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Campus de Ilha Solteira
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Análise da Viabilidade do Aproveitamento da Palha da Cana de
Açúcar para Cogeração de Energia numa Usina Sucroalcooleira
Ricardo Agudo Romão Júnior
Ilha Solteira – SP
Setembro/2009
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Campus de Ilha Solteira
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Análise da Viabilidade do Aproveitamento da Palha da Cana de
Açúcar para Cogeração de Energia numa Usina Sucroalcooleira
Ricardo Agudo Romão Júnior
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos
Dissertação apresentada à Faculdade
de Engenharia - UNESP – Campus de
Ilha Solteira, para obtenção do título
de Mestre em Engenharia Mecânica.
Área de Conhecimento: Ciências
Térmicas.
Ilha Solteira – SP
Setembro/2009
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FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação
Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação da UNESP - Ilha Solteira.
Romão Júnior, Ricardo Agudo.
R766a Análise da viabilidade do aproveitamento da palha da cana de açúcar
para cogeração de energia numa usina sucroalcooleira / Ricardo Agudo
Romão Júnior. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2009.
164 f. : il. color.
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de
Engenharia de Ilha Solteira. Área de conhecimento: Ciências Térmicas, 2009
Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos
Bibliografia: p. 132-136
1. Indústria sucroalcooleira. 2. Colheita mecanizada. 3. Palha - Utilização.
4. Energia elétrica e calor - Cogeração. 5. Sistema de lavagem de cana a seco.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus familiares Rose Mary Contiero, Marcelo
Romão, Dolores Contiero, Vera Contiero, Gilberto Castilho e Fabiana Souza.
“Vivo por quem eu morreria”.
AGRADECIMENTOS
Devo meus agradecimentos às seguintes pessoas:
Aos meus familiares que me apoiaram por todos os anos de faculdade e
posteriormente mesmo trabalhando incentivando-me a sempre dar continuidade nos
meus estudos.
Aos colaboradores da Usina Pioneiros Bioenergia S/A que permitiram que
dividisse meu tempo com o trabalho e as obrigações da pós-graduação, assim como
auxílio técnico para que essa dissertação fosse mais rica em dados.
Ao meu orientador Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos pelo apoio dado
desde minha graduação até a conclusão da minha dissertação.
Aos meus amigos da República Gueri-Gueri que, além de me dar forças nas
horas difíceis, sempre deixavam meus dias mais felizes e a outros vários amigos que
fiz durante o período de faculdade e da pós-graduação, assim como no trabalho.
“Mais vale a lágrima da derrota, do que a vergonha de nunca ter tentado”.
RESUMO
Com o aumento da mecanização da colheita de cana de açúcar e a
diminuição da prática de queima prévia da palha nos canaviais em função de
protocolos ambientais estabelecidos entre os usineiros e o governo, cresce
significativamente a quantidade de palha disponível no campo. Neste trabalho é
analisada a utilização de palha como combustível suplementar para caldeiras
convencionais de alta pressão (para bagaço), possibilitando assim um aumento de
geração de energia excedente com a possibilidade de ser exportada para
comercialização. Para tanto, são realizados estudos de perdas, ganhos e
investimentos com a introdução da palha na indústria através de análises
termodinâmicas de geração de energia, produção de álcool e açúcar, eficiências de
equipamentos como colhedoras de cana, sistema de lavagem de cana a seco,
picador de palha, caldeira de alta pressão, moagem da cana, entre outros. Como o
poder calorífico inferior da palha é quase o dobro do poder calorífico do bagaço a
geração de energia excedente para comercialização apresenta uma grande
vantagem para o setor, sendo as perdas em produção de açúcar e álcool poucos
significantes devido ao alto valor da venda de eletricidade.
Palavras-Chave: Indústria sucroalcooleira. Colheita mecanizada. Palha. Cogeração
de energia. Sistema de lavagem de cana a seco.
ABSTRACT
With the increasing mechanization of the sugar cane harvest and the decline
in the prior practice of burning of sugar cane straw, due to ambient protocols
established by government and sugar and alcohol industries factories, there is a
significant increase of the amount of straw available in the field. This paper considers
the use of straw as additional fuel in conventional high-pressure boilers (of bagasse),
thus enabling an increase in generation of energy surplus with the possibility to be
exported for commercialization. For this, studies of losses, gains and investments are
carried out with the introduction of straw in the industry through thermodynamics
analysis to generate energy, production of alcohol and sugar, efficiencies of
equipment like as mechanical cane harvest, washing system of cane to be dried,
mincer of straw, high-pressure boiler, milling of sugar cane, among others. As the
lower power heating of the straw is nearly twice of lower power heating the bagasse
the generation of energy for commercialization presents a great advantage for the
factories, and the losses in production of sugar and alcohol are not much significant
due to the high value of electric energy sale.
Keywords: Sugar and alcohol factories. Mechanical harvest. Straw. Cogeneration of
energy. Cane washing system.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Participação da biomassa na matriz elétrica brasileira 26
Figura 1.2 – Demanda por energia elétrica x Potencial da bioeletricidade
(em MW médios) 27
Figura 2.1 – Sistema Smokejack 35
Figura 2.2 – Estimativa da produção de cana e de bioeletricidade. 38
Figura 2.3 – Seqüência do processo de geração de potência e calor em
sistemas de cogeração 38
Figura 2.4 – Representação esquemática de um ciclo Rankine 40
Figura 2.5 – Representação esquemática de um ciclo Brayton simples 42
Figura 2.6 – Representação esquemática de um ciclo combinado 44
Figura 2.7 – Cogeração com motor alternativo 46
Figura 2.8 – Sistema de cogeração com turbina de extração-condensação 47
Figura 3.1 – Colheita mecanizada da cana de açúcar 54
Figura 3.2 – Prazos para eliminação da queima da palha no Estado de
São Paulo 55
Figura 3.3 – Montantes de energia provenientes de biomassa de cana
comercializados em 2007 no Estado de São Paulo 56
Figura 3.4 – Separação de impureza mineral 58
Figura 3.5 – Picador de palha 60
Figura 3.6 – Palha inteira e palha picada 60
Figura 3.7 – Sistema de lavagem a seco de cana (Projeto Antigo - CTC) 61
Figura 3.8 – Sistema de lavagem a seco de cana (Projeto Novo - CTC) 62
Figura 3.9 – Relação da rotação do extrator primário da colhedora com a
quantidade de impurezas a seco 63
Figura 3.10 – Projeto atual do sistema de lavagem de cana a seco 64
Figura 3.11 – Mesa alimentadora 65
Figura 3.12 – Transporte de cana picada pela esteira de talisca 65
Figura 3.13 – Sistema de ventilação do sistema de limpeza de cana a seco 66
