilização ..................................................................................... 27
1.10DIAGNÓSTICO EXERGÉTICO..................................................................27
3.1.11 Eficiência da Primeira Lei da Termodinâmica .......................................... 28
3.1.12 Eficiência da Segunda Lei da Termodinâmica .......................................... 28
3.1.13 Definição da Equação de Exergia .............................................................. 29
3.1.14 Eficiência Racional da Segunda Lei para Caldeiras .................................. 31
3.1.15 Exergia do Bagaço ..................................................................................... 31
v
3.1.16 Fator de Utilização de Energia - FUE ........................................................ 32
3.1.17 Economia de Energia de Combustível - ESI ............................................. 33
3.1.18 Razão de Poupança de Energia do Combustível - RPEC .......................... 34
3.1.19 Combustível Destinado à Produção de Potência - FCP ............................. 34
3.1.20 Eficiência de Geração de Potência - E ....................................................... 35
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................... 36
1.11INDICADORES ENERGÉTICOS................................................................36
4.1.1 Quantidade de Bagaço Consumido e Bagaço Excedente ............................ 38
4.1.2 Medições Setoriais do Consumo de Energia ............................................... 40
4.1.3 Potência Média Fornecida pelos Geradores ................................................ 42
4.1.4 Energia Gerada e Comercializada ............................................................... 43
4.1.5 Energia Produzida pelos Geradores ............................................................. 44
4.1.6 Energia Disponível para Venda ................................................................... 45
4.1.7 Potência Média Exportada em kW .............................................................. 45
4.1.8 Consumo Específico .................................................................................... 46
4.1.9 Geração Média ............................................................................................. 47
4.1.10 Fator de Utilização ..................................................................................... 48
1.12INDICADORES EXERGÉTICOS................................................................49
4.1.11 Rendimento da 1 ° Lei da Termodinâmica, Eficiência Racional e Eficiência
Racional com Perdas ....................................................................... 52
4.1.12 Eficiências das Caldeiras ........................................................................... 54
4.1.13 Critérios de Desenvolvimento Baseados na Primeira Lei da
Termodinâmica ............................................................................... 55
4.1.13.1 Fator de utilização de energia - FUE ...................................................... 55
4.1.13.2 Eficiência de geração de potência para o sistema - E = 1/FCP .............. 56
4.1.13.3 Razão de poupança de combustível - RPEC ........................................... 56
4.1.13.4 Combustível destinado à produção de potência - FCP ........................... 57
CONCLUSÃO.....................................................................................................58
REFERÊNCIAS.................................................................................................. 60
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores médios do coeficiente de resíduos CR............................... 8@~
Tabela 2 - Características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base seca
.....................................................................................................9@~
Tabela 3 - Equipamentos de cada usina..........................................................28@~
Tabela 4 - Critérios de desempenho de sistemas térmicos............................. 35@~
Tabela 5 - Dados fornecidos pela Usina Usaciga........................................... 37@~
Tabela 6 - Dados fornecidos pela Usina Dedini............................................. 38@~
Tabela 7 - Quantidade de bagaço produzido, consumido e excedente da Usina
Usaciga......................................................................................39@~
Tabela 8 - Quantidade de bagaço produzido, consumido e excedente da Usina
Dedini........................................................................................39@~
Tabela 9 - Consumo de energia do período da safra por setores da Usaciga..40@~
Tabela 10 - Consumo de energia do período da safra por setores da Dedini..41@~
Tabela 11 - Potência média fornecida pelos geradores em kW......................42@~
Tabela 12 - Energia gerada e comercializada na safra 2005 da Usaciga........43@~
Tabela 13 - Energia gerada e comercializada na safra 2005 da Dedini.......... 44@~
Tabela 14 - Energia produzida pelos geradores..............................................44@~
Tabela 15 - Energia disponível para venda em kWh...................................... 45@~
Tabela 16 - Potência média exportada para concessionária............................46@~
Tabela 17 - Consumo específico em kWh por tonelada de cana moída......... 47@~
Tabela 18 - Geração média em MW...............................................................48@~
Tabela 19 - Fator de utilização....................................................................... 49@~
Tabela 20 - Dados fornecidos dos equipamentos do processo da Usaciga.....50@~
Tabela 21 - Dados fornecidos dos equipamentos do processo da Dedini.......51@~
Tabela 22 - Rendimento da 1° lei, eficiência racional e eficiência racional com
perdas da Usina Dedini............................................................. 53@~
v
Tabela 23 - Rendimento da 1° lei, eficiência racional e eficiência racional com
perdas da Usaciga......................................................................53@~
Tabela 24 Eficiência racional da primeira lei e da segunda lei da termodinâmica
para Usina Dedini......................................................................55@~
Tabela 25 - Eficiência racional da primeira lei e da segunda lei da termodinâmica
para Usaciga..............................................................................55@~
Tabela 26 Critérios de desempenho baseados na primeira lei da termodinâmica
...................................................................................................57@~
i
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Evolução do consumo energético.................................................... 7@~
Figura 2 - Divisão de exergia..........................................................................18@~
Figura 3 - Foto aérea da Usina Dedini - Fazenda São Luiz............................21@~
Figura 4 - Foto da Usina Usaciga................................................................... 21@~
Figura 5 - Correia transportadora de bagaço...................................................23@~
Figura 6 - Montanha de bagaço excedente..................................................... 24@~
x
RESUMO
Este trabalho teve como objetivo estudar e comparar indicativos energéticos e
exergéticos de duas indústrias do setor sucroalcooleiro. O estudo foi realizado no
período de safra 2005 em ambas as indústrias. Optou-se em se fazer o
experimento utilizando-se dados das caldeiras individualmente em cada indústria,
quantidade de cana moída, propriedades da cana e do bagaço, quantidade de
energia envolvida no processo por setores, energia comercializada com a
concessionária de cada região e características de cada equipamento envolvido no
processo. Os dados foram colhidos dos bancos de dados dos respectivos
departamentos e por meio de entrevistas com os responsáveis de cada setor,
sendo o trabalho baseado em estudos feitos pelas médias diárias e mensais dos
dados coletados. Os resultados apontaram que cada indústria analisada tem
indicadores diferentes para cada dado estudado. O estudo comprova que ambas
as usinas necessitam de equipamentos mais eficientes. Já os indicadores
exergéticos apresentaram resultados muito próximos aos do estudo feito para a
Usina Vale do Rosário e mencionados neste trabalho.
Palavras–chave: cogeração, indicadores energéticos, indicadores exergéticos,
eficiência energética.
x
ABSTRACT
This work has an objective to study and to compare energetic and exergetic
indicatives of two sugar and alcohol sector industry. The study was realized in
2005 harvest time at both industries. It was opted in doing the experiment
collecting datas from individual boilers in each industry, quantity of ground cane,
properties of cane and bagasse, quantity of energy involved in process per
sectors, commercialized energy with the concession of each region and
characteristics of each equipment involved in the process. The data were
collected from respective department data-bank and through interviews with the
responsibles for each sector, being the work based on studies done by diary and
monthly average from collected data. The results pointed that each analyzed
industry has different indicators for each studied data. The study states that both
factories need more efficient equipments. And exergetic indicators presented
results next to the studies done to Vale do Rosário Factory and mentioned on this
work.
Keywords: combined heat and power station, energetic indicators, exergetic
indicators, energetic efficiency.
x
1 INTRODUÇÃO
1.1 SETOR SUCROALCOOLEIRO NO BRASIL E NO PARANÁ
O setor sucroalcooleiro brasileiro tem cadastrado no Ministério da
Agricultura, Pecuária e Abastecimento 346 unidades industriais de produção de
açúcar e álcool em todo o Brasil. Dessas, 28 estão situadas no Estado do Paraná e
157 estão no Estado de São Paulo, o maior em termos de produtividade e também
número de usinas. O Brasil produziu, segundo o Ministério da Agricultura,
Pecuária e Abastecimento, na safra de 2003/2004, um total de 389.929 mil
toneladas de cana, em uma área de 5.343 mil hectares de terra, resultando em
uma produtividade média de 72,98 toneladas por hectar. (MAPA, 2005)
Segundo MACEDO (2001), de cada tonelada de cana resultam: 140 kg
de bagaço, 150 kg de açúcar, 140 kg de palha, que hoje é perdida na queimada no
campo. Para o mesmo autor, o autoconsumo de energia elétrica de uma usina (12
kWh/t cana) e o uso de energia mecânica (16 kWh/t cana) correspondem a uma
potência instalada de cerca de 2,4 GW e conclui que as usinas utilizam cerca de
330 kWh/t de cana.
A energia renovável produzida pelas usinas para uso externo, hoje
principalmente etanol, é cerca de nove vezes maior que o insumo fóssil utilizado
na sua produção, tornando o processo o mais atraente entre os usos comerciais de
energia alternativa no mundo, sob o ponto de vista de sustentabilidade, com a
redução da emissão de gases de efeito estufa em cerca de 12,7 milhões de
toneladas de carbono (MACEDO, 2001).
Na área agricultável do Paraná, SHIKIDA (2001) cita que, em 1998, o
PIB total do Estado foi de US$ 46,9 bilhões, sendo o setor sucroalcooleiro
responsável por US$ 1,1 bilhão desse total, ou seja, 2,3% do PIB estadual. O
Paraná vem se destacando nacionalmente pela sua produtividade média de
74 t/ha na safra 99/00, quando a média nacional ficou em 69 t/ha. Das 28
indústrias do estado que processam cana, 8 são somente destilarias autônomas e
20 são usinas com destilaria anexa. O mesmo cita também que as unidades
industriais são responsáveis, quando em período de safra, pela geração de 70.000
empregos diretos e 200.000 empregos indiretos.
SHIKIDA (2001) cita que as usinas do Estado do Paraná produziram na
safra 1999/2000 1429 milhões de toneladas de açúcar e 1049 bilhões de litros de
álcool, dos quais 615,6 milhões de litros referiram-se a produção de álcool
hidratado e 433,5 milhões de litros à produção de álcool anidro.
1.2 INCENTIVO GOVERNAMENTAL À INDÚSTRIA
SUCROALCOOLEIRA
Após a grande crise mundial do petróleo, em 1973, o Brasil, que
importava 80% das suas necessidades de petróleo, precisou de um programa
inédito mundialmente para criar uma nova fonte de energia alternativa. Em 1975,
o governo em parceria com a iniciativa privada, lançou o Programa Nacional do
Álcool - PRÓALCOOL, que foi a primeira iniciativa mundial para a produção de
energia alternativa em larga escala.
A implantação do PRÓALCOOL dividiu-se em duas etapas. A primeira,
iniciada em 1975, utilizou a infra-estrutura existente em produção de álcool
anidro a ser adicionado na gasolina; a segunda, marcada por outra crise do
petróleo em 1979, além de produzir álcool anidro, passou a fabricar álcool
hidratado que serviria para consumo em veículos projetados para o uso exclusivo
do álcool como combustível. Conscientes da necessidade do mercado, os
2
fabricantes lançaram a partir de 2003 motores bicombustível, ou seja,
funcionando com álcool ou gasolina, conforme o desejo do consumidor,
ampliando ainda mais a comercialização do álcool hidratado no Brasil.
Em 2004, o governo lançou um novo programa denominado: Programa
de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica - PROINFA. Esse
programa visa à diversificação da matriz energética nacional e a garantir maior
confiabilidade e segurança no abastecimento de energia elétrica no Brasil. O
programa, coordenado pelo Ministério de Minas e Energia, estabelece a
contratação de 3.330 MW de energia no Sistema Interligado Nacional, produzido
por fontes Eólicas, Biomassa e Pequenas Centrais Hidrelétricas, sendo 1.100
MW para cada fonte. Criado em 26 de abril de 2002, muitas usinas de açúcar e
álcool estão usufruindo do programa para instalação de geradores para
exportação de energia. O PROINFA é um programa governamental que tem o
apoio a investimentos em fontes alternativas renováveis de energia elétrica com
crédito de financiamento de até 70% do investimento, com o suporte do BNDES,
excluindo apenas bens e serviços importados e a aquisição de terrenos. Os
investidores devem garantir somente 30% do projeto com capital próprio.
Devido a projetos como o PROINFA, que incentivam empresas a gerar
energia, com isso a matriz energética brasileira tem vantagens como a geração
descentralizada, ficando a geração mais próxima das unidades consumidoras;
vantagens econômicas, como combustíveis e equipamentos nacionais;
crescimento no setor de máquinas e equipamentos, com conseqüente aumento na
arrecadação de impostos; vantagens sociais, com a utilização de mão-de-obra da
zona rural; e vantagens ambientais, pela produção de um combustível limpo e
renovável, com balanço nulo de carbono (GUARDABASSI, 2002).
A urbanização crescente, a industrialização e a modernização das
atividades industriais têm gerado um aumento do consumo de energia nos países
em desenvolvimento (JANNUZZI; SWISHER, 1997). No Brasil esse aumento
também tem sido sentido e, com a retomada do crescimento econômico, a
preocupação com a disponibilidade de energia cresce.
3
TOLMASQUIM (1998) afirma que a eficiência energética aumenta
quando se consegue realizar um serviço e/ou produzir um bem com uma
quantidade de energia inferior a que era usualmente consumida. Para esse autor,
eficiência energética embute, assim, outros conceitos relacionados a
características técnicas dos equipamentos de geração de energia, dos processos
produtivos, dos bens produzidos, dos equipamentos de uso final de energia e as
características econômicas.
O mesmo autor cita que o consumo específico de energia é o consumo de
energia por bem de serviço produzido. As variações da eficiência energética se
devem a combinações de diferentes fatores: aspectos tecnológicos, efeitos
sazonais, aspectos sócio-culturais, efeitos estruturais, aspectos econômicos e
políticos.
A necessidade de conservar e racionalizar o uso de energia elétrica no
Brasil levou o Governo, por meio das concessionárias estatais de energia elétrica,
cirando várias agências para aplicação de Energia: CEPEL, CODI, comandadas
pela ELETROBRÁS, o DNAEE e em sintonia com a Iniciativa privada,
ABILUX – Associação brasileira da indústria de iluminação, ABRAVA –
Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e
Aquecimento e outras, à criação do PROCEL – Programa Nacional de
Conservação de Energia Elétrica. Esse programa tem como objetivos, promover
a conservação e combater o desperdício de energia elétrica, utilizando-se de
planos estratégicos, aplicados para a indústria, para o comércio, para o setor
residencial e bem discretamente para o meio rural, por meio de iniciativas das
concessionárias e de órgãos governamentais, como elaboração de manuais,
distribuição de prêmios, realização de palestras, aplicação de tarifas
diferenciadas, utilização de fontes renováveis, etc. (SERAPHIM; TEIXEIRA,
1997).
Diante do exposto, foi estabelecido como objetivo para este trabalho:
comparar os indicadores de eficiência energética e exergética em duas indústrias
do setor sucroalcooleiro. Espera-se com isso fornecer uma ferramenta importante
para o planejamento industrial, com a possibilidade de análise do impacto no
4
consumo de energia referente a modernizações tecnológicas e, também, mostrar a
influência do setor sucroalcooleiro no planejamento energético nacional.
Para que isso ocorra, serão identificados indicadores de fator de
utilização de energia, economia de energia de combustível, razão de poupança de
energia, quantidade de combustível destinado à produção de potência e eficiência
de geração de potência.
5
2 REVISÃO DE LITERATURA
1.3 A IMPORTÂNCIA DA BIOMASSA NA GERAÇÃO DE ENERGIA
Segundo LORA (1997), o termo biomassa abrange a matéria vegetal
criada pela fotossíntese e seus derivados, tais como: resíduos florestais e
agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica contida nos resíduos domésticos
e municipais. A biomassa pode ser dividida em duas categorias:
− biomassa tradicional: lenha, carvão vegetal, palha e casca de arroz,
resíduos vegetais e animais.
− biomassa “moderna”: resíduos da utilização industrial da madeira,
bagaço de cana, culturas energéticas e resíduos urbanos.
Larson, apud LORA (1997), afirma que 15% da energia primária
consumida no mundo é obtida a partir da biomassa. Nos países em
desenvolvimento esse índice atinge 38,1%. Na América Latina a utilização da
biomassa como combustível corresponde a 19,1% do consumo total de energia
(Olade, apud LORA, 1997). O balanço energético brasileiro de 2004 informou
que a produção da energia primária a partir da biomassa é de 60,1% . O gráfico
da Figura 1 mostra a evolução do consumo energético do bagaço de cana de
açúcar, citada no balanço energético nacional de 2004.
6
Evolução do consumo energético
0
5000
10000
15000
20000
25000
1988
1
99
0
1992
19
9
4
19
9
6
19
9
8
20
0
0
2
00
2
Ano
Consumo energético
do bagaço de cana
(10
3
tep)
Evolução do consumo
energético do bagaço
da cana
Figura 1 - Evolução do consumo energético.
Fonte: Balanço Energético Nacional 2004 (MME, 2005).
Devido à falta de investimentos no setor elétrico, o Brasil passou no final
da década de 90 por uma crise no setor. Isso fez com que fontes de energia não
convencionais, principalmente as fontes como biomassa que, tecnicamente e
economicamente, tornaram-se uma boa opção de geração descentralizada e uma
saída rápida para suprir a falta de energia no mercado. Além de favorável ao
meio ambiente, o uso energético de biomassa promove a geração local e
descentralizada de empregos, reduzindo o problema do êxodo rural e a
dependência externa de energia, em função da sua disponibilidade local
(JAGUARIBE et al., 2004).
Segundo LORA (2001), em comparação com os combustíveis fósseis a
utilização da biomassa como combustível apresenta as seguintes vantagens:
- é uma fonte de energia renovável e a sua utilização de maneira
sustentável não contribui para o acréscimo da concentração de
CO
2
na atmosfera e, conseqüentemente, para o efeito estufa;
- a substituição de combustíveis fósseis pela biomassa
representa uma redução líquida das emissões de CO
2
,
7
- as emissões de óxidos de nitrogênio, óxidos de enxofre e de
particulados são muito menores que as emissões oriundas da
utilização de óleo combustível e carvão mineral.
Os resíduos de cultivo e de seu processamento constituem uma das
maiores fontes de biomassa energética. Para determinar o potencial de
fornecimento de um resíduo utiliza-se o denominado coeficiente de resíduos CR,
que se calcula como a relação entre a quantidade de resíduos base seca CRE e a
massa da colheita com a umidade do campo MC:
CR =CRE (1)
MC
Na Tabela 1, são apresentados os valores médios do coeficiente de
resíduos CR para diferentes culturas.
Tabela 1 - Valores médios do coeficiente de resíduos CR
CULTURA
PRODUTO
PRINCIPAL
RESÍDUOS CR
Cereais
Trigo Grão Palha 1,30
Milho Grão Palha 1,00
Arroz Grão Palha 1,43 – 1,60
Tubérculos e Raízes
Batata Tubérculo Rama 0,4 – 1,40
Amendoim Noz Rama 1,00 – 1,48
Cacau Noz Casca / fibra exterior 0,20
Cana de açúcar Açúcar Bagaço 1,16
Algodão Algodão Rama 2,45
Fonte: Streher e Stutzle, apud LORA (2001).
As características técnicas mais importantes da biomassa, como fonte de
energia, são: a composição química elementar e imediata e o poder calorífico,
conforme demonstrado na Tabela 2.
8
Tabela 2 - Características técnicas de diferentes tipos de biomassa em base
seca
TIPO DE
BIOMASSA
COMPOSIÇÃO ELEMENTAR
%
COMPOSIÇÃO
IMEDIATA
%
PCI
C H O N S A V A F MJ/kg
Pinho 49,29 4,99 44,36 0,06 0,03 0,30 82,54 0,29 17,70 20,03
Eucalipto 49,00 4,87 43,97 0,30 0,01 0,72 81,42 0,79 17,82 19,42
Casca de
arroz
40,96 4,30 34,86 0,40 0,02 18,34 64,47 17,89 16,67 16,40
Bagaço de
cana
44,80 4,35 39,55 0,38 0,01 9,79 73,78 11,27 14,95 17,33
Casca de
coco
48,23 4,23 33,19 2,98 0,12 10,25 67,95 8,25 23,80 19,04
Sabugo de
milho
46,58 4,87 44,46 0,47 0,01 1,40 80,10 1,36 18,54 18,77
Ramas de
algodão
47,05 4,35 40,97 0,65 0,21 4,89 73,29 4,51 21,20 18,26
Fonte: Jenkins, apud LORA (2001).
1.4 A COGERAÇÃO NA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA
Segundo COSTA e BALESTIERI (1998), a cogeração é formada
basicamente por uma fonte primária de combustível, que alimenta uma máquina
ou aparelho térmico o qual transformará a energia química do combustível,
liberada no processo de combustão, em energia mecânica de eixo no contexto de
um ciclo térmico. A energia mecânica será transformada em energia elétrica por
meio de um gerador elétrico. A energia térmica dos gases quentes provenientes
da combustão pode ser utilizada de forma direta ou convertida numa outra forma
energética útil, tal como vapor. ERBER (2005) explica que a tecnologia
desenvolvida em que o calor produzido na geração elétrica que é usada no
processo produtivo sob a forma de vapor é denominado cogeração. O mesmo
9
autor cita ainda que o grande inconveniente da cogeração é que o calor só pode
ser usado próximo ao equipamento, o que limita essas instalações a unidades
relativamente pequenas se comparadas com os geradores das concessionárias.
Até meados do século XX, a cogeração chegou a ser muito usada nas indústrias,
perdendo depois a competitividade para a eletricidade produzida pelas
concessionárias nas grandes centrais geradoras com ganhos de escala. Assim, a
cogeração ficou limitada a sistemas isolados e a indústrias com lixos
combustíveis. Nos últimos tempos, porém, um novo modelo do setor elétrico
voltou a estimular a produção elétrica local que fosse mais eficiente e de baixo
custo, levando ao aperfeiçoamento da tecnologia da cogeração, inclusive para
pequeno porte. A necessidade de reduzir emissões de CO
2
também incentivou a
adoção desse processo eficiente. Hoje, na Holanda e Finlândia, a cogeração já
representa mais de 40% da potência instalada.
A cogeração na Espanha vem sendo utilizada a muitos anos no setor de
fabricação de açúcar, sendo um dos setores pioneiros na cogeração do país com o
setor expandindo-se muito nos últimos anos (IDAE, 1997).
Promover a cogeração industrial não é garantia de êxito financeiro,
sobretudo no caso do setor sucroalcooleiro, dada as opções de mercado
oferecidas pelo comércio do próprio bagaço. Assim, o ideal é que se estude
amplamente, qualquer projeto de instalação de um novo sistema ou mesmo da
ampliação de um sistema de cogeração, antes de executá-lo (JAGUARIBE et al.,
2004).
FACCENDA e SOUZA (1997) constataram que, no período de safra da
cana-de-açúcar (maio a novembro), o consumo de energia elétrica é maior no
estado de São Paulo. De forma inversa, nos meses de entressafra (dezembro a
abril) o consumo de energia elétrica é menor, isto é, o consumo médio das
médias dos meses que correspondem ao período de safra representa 6,17% a mais
que o consumo médio das médias dos meses que representam o período de
entressafra.
Para esses autores, ao contrário da demanda, pode-se observar, pelos
dados apresentados, que, no período de safra a geração de energia elétrica foi
1
menor. De forma inversa, nos meses de entressafra a geração de energia elétrica
foi maior, isto é, a geração média das médias dos meses que corresponderam ao
período de safra representou 5,32% a menos da geração média das médias dos
meses que representaram o período de entressafra.
Empreendimentos termoelétricos se tornam atraentes porque são projetos
que envolvem capital menos intensivo, em relação à opção hidroelétrica, baixo
tempo de maturação do projeto, facilidade de modularização de equipamentos,
custos dos equipamentos preponderantemente menores em relação aos custos de
obras civis. (VIEIRA; OLIVEIRA JR., 1998).
Ainda, segundo VIEIRA e OLIVEIRA JR., (1998), os critérios de
partição utilizados para a obtenção dos custos específicos, baseados no conceito
da segunda lei da termodinâmica, demonstram que o custo definido pela exergia
e não pela energia, traz o benefício da valorização efetiva das utilidades
produzidas. A utilização do método da exergia para a quantificação do
desempenho de uma unidade térmica de potência torna possível a identificação
da magnitude e as reais causas termodinâmicas em cada equipamento. O método
da partição pela igualdade, em que o vapor e a energia elétrica cogerada têm o
mesmo valor, pode ser do interesse da indústria que emprega cogeração e não
gera excedente de energia elétrica. Inversamente, o método da extração é mais
aproveitado para aquelas indústrias nas quais há excedente de energia elétrica.
Os autores citados acima concluíram então que uma maior utilização dos
sistemas de cogeração na matriz energética brasileira traria benefícios claros,
tanto no que diz respeito à redução do consumo de combustível quanto na
redução dos níveis de emissão dos contaminantes atmosféricos e, por
conseqüência, dos custos dessas emissões. Além disso, esses sistemas são viáveis
em relação aos aspectos técnicos e econômicos, tendo em vista um menor tempo
de retorno do projeto, permitindo a geração de excedentes de energia elétrica que
pode ser incorporado na capacidade instalada do país e que representa um lucro
agregado para o autoprodutor, além do benefício do auto-suprimento.