Figura 3.14 – Saídas de ar do sistema de limpeza de cana a seco 66
Figura 3.15 – Caixa coletora de palha e terra 67
Figura 3.16 – Sistema de lavagem a seco em uma usina sucroalcooleira 67
Figura 4.1 – Divisão da cana de açúcar 68
Figura 4.2 – Sistema aberto em comunicação com a atmosfera e n
reservatórios térmicos. 81
Figura 5.1 – Produção energética global para o Caso 1 100
Figura 5.2 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool hidratado
(Caso 1). 100
Figura 5.3 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool anidro (Caso 1)101
Figura 5.4 – Perdas de energia com a queima da palha no Caso 1
(Base cana queimada) 101
Figura 5.5 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira
Safra (Caso 1). 102
Figura 5.6 – Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 1
(Base cana queimada) 103
Figura 5.7 – Eficiência energética global no Caso 1 ( 100% colheita
mecanizada) 104
Figura 5.8 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra do Caso 1 (Base cana queimada – 100 % colheita
mecanizada) 104
Figura 5.9 – Produção energética global para o Caso 2 111
Figura 5.10 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool hidratado
(Caso 2) 112
Figura 5.11 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool anidro
(Caso 2) 112
Figura 5.12 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar branco
(Caso 2) 113
Figura 5.13 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar VHP (Caso 2)113
Figura 5.14 – Perdas de energia com a queima da palha (Caso 2) 114
Figura 5.15 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra (Caso 2) 115
Figura 5.16 – Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 2
(Base cana queimada) 115
Figura 5.17 – Eficiência energética global no Caso 2 ( 100% colheita
mecanizada) 116
Figura 5.18 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra no Caso 2 (Base cana queimada – 100% da
colheita mecanizada) 117
Figura 5.19 – Produção energética global para o Caso 3. 124
Figura 5.20 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool hidratado
(Caso 3) 125
Figura 5.21 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool anidro
(Caso 3) 125
Figura 5.22 – Perdas de ART convertidas em perdas e açúcar branco
(Caso 3) 126
Figura 5.23 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar VHP
(Caso 3) 126
Figura 5.24 – Perdas de energia com a queima da palha (Caso 3) 127
Figura 5.25 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira
safra (Caso 3) 128
Figura 5.26 – Rentabilidade da energia excedente exportada (Caso 3) 128
Figura B.1 – Tela de dados de entrada do programa 139
Figura B.2 – Tela principal do programa (Parte 1) 140
Figura B.3 – Tela principal do programa (Parte 2) 141
Figura B.4 – Tela principal do programa (Parte 3) 142
Figura B.5 – Tela principal do programa (Parte 4) 143
Figura B.6 – Tela principal do programa (Parte 5) 144
Figura B.7 – Tela principal do programa (Parte 6) 145
Figura B.8 – Tela principal do programa (Parte 7) 146
Figura B.9 – Tela secundária do programa para cálculo da produção de
álcool e açúcar 147
Figura B.10 – Tela secundária do programa para cálculo do balanço
energético da usina 148
Figura B.11 – Tela secundária do programa para cálculo do seqüestro de
ART pelo bagaço produzido 148
Figura B.12 – Tela secundária do programa para análise energética dos
equipamentos do preparo e moagem de cana e preparo da
palha (Parte 1) 150
Figura B.13 – Tela secundária do programa para análise energética dos
equipamentos do preparo e moagem de cana e preparo da
palha (Parte 2) 151
Figura B.14 – Tela secundária do programa para cálculo das perdas de
ART convertidas em perdas de álcool e açúcar (Parte 1) 152
Figura B.15 – Tela secundária do programa para cálculo das perdas de
ART convertidas em perdas de álcool e açúcar (Parte 2) 153
Figura B.16 – Perdas de energia com a queima da palha nos canaviais 154
Figura B.17 – Receita final com acréscimo da palha na indústria 154
Figura B.18 – Produção energética 155
Figura B.19 – Rentabilidade da energia comercializada com a introdução
da palha na indústria 156
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Potencial de geração de bioeletricidade até 2013 37
Tabela 2 – Parâmetros utilizados e resultados da simulação do uso
combinado do bagaço e da palha para geração de eletricidade 57
Tabela 3 – Dados de impureza e eficiência de separação em função do tipo
de coleta (projeto antigo) 62
Tabela 4 – Dados de impureza e eficiência de separação em função do tipo
de coleta 63
Tabela 5 – Composição química típica de um colmo de cana de açúcar 69
Tabela 6 – Dados de entrada para uso no programa 70
Tabela 7 – Porcentagem de separação de palha pelas colhedoras 71
Tabela 8 – Classificação do açúcar cristal 75
Tabela 9 – Dados de entrada para cálculo de exportação de energia e
eficiência térmica 86
Tabela 10 – Dados de equipamentos do setor de preparo e moagem de
cana-de açúcar 90
Tabela 11 – Dados de equipamentos do setor de preparo da palha 90
Tabela 12 – Dados de entrada para cálculos (Caso 1) 95
Tabela 13 – Rendimento do canavial (Caso 1) 95
Tabela 14 – Quantidade de cana entrando na indústria (Caso 1) 96
Tabela 15 – Quantidade de cana na entrada do setor de extração e moagem
(Caso 1) 96
Tabela 16 – Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 1) 97
Tabela 17 – Quantidade de bagaço destinado à queima em uma caldeira de
alta pressão (Caso 1) 97
Tabela 18 – Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 1) 98
Tabela 19 – Geração total e exportação de energia por safra em MWh/safra
(Caso 1) 99
Tabela 20 – Dados de entrada para cálculos (Caso 2) 106
Tabela 21 – Rendimento do canavial (Caso 2) 106
Tabela 22 – Quantidade de cana entrando na indústria (Caso 2) 107
Tabela 23 – Quantidade de cana na entrada do setor de extração e moagem
(Caso 2) 107
Tabela 24 – Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 2) 108
Tabela 25 – Quantidade de bagaço destinado à queima em uma caldeira
de alta pressão (Caso 2) 108
Tabela 26 – Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 2) 109
Tabela 27 – Geração total e exportação de Energia MWh / safra (Caso 2) 110
Tabela 28 – Dados de entrada para cálculos (Caso 3) 119
Tabela 29 – Rendimento do canavial (Caso 3) 119
Tabela 30 – Quantidade de cana entrando na indústria (Caso 3) 120
Tabela 31 – Quantidade de cana na entrada do setor de extração e moagem
(Caso 3) 120
Tabela 32 – Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 3) 121
Tabela 33 – Quantidade de bagaço destinado à queima em uma caldeira de
alta pressão (Caso 3) 121
Tabela 34 – Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 3) 122
Tabela 35 – Geração total e exportação de energia no Caso 3
(MWh / safra) 123
Tabela 36 – Comparação entre os casos analisados 129
LISTA DE ABREVIATURAS
ANEEL
- Agência Nacional de Energia Elétrica
BNDES
- Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social
CGCE
- Câmara de Gestão da Crise Energética
CPFL
- Companhia Paulista de Força e Luz
COGEN-SP