BINI e SOUZA (1997) demonstraram que o investimento realizado para
ampliação de uma usina se pagaria em prazo inferior a cinco anos, ainda que lhe
1
fosse adicionado um custo financeiro de 6% a.a.. Tal fato permite afirmar que o
resultado líquido a ser obtido do investimento oferece perspectivas de retorno a
médio prazo, enquanto em países economicamente estabilizados, os
empreendimentos geralmente oferecem resultados significativos somente a longo
prazo.
Da simulação efetuada por PELLEGRINI, RAMOS e VIEIRA (2002),
constata-se que as usinas de açúcar e álcool, embora apresentem um regime
sazonal de operação, típico do setor sucroalcooleiro, poderão ser
empreendimentos bastante interessantes do ponto de vista da expansão do
sistema elétrico. Os autores acima concluíram que o custo do combustível é um
fator decisivo e que o setor poderá participar ativamente não só no reforço de
oferta local de energia elétrica como também no Sistema Interligado.
1.5 A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SETOR INDUSTRIAL
A urbanização crescente, industrialização e modernização das atividades
industriais têm implicado um aumento do consumo de energia em países em
desenvolvimento (JANNUZZI; SWISHER, 1997). No Brasil o aumento também
tem sido sentido e com a retomada do crescimento econômico a preocupação
com a disponibilidade de energia cresce.
Segundo Brasil, apud ZANIN (2002), o setor industrial brasileiro
apresentou, desde 1970, um crescimento elevado do consumo energético
nacional, chegando a 54% do consumo total em 1980 e obteve 44% deste total no
fim da década de 90. De acordo com o autor, o crescimento do consumo
energético esteve relacionado ao desenvolvimento e à modernização do país.
Para o mesmo autor, a produção de energia elétrica foi de 4 a 7% superior ao
consumo total, no período de 80 a 99. Para ELETROBRÁS (1998), a evolução
1
do preço da energia elétrica, a modernização dos processos industriais e a
incorporação de avanços tecnológicos aos equipamentos que consomem energia
elétrica tendem a incentivar uma atitude contra o desperdício. Na maioria das
vezes a observação válida é a de que a inovação tecnológica surge para diminuir
o desperdício e não o inverso.
Para ELETROBRÁS (1994), o uso eficiente da energia está
condicionado à produção da mesma quantidade de determinado produto com o
menor consumo energético, não alterando a qualidade, o conforto ou a satisfação
sobre o produto. Temos também que o custo para conservar determinada
quantidade energia elétrica, normalmente, é mais barato que o custo da produção
dessa mesma quantidade.
GOTTSCHALK (1999) afirma que o uso da energia deve ser o mais
efetivo possível, reduzindo os custos da produção e otimizando seus altos custos.
A maior parte das organizações trata a energia como um insumo necessário para
a produção e isso afeta diretamente o valor final do produto ou serviço gerados.
Essa visão empresarial faz com que a energia seja considerada um custo de alto
valor, independente do valor pago.
Os estudos de WORREL et al. (1994) mostraram que uma indústria de
plásticos na Nova Zelândia alcançou um potencial de economia energética de
8%. Segundo os autores, esse potencial pode variar de 12% a 25% quando
relacionado às indústrias de polivinilclorídeo. WORRELL, MARTIN e PRICE
(2000) encontraram um potencial de redução da ordem de 11% a 18%, do total
da energia utilizada nas indústrias de cimento dos Estados Unidos (EUA) e, para
LIMONI FILHO e VENTURINI FILHO (1999), uma redução de 8,2% do
consumo energético na fabricação do mosto cervejeiro. Na produção de ferro e
aço dos EUA, WORREL, MARTIN e PRICE (2001) encontraram melhoria do
potencial de eficiência do uso da energia da ordem de 18%. Com relação à
energia residencial, ALMEIDA, SCHAEFFER e ROVERE (2001) mostraram
que o Brasil possui um potencial de economia que varia entre 8% e 28%.
A avicultura brasileira apresentou, segundo POGI e PIEDADE JR.
(1991) e FERREIRA e TURCO (2000), potencial de economia de 27,1%, em se
1
tomando medidas de redução do consumo de energia de ventiladores,
nebulizadores, iluminação e comedouros na criação de frangos de corte, bastando
para isso a troca do sistema de iluminação por outro com menor número de
lâmpadas e menor potência instalada, respeitando porém, a iluminância mínima
dos ambientes.
O crescimento da demanda brasileira de energia elétrica exigirá a
instalação de pelo menos 15 mil MW até 2010. Embora se conte com grande
potencial hídrico e considerável oferta de carvão e gás natural, a utilização destas
fontes tradicionais enfrenta entraves ambientais e incertezas de várias naturezas,
inclusive quanto aos preços do gás. Esse cenário gera preocupação quanto ao
atendimento da demanda, a médio prazo. Entretanto, será sempre possível contar
com expressiva oferta de energia elétrica gerada a partir da biomassa residual do
setor sucroalcooleiro, da ordem de 5 mil MW, passível de ser criada
tempestivamente e a preços competitivos com os das demais fontes.
FACCENDA e SOUZA (1997) indicam que o consumo médio dos
meses de safra da cana-de-açúcar representa 6,17% a mais que o consumo médio
dos meses de entressafra e que a geração média dos meses de safra representa
5,32% a menos que a geração média dos meses de entressafra. Portanto, o
sistema poderia ser planejado de forma a acrescentar energia firme ao parque
gerador, entre 6,17% e 11,5%, incluindo a cogeração, com o objetivo de
equacionar a sazonalidade anual do consumo e geração de energia elétrica no
Estado de São Paulo.
Para tanto, são necessárias condições financeiras e institucionais que
atraiam os possíveis investidores. Trata-se de utilizar, com a eficiência
economicamente justificada, a energia de uma quantidade apreciável e crescente
de combustível renovável, que já vem sendo queimado com lamentável
desperdício do calor produzido, bem como substituir a utilização de combustíveis
fósseis, em benefício do meio ambiente e da balança comercial (PORTAL GD,
2005b).
A eficiência energética também é motivo de muitos estudos nos EUA.
GALITSKY, WORREL e RUTH (2003) afirmam que existe muito a melhorar na
1
eficiência energética em moinhos de milho, enquanto se mantém ou até aumenta
a produtividade. Para uma boa eficiência energética algumas medidas bastante
firmes são necessárias para o combate ao desperdício. Primeiramente, nos
moinhos de milho, equipamentos como motores, bombas e compressores devem
passar por manutenção freqüente e substituição por equipamentos mais
modernos, caso necessário. O ponto posterior é verificar a eficiência do processo,
otimizando-o quando necessário. Finalmente, como em moinhos de milho
existem vários processos funcionando em paralelo, coordenar essa planta para
que os processos sejam os mais eficientes possíveis é indispensável.
Em aspectos industriais, uma usina sucroalcooleira tradicional é
ineficiente do ponto de vista energético. A maioria das usinas se desfaz de todo o
bagaço da cana, devido ao risco de ignição espontânea e contaminação
ambiental. Em conseqüência disso, os geradores, as turbinas e demais
componentes trabalham com baixa eficiência (LEON, 1999).
LEON (1999) cita também que uma solução para o desenvolvimento
energético na agroindústria açucareira está vinculada ao incremento da eficiência
de geração e uso do vapor nos processos industriais, assim como as
possibilidades de cogeração com o processamento dos resíduos do processo. O
uso racional da energia ocupa um papel preponderante dentro das estratégias de
modernização e diversificação que deve ser comparada com a indústria
açucareira. O fato de se ter o próprio combustível lhe dá uma larga vantagem
sobre a indústria açucareira que utiliza a beterraba.
Segundo PRINDLE et al. (2003), os EUA estão optando por tomar
medidas de incentivo para o aumento da eficiência energética, apresentando
algumas políticas de incentivo à eficiência. Dentro dessas áreas está a cogeração,
que ocupa o terceiro lugar nas categorias oferecidas. Esse autor afirma que existe
uma política severa de encorajamento tecnológico para a queima de restos para
geração de energia e calor, que atende de pequenas plantas industriais até as
comerciais.
Estudo feito por KALICASLAN et al. (1999), em um comparativo da
Shakarganj Sugar Cane Factory, no Paquistão, que já utiliza o bagaço para gerar
1
energia, com a Adapazarj Sugar Beet Factory, na Turquia, que ainda não utiliza
esse combustível para gerar energia, verifica que a produção de bagaço satisfaz
toda a necessidade de energia para a usina do Paquistão, gerando por dia 1045
toneladas de bagaço que é utilizado como combustível para a caldeira para um
esmagamento de 5000 toneladas diárias. São geradas 1275 toneladas de cana por
dia, o excedente de 230 toneladas é destinado para outros usos. Para essa fonte na
usina de Shakarganj, foram vendidos ao governo 1MW de energia em 1993,
aumentando para 5MW em 1994 usando somente o bagaço no período de safra.
O PORTAL GD (2005a) informa que a biomassa residual do setor
sucroalcooleiro representou, em 2003, cerca de 9% da oferta de energia primária
do país. Esse setor utilizou em 2004 cerca de 340 milhões de toneladas de cana
que equivalem, em termos energéticos, a cerca de 75 % da produção nacional de
petróleo, naquele ano. Empregando tecnologias convencionais de cogeração, com
caldeiras de alta pressão e turbinas de contrapressão, que vêm sendo empregadas
para substituir os tradicionais sistemas de baixa pressão, pode-se obter cerca de
50 kWh excedentes por tonelada de cana. Para uma produção de 510 milhões de
toneladas, prevista para 2010, a oferta de energia elétrica do setor sucroalcooleiro
poderia, então, alcançar mais de 25 TWh ou 4% da totalidade dos requisitos de
geração previstos para o setor.
Conforme indicam Macedo e Nogueira, apud PORTAL GD (2005a),
turbinas de extração-condensação, ainda não são empregadas no setor
sucroalcooleiro, embora disponíveis no mercado, aumentariam a energia elétrica
excedente para até 150 kWh/t de cana, ou seja, proporcionariam uma oferta da
ordem de 60 TWh em 2010, admitindo-se que metade das palhas também seja
aproveitada, em vez de ser queimada no campo, como ocorre tradicionalmente.
Tecnologias experimentais, futuramente disponíveis, que envolvem a
gaseificação da biomassa, novamente duplicariam a produção de excedentes.
1
1.6 EXERGIA NA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA
A energia, segundo TORRES (2001), é a propriedade proveniente do
primeiro postulado da termodinâmica: a energia não pode ser criada nem
destruída, só transformada sempre se conservando e, a cada transformação,
haverá sempre uma parte perdida. Rant, apud TORRES (2001), que sugeriu a
palavra exergia, também propôs a palavra Anergia para denominar a parte da
energia que não pode ser aproveitada, isto é: Energia = Exergia + Anergia.
Portanto, energia é a soma de tudo aquilo que pode ser aproveitado
(exergia) com a parte que não se utiliza (anergia). Existem muitas definições e,
dentre elas, pode-se citar: A exergia é a parte da energia que pode ser
completamente convertida em qualquer outra forma de energia (Rant, apud
TORRES, 2001), é a parte nobre da energia ou, em outras palavras, é a parcela
que pode ser convertida em calor e/ou trabalho. Porém, apesar desse
conhecimento, pode-se ainda observar que existem subparcelas dentro desse
fluxo exergético. Para calcular a exergia é necessário que se defina o estado de
referência, para que se possa ter base sobre quais são os valores adotados.
Segundo Szargut e Kotas, apud TORRES (2001), a exergia pode ser dividida em
quatro tipos: cinética, potencial, termomecânica e química. A Figura 2 ilustra
essa divisão.
1
Figura 2 - Divisão de exergia.
Fonte: TORRES (2001).
Portanto, a exergia é: E
XT
= Ex
cinética
+ Ex
potencial
+ Ex.
Termomecânica
+ Ex.
P
+
Ex
química
.
Em uma análise apresentada por DEL CAMPO et al. (1998), na Usina
Vale do Rosário, por meio do estudo da exergia, os autores constataram que, no
conjunto, a eficiência das caldeiras tem uma grande importância no desempenho
global. Outro aspecto é a necessidade de instrumentação adequada, para o
monitoramento do funcionamento dos equipamentos, particularmente as
caldeiras e turbinas. As eficiências de Segunda Lei obtidas demonstram a
limitação do nível de pressão da caldeira para a geração de energia elétrica:
incremento substancial na geração só poderá ser obtido com a elevação dos
níveis de pressão praticados. A baixa eficiência dos acionamentos mecânicos
diretos, via turbinas de menor porte, põe de manifesto a questão das perdas
energéticas (e exergéticas) neles. Considerando somente aspectos
termodinâmicos, a sua substituição por acionamentos com motores elétricos de
boa eficiência seria aconselhável, embora nesses casos seja necessário considerar
os custos.
Outro aspecto citado no trabalho de SOUZA, NEBRA e GALLO (1998),
no qual se faz uma análise exergética comparativa de sistemas de recuperação de
energia dos gases efluentes de caldeiras a bagaço de cana, conclui que a
recuperação de energia de gases de combustão na chaminé da caldeira, via
secagem de bagaço, mostrou-se ligeiramente mais eficiente, sob o ponto de vista
termodinâmico, que a via preaquecimento do ar de combustão.
Os critérios de partição utilizados para a obtenção dos custos específicos,
baseados no conceito da Segunda Lei da Termodinâmica, demonstram que o
custo definido pela exergia e não pela energia, traz o benefício da valorização
efetiva dos bens produzidos. A utilização do método da exergia para a
quantificação do desempenho de uma unidade térmica de potência torna possível
1
identificação da magnitude e as reais causas de perdas termodinâmicas em cada
equipamento (VIEIRA; OLIVEIRA JR., 1998).
1.7 EQUIPAMENTOS PARA COGERAÇÃO
A dimensão dos equipamentos de cogeração é medida pelas necessidades
de vapor do processo produtivo. Como é economicamente inviável o transporte
do vapor a grandes distâncias e para aumentar a eficiência do ciclo de energia do
sistema, prevê-se a instalação da fonte cogeradora próxima aos usuários ou
fazendo parte de indústrias cujas atividades gerem, como excedentes, produtos
que apresentam características combustíveis. O cogerador, portanto, pode ser
definido por duas situações distintas:
a) Cogerador com excesso de energia elétrica. Neste caso, haverá
condições de comercialização da eletricidade excedente por meio de:
− Venda direta: o cogerador vende diretamente a outros consumidores;
− Venda à Concessionária: o cogerador vende para empresas de serviço
público;
− Venda por um comercializador: o cogerador vende para consumidores
por meio de um agente comercializador.
b) Cogerador que supre, no todo ou em parte, suas necessidades. Neste
caso o cogerador, provavelmente, complementa as suas necessidades de energia
elétrica comprando de concessionária, de produtor independente ou de outro
cogerador (PELLEGRINI, 1999).
Definindo-se a situação em que o cogerador irá trabalhar e o sistema de
cogeração de energia utilizado, no caso das indústrias do setor sucroalcooleiras o
bagaço de cana, pode-se dividir um sistema de cogeração em: fornalha, caldeira,
tubulações de vapor e turbina.
1
3 MATERIAIS E MÉTODOS
1.8 USINAS ANALISADAS
Os dados para esta pesquisa foram coletados das seguintes usinas:
1) DIC – DEDINI S/A. Indústria e Comércio: Fundada em 1960, está
localizada na Fazenda São Luiz, município de Pirassununga-SP e tem como
atividade principal a produção de açúcar, açúcares líquidos e álcool, utilizando
como matéria prima a cana de açúcar. Tem capacidade para esmagamento de
13.000 toneladas/dia de cana de açúcar e capacidade de produção instalada para
fabricação de 28.000 sacas de 50 kg/dia de açúcar cristal e 400.000 litros de
álcool/dia. A usina está localizada na Latitude 21°85’S e longitude 47°15’W. O
período de safra 2005 ocorreu entre os dias 20/04/2005 e 14/12/2005.
2
Figura 3 - Foto aérea da Usina Dedini - Fazenda São Luiz.
2) USACIGA – Açúcar, Álcool e Energia Elétrica Ltda.: Fundada em
1980, está localizada no município de Cidade Gaúcha e tem como atividade
principal a produção de açúcar e álcool, utilizando como matéria prima a cana de
açúcar. Tem capacidade para esmagamento de 8.400 toneladas/dia de cana de
açúcar e capacidade de produção instalada para fabricação de 14.000 sacas de
50 kg/dia de açúcar cristal e 180.000 litros de álcool/dia. A Usina está localizada
na Latitude 23°22’30’’S e longitude 52°56’00’’W. O período de safra 2005
ocorreu entre os dias 18/04/2005 e 04/12/2005.
Figura 4 - Foto da Usina Usaciga.
2
1.9 DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO
Para a execução do diagnóstico energético a coleta de dados foi
desenvolvida por duas equipes diferentes em cada indústria, uma coordenada
pelo grupo de pesquisa em reciclagem e eficiência energética da Faculdade de
Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo, na Usina
Dedini e a outra coordenada pela equipe da UNIOESTE na Usina Usaciga.
Objetivando melhor compreender o funcionamento da usina e a relação
entre o processo de produção de açúcar e álcool e a geração de energia pela
queima do bagaço de cana, foram realizadas várias visitas às plantas das
indústrias, bem como entrevistas com os responsáveis de cada departamento e
operadores dos setores estudados.
3.1.1 Consumo de Bagaço
O consumo de bagaço (B) em toneladas, para manter a planta operando
durante a safra, é dado pelo produto do fluxo de bagaço consumido, m
b
, em t/h,
pela duração do período, N, em horas (JAGUARIBE et al., 2004).
B = m
b
* N (2)
A quantia de bagaço consumida foi fornecida pelo departamento de
preparo de cana, que informou a quantidade de cana recebida na usina dividida
pelo percentual de fibra da cana média por dia, que foi atestado pelo responsável
do laboratório de cada Usina. O período de produção foi obtido das horas totais
do período de safra, subtraída das horas de parada da usina, que foi fornecido
pelo responsável da caldeira.
2
A Figura 5 mostra a correia transportadora de bagaço de cana da Usina
Usaciga.
Figura 5 - Correia transportadora de bagaço.
3.1.2 Bagaço Excedente
O bagaço excedente: B
exc
em t, é calculado subtraindo-se do bagaço total
produzido: B
T
, as parcelas correspondentes ao consumo do bagaço, durante a
safra: B
sf
, e a entressafra: B
ef
e uma parcela correspondente ao estoque de
segurança: B
est
em t (JAGUARIBE et al., 2004).
B
exc
= B
T
– B
ef
– B
sf
- B
est
(3)
Na Usina Dedini esse dado é coletado e armazenado no banco de dados
da sala da caldeira. Na Usina Usaciga esse dado foi fornecido pelo gerente
industrial, pois atualmente esse dado não é coletado.
A Figura 6 mostra a montanha de bagaço de cana excedente da Usaciga.
2
Figura 6 - Montanha de bagaço excedente.
3.1.3 Potência Média Fornecida pelos Geradores
A potência média das máquinas de contrapressão: W
ep
, em kW, é dada
pela soma da potência média produzida pelo turbogerador 1: W
1
, em kW, e o
turbogerador 2, W
2
:
W
ep
= W
1
+ W
2
(4)
Obtido dos arquivos da sala de máquinas de cada usina, fornecido em
kW, e, no caso da Usina Dedini, obtido pela soma dos 3 geradores, já para a
Usaciga, foi o dado de energia gerada pelo gerador que está em operação, pois a
usina tem 2 grupos, no entanto, o grupo MAUSA de 2,5MW não está
operacional, sendo utilizado somente em caso de emergência, pois não tem
potência suficiente para atender à demanda total da indústria, caso o gerador
WEG de 6MW saia do sistema.
3.1.4 Energia Produzida pelos Geradores
A energia produzida pelos geradores: E
T
, em MWh, é o produto da
potência média produzida: W, pela duração do período: N, em horas:
E
T
= W
ep
∙ N (5)
Esse dado foi fornecido pelo departamento de elétrica de cada indústria,
dos dados coletados a cada hora.
2
3.1.5 Consumo Elétrico da Fábrica
O consumo elétrico da fábrica: E
F
, em MWh, é dado pelo produto da
demanda elétrica média da fábrica: W
F
, em kW, pela duração total do período,
(JAGUARIBE, et al., 2004).
E
F
= W
F
* N (6)
O consumo da indústria foi analisado de forma diferente para cada usina.
Na Usina Usaciga, foi fornecido a valor médio da demanda de cada mês para
cada setor da indústria. Esse dado foi fornecido pelo Gerente do Departamento
Elétrico da Usina. Como se tinha o número de horas de parada da indústria,
calculou-se o consumo mensal de cada setor em kWh. A energia comprada da
concessionária foi coletada do histórico dos últimos 12 meses do consumo na
ponta e fora de ponta e também demanda de cada período de faturamento,
fornecido pela concessionária.
Na Usina Dedini existem medidores setorizados coletando-se as
medições nos períodos requisitados. Os dados são formatados somente para o
modelo de dados analisados para se fazer as comparações e análises.
3.1.6 Energia Disponível para a Venda
A energia disponível para a venda: E
exc
, em MWh, é obtida subtraindo-se
da energia total produzida: E
T
, a energia consumida pela fábrica: E
F
:
E
exc
= E
T
- E
F
(7)
Novamente as duas usinas apresentaram situações diferentes, pois a
Usina Dedini, na safra em estudo, exportava energia para a Elektro – Eletricidade
e Serviços S/A., empresa distribuidora de energia elétrica do estado de São
Paulo, o que não ocorria com Usina Usaciga, que ainda não comercializa a
2
energia elétrica para a concessionária que atende à região. Com isso, na Usina
Dedini foi feito um estudo da energia que foi comercializada e na Usaciga não foi
possível fazer qualquer análise.
3.1.7 Potência Média Exportada
A potência média exportada: W
exc
, em kW, é dada pela soma das
potências fornecidas pelos geradores: W, menos a demanda elétrica média da
fábrica: W
F
:
W
exc
= W - W
F
(8)
3.1.8 Consumo Específico
O consumo específico CE, dado em kWh/t, é a soma da energia
comprada: E
c
(caso necessário), mais a energia gerada: E
g
, dividida pela
quantidade de cana moída: M, em toneladas (BINI, 1993).
M
EE
CE
GC
+
=
(9)
Como ambas as usinas apresentaram todos os dados armazenados, foi
possível calcular esse indicador sem maiores problemas.
3.1.9 Geração Média
Geração média: G
m
é a divisão da energia gerada: E
g
pela quantidade de
horas de moagem T (BINI, 1993).
2
T
E
G
G
M
=
(10)
Na Usina Dedini foi mais complexo o estudo, pois existem 3 geradores.
Na Usina Usaciga foi considerado somente o gerador WEG. Optou-se em fazer
os indicadores para a situação real das indústrias, desconsiderando o gerador
MAUSA desse indicador.
3.1.10 Fator de Utilização
O fator de utilização: Fu é a divisão da geração média Gm, pela potência
instalada de turbogeradores Pg, na usina (BINI, 1993).
G
M
U
P
G
F =
(11)
No caso da Usaciga foram calculados dois fatores de utilização, pois se
considerou em uma situação somente o grupo gerador WEG de 6MW e, em outra
situação, os dois grupos, somando-se o WEG com o MAUSA de 2,5MW,
totalizando 8,5MW. Esse indicador exigiu que fossem criadas as duas situações,
pois em se considerando somente o gerador de 6MW não se teria a situação da
potência instalada total de geradores, no entanto, não se pode desprezar a
existência do grupo MAUSA.
1.10 DIAGNÓSTICO EXERGÉTICO
2
3.1.11 Eficiência da Primeira Lei da Termodinâmica
Segundo DEL CAMPO (1998), define-se eficiência pertencente à
Primeira Lei da Termodinâmica para cada um dos equipamentos fundamentais
do sistema: turbomoendas, turbogeradores e turbobombas, de acordo com a
primeira lei como:
ISO
M E C
hmv
W
∆×
=
η
ou
ISO
E
hmv
W
∆×
(12)
Em que:
η - eficiência do sistema;
W
mec
- potência mecânica (kJ/s);
W
e
- potência elétrica (W);
mv - consumo de vapor (kg/s);
∆h
iso
- salto térmico isoentálpico (kJ/kg).
3.1.12 Eficiência da Segunda Lei da Termodinâmica
Para a eficiência da Segunda lei da Termodinâmica, nesses equipamentos
foram utilizadas duas definições: a racional (ψ), discutida por KOTAS (1995), e
a definição que inclui as perdas mecânicas de transmissão (ψ
Perdas
).
Cada indústria apresentou uma lista de equipamentos diferentes para
serem estudados.