- Associação Paulista de Cogeração de Energia
CTC
- Centro de Tecnologia Canavieira
GOELRO
- Plano Governamental de Eletrificação Russa
MAE
- Mercado Atacadista de Energia
MME
- Ministério de Minas e Energia
NUPLEN
- Núcleo de Planejamento Energético, Geração e Cogeração de
Energia
ONS
- Operador Nacional do Sistema Elétrico
PCI
- Poder Calorífico Inferior do Combustível
PPT
- Programa Prioritário de Termoeletricidade
PROINFA
- Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
PURPA
- Public Utilities Regulatory Policy Act
RP
- Regime Permanente
SIN
- Sistema Interligado Nacional
SLCS
- Sistema de Limpeza de Cana a Seco
NOMENCLATURA
Símbolos Latinos
Plantio
A
- Área necessária para o plantio da cana de açúcar (ha);
ART
- Açúcar redutor total (%);
Colmo
ART
- ART do colmo da cana de açúcar (kg);
DP
ART
- ART disponível para o processo (kg de ART);
Pr oc
ART
- ART para o processo (kg);
PP
ART
- ART perdido no processo (kg de ART);
Re c
ART
- ART recuperado (kg de ART);
comb
b
- Exergia específica do bagaço da cana (kJ/kg);
e
b
- Exergia específica na entrada da caldeira (kJ/kg);
fis
b
- Exergia física específica (kJ/kg);
qui
b
- Exergia química específica (kJ/kg);
s
b
- Exergia específica na saída da caldeira (kJ/kg);
t
b
- Exergia específica total (kJ/kg);
Disp
Bag
- Bagaço de cana disponível (t/safra);
Energia
C
- Custo da venda de energia (R$/MW);
Branco
C
- Custo de venda do açúcar branco (R$/sacas);
VHP
C
- Custo de venda do açúcar VHP (R$/sacas);
A
an
C
- Custo de venda do álcool anidro (R$/m
3
);
A
hi
C
- Custo de venda do álcool hidratado (R$/m
3
);
Colmo
Cana
- Porcentagem de colmo na cana (%);
Total
Cana
- Cana total plantada (t);
Pot
Cte
- Constante de potência do motor do equipamento;
Cons
Cte
- Constante de consumo do equipamento (kWh/ t
cana
);
Máx
Cap
- Capacidade máxima do equipamento (t
cana
/h ou t
palha
/h);
Pr oc
Cv
- Consumo de vapor pelo processo (kg/t
cana
);
Ext
C
- Consumo da turbina na extração (kg
vapor
/kW);
Cond
C
- Consumo da turbina na condensação (kg
vapor
/kW);
Moenda
C
- Consumo de energia pelas moendas (MW/safra);
_Total Planta
C
- Consumo total de energia na planta sucroalcooleira (MW/safra);
Moenda
Cesp
- Consumo específico da moenda (kWh/t
cana
);
Pr oc
Cesp
- Consumo específico do processo (kWh/t
cana
);
Palha
Cextra
- Consumo extra de energia no processamento da palha (MW/safra);
Pr
int
oc
C
- Consumo de energia interno do processo (MW/safra);
A
ab
D
- Densidade do álcool absoluto (kg/l);
w
E
&
- Taxa de trabalho útil (kW);
Cons
Total
E
- Energia total consumida pelos equipamentos (kWh/t
cana
);
Total
Exp
- Exportação total de energia (MWh/safra);
Cond
G
- Geração de energia através da condensação da turbina (MW);
Ext
G
- Geração de energia através da extração da turbina (MW);
Total
G
- Geração total da turbina (MW);
A
al
h
- Entalpia da água de alimentação (kJ/kg);
e
h
- Entalpia específica na entrada do volume de controle (kJ/kg);
h
o
- Entalpia específica no estado de referência (kJ/kg);
s
h
- Entalpia específica na saída do volume de controle (kJ/kg);
Vger
h
- Entalpia do vapor gerado (kJ/kg);
i
I
&
- Irreversibilidade num determinado equipamento (kW);
m
&
- Vazão mássica (líquido ou vapor) no volume de controle (kg/s);
comb
m
&
- Vazão mássica de combustível consumido na caldeira (kg/s);
e
m
&
- Fluxo de massa que entra no volume de controle (kg/s);
s
m
&
- Fluxo de massa que sai do volume de controle (kg/s);
Safra
M
- Moagem total (t/safra);
P
- Pressão (kPa);
P
o
- Pressão no estado de referência (kPa);
Bag
P
- Bagaço gerado a partir da cana de açúcar (%);
Bag
cald
P
- Produção de vapor por bagaço pela caldeira (kg
vapor
/ kg
bag
);
Palha
cald
P
- Produção de vapor por palha pela caldeira (kg
vapor
/ kg
palha
);
Caldo
P
- Porcentagem de caldo existente na cana de açúcar (%);
FB
P
- Porcentagem de fibra no bagaço (%);
FC
P
- Porcentagem de fibra no colmo (%);
Colmo
P
- Porcentagem de colmo na cana de açúcar (%);
Motor
P
- Potência do motor do equipamento (kW);
Ú
til
P
- Potência útil do equipamento (kW);
Disp
Palha
- Palha disponível (t/safra);
Bag
PCI
- Poder Calorífico Inferior do bagaço (kJ/kg);
comb
PCI
- Poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg);
Palha
PCI
- Poder Calorífico Inferior da palha (kJ/kg);
A
an
Pf
- Produção final de álcool anidro (litros);
A
hi
Pf
- Rendimento da destilaria (litros);
Branco
Pf
- Produção Final de Açúcar Branco (sacas);
VHP
Pf
- Produção final de açúcar VHP (sacas);
Branco
Pol
- Pol para produção de açúcar branco (%);
VHP
Pol
- Pol para produção de açúcar VHP (%);
Prod
- Produtividade (t/ha);
vc
Q
&
- Taxa de transferência de calor para o volume de controle (kW);
Dest
R
- Rendimento da destilaria (%);
ExpTotal
R
- Receita final para exportação de energia (R$/MW);
Branco
Pf
R
- Receita final para produção de açúcar branco (R$/sacas);
VHP
Pf
R
- Receita final para produção de açúcar VHP (R$/sacas);
A
an
Pf
R
- Receita final para produção de álcool anidro (R$/m
3
);
A
hi
Pf
R
- Receita final para produção de álcool hidratado (R$/m
3
);
Re
A
an
- Rendimento estequiométrico do álcool anidro (kg/kg ART);
Re
A
hi
- Rendimento estequiométrico do álcool hidratado (kg/kg ART);
A
an
Rg
- Rendimento global do álcool anidro (l/kg ART);
A
hi
Rg
- Rendimento global do álcool hidratado (l/kg ART);
Ferm
Rp
- Rendimento prático da fermentação (%);
A
an
Rt
- Rendimento teórico do álcool anidro (l/kg ART);
A
hi
Rt
- Rendimento teórico do álcool hidratado (l/kg ART);
e
s
- Entropia específica na entrada do volume de controle (kJ/kgK);
s
o
- Entropia específica no estado de referência (kJ/kgK);
s
s
- Entropia específica na saída do volume de controle (kJ/kgK);
ger
S
&
- Geração de entropia no volume de controle (kJ/kgK);
Sq
- Quantidade de ART seqüestrado por quantidade de bagaço
produzido;
T
- Temperatura (K);
T
o
- Temperatura no estado de referência (K);
j
T
- Temperatura superficial do volume de controle (K);
A
an
TA
- Teor alcoólico do álcool anidro (%peso);
A
hi
TA
- Teor alcoólico do álcool hidratado (%peso);
V
- Velocidade do fluxo de massa (m/s);
Cond
V
- Vapor destinado à condensação da turbina (t/safra);
Ext
V
- Vapor destinado à extração da turbina (t/safra);
Ger
V
- Vapor gerado pela caldeira (t/safra);
p
erd
W
&
- Taxa de trabalho perdido (kW);
vc
W
&
- Potência referente ao volume de controle (kW);
rev
W
&
- Taxa de trabalho reversível (kW);
i
x
- Fração do componente na mistura (%).
Símbolos Gregos
i
δ
- Porcentagem da irreversibilidade de cada equipamento em relação
ao total da planta (%);
Energética
ε
- Produção energética (kWh/t
cana
);
Ext
ε
- Eficiência de extração da moenda (%);
iso
∆h
- Diferença entre as entalpias de entrada e saída do volume de
controle, para processo isoentrópico (kJ/kg);
Cald
η
- Rendimento da caldeira (%);
I
η
- Eficiência pela 1ª Lei (%);
II
η
- Eficiência pela 2ª Lei (%);
i,0
μ
-
Potencial químico de referência do elemento (T
0
, P
0
);
i
μ
- Potencial químico do elemento na mistura (T
i
, P
i
);
∑
=
n
1i
i
I
&
- Irreversibilidade total da planta (kW).