Tabela 3 - Equipamentos de cada usina
USACIGA DEDINI
Turbina Turbina
Faca niveladora Faca oscilante
2
Faca picadora Faca fixa
Desfibrador Desfibrador
1º Terno 1º e 2º ternos
2º e 3º Ternos 3º e 4º ternos
4º e 5º Ternos 5º e 6º ternos
Turbobomba 1 Turbobomba 1
Exaustor 1 Turbobomba 2
Exaustor 2 Turbobomba 3
Gerador 1 WEG Ventilador
Gerador 1 - Siemens
Gerador 2 - Turbimaq
Gerador 3 - Toshiba
Para obter os indicadores, definiu-se como referência o estado da água
líquida com a temperatura e pressão de 25°C e 101,3kPA. A entalpia e a entropia
dos dados do sistema foram calculados pelo programa CATT (Computer – Aided
Thermodynamic Tables).
Utilizaram-se as potências de cada equipamento em kJ/s, repassadas pelo
departamento de mecânica de cada Usina. O consumo de vapor necessário para
acionar cada turbina foi passado pelo fabricante.
3.1.13 Definição da Equação de Exergia
Equação para o cálculo da exergia é:
E
X
= h – h
o
– T
o
(s – s
o
) (13)
Em que:
Ex - exergia específica;
H - entalpia do vapor ou da água nas condições de processo (kJ/kg);
h
o -
entalpia de referência (kJ/kg);
T
o -
temperatura ambiente (K);
s - entropia do vapor ou da água nas condições de processo (kJ/kg/K);
s
o
- entropia de referência (kJ/kg/K).
2
A eficiência é obtida considerando-se a variação da entalpia (real), ou
seja, entalpia de saída da caldeira e na saída das turbinas, considerando-se a
temperatura e a pressão médias nesses pontos e aplicando-se ao programa CATT.
Na equação, divide-se pela diferença das exergias na entrada e saída de cada
equipamento considerado. Isso é possível, pois se tem uma linha única de vapor
na entrada e na saída dos equipamentos, possibilitando a generalização dos
dados.
21 XX
R EAL
EE
H
−
∆
=
ψ
(14)
Em que:
Ψ - eficiência racional;
∆H
real
- salto térmico real;
E
x1
- fluxo de exergia de entrada;
E
x2
- fluxo de exergia de saída.
Incluindo-se as perdas de transmissão, tem-se uma realidade mais
concreta das indústrias. Na equação, foi considerada a soma das potências de
cada equipamento considerado, dividida pela diferença das exergias de entrada e
saída da linha de vapor.
21 XX
E
Perdas
EE
W
−
=
ψ
ou
21 XX
MEC
EE
W
−
(15)
Em que:
Ψ
Perdas
- eficiência racional com perdas de transmissão;
W
E
- potência elétrica (W);
W
MEC
- potência mecânica (kJ/s);
E
x1
- fluxo de exergia de entrada;
E
x2
- fluxo de exergia de saída.
3
3.1.14 Eficiência Racional da Segunda Lei para Caldeiras
No caso das caldeiras a eficiência “racional” de segunda lei é calculada
considerando-se no numerador a diferença das exergias dos fluxos de vapor
(e água de extração) que saem, menos o de água que entra e, no denominador, a
exergia do bagaço alimentado:
BAG
ENTRAGUACOMEXT
VSVSC
c
Ex
ExExExEx
..
−++
=
ψ
(16)
Em que:
c
ψ
- eficiência de caldeira;
Ex
vsc
- exergia do vapor superaquecido;
Ex
vs
- exergia do vapor saturado;
Ex
ext. com
- exergia de contrações contínuas;
Ex
agua entr.
- exergia da água na entrada da caldeira;
Ex
bag
- exergia do bagaço consumido na caldeira.
3.1.15 Exergia do Bagaço
A energia do bagaço será calculada segundo a equação proposta por
Szargut, apud DEL CAMPOS (1998), que leva em conta a umidade do bagaço
(conteúdo de água em estado líquido):
Ex
bag
= C
P,C
(T
C
–T
REF
) + m
ar seco
(C
P,AR
+ w*C
P,V
)(T
AR
–T
REF
) + PSC
U
(17)
Em que:
Ex
bag
- exergia do bagaço consumido na caldeira;
C
P,C
- calor específico médio do combustível (kJ/kgºC);
T
C
- temperatura do combustível (°C);
3
T
REF
- temperatura de referência adotada (°C);
m
AR SECO
- massa de ar necessária para combustão (kg
ar
/kg
combustível úmido
);
C
P,AR
- calor específico médio do ar (kJ/kg°C);
w - umidade absoluta do ar (kg
água
/kg
ar seco
);
C
P,V
- calor específico médio do vapor (kJ/kg°C);
T
AR
- temperatura do ar (°C);
PCS
U
- poder calorífico superior do combustível (kJ/kg
combustível úmido
).
3.1.16 Fator de Utilização de Energia - FUE
Horlock, apud DEL CAMPOS (1998), propôs o critério de cálculo para
desempenho de um modelo de cogeração em uma usina sucroalcooleira.
Objetivando-se comparar o modelo de duas usinas, o critério será utilizado em
base de cálculos e seus resultados fornecerão a eficiência de cada sistema.
O fator de utilização de energia (FUE) é dado por:
PCIm
QWWWWWWWWWW
FUE
B
SISTU
GEREXEXTBTTTDEFFPFN
×
++++++++++
=
215,43,21
(18)
Em que:
FUE - fator de utilização de energia;
W
FN
- potência faca niveladora (W);
W
FP
- potência da faca picadora (W);
W
DEF
- potência do desfibrador (W);
W
1T
- potência do primeiro terno (W);
W
2,3T
- potência do segundo e do terceiro ternos (W);
W
4,5T
- potência do quarto e quinto ternos (W);
W
TB
- potência turbobomba (W);
W
EX1
- potência do exaustor 1 (W);
W
EX2
- potência do exaustor 2 (W);
3
W
GER
- potência do gerador (W);
Qu - quantidade de calor útil do sistema (kJ/kg
combustivel úmido
);
m
b
, - fluxo total de bagaço consumido pelas caldeiras (kg/s).
Todos os dados foram encontrados nos arquivos das indústrias sem
dificuldade, no entanto, a energia útil foi calculada conforme indicado pelo IPT.
3.1.17 Economia de Energia de Combustível - ESI
O parâmetro: economia de energia de combustível, fornece a eficiência
de primeira lei para o sistema. Um parâmetro apresentado por Huang, apud DEL
CAMPOS (1998) refere-se à economia de energia de combustível (Índice de
poupança de energia), obtida por sistemas de cogeração em comparação a plantas
convencionais que produzem separadamente energia elétrica e térmica. Este
índice é definido pela sigla ESI. Para o caso deste sistema o índice fica definido
como:
CALD
SISTU
TERM
MECELET
B
Q
WW
PCIm
ESI
ηη
.
+
+
×
=
(19)
Em que:
ESI - índice de poupança de energia;
m
B
- fluxo total de bagaço consumido pelas caldeiras (t/h);
PCI - poder calorífico inferior (MJ/kg);
W
ELET
- potência elétrica (W);
W
MEC
- potência mecânica (kJ/s);
η
TERM
- eficiência térmica;
Q
U. SIST.
- calor útil do sistema (kJ/kg
combustivel úmido
);
η
CALD
- eficiência da caldeira.
3
Esse índice tem como finalidade medir a economia de energia de
combustível obtida por sistemas de cogeração e foi analisado com a quantidade
do bagaço utilizado na queima da fornalha: PCI úmido do bagaço, que foi
calculado conforme o IPT sugere, considerando-se a umidade, pois o bagaço em
ambas as usinas é queimado úmido, potência dos equipamentos envolvidos no
processo, rendimento da caldeira que foi calculado utilizando-se dados de vazão
de água de entrada das caldeiras e quantidade de vapor gerado, energia útil e
rendimento das caldeiras.
3.1.18 Razão de Poupança de Energia do Combustível - RPEC
A razão de poupança de energia do combustível é definida como:
ESIRPEC −=1
(20)
Em que:
RPEC - razão de poupança de energia do combustível;
ESI - índice de poupança de energia.
3.1.19 Combustível Destinado à Produção de Potência - FCP
Outro parâmetro é baseado no conceito de combustível destinado à
produção de potência: FCP, que é definido como a razão de combustível para
processo em relação à potência produzida (elétrica e/ou mecânica) e é dado por:
MECELET
CALD
SISTU
B
WW
Q
PCIm
FPC
+
−×
=
η
.
)(
(21)
3
Em que:
m
B
- fluxo total de bagaço consumido pelas caldeiras (t/h);
PCI - poder calorífico inferior (MJ/kg);
W
ELET
- potência elétrica (W);
W
MEC
- potência mecânica (kJ/s);
Q
U. SIST.
- calor útil do sistema (kJ/kg
combustivel úmido
);
η
CALD
- eficiência da caldeira.
3.1.20 Eficiência de Geração de Potência - E
Então, a eficiência de geração de potência para o sistema define-se como:
FCP
E
1
=
(22)
Em que:
E - eficiência de geração de potência para o sistema;
FCP - combustível destinado à produção de potência.
Tomaram-se como referência os critérios apresentados no trabalho de
DEL CAMPO (1998), em se apresentaram os valores de desempenho de sistemas
térmicos, conforme Tabela 4 para vários sistemas diferentes.
Tabela 4 - Critérios de desempenho de sistemas térmicos
EXEMPLO FUE E 1/FCP RPEC FCP
Planta de extração condensada 0,48 0,43 0,057 2,33
Planta de contrapressão 0,85 0,75 0,235 1,33
Turbina a gás com caldeira de recuperação 0,85 0,77 0,265 1,30
Ciclo combinado com sistema de contrapressão 0,82 0,75 0,318 1,33
Usina Vale do Rosário 0,75 0,57 0,046 1,76
Fonte: Análise energética e exergética do sistema de cogeração da Usina Vale do Rosário
(DEL CAMPO, 1998).
3
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
1.11 INDICADORES ENERGÉTICOS
Para os indicadores energéticos, foram levantados os seguintes dados
para cada indústria:
Na Tabela 5 são apresentados os dados pela Usina Usaciga, fornecidos
conforme necessidade do trabalho. Verificou-se que a quantidade de cana moída
variou muito. No mês de setembro e outubro ocorreu uma baixa na produção.
Provavelmente as situações meteorológicas influenciaram nesse aspecto. Maio
foi o mês com maior quantidade de cana moída. Nos meses de abril e dezembro
os dados são pequenos, pois houve somente alguns dias de produção, pois a safra
nessa usina começou no dia dezoito de abril e encerrou no dia quatro de
dezembro, tornando, assim, os meses de dezembro e abril fora da média. A média
de fibra no bagaço é um dado que informa em percentual a quantidade de fibra
existente no bagaço que vai para as fornalhas das caldeiras. Esse dado é
importante para o cálculo da quantidade de bagaço que é produzido na indústria,
pois não é usual pesar o bagaço que está saindo das moendas, sendo então
realizada por estimativa a quantificação do bagaço que a indústria está
produzindo, utilizando-se a quantidade de fibra na cana e fibra no bagaço.
Observou-se que na Usina Usaciga existe uma menor quantidade de fibra no
bagaço, mostrando que o bagaço terá então um menor poder calorífico de
queima, pois o principal combustível do bagaço é a fibra. A média de fibra da
cana é um dado que informa a quantidade de fibra contido na cana que vem da
3
lavoura. Isso depende do solo e da espécie de cana plantada e é coletado na
chegada do caminhão por amostragem na própria balança. Observou-se que na
Usina Usaciga existe uma maior quantidade de fibra na cana do que na Usina
Dedini. Caracterizou-se também, em ambas as usinas, um aumento na quantidade
de fibra no decorrer da safra. O Pol do bagaço é a quantidade de sacarose que
está deixando de ser aproveitada para a produção de açúcar. Na Usina Usaciga
esse dado é substancialmente menor, havendo assim, um maior aproveitamento
da sacarose. O dado Pol da cana é um dado que mostra a quantidade de sacarose
que contém a cana vinda da lavoura. Na Usina Usaciga esse dado fica abaixo da
quantidade média mensal da Usina Dedini. Provavelmente, isso tem a ver com a
qualidade da terra em que são feitos os plantios de cada Usina. O Pol do caldo
misto também é um dado que informa a quantidade de sacarose que contém o
caldo de cana extraído, após a moagem. Este valor é muito mais baixo na Usina
Usaciga, em relação aos valores encontrados na Usina Dedini, apresentando a
Usaciga um processo menos qualitativo que a Dedini. Isso significa que,
provavelmente, na Usina Usaciga existe uma maior quantidade de água de
embebição, tornando o caldo misto mais pobre em sacarose.
Tabela 5 - Dados fornecidos pela Usina Usaciga
DATA
USACIGA
Quantidade
Cana moída
em t/mês
Média
Fibra %
bagaço
Média
Fibra %
cana
Média
Pol do
bagaço
Média
Pol
cana
Média Pol
do caldo
misto
Média
Brix do
bagaço
Abril 65862,30 41,95 13,13 1,86 12,90 12,38 2,50
Maio 210539,68 43,47 13,42 2,24 12,99 12,16 2,97
Junho 193896,70 43,73 14,18 2,25 12,50 11,78 3,13
Julho 191939,77 45,07 15,48 2,06 12,45 11,42 2,86
Agosto 180132,41 45,88 14,33 2,04 13,50 12,06 2,77
Setembro 122453,07 39,58 14,15 1,84 11,80 10,15 2,52
Outubro 134813,88 41,47 14,97 1,87 10,87 10,25 2,60
Novembro 174750,55 45,09 17,49 2,10 10,94 10,38 2,99
Dezembro 6375,05 45,13 17,42 1,98 10,75 10,26 2,86
Safra 2005 1280763,41 43,49 14,95 2,03 12,08 11,20 2,80
3
Tabela 6 - Dados fornecidos pela Usina Dedini
DATA
DEDINI
Quantidade
Cana Moída
em t/mês
Média
Fibra %
Bagaço
Média
Fibra %
Cana
Média
Pol do
Bagaço
Média
Pol
Cana
Média Pol
do Caldo
Misto
Média
Brix do
Bagaço
Abril 94355,98 47,29 11,80 2,82 12,96 14,76 3,82
Maio 312053,57 46,90 11,61 2,34 13,21 15,08 3,23
Junho 377644,83 47,74 11,76 2,03 13,78 15,38 2,73
Julho 384754,01 47,03 11,53 2,04 13,89 15,48 2,75
Agosto 399093,94 46,71 11,77 2,32 15,16 16,93 3,07
Setembro 322556,43 46,92 12,53 2,77 14,92 17,33 3,59
Outubro 315602,54 46,58 12,94 2,53 14,75 16,84 3,33
Novembro 272900,57 46,40 13,90 2,68 13,71 16,04 3,54
Safra 2005 2478961,87 46,94 12,23 2,44 14,05 15,98 3,26
4.1.1 Quantidade de Bagaço Consumido e Bagaço Excedente
Na Tabela 7 observa-se que a quantidade de bagaço consumido pela
Usina Usaciga, em tonelada por dia, na média, é substancialmente menor que a
da usina Dedini, conforme apresentado na Tabela 8. Isso se deve ao fato do
consumo diário de cana na Usina Usaciga ser menor que na Dedini, conforme
apresentado nas tabelas 7 e 8. Os dados apresentados são dados em toneladas por
dia e estão apresentados com média diária mensal. Observa-se que a quantidade
de bagaço total produzida é proporcional à quantidade de cana moída
mensalmente. Para o bagaço excedente, os resultados foram invertidos, tendo a
Usina Usaciga apresentado uma quantidade maior que a Dedini. Isso ocorreu,
pois a usina do Paraná não tem contrato de venda de energia com a
concessionária local, tendo então, um excedente de bagaço maior, pois não existe
a possibilidade de maior produção de vapor para aumentar a potência de energia
gerada para ser inserida na rede de energia da Copel. Para a Usina Dedini,
constatou-se no primeiro mês uma média negativa. Isso se deu pelo fato da Usina
utilizar o bagaço que estava armazenado na montanha de bagaço e que é
guardado para poder partir a indústria no início da safra, quando não existe
3
bagaço para a produção de vapor. Na Usina Usaciga também é utilizado bagaço
da montanha de excedente do ano anterior, no entanto, como a produção foi
grande no primeiro mês, na média, o valor ficou positivo. Contudo, para a
próxima safra: 2007, provavelmente, esses dados serão bem diferentes, pois a
Usina foi aceita no programa PROINFA, o que possibilitará à indústria investir
na área de geração de energia e terá contrato de venda de energia garantido pelo
programa governamental. Com isso, provavelmente, o excedente da Usina
Usaciga será bem menor.
Tabela 7 - Quantidade de bagaço produzido, consumido e excedente da Usina
Usaciga
DATA
USACIGA
Bagaço Total
Produzido (t/dia)
Bagaço Total
Consumido (t/dia)
Bagaço Excedente
(t/dia)
Abril 1585,88 1427,29 158,59
Maio 2096,64 1886,97 209,66
Junho 2095,93 1886,34 209,59
Julho 2127,01 1914,31 212,70
Agosto 1814,50 1633,05 181,45
Setembro 1459,68 1313,71 145,97
Outubro 1569,88 1412,90 156,99
Novembro 2259,88 2033,89 225,99
Safra 2005 1876,18 1688,56 187,62
Tabela 8 - Quantidade de bagaço produzido, consumido e excedente da Usina
Dedini
DATA
DEDINI
Bagaço Total
Produzido (t/dia)
Bagaço Total
Consumido (t/dia)
Bagaço Excedente
(t/dia)
Abril 2161,82 2285,27 -123,45
Maio 2502,16 2398,00 104,16
Junho 3104,60 3056,13 48,47
Julho 3039,55 2817,35 222,19
Agosto 3238,94 3151,48 87,45
Setembro 2877,37 2602,90 274,47
Outubro 2815,55 2813,45 2,10
Novembro 2702,67 2675,83 26,83
Safra 2005 2805,33 2725,05 80,28
3
4.1.2 Medições Setoriais do Consumo de Energia
Nas tabelas 9 e 10, a seguir, são apresentadas as medições setorizadas de
cada indústria.
A Usina Usaciga apresenta somente 11 pontos de coleta, sendo um
considerado de cargas em geral, totalizando 21% do consumo total de energia
elétrica. O maior consumo elétrico da safra de 2005 ficou para a destilaria e
também para a moenda 6, com 24% do total. O setor que apresentou a segunda
maior medição foi o de captação e tratamento de água, posto de combustível e
barracão agrícola, totalizando 22% do consumo de energia elétrica total da
indústria. A Usaciga apresentou um consumo no período da safra 2005 de 22314
MWh. Valor bem inferior ao da Usina Dedini, que apresentou, para a safra 2005,
um consumo de 40922 MWh.
A Usina Dedini tem sua energia dividida em muito mais setores, ficando
mais evidente os pontos de maior consumo de energia elétrica dentro da
indústria. O ponto de consumo de energia que apresentou maior consumo foi o
de preparo de caldo, consumindo cerca de 21% do consumo total da indústria. A
comparação entre as indústrias não pode ser melhor, pois os dados não têm
equivalência, sendo apresentados de forma muito resumida para a Usaciga.
Tabela 9 - Consumo de energia do período da safra por setores da Usaciga
CONSUMO DE ENERGIA POR SETORES NA USACIGA (SAFRA 2005)
Setor Total (kWh)
1 Captação e trat. de água/posto/barracão agrícola 4958700,00
2 Destilaria / Moenda 6 5454570,00
3 Fabrica açúcar MAC 1250 892566,00
4 Secador de levedura 495870,00
5 Turbina açúcar 991740,00
6 Moendas/recepção/preparo 545457,00
7 Tratamento de caldo 991740,00
8 Esteira das caldeiras 495870,00
9 Caldeira 1 1304138,10
10 Caldeira 2 1304138,10
11 Cargas - Geral 4879360,80
Consumo de Energia Total – Safra 2005 (kWh) 22.314.150,00
4
Tabela 10 - Consumo de energia do período da safra por setores da Dedini
CONSUMO DE ENERGIA POR SETORES NA DEDINI (SAFRA 2005)
Setor Total (kWh)
1 Fábrica de Açúcar 4.339.100,40
2 Laboratório de Açúcar 39.949,22
3 Ensaque e Armazenagem 763.030,19
4 Fábrica de Álcool 5.231.743,50
5 Laboratório de Álcool 38.412,72
6 Armaz. / Carreg. Álcool 14.160,00
7 Fábrica de Açúcar Líq. / Gludex 827.792,00
8 Laboratório de Gludex 19.974,61
9 Armaz. / Carreg. Aç. Líq. e Gludex 43.568,00
10 Pesagem 10.281,66
11 Recepção de Cana 2.334.091,12
12 Preparo da Cana 416.968,10
13 Moagem 2.583.389,34
14 Aquecimento do Caldo 338.031,90
15 Tratamento do Caldo 1.044.825,88
16 Diluição da Cal 61.460,35
17 Clarificação do Caldo 755.962,25
18 Filtração do Lodo 1.229.206,91
19 Evaporação do Caldo 8.751.953,21
20 Laboratório PCTS 35.600,00
21 Laboratório Análise Moagem 15.365,09
22 Laboratório de Águas 21.511,12
23 Laboratório de Microbiologia 18.438,10
24 Geração e Distribuição de Vapor 7.481.161,00
25 Geração e Distribuição de Energia 794.067,67
26 Captação e Distribuição de Água 946.558,79
27 Central Prod. e Distr. Ar Comprimido 946.489,32
28 Captação e Distribuição de Efluentes 1.536.508,64
29 Manutenção Mecânica e Industrial 21.150,56
30 Manutenção Elétrica e Instrumentação 25.075,82
31 Construção Civil e Carpintaria 35.954,30
32 Veículos e Máquinas 0,00
33 Conservação e Limpeza 0,00
34 Administração Industrial 12.292,07
35 Almoxarifado Industrial 16.717,21
36 Montagens Metálicas e Tubulações 0,00
37 Serviços Prestados a 3.ºs 0,00
38 Controladoria 52.560,00
39 Gastos Gerais 0,00
40 Despesas com Açúcar 948,50
41 Despesas com Álcool 5.826,50
42 Despesas com Aç. Líq. / Gludex 6.775,00
43 Auto Posto 41.140,00
44 Restaurante 52.137,00
45 Segurança Patrimonial 0,00
46 Jardinagem 0,00
47 Vaca Mecânica 5.793,00
48 Alojamento 6.248,34
Consumo de Energia Total – Safra 2005 (kWh) 40.922.219,40
4
4.1.3 Potência Média Fornecida pelos Geradores
A potência média fornecida pelos geradores é apresentada na Tabela 11.
Nas médias mensais, a Usina Usaciga apresentou uma quantidade de potência
média fornecida muito inferior aos dados fornecidos pela Dedini. Para o mês de
outubro a Usaciga teve uma geração média muito baixa, provavelmente em
função do grande número de paradas que a indústria teve, possivelmente em
função das chuvas. Entretanto, houve certo equilíbrio nas médias, mostrando que
o consumo nas indústrias é bastante constante. O valor máximo médio na Usina
Dedini ficou, no mês de agosto, com 8634,3 kW, apresentando um valor que
significa, aproximadamente, 86% da capacidade de geração da indústria. Na
Usaciga, o maior valor médio ficou para o mês de agosto, totalizando 1506 kW,
cerca de 25% da capacidade instalada de geração, considerando-se somente o
gerador de 6MW, o que significa um valor baixo. Isso ocorre por que a usina não
tem contrato de venda de energia, deixando muito tempo o gerador ocioso.
Tabela 11 - Potência média fornecida pelos geradores em kW
MÊS
DEDINI USACIGA
Potência Média Fornecida pelos
Geradores (kW)
Potência Média Fornecida pelos
Geradores (kW)
Abril 645,18 540,99
Maio 6775,04 1202,08
Junho 8154,83 1343,83
Julho 8335,66 1501,67
Agosto 8634,30 1506,04
Setembro 7355,81 1414,46
Outubro 7702,46 859,44
Novembro 6863,46 1294,98
4
4.1.4 Energia Gerada e Comercializada
Nas tabelas 12 e 13, apresenta-se a quantidade de energia gerada,
comprada e vendida para a concessionária.
Na Usaciga não houve venda de energia, pois a indústria não tem
contrato para comercializar essa energia. Já a Dedini, exportou 3.317 MWh no
período da safra 2005. Isso significa uma grande quantidade de energia, cerca de
8% da energia total consumida na indústria. A energia comprada, para o período
em estudo, na Usaciga foi de 230 MWh e 620 MWh para a Dedini.
Provavelmente, essa quantidade de energia ficou alta, pois nesse mês a indústria
esteve muito tempo parada.
Mesmo as indústrias tendo grande reserva de bagaço para a queima no
início do processo, é necessário utilizar um pouco da energia da concessionária
para a partida das caldeiras.
Tabela 12 - Energia gerada e comercializada na safra 2005 da Usaciga
ENERGIA GERADA
WEG 6MW 22083980,00
Total energia gerada 22.083.980,00
ENERGIA COMPRADA DA COPEL
Consumo na Ponta (kWh) 18391,00
Consumo Fora Ponta (kWh) 211779,00
Total energia comprada (kWh) 230.170,00
ENERGIA VENDIDA PARA COPEL
Energia Vendida (kWh) 0
4
Tabela 13 - Energia gerada e comercializada na safra 2005 da Dedini
ENERGIA GERADA
Gerador Total (kWh)
Siemens 3MW 14.572.320,00
Toshiba 3MW 12.456.634,40
Toshiba 4MW 16.588.800,00
Total de energia gerada 43.617.754,40
ENERGIA COMPRADA DA ELEKTRO
Consumo na Ponta (kWh) 46854,00
Consumo Fora Ponta (kWh) 573963,00
Total de energia comprada (kWh) 620.817,00
ENERGIA VENDIDA PARA ELEKTRO
Energia vendida (kWh) 3.316.352,00
4.1.5 Energia Produzida pelos Geradores
A Tabela 14 apresenta a quantidade de energia produzida em kWh pelos
geradores de cada indústria.