Legendas
AA - Álcool Anidro;
AH - Álcool Hidratado;
BA
- Bomba de Alimentação;
C - Caldeira;
CC - Câmara de Combustão;
CR - Câmara de Recuperação;
CH - Chaminé;
CO - Condensador;
CP - Compressor;
G - Gerador;
PV - Parcialmente Ventilada;
RP - Regime Permanente;
SLCS - Sistema de Limpeza de Cana a Seco;
SV - Sem Ventilação;
TG
- Turbina a Gás;
TV
- Turbina a Vapor;
V
- Ventilada.
SUMÁRIO
1 Introdução ................................................................................................... 24
1.1 O Setor Elétrico Brasileiro ............................................................................. 24
1.2 Contribuição Energética do Setor Sucroalcooleiro ....................................... 25
1.3 Relevância do Tema e Objetivo .................................................................... 27
1.4 Revisão da Literatura .................................................................................... 28
2 Aspectos da Cogeração de Energia .......................................................... 34
2.1 Definição de Cogeração ............................................................................... 34
2.2 Histórico da Cogeração ................................................................................ 35
2.3 Ciclos de Cogeração ..................................................................................... 38
2.3.1 Ciclo Rankine ................................................................................................ 39
2.3.2 Ciclo Brayton ................................................................................................ 41
2.3.3 Ciclo Combinado .......................................................................................... 44
2.3.4 Ciclos Otto e Diesel ...................................................................................... 45
2.4 Sistemas de Cogeração no Setor Sucroalcooleiro ....................................... 46
2.5 Programas de Incentivo a Cogeração Criados pelo Governo ....................... 47
2.5.1 Programa Prioritário de Termoeletricidade ................................................... 47
2.5.2 Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica .............. 48
2.5.3 Programa Paulista de Bioenergia ................................................................. 50
3 Aproveitamento da Palha para Cogeração ............................................... 52
3.1 Potencial Energético da Palha para Cogeração ........................................... 52
3.2 Sistema para a Separação da Palha ............................................................ 57
3.3 Origens do Sistema de Lavagem de Cana a Seco, Testes e Resultados
Obtidos ......................................................................................................... 61
3.4 Princípios de Funcionamento do Sistema de Limpeza de Cana a Seco....... 64
4 Conceitos e Metodologia Aplicada para o Aproveitamento da Palha .... 68
4.1 Dados de Entrada ......................................................................................... 68
4.2 Produção de Álcool ....................................................................................... 72
4.3 Fabricação de Açúcar ................................................................................... 74
4.4 Balanço Energético da Geração de Energia ................................................. 76
4.4.1 Conceitos Termodinâmicos .......................................................................... 76
4.4.1.1 Primeira Lei da Termodinâmica .................................................................... 76
4.4.1.2 Segunda Lei da Termodinâmica ................................................................... 77
4.4.1.3 Balanço de Exergia ....................................................................................... 78
4.4.1.4 Irreversibilidade dos Equipamentos .............................................................. 83
4.4.1.5 Eficiências Térmicas pela Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica ....... 84
4.4.2 Exportação de Energia e Produção Energética ............................................ 86
4.4.3 Análise Energética dos Equipamentos do Preparo e Moagem de Cana e do
Preparo da Palha .......................................................................................... 89
4.5 Cálculo do Seqüestro de ART pelo Bagaço .................................................. 91
4.6 Balanço Econômico da Geração de Energia, Produção de Álcool e Açúcar 92
5 Resultados .................................................................................................. 94
5.1 Caso 1 .......................................................................................................... 94
5.1.1 Resultados Termodinâmicos ........................................................................ 98
5.1.2 Resultados Econômicos ............................................................................. 100
5.2 Caso 2 ........................................................................................................ 105
5.2.1 Resultados Termodinâmicos ...................................................................... 109
5.2.2 Resultados Econômicos ............................................................................. 111
5.3 Caso 3 ........................................................................................................ 118
5.3.1 Resultados Termodinâmicos ...................................................................... 122
5.3.2 Resultados Econômicos ............................................................................. 124
5.4 Tabela Comparativa entre os Casos........................................................... 129
6 Conclusões ............................................................................................... 130
REFERÊNCIAS .......................................................................................... 132
APÊNDICE A .............................................................................................. 137
ANEXO A ................................................................................................... 157
24
1 Introdução
A ocorrência da crise energética em 2001, decorrente da redução de água em
reservatórios das hidrelétricas por escassez de chuvas e do aumento do consumo
de energia acima da capacidade do setor público em responder ao crescimento
dessa demanda, levou o Brasil a um panorama de incertezas quanto à garantia de
oferta de energia.
Uma das alternativas para suprir o déficit de eletricidade é o estímulo à
geração independente e descentralizada e a participação de capital privado no
sistema através da construção de pequenas centrais hidrelétricas e termelétricas,
além do aumento da geração de energia elétrica através da cogeração em
indústrias, com destaque para as sucroalcooleiras.
Diante deste contexto, a seguir serão apresentados alguns detalhes do setor
elétrico brasileiro: a contribuição energética do setor sucroalcooleiro; a relevância e
objetivos do presente trabalho, bem como uma revisão bibliográfica sobre o assunto.
1.1 O Setor Elétrico Brasileiro
Nos últimos anos o setor elétrico brasileiro sofreu várias mudanças estruturais
que geraram uma série de inovações, quer seja de ordem institucional ou em nível
de regulamentação, que alteraram sensivelmente o panorama, até então estável e
controlado pelo governo, para um ambiente competitivo. Assim, foram criadas a
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) em 1996, o Operador Nacional do
Sistema Elétrico (ONS) e o Mercado Atacadista de Energia (MAE) em 1998, a
Câmara de Gestão da Crise Energética (CGCE) em 2001, dentre outras agências e
órgãos, que passaram a regular o sistema elétrico dentro de um novo contexto, cujo
objetivo maior foi passar de um mercado de energia elétrica onde predominam os
consumidores cativos, para um mercado de livre negociação.
25
As recentes transformações estruturais do setor elétrico brasileiro vêm
seguindo as tendências mundiais, cujo caráter é eminentemente descentralizador,
com maior espaço para a produção de eletricidade em geradores independentes das
concessionárias; uso mais intensivo de fontes energéticas renováveis; auto-
produção energética e a geração distribuída, contexto dentro do qual se destaca a
cogeração no setor sucroalcooleiro (CORRÊA NETO; RAMON, 2002).
A partir da biomassa produzida pelo seu processo produtivo, o potencial de
geração de energia elétrica excedente possui como principais determinantes a
alternativa tecnológica adotada para o ciclo termoelétrico de cogeração, o
crescimento da cultura da cana de açúcar, as alterações técnicas para redução dos
consumos específicos de energia mecânica, térmica e elétrica no processo produtivo
de açúcar e álcool e o método de colheita adotado.
O potencial de mercado para a comercialização do excedente de energia
elétrica depende fundamentalmente da estrutura do setor elétrico, do interesse das
empresas concessionárias de distribuição de energia elétrica em agregar esta fonte
a seu portfólio, da disposição dos empresários do setor sucroalcooleiro em investir
nesta geração de energia elétrica e da disposição das concessionárias em
remunerar adequadamente a energia elétrica contratada.
1.2 Contribuição Energética do Setor Sucroalcooleiro
Há alguns anos vem sendo discutido o melhor aproveitamento do potencial
econômico da biomassa da cana de açúcar, tanto o bagaço de cana de açúcar como
a biomassa que compõe a planta no campo (palhiço): suas folhas, pontas e palhas.
Com esse advento da cogeração e a possibilidade de exportação de energia
elétrica, além da competitividade do mercado, as usinas passaram a se preocupar
com a eficiência das suas máquinas térmicas, já que nessa situação, além de
atender a demanda térmica e eletromecânica, o excedente de energia pode ser
comercializado.
Em 2008 a agroindústria sucroalcooleira brasileira possuía cerca de
3.000 MW de potência instalada, que não era totalmente utilizada. As usinas
26
comercializavam apenas uma parte da geração de energia (aproximadamente
600 MW), outra parcela produzida era consumida pelo próprio processo da usina
(mais de 2.000 MW durante a safra). Atualmente, a comercialização da energia do
bagaço e da palha representa menos de 1 % da matriz elétrica nacional, sendo que
a biomassa como um todo (considerando outros resíduos), corresponde 3,5 %,
conforme mostra a Figura 1.1. Das cerca de 360 usinas em funcionamento,
praticamente todas geram o insumo para a sua própria demanda, mas apenas 10 %
aproximadamente comercializam excedentes para o mercado. Segundo a UNICA
(União da Indústria da Cana de Açúcar), algumas unidades ainda não se sentem
estimuladas pelos preços oferecidos ao insumo a investir em novos equipamentos
para tornar a energia uma receita adicional aos seus tradicionais produtos
(BALEOTTI, 2008).
77,3%
3,5%
2,5%
3,6%
2,8%
1,3%
Hidráulica
Biomassa
Nuclear
Gás natural
Derivados de petróleo
Carvão mineral
Figura 1.1 – Participação da biomassa na matriz elétrica brasileira.
Fonte: www.mme.gov.br
Com o aumento de produção de cana de açúcar devido à expansão das áreas
plantadas e às novas tecnologias empregadas e com a possibilidade de
aproveitamento da palha através da colheita mecanizada, a cada dia que passa o
potencial de geração de energia do setor sucroalcooleiro está em ascendência,
assim o setor poderá atender todo o volume adicional de energia ainda não
contratado no período de 2011 a 2013, conforme mostra a Figura 1.2.
27
Figura 1.2 – Demanda por energia elétrica x Potencial da bioeletricidade (em MW médios).
Fonte: http://www.editoravalete.com.br/site_alcoolbras/edicoes/ed_113/mc_1.html
A UNICA assegura que o setor terá potência para injetar no mercado elétrico
nacional de 11.500 MW médios na safra 2015/2016, quando processará 829 milhões
de tonelada de cana, a 14.400 MW médios em 2020/2021. Neste ciclo, a entidade
prevê a produção de 1.038 bilhões de toneladas da matéria-prima, que
corresponderia por 15 % da matriz energética nacional no período.
Um estudo da empresa KOBLITZ mostra que, quando o setor estiver moendo
500 milhões de toneladas de cana, terá capacidade para produzir 4.886 MW médios,
apenas considerando geração de energia com bagaço, sendo que a palha e os
ponteiros vão agregar maior volume para cogeração. Hoje, um terço da energia da
cana presente nos resíduos é desperdiçado em decorrência do corte manual, que
adota a prática da queima da cana no campo para o corte.
1.3 Relevância do Tema e Objetivo
A cultura da cana de açúcar reúne condições relevantes para se tornar a mais
importante fonte de geração descentralizada no país, sendo que a energia renovável
produzida pelas usinas sucroalcooleiras para uso externo (etanol e eletricidade)
apresenta uma boa sustentabilidade, pois permite a redução das emissões de gases
de efeito estufa em cerca de 12,7 milhões de toneladas de carbono equivalente.
28
Assim, é desejável que a evolução das usinas ocorra de forma a:
¾ Aumentar a eficiência no uso do bagaço;
¾ Desenvolver a colheita/utilização da palha para gerar mais energia;
¾ Buscar produtos de fermentações do açúcar;
¾ Buscar novas opções (energéticas) para o etanol.
Diante deste contexto, neste trabalho é analisada a utilização de palha como
combustível suplementar para caldeiras convencionais de alta pressão para bagaço.
Para tanto, são realizados estudos com perdas, ganhos e investimentos com a
introdução da palha na indústria, através de análises termodinâmicas de geração de
energia, produção de álcool e açúcar, eficiência de extração de palhiço das
colhedoras de cana, sistema de lavagem de cana a seco, picador de palha, caldeira
de alta pressão, moagem da cana, entre outros.
1.4 Revisão da Literatura
Foram analisados diversos estudos, pesquisas e reportagens sobre o tema do
presente trabalho, como aplicações e resultados práticos, sendo que a seguir serão
feitos alguns comentários sobre algumas publicações que trouxeram alguma
contribuição para o mesmo.
Zulauf, Caporali e Videira (1985), para cálculo da energia liberada pela
queima, consideraram valores entre 4 % e 11,5 % de palha e entre 6 % e 16,2 % de
ponteiros. Os autores citam ainda valores encontrados em Cuba que, em 144 t de
massa total (in natura), 28 t corresponderiam a ponteiros e 16 t seriam folhas verdes
e folhas secas, o que equivaleria a 19,4 e 11,1 %, respectivamente. Para
determinação da energia gerada pela queima, foi determinado em laboratório o
poder calorífico da palha, que corrigido pelo teor médio de umidade nas condições
dos experimentos, chegou a um valor de 2.576 kcal/kg palha (poder calorífico
inferior). Na Índia, segundo Kadam e Jadhav (1995), são estimados cerca de 10 t/ha
de resíduos de colheita e no Brasil, Macedo (1997) considerou uma média de
29
matéria seca de resíduos de 13,9 t/ha, sendo 10,1 t/ha para folhas secas, 3,0 t/ha
para folhas verdes e 0,8 t/ha para ponteiros.
Ripoli et al. (1991) afirmaram que, com o aumento da colheita mecânica, as
usinas que desejarem agregar valor por meio do aproveitamento da palha tenderão
a apresentar custos operacionais menores do que os atuais, pois as futuras
colhedoras de cana picada, por exigência de mercado, poderão apresentar valores
de aquisição por volta de 20 a 30 % menores do que os atuais (por volta de US$
300.000), visto que não mais apresentarão exaustores, ventiladores, além de menor
número de motores hidráulicos, mangueiras e outros componentes e, com certeza,
motores de combustão interna de menores potências. Com isso, afirmam que
máquinas com tais características permitirão manutenções periódicas mais rápidas e
mais baratas, levando-se a simplificação das estruturas de apoio do sistema de
colheita.
Walter (1994) tratou da cogeração e da produção independente de
eletricidade, como formas de geração descentralizada de energia elétrica e, em
especial, da viabilidade e das perspectivas dessas tecnologias junto ao setor
sucroalcooleiro no Brasil, levando-se em conta a expansão da agroindústria
canavieira. Foram analisadas várias alternativas de geração elétrica em larga escala
e determinadas às principais características técnicas de cada sistema, tais como a
capacidade de geração, a produção de energia elétrica, a disponibilidade de
excedentes e a demanda de biomassa. Esses resultados permitiram identificar o
potencial das tecnologias de maior viabilidade técnica e econômica, a partir da
consideração de cenários alternativos de crescimento da produção de cana no
Estado de São Paulo e da identificação das usinas mais adequadas para esses
empreendimentos.