Verifica-se uma linearidade na produção de energia, isso ocorre em
virtude do consumo também apresentar essa mesma característica..
Tabela 14 - Energia produzida pelos geradores
MÊS
DEDINI USACIGA
Energia Produzida pelos
Geradores
Energia Produzida pelo Gerador
Abril 1407665,60 1180340,00
Maio 5420032,80 2622725,00
Junho 6313418,00 2932001,00
Julho 6453412,00 3276360,00
Agosto 6684620,00 3285909,00
Setembro 5884648,00 3086084,00
Outubro 5963194,00 1875143,00
Novembro 5490764,00 2825418,00
4
4.1.6 Energia Disponível para Venda
Esse indicador só pode ser apresentado para a Usina Dedini, pois a
Usaciga não tem exportação de energia. Observa-se que os valores de energia
comercializada pela Dedini apresentaram uma linearidade, o que a torna bastante
interessante para o setor a comercialização, pois é possível prever a quantidade
de energia disponível para venda e manter essa quantidade disponível, conforme
mostrado na tabela 15. Como a Usaciga não tem comercialização de energia, não
tem também valores para que este estudo seja realizado.
Tabela 15 - Energia disponível para venda em kWh
MÊS
DEDINI USACIGA
Energia Disponível
para Venda (kWh)
Energia Disponível
para Venda (kWh)
Abril 64714,00 0
Maio 392688,00 0
Junho 443096,00 0
Julho 532160,00 0
Agosto 532160,00 0
Setembro 441.500,00 0
Outubro 449.300,00 0
Novembro 460.734,00 0
4.1.7 Potência Média Exportada em kW
A potência média exportada é fornecida em kW. Foi possível encontrar
esse dado dividindo-se a energia gerada pela quantidade de horas do período. A
demanda ficou com um valor relativamente médio, sendo o mês de julho e agosto
com os maiores valores de demanda. Isso mostra que, no caso da Usina Usaciga,
com um gerador de 2,5MW parado, poderia, caso houvesse um contrato, tornar
economicamente interessante a venda de energia para diversificar o ramo de
4
atividade e também agregar renda para a indústria, pois fica evidente que mesmo
com pequena potência instalada, é possível comercializar energia elétrica.
Tabela 16 - Potência média exportada para concessionária
MÊS
DEDINI USACIGA
Potência Média
Exportada (kW)
Potência Média
Exportada (kW)
Abril 245,13 0
Maio 1487,45 0
Junho 1678,39 0
Julho 2015,76 0
Agosto 2015,76 0
Setembro 1672,35 0
Outubro 1701,89 0
Novembro 1745,20 0
4.1.8 Consumo Específico
O consumo específico apresentado é a razão entre o consumo elétrico em
kWh pela quantidade de cana moída em toneladas. Esse indicador é muito
interessante, pois, com base nele é possível analisar mensalmente o rendimento
elétrico pela produtividade da indústria. A Usina Dedini apresentou um valor
bastante constante, com um mínimo de 16,74 kWh/t e um máximo de 20,24
kWh/t. Já na Usaciga, ocorreu um mínimo no mês de maio de 12,54 kWh/t e um
máximo para o mês de setembro, com um indicador de 25,72 kWh/t. Na Dedini
os indicadores constantes mostraram uma safra mais uniforme, com menos
paradas. Já para a Usaciga, o indicador apresentou um valor mínimo para o mês
de maior quantidade de cana moída. Com isso, aproveitaram-se melhor os
equipamentos, provavelmente com tempos mínimos de equipamentos
funcionando sem material sendo processado. Para o mês de novembro houve um
consumo de energia em kWh por tonelada de cana moída muito grande.
Provavelmente, foi o mês em que ocorreu um maior tempo de máquinas
4
trabalhando ociosas, possivelmente devido a problemas com chuvas ou
equipamentos com problemas na indústria.
Tabela 17 - Consumo específico em kWh por tonelada de cana moída
MÊS
DEDINI USACIGA
Consumo específico (kWh/t) Consumo específico (kWh/t)
Abril 19,75 18,04
Maio 17,64 12,52
Junho 16,74 15,13
Julho 16,77 17,11
Agosto 16,78 18,43
Setembro 18,31 25,72
Outubro 18,91 14,08
Novembro 20,24 16,61
4.1.9 Geração Média
A geração média é um dado calculado pela soma da energia gerada por
todos os geradores da indústria dividida pela quantidade de horas de moagem do
período considerado. Esse indicador ficou bem maior que o indicador potência
média fornecida pelos geradores, que apresentou números considerando o tempo
total do período. Para a geração média, consideraram-se somente as horas de
moagem.
Na Usina Dedini os resultados apresentaram-se mais equilibrados,
mostrando que a produção é mais constante. Observou-se também uma utilização
bastante racional dos geradores, pois eles estão sendo bem utilizados, porquanto
os indicadores são bastante altos. Considerando-se uma potência de 10MW
instalada, tem-se uma média de 7,85MW para a safra toda, indicando um
percentual de 78% de utilização dos geradores.
A Usaciga obteve valores altos também, no entanto, houve uma variação
grande, por exemplo, no mês de outubro a geração média ficou em 2,52MW. No
entanto, a média para a safra ficou em 3,95%, indicando um percentual de 65%
4
da potência total instalada. Esse valor mais baixo pode ser explicado, pois a
Usaciga, não exporta energia da indústria, portanto não existe a possibilidade de
melhor utilização dos grupos, ocasionando uma potência ociosa para os 6MW
instalados.
Tabela 18 - Geração média em MW
MÊS
DEDINI USACIGA
Geração Média (MW) Geração Média (MW)
Abril 5,33 4,47
Maio 7,53 3,64
Junho 8,49 3,94
Julho 8,67 4,40
Agosto 8,98 4,42
Setembro 8,17 4,29
Outubro 8,02 2,52
Novembro 7,63 3,92
4.1.10 Fator de Utilização
O fator de utilização é a razão da geração média dividida pela potência
instalada de geradores.
A Usina Usaciga apresentou uma particularidade, tendo uma potência de
geração instalada para duas situações, pois o gerador de 2,5MW não está
operando normalmente, tendo então, a Usina, um gerador de 6MW operando
normalmente e um gerador de 2,5MW que não está operacional.
Para a Usina Dedini, o fator de utilização teve valores bastante elevados.
Isso significa que os geradores estão sendo melhor aproveitados pela indústria.
Obteve-se um valor mínimo para o mês de abril, no entanto, como a safra iniciou
nesse mês, considera-se, então, o pior valor para o mês de maio, que apresentou
75% de utilização dos geradores. No mês de agosto, houve a maior taxa do
indicador: 90%. Isso mostra que os geradores estão sendo bem aproveitados.
4
Na Usina Usaciga, os valores encontrados ficaram relativamente baixos,
considerando-se a potência instalada de geradores como sendo 6MW, no entanto,
obteve valores menores ainda que os da usina Dedini. Isso ocorre, pois a Usaciga
não exporta energia, tendo então, muito tempo da geração onerada por problemas
no processo. Obteve-se um máximo para o mês de abril: 75%, que será
desprezado, ficando então o mês de agosto com o maior indicador: 74%, e o pior
rendimento para o mês de outubro, com 42% de fator de utilização. Para o mês
de outubro, uma taxa tão baixa pode ser explicada com o excesso de paradas.
Aplicando-se o fator de utilização para os 8,5MW de potência instalada, tem-se
valores ainda mais baixos, chegando ao percentual de 30% para o mês de
outubro. Mais uma vez fica evidenciada a necessidade da Usaciga de exportar
energia, pois pelo fator de utilização da usina, verificou-se que o gerador se
encontra ocioso em boa parte do período de funcionamento.
Tabela 19 - Fator de utilização
MÊS
DEDINI USACIGA
Fator de Utilização
(10MW)
Fator de Utilização
(6MW)
Fator de Utilização
(8,5MW)
Abril
0,53 0,75 0,53
Maio
0,75 0,61 0,43
Junho
0,85 0,66 0,46
Julho
0,87 0,73 0,52
Agosto
0,90 0,74 0,52
Setembro
0,82 0,71 0,50
Outubro
0,80 0,42 0,30
Novembro
0,76 0,65 0,46
1.12 INDICADORES EXERGÉTICOS
Para o desenvolvimento e comparação dos indicadores exergéticos das
indústrias estudadas, foram levantados os dados apresentados nas tabelas 20 e 21.
4
Na Usaciga a pressão de vapor é única, pois a usina tem somente uma
linha de vapor para todos os equipamentos. A temperatura do vapor vivo também
se encontra igual para todos os equipamentos, pois todos os equipamentos foram
considerados nas mesmas condições. O vapor de escape de cada equipamento
também é jogado numa única linha de vapor. Também chamado de vapor de
baixa, configurado em: 1,7 kgf/cm
2
e temperatura de 170°C. A rotação varia de
equipamento para equipamento, dependendo da finalidade e também do
fabricante. A potência considerada fornecida pela usina foi a potência real do
equipamento, fornecida pelo fabricante e pelo gerente do departamento de
mecânica. O consumo de vapor é um dado que não é medido na Usaciga, sendo
então, fornecido pelo fabricante dos equipamentos e pelo gerente industrial, o
qual forneceu os valores aproximados da indústria. No entanto, o consumo de
vapor total, estando todos os equipamentos da indústria em pleno funcionamento,
fica em 160 t/h. Foi nos passado pelo operador da sala de maquinas que as duas
caldeiras juntas fornecem 140 t/h em plena carga.
Para a Usina Dedini, na qual existem 4 caldeiras instaladas, os dados
fornecidos pelos departamentos técnicos e são apresentados na Tabela 21. A
pressão de vapor vivo tem variação, pois existem duas linhas de vapor. Já a
temperatura considerada, por existirem termômetros instalados em cada
equipamento da usina, proporcionou a oportunidade de se ter dados reais em cada
ponto do estudo. Os dados da pressão de escape e da temperatura do vapor de
saída são dados que não são medidos, devendo, então, serem considerados os
valores característicos do sistema. A rotação, potência e consumo de vapor foram
dados fornecidos pelo departamento técnico e são reais, calculados e
apresentados pelos fabricantes de cada equipamento.
Tabela 20 - Dados fornecidos dos equipamentos do processo da Usaciga
TURBINA
P vapor
vivo
t vapor
vivo
P vapor
escape
t vapor
escape
Rotação W
Consumo
de Vapor
kgf/ cm² °C kgf/ cm² °C RPM HP t/h
Faca niveladora 21 320 1,7 170 5600 891 10,49
5
Faca picadora 21 320 1,7 170 6000 668 7,87
Desfibrador 21 320 1,7 170 5800 1560 22,96
1º Terno 21 320 1,7 170 5200 660 7,77
2º e 3º Ternos 21 320 1,7 170 5200 1320 15,54
4º e 5º Ternos 21 320 1,7 170 5200 1320 15,54
Turbobomba 1 21 320 1,7 170 3500 350 5,20
Exaustor 1 21 320 1,7 170 4300 400 4,71
Exaustor 2 21 320 1,7 170 4300 300 3,53
Gerador 1 WEG 21 320 1,7 170 7500 5706 67,20
Tabela 21 - Dados fornecidos dos equipamentos do processo da Dedini
TURBINA
P vapor
vivo
t vapor
vivo
P vapor
escape
t vap
escape
Rotação W
Consumo
de Vapor
kgf/ cm² °C kgf/ cm² °C RPM HP t/h
Faca oscilante 30 330 1,7 170 4200 1720 15,5
Faca fixa 20 300 1,7 170 5000 830 9,70
Desfibrador 30 330 1,7 170 4300 2860 25,90
1º e 2º Ternos 20 300 1,7 170 3460 1910 21,90
3º e 4º Ternos 20 300 1,7 170 3160 1910 30,60
5º e 6º Ternos 20 300 1,7 170 3156 1910 25,60
Turbobomba 1 30 330 1,7 170 3500 270 4,50
Turbobomba 2 30 330 1,7 170 3500 185 3,10
Turbobomba 3 20 300 1,7 170 3500 275 5,60
Ventilador 30 330 1,7 170 7000 251 3,30
Gerador 1 Siemens 30 330 1,7 170 7000 3000 36,90
Gerador 2 Toshiba 3 30 330 1,7 170 4000 4000 45,80
Gerador 3 Toshiba 4 20 300 1,7 170 9000 3000 41,80
5
4.1.11 Rendimento da 1° Lei da Termodinâmica, Eficiência Racional e
Eficiência Racional com Perdas
O rendimento da primeira lei da termodinâmica é apresentado nas tabelas
22 e 23. Esse rendimento foi observado analisando-se cada equipamento de cada
indústria. Os rendimentos apresentados na Usina Dedini ficaram com um valor
relativamente baixo em relação aos equipamentos da Usaciga. Isso se deve,
essencialmente ao consumo de vapor apresentado pela Usina Dedini ser maior
para cada equipamento. Provavelmente, isso ocorre por serem equipamentos com
eficiência menor do que os da Usina Usaciga.