Barreda Del Campo e Llagostera (1996) realizaram uma avaliação em três
configurações de sistemas de cogeração em usinas de açúcar, tendo em vista à
produção de excedentes de energia elétrica para a comercialização. Foi estudada a
influência dos parâmetros da eficiência, das caldeiras e do vapor para as
configurações de melhor desempenho, da dependência da geração de eletricidade
em função da demanda de vapor de processo. Foi efetuada uma análise exergética
das alternativas mais significativas e, por fim, uma avaliação econômica das
configurações mais promissoras.
30
De Beer et al. (1996) relataram que a proporção de folhas verdes, folhas
secas e ponteiros em relação à cana total variam de 10 a 60 % na Colômbia e de 20
a 35 % na África do Sul. Segundo estes autores, ponteiros, folhas verdes e folhas
secas de cana não queimadas, deixados no campo, possuem umidade média em
torno de 50 %. Esta umidade cai para 30 % em 2 a 3 dias, e para 15 % em 2
semanas, havendo, portanto, grande variação na umidade em função do tempo de
permanência no campo.
Coelho, Oliveira Jr. e Zylberstajn (1997) realizaram uma análise
termoeconômica do processo de cogeração em uma usina de açúcar e álcool
paulista. Os custos exergéticos do processo de geração de vapor e eletricidade
foram calculados para várias configurações, estimando excedentes de eletricidade e
dos investimentos correspondentes. Foram aplicados os métodos de “igualdade”,
“extração” e “trabalho como subproduto”, para a partição dos custos. Entre as
configurações avaliadas, destaca-se uma que consiste na simples troca de
equipamentos, mantendo-se os mesmos níveis de pressão nas caldeiras e turbinas
de contrapressão, com pequeno investimento em técnicas relativas ao uso racional
de energia, visando apenas atingir a auto-suficiência energética. Uma outra
configuração estudada consiste no aumento dos níveis de pressão e a realização de
investimentos adicionais no uso racional de energia, incluindo a eletrificação das
moendas. Por fim, foi analisada uma configuração na qual são realizados grandes
investimentos, através da substituição da turbina de contrapressão por uma de
extração-condensação, produzindo, neste caso, significativo excedente de
eletricidade.
Barreda Del Campo et al. (1998) estudaram o sistema de cogeração de uma
usina sucroalcooleira que fornece excedentes de energia para a rede elétrica. Além
de determinar as propriedades termodinâmicas dos diferentes fluxos do sistema,
foram determinados balanços de massa, energia e exergia. Além disso, foi realizada
uma comparação das eficiências baseadas na primeira e segunda lei, mostrando a
utilidade desta última na avaliação de um sistema real e como elemento importante
para decisão de melhorias das plantas térmicas ao evidenciar os equipamentos de
maiores irreversibilidades e, conseqüentemente, a perda de oportunidades de
geração de energia elétrica.
31
Hassuani (1998) obteve um custo de US$ 19,8 para recolhimento e transporte
a 10 km para 1 t de palha seca enfardada. Considerando a produção de 11,2 t de
resíduo seco por hectare e uma eficiência de recolhimento de palha de 50 %, foi
obtido um custo aproximado de US$ 110/ha para recolhimento e transporte da palha
até a usina.
Coelho (1999) propôs e discutiu mecanismos para viabilizar um programa
amplo de venda de excedentes de eletricidade a partir da biomassa das usinas de
açúcar e álcool do Estado de São Paulo. Além disso, foi incluída uma avaliação
termoeconômica de uma planta real (Companhia Energética Santa Elisa,
Sertãozinho – SP) e foram propostas modificações na legislação e na
regulamentação em vigor e, também, estudos visando à inclusão dos custos
ambientais e taxação de carbono no planejamento integrado do setor elétrico
brasileiro.
Sánchez Prieto, Carril e Nebra (2001) estudaram que a cogeração tem uma
grande aceitação no setor sucroalcooleiro fundamentalmente em razão da sua
adequação, pois o combustível empregado é um rejeito do processo de fabricação e
os produtos do sistema, potência mecânica ou elétrica e vapor, são utilizados no
próprio processo.
Jaguaribe et al. (2002) realizaram um estudo termodinâmico e avaliaram as
condições técnicas das instalações a serem implantadas em um sistema de
cogeração de energia na Destilaria Japungu Agroindustrial S.A., localizada em Santa
Rita (PB). A ampliação proposta não tinha o objetivo apenas de tornar a destilaria
auto-suficiente em termos de energia, mas também de tornar possível exportar
33.616 MWh durante a safra e 3.600 MWh na entressafra. Foram considerados
todos os custos envolvidos e os resultados mostraram que, naquela oportunidade, o
negócio não seria atrativo, mas se houvesse uma elevação do preço de venda da
eletricidade, o novo sistema de cogeração com venda de energia seria mais
rentável.
Brighenti (2003) apresentou e analisou os diversos requisitos necessários
para que haja uma integração confiável e segura dos sistemas de geração a partir
de biomassa (especificamente cogeração com bagaço de cana) ao sistema elétrico
de potência. Foi considerado um estudo de uma usina de açúcar e álcool do Estado
32
de São Paulo (Usina Santa Adélia), que ampliou sua geração própria, passando a
comercializar sua eletricidade excedente com a CPFL.
Sánchez Prieto (2003) realizou uma detalhada análise energética e
exergética, visando determinar as eficiências baseadas na primeira e na segunda
leis da termodinâmica para os principais equipamentos de duas plantas de usina
sucroalcooleira, bem como o consumo de combustível envolvido, além de alguns
índices de desempenho típicos de sistemas de cogeração. O objetivo fundamental
da avaliação foi determinar os custos dos principais fluxos do sistema, considerando
os custos como se fosse uma instalação nova, com taxa de juros de 15 % ao ano e
um período de amortização de 15 anos. Foi avaliada a variação do custo do bagaço
e sua influência nos custos dos fluxos da planta e dada ênfase na potência elétrica e
nos índices de desempenho.
Fiomari (2004) realizou análises energética e exergética de cinco plantas de
vapor de uma usina sucroalcooleira. As plantas consideradas foram baseadas na
expansão do sistema de cogeração da Usina Pioneiros Bioenergia S/A, iniciada em
2003 e término em 2007. Através da primeira e segunda leis da termodinâmica, foi
possível avaliar a eficiência e a geração de calor e potência para cada componente:
caldeiras, turbinas, condensadores e bombas que compunham as plantas avaliadas;
bem como o aproveitamento global de energia de cada uma delas. Através de
índices baseados na primeira lei da termodinâmica, foi possível comparar todas as
plantas consideradas. Além disso, foram calculados também alguns indicadores que
são bastante comuns em usinas de açúcar e álcool, como o consumo específico de
vapor de turbinas a vapor ou consumo específico de vapor de processo. Algumas
análises de sensibilidade foram feitas para avaliar o comportamento do
aproveitamento global de energia de um ciclo com turbina de extração-condensação
levando em consideração a variação de parâmetros como eficiência da caldeira,
consumo de vapor de processo e taxa de condensação na turbina de extração-
condensação, sendo observado que a eficiência da planta é bastante sensível à
variação da taxa de condensação da turbina e ocorreu um aumento quando se
aumentou a demanda do vapor de processo.
No Estado de São Paulo, segundo Ometto (2005), a colheita da cana de
açúcar é feita 25 % crua e 75 % com queimada prévia. Já com relação ao método da
colheita, 63,8 % é manual e 36,2 % é mecanizada. Vale destacar que em outros
33
Estados o índice de queimada gira em torno de 90 %.
Oliveira e Halmeman (2006) estudaram quais são as principais implicações
do novo modelo do setor elétrico como alternativa para impulsionar a geração de
energia, utilizando o bagaço da cana de açúcar no processo de cogeração. Os
dados sobre as autorizações e registros das usinas termoelétricas foram obtidos
junto a Agência Nacional de Energia Elétrica, bem como as informações sobre
processo de compra e venda da geração distribuída a partir da utilização do bagaço
da cana de açúcar junto às usinas que receberam autorização ou registro entre 2004
a 2005.
Bohórquez, Horta Nogueira e Lora (2006) avaliaram a utilização integral do
bagaço de cana de açúcar resultante do processo produtivo de uma usina de açúcar
que pretende incrementar sua capacidade de geração de energia elétrica de 7 para
35 MW, mediante o redesenho do ciclo e a incorporação de novos turbogeradores.
Utilizando as ferramentas termoeconômicas foi estabelecida a matriz de incidência
da planta de cogeração, a determinação dos custos exergoeconômicos e a
realização das simulações da variação do preço de combustível e a eficiência da
caldeira. Além disso, foi efetuado um breve estudo econômico da produção de
energia elétrica e da venda dos excedentes de 27 MWh médios e concluído que o
custo da eletricidade gerada era de US$ 0,051/kWh.
Diante do que foi encontrado na literatura sobre o aproveitamento da palha, o
presente trabalho apresenta como diferencial um estudo sobre a lucratividade com a
exportação de energia com a implantação do sistema atual vigente no mercado de
lavagem de cana a seco, através de ventiladores, com a possibilidade de separação
e preparo da palha para servir como combustível suplementar na queima em
caldeiras de alta pressão convencionais para bagaço.
34
2 Aspectos da Cogeração de Energia
Dada à importância deste tema, a seguir serão apresentados alguns aspectos
referentes à definição, ao histórico e aos ciclos de cogeração, bem como a sua
aplicação no setor sucroalcooleiro e os programas governamentais de incentivo.
2.1 Definição de Cogeração
De acordo com Walter (1994), cogeração é um vocábulo de origem norte-
americana empregado desde a década de 70 para designar os processos de
produção combinada de calor útil (vapor, água quente, água gelada, ar quente e frio)
e potência (elétrica ou mecânica), com uso seqüencial da energia liberada a partir da
queima de uma mesma fonte primária de combustível, qualquer que seja o ciclo
termodinâmico empregado (Rankine, Brayton ou Combinado). Em outras palavras,
seria o aproveitamento de uma parcela de energia que teria de ser obrigatoriamente
rejeitada prevista pela Segunda Lei da Termodinâmica, resultando em um aumento
da eficiência global do ciclo (BALESTIERI, 2002).
A cogeração é um método efetivo de conservação de energia primária
(energia de um combustível) que pode ser aplicado ao setor industrial (açúcar e
álcool, papel e celulose, químicas, petroquímicas, etc...) ou ao setor terciário
(hospitais, hotéis, shopping centers, restaurantes, aeroportos, etc...), quando
economicamente justificado, sendo que os níveis globais de eficiência das plantas
de cogeração podem se situar entre 50 e 85 %, de acordo com o ciclo utilizado.
Pode-se citar como vantagens da cogeração a redução dos gastos em
energia, independência da rede elétrica e segurança no fornecimento, maior
proteção do meio ambiente, maior eficiência na geração de energia, redução de
gastos de transporte e de distribuição, melhor adequação entre oferta e procura de
energia, entre outras vantagens.
35
2.2 Histórico da Cogeração
Pierce (1995) realizou um interessante trabalho de investigação histórica e
identificou a origem da cogeração no sistema de elevação desenvolvido pelos
Tártaros na Europa no século XIV. Este sistema, denominado smokejack, mostrado
na Figura 2.1, era acionado a partir de gases quentes que subiam em uma chaminé
e desempenhava um trabalho útil com baixo custo e foi o precursor de outros
mecanismos mais eficientes e úteis, como a turbina a gás e a hélice.
gases
quentes
trabalho
mecânico
de elevação
Figura 2.1 – Sistema Smokejack.
Em 1776, a idéia de utilizar cogeração foi aplicada por Watt e Boulton nas
máquinas de combustão para moendas de cana de açúcar na West Indies & Co.,
considerando que a mesma combustão usada para ferver o açúcar fosse utilizada
para produzir o vapor que seria necessário para o processo da fábrica. Essa idéia foi
logo difundida e aplicada em outras indústrias.
Em 1787, Oliver Evens fabricou máquinas a vapor de alta pressão para serem
usadas em destilarias, cervejarias, fábricas de sabonete, de papel, economizando
combustível para todos estes propósitos com o aproveitamento do vapor de
exaustão das máquinas de vapor. Além disso, ele projetou um sistema para
resfriamento de oficinas utilizando refrigeração por absorção operada pelos gases
de escape de uma máquina a vapor. As oficinas inglesas, em 1820, também
adotaram a cogeração para processos, condicionamento de ambientes e outras
aplicações.
36
O início do desenvolvimento moderno da cogeração aconteceu em meados
de 1870, quando máquinas a vapor foram acopladas a geradores elétricos em áreas
com alta densidade populacional. Nesta oportunidade, a cogeração estava
intimamente ligada ao aquecimento de ambientes. Alguns anos depois, em Detroit,
utilizou-se o vapor de exaustão de uma planta para a evaporação da água e
obtenção do sal.
As plantas com cogeração também foram utilizadas na Dinamarca, Alemanha
e Polônia, a partir de 1890, e na Rússia, em 1903. Por volta de 1914, engenheiros
alemães recuperaram energia de uma máquina de combustão interna e aqueceram
fábricas e prédios. Em 1926, estas práticas tornaram-se mais freqüentes em
aplicações de cogeração.
O desenvolvimento da cogeração na Europa foi auxiliado pela agência de
planificação de energia russa que fez a elaboração do Plano Governamental de
Eletrificação Russa, conhecido como GOELRO.
Na primeira Conferência Mundial, realizada em Londres em 1924, foi feito
apenas um curto relato do aproveitamento dos rejeitos de energia. Porém, na
segunda conferência, realizada em Berlim em 1930, foi discutida a combinação
calor-trabalho entre os participantes, sendo dada ênfase aos aspectos de
centralização versus descentralização das plantas.
A introdução comercial das turbinas a gás durante o ano de 1930 contribuiu
para o surgimento de diferentes esquemas para a utilização dos gases de exaustão
nas máquinas a vapor.
Com o surgimento de grandes concessionárias de geração, transmissão e
distribuição de energia elétrica, os sistemas de cogeração foram paulatinamente
perdendo importância. A melhora da confiabilidade, da disponibilidade e das
condições econômicas dos sistemas de geração, transporte e distribuição de energia
elétrica, obtidas com a economia de escala, a disponibilidade de combustíveis a
baixos preços e as regulações e proibições que se verificaram no decorrer do século
passado, contribuíram para que a cogeração perdesse sua importância e tivesse seu
emprego restrito a casos bastante específicos (TOLMASQUIM et al., 1999).
As importantes modificações na disponibilidade e nos custos da energia, que
tiveram início a partir de 1973, com o primeiro choque do petróleo, resultaram no
incentivo à racionalização do uso da energia e dos combustíveis nobres e nas
37
desregulamentações do setor elétrico de alguns países ao longo das últimas três
décadas, restabelecendo a importância da tecnologia de cogeração. Nos Estados
Unidos, a publicação do PURPA (Public Utilities Regulatory Policy Act), em 1978,
abriu novos horizontes na indústria de geração, na medida em que introduziu a
noção de competição em mercado aberto de energia elétrica e rompeu a estrutura
verticalmente integrada das concessionárias públicas.