A eficiência racional das usinas apresentou resultados bastante
equilibrados, pois a equação desse indicador utiliza a variação da entalpia real,
que utiliza a pressão e a temperatura de cada ponto dos equipamentos, que por
ser em uma linha única de vapor, apresenta valores muito próximos de eficiência
racional de um equipamento para o outro, da mesma forma que apresenta
indicadores parecidos de uma usina para a outra.
Já a eficiência racional com perdas utiliza a potência de cada
equipamento na equação para encontrar o indicador. Como as potências
utilizadas são reais, fornecidas pelos fabricantes, os resultados apresentados
ficaram com índices, para alguns equipamentos, superiores à eficiência racional
teórica, que utiliza o salto térmico real para encontrar o indicador. No entanto,
observou-se que em alguns equipamentos esse indicador ficou muito baixo,
devendo ser feito um estudo para verificar a possibilidade de troca ou
repotencialização da turbina.
5
Tabela 22 - Rendimento da 1° lei, eficiência racional e eficiência racional com
perdas da Usina Dedini
EQUIPAMENTO
DEDINI
Rendimento 1° Lei
Termodinâmica
Eficiência
Racional
Eficiência Racional
c/ perdas
η
Ψ Ψ
perdas
Faca oscilante 0,5235 0,5232 0,6064
Faca fixa 0,4726 0,5106 0,5507
Desfibrador 0,5210 0,5232 0,6035
1º e 2º Ternos 0,4817 0,5106 0,5613
3º e 4º Ternos 0,3448 0,5106 0,4017
5º e 6º Ternos 0,4121 0,5106 0,4802
Turbobomba 1 0,2831 0,5232 0,3279
Turbobomba 2 0,2816 0,5232 0,3261
Turbobomba 3 0,2713 0,5106 0,3160
Ventilador 0,3589 0,5232 0,4157
Gerador 1 Siemens 0,5144 0,5232 0,5958
Gerador 2 Toshiba 3 0,5526 0,5232 0,6400
Gerador 3 Toshiba 4 0,5316 0,5106 0,6194
Tabela 23 - Rendimento da 1° lei, eficiência racional e eficiência racional com
perdas da Usaciga
EQUIPAMENTOS
USACIGA
Rendimento 1° lei
termodinâmica
Eficiência racional
Eficiência
Racional c/ perdas
η
Ψ Ψ
perdas
Faca niveladora 0,8029 0,5761 0,5132
Faca picadora 0,8023 0,5761 0,5128
Desfibrador 0,6422 0,5761 0,4105
1º Terno 0,8029 0,5761 0,5132
2º e 3º Ternos 0,8029 0,5761 0,5132
4º e 5º ternos 0,8029 0,5761 0,5132
Turbobomba 1 0,6362 0,5761 0,4066
Exaustor 1 0,8028 0,5761 0,5131
Exaustor 2 0,8033 0,5761 0,5135
Gerador 1 WEG 0,9431 0,5761 0,6028
5
4.1.12 Eficiências das Caldeiras
A eficiência da primeira lei é menor que a da segunda lei, isso é
verificado analisando-se as equações. A definição da eficiência de primeira lei é
como o calor útil absorvido pelo vapor em relação ao calor desprendido pelo
combustível. Na segunda lei o indicador é a relação entre a potência teórica
máxima, que poderia ser extraída do vapor que sai da caldeira, e a exergia do
bagaço. Na Usina Dedini o valor da exergia do bagaço calculada foi de
9670,468 kJ/kg de bagaço. Para a Usaciga o valor da exergia do bagaço
calculado foi de 9519,268 kJ/kg de bagaço. A exergia calculada ficou com um
valor menor na Usaciga, provavelmente, porque o bagaço que sai do último terno
tem em média 50% de umidade, um valor maior que na Usina Dedini, que em
média é 49,2% de umidade.
Observa-se nas tabelas 24 e 25 que a eficiência da segunda lei ficou em
média menor para a Usina Usaciga, mostrando que as caldeiras desta usina
necessitam de melhorias. Como esse fato já é conhecido do departamento de
engenharia da Usina, a indústria já adquiriu uma nova caldeira, com pressão e
capacidade de produção de vapor bem maior que as caldeiras existentes. Essa
eficiência põe em evidência as irreversibilidades e perdas que ocorrem desde a
liberação do calor pelo combustível que é queimado, um processo claramente
irreversível, até que seja absorvido pela água. Esse indicador evidência alguns
pontos em que se podem fazer melhorias no sistema.
Por meio da equação de eficiência da primeira lei, obtiveram-se os
valores mais altos dessa eficiência, no entanto, o valor resultante só considerou
as exergias envolvidas no processo de saída e entrada, calor útil e a exergia do
bagaço. Da mesma maneira, obteve-se um maior rendimento para a Usina
Dedini.
5
Tabela 24 Eficiência racional da primeira lei e da segunda lei da
termodinâmica para Usina Dedini
EQUIPAMENTOS
DEDINI
Eficiência da 2ª Lei Eficiência da 1ª Lei
Ψ Ψ
C
Caldeira I 0,2355 0,7384
Caldeira II 0,2360 0,7806
Caldeira III 0,2297 0,7592
Caldeira IV 0,2080 0,7087
Tabela 25 - Eficiência racional da primeira lei e da segunda lei da
termodinâmica para Usaciga
EQUIPAMENTOS
USACIGA
Eficiência da 2ª lei Eficiência da 1ª° lei
Ψ Ψ
C
Caldeira I
0,2218 0,7271
Caldeira II
0,2224 0,7285
4.1.13 Critérios de Desenvolvimento Baseados na Primeira Lei da
Termodinâmica
Nesses indicadores, compararam-se os resultados encontrados com os
resultados apresentados por DEL CAMPOS (1998).
4.1.13.1Fator de utilização de energia - FUE
O fator de utilização de energia é considerado alto e equilibrado entre as
usinas. Isso se deve basicamente ao tipo de combustível utilizado nas caldeiras,
5
que é substancialmente o mesmo, bagaço de cana em base úmida. As variações
de indicadores seriam relevantes se fossem consideradas outras fontes de
combustível aplicadas ao sistema. Nas usinas pesquisadas a variação encontrou-
se dentro das expectativas. Encontra-se o FUE fazendo-se a soma das potências
dos equipamentos com o calor útil do sistema de cada uma das usinas. Faz-se a
divisão pelo produto do PCI (Poder Calorífico Inferior) pelo fluxo total de
bagaço que é utilizado pelas caldeiras. O PCI foi calculado pela equação
fornecida pelo IPT (1990) para a base úmida. Obtiveram-se valores de PCI para
Usina Dedini de 7684,951 kJ/kg, para a Usaciga de 7525,467 kJ/kg e para a
Usina Vale do Rosário ficou em 7655 kJ/kg (DEL CAMPOS, 1988).
4.1.13.2Eficiência de geração de potência para o sistema - E = 1/FCP
Esse indicativo é encontrado com o inverso de FCP, que é a relação do
combustível para o processo divido pela potência produzida. No caso de E, os
valores ficaram bastante diferentes, isso por que a Usina Usaciga tem carência de
vapor em seu processo, fazendo então com que a potência produzida pela
quantidade de combustível utilizado ficasse maior que nas outras duas usinas
analisadas. No entanto, mesmo assim os valores ficaram relativamente baixos,
mostrando-se que os sistemas não são eficientes, pois não são exclusivos para a
cogeração, são utilizados também no processo industrial, o que não foi
considerado neste estudo.
4.1.13.3Razão de poupança de combustível - RPEC
O indicador RPEC apresentou a Usina Vale do Rosário como a que tem a
maior razão de poupança de combustível entre as indústrias analisadas. A Usina
Usaciga apresentou 3,14% de economia de combustível no sistema de cogeração.
A que apresentou a menor taxa foi a Usina Dedini, tendo 2,55% de economia de
5
combustível. Mesmo assim, existe uma economia, tornando vantajosa a
utilização de cogeração para o processo.
4.1.13.4Combustível destinado à produção de potência - FCP
O indicador FCP relaciona a Usina Usaciga como a que apresentou
melhores resultados. Isso se deve ao fato, já citado anteriormente, da Usina estar
trabalhando com as caldeiras produzindo ao máximo para a geração de vapor,
para atender à demanda do processo. Já a Usina Vale do Rosário apresentou
maiores indicadores, pois provavelmente tem vapor sobrando no sistema.
Tabela 26 Critérios de desempenho baseados na primeira lei da
termodinâmica
USINAS FUE
E
1/FCP
RPEC FCP
Usaciga 0,73 0,73 0,0314 1,36
Dedini 0,74 0,67 0,0255 1,50
Vale do Rosário 0,75 0,57 0,0460 1,76
5
CONCLUSÃO
De acordo com os dados obtidos, nas condições analisadas pela pesquisa
nas Usinas estudadas, foi possível concluir que:
- Através dos indicadores estudados conclui-se que a Usina Usaciga
tem potência de geração instalada maior que suas necessidades,
tendo combustível para produção de vapor excedente que pode ser
colocado em operação com a aquisição de uma nova caldeira e,
dessa forma aumentar a geração e fazer um contrato de venda de
energia com a concessionária que atende à região. A Usina Dedini
apresenta contrato de venda de energia com a Elektro, no entanto,
foi possível observar que existe possibilidade de exportar mais
energia do que a atual.
- O indicador FCP (1,36) mostrou que a Usina Usaciga apresenta a
menor taxa de combustível destinado à produção de potência, isso
significa que é a indústria que apresenta a melhor taxa de utilização
do bagaço. Também foi observado na Usaciga falta de vapor, pois a
potência instalada de equipamentos que demandam vapor é maior
que a quantidade máxima de geração térmica.
- O indicador de eficiência de geração de potência (0,73) mostra
claramente que a Usaciga é a indústria que apresenta o maior valor
nesse quesito. A Usina Dedini apresentou um indicador de 0,67,
considerado apropriado, porém inferior ao da Usaciga.
- Na Usina Usaciga o consumo específico foi, em média, 17,21 kWh/t
para o período estudado. Isso mostra que a indústria teve um melhor
coeficiente médio entre as indústrias estudadas, no entanto,
apresentou o valor mais elevado dentro do período: 25,72 kWh/t,
5
para o mês de setembro. Para a Usina Dedini a média do período
ficou em 18,14 kWh/t.
- O fator de utilização foi avaliado para a Usina Usaciga
considerando-se duas situações: utilizando-se somente o gerador de
6MW, onde os resultados apresentaram 66% de taxa de utilização e
outra se utilizando 8,5 MW de potência instalada de geração,
obtendo-se 46%. Os indicadores mostram que a indústria tem uma
baixa taxa de utilização dos geradores. A usina Dedini apresentou
um fator de utilização de 79%, valor considerado bom, mostrando
uma utilização racional dos geradores.
- O indicador de fator de utilização de energia – FUE apresentou
resultados muito semelhantes para as indústrias estudadas e também
teve um indicador muito próximo aos encontrados na literatura. O
valor do FUE ficou em 0,73 para a Usaciga e em 0,74. para a Usina
Dedini
- As eficiências racionais de primeira e segunda leis para as caldeiras
apresentaram valores muito semelhantes para ambas as indústrias.
Obteve-se em média 72,78% de rendimento para a primeira lei na
Usaciga e 74,66% para a Dedini, mostrando um maior rendimento
na Dedini para a primeira lei. A eficiência da segunda lei apresentou
22,21% de média para as duas caldeiras da Usaciga e 22,73% para a
Dedini.
5
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em Engenharia Agrícola) – Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas,
Universidade Estadual do Oeste do Paraná.
6
ANEXO
6
ANEXO A –FLUXO ESQUEMÁTICO PARA FABRICAÇÃO DE
PRODUTOS DERIVADOS DE CANA-DE-AÇÚCAR
Fonte: SANTA ELISA (2006).
6
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