Já no Brasil, a cogeração começou a ser priorizada apenas na década de 80
visando à minimização dos impactos ambientais provocados por outras fontes.
Nos últimos anos o setor elétrico brasileiro sofreu mudanças estruturais
inovadoras de ordem institucional e em nível de regulamentação que alteraram
sensivelmente o panorama, até então estável e controlado pelo governo, para um
ambiente competitivo.
O estímulo à geração independente e descentralizada, além do aumento da
geração de energia elétrica através da cogeração em indústrias, tem sido crescente.
Dentro deste contexto, o setor sucroalcooleiro merece uma posição de destaque,
pois pode contribuir e muito para a produção de energia elétrica excedente para
comercialização.
O setor sucroalcooleiro, apesar da auto-suficiência em energia elétrica, consta
com uma geração de excedentes ainda bastante limitada. Isso porque a maior parte
das usinas possui instalações relativamente antigas que operam aquém do potencial
técnico existente, considerando-se a quantidade de biomassa residual gerada e as
novas tecnologias disponíveis.
A Tabela 1 mostra uma estimativa da Associação Paulista de Cogeração de
Energia (COGEN-SP) do potencial de geração de bioeletricidade até a safra 2012-
2013, considerando a instalação de novas unidades e o retrofit das atuais.
Tabela 1 – Potencial de geração de bioeletricidade até 2013.
Safra
(S)
Número
Usinas
Cana
(Mt/S)
Bagaço
(Mt/S)
Instalado
(MW)
Exportação
(MW)
Retrofit
(MW)
Nova
(MW)
2009-2010 313 556 139 13.331 5.585 316 1.103
2010-2011 343 605 151 14.508 6.742 316 841
2011-2012 349 641 160 15.376 7.678 316 620
2012-2013 351 668 167 16.009 8.447 316 452
Fonte: www.cogensp.com.br
38
A Figura 2.2 mostra estimativas da evolução da produção de cana e da
capacidade instalada até a safra 2021-2022, na qual se espera atingir uma produção
de 1 bilhão de toneladas de cana e se ter uma oferta de 12.000 MW de
bioeletricidade, gerando uma demanda potencial de cerca de 400 turbinas a vapor
com capacidade de geração de 30 a 40 MW cada.
Figura 2.2 – Estimativa da produção de cana e de bioeletricidade.
Fonte: www.cogensp.com.br
2.3 Ciclos de Cogeração
Sob o ponto de vista do fluxo energético, a seqüência do processo de geração
de potência e calor permite aos sistemas de cogeração serem classificados como
bottoming e topping, conforme mostra a Figura 2.3.
(a) Sistema operando no regime bottoming.
39
(b) Sistema operando no regime topping.
Figura 2.3 – Seqüência do processo de geração de potência e calor em sistemas de cogeração.
Na configuração bottoming, a geração de potência para atender a demanda
eletromecânica ocorre após a produção de calor, que é utilizado para suprir a
demanda térmica. Neste caso, o sistema de cogeração utiliza o calor rejeitado por
processos industriais na geração de vapor; este vapor é então expandido em
turbinas de condensação e/ou contrapressão, que acionam geradores elétricos ou
equipamentos, tais como bombas hidráulicas, compressores de ar, etc. O ciclo
bottoming normalmente é empregado em indústrias químicas, as quais estão
associadas a processos que exigem altas temperaturas.
Na configuração topping, o combustível é queimado primeiramente em uma
máquina térmica para geração de energia elétrica e/ou mecânica e, em seguida, o
calor rejeitado é utilizado para atender os requisitos térmicos do processo. Por
permitir trabalhar com temperaturas mais baixas, o ciclo topping possui uma ampla
variedade de aplicações, permitindo uma maior versatilidade no momento de
escolher o equipamento a empregar.
Os principais ciclos usados para configurações de centrais de cogeração são
os ciclos Rankine ou a vapor, Brayton ou a gás, Combinado (gás + vapor), Diesel e
Otto, os quais serão descritos resumidamente a seguir.
2.3.1 Ciclo Rankine
O ciclo de Rankine é baseado em quatro processos que ocorrem em regime
permanente onde um fluido de trabalho apresenta mudança de fase nos processos
que ocorrem à pressão constante, sendo ideal para uma unidade motora simples a
vapor como, por exemplo, a utilização do calor proveniente da queima de
40
combustíveis para geração de vapor numa Caldeira ou Gerador de Vapor. A energia
térmica gerada pode ser utilizada para calor de processo e para geração de energia
elétrica em um gerador elétrico acionado por uma turbina a vapor, conforme mostra
a Figura 2.4.
O rendimento de um ciclo Rankine pode ser aumentado pela redução da
pressão de saída, pelo aumento da pressão no fornecimento de calor e pelo
superaquecimento do vapor. O título do vapor que deixa a turbina aumenta pelo
superaquecimento do vapor e diminui pelo abaixamento da pressão de saída e pelo
aumento da pressão no fornecimento de calor (VAN WYLEN; SONNTAG;
BORGNAKKE, 1995).
Figura 2.4 – Representação esquemática de um ciclo Rankine.
Uma das formas de se elevar a temperatura de fornecimento de vapor é
através da utilização de um trocador de calor adicional na caldeira, denominado
superaquecedor. A expansão do vapor na turbina se dá quase toda na condição de
“vapor seco”, o que favorece suas condições de escoamento através desta. Quase
todas as usinas termelétricas trabalham com vapor superaquecido.
O aumento da temperatura do vapor, e seu conseqüente aumento de
pressão, têm limitações por questões metalúrgicas, principalmente nas caldeiras,
onde o aumento das temperaturas internas nos tubos provoca um sobreaquecimento
das superfícies expostas às altas temperaturas e radiação dos produtos da
combustão.
41
Para contornar estas limitações realiza-se o reaquecimento do vapor, ou seja,
o vapor é extraído da turbina (vapor de escape) a uma determinada pressão e é
reenviado à caldeira (reaquecedor), onde sua temperatura é elevada novamente.
Assim, este vapor superaquecido retorna à turbina (vapor direto) e é expandido até a
condensação, diminuindo a umidade nos últimos estágios da turbina e evitando
possíveis danos às palhetas (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
Outro fator que colabora para o aumento da eficiência do ciclo é a diminuição
da temperatura de rejeição do vapor (fonte fria), embora isto esteja ligado às
condições do ambiente.
A redução da pressão de saída eleva o teor de umidade do vapor que deixa a
turbina. A forma de escoamento do vapor através da turbina é influenciada pelo
vapor úmido que por ela circula sendo que, quanto maior for o teor de umidade,
menor será o rendimento, tanto da turbina como de todo o ciclo.
Outra maneira de aumentar o rendimento do ciclo é através do aquecimento
regenerativo progressivo e gradual da água de alimentação da caldeira, o qual é
realizado através de trocadores de calor, sendo o vapor utilizado para o
aquecimento nestes trocadores extraído de diferentes pontos da turbina.
2.3.2 Ciclo Brayton
O ciclo padrão a ar Brayton, ideal para turbina a gás simples, é baseado num
fluido de trabalho que não apresenta mudanças de fase no seu processo, ou seja, o
fluido sempre esta na fase vapor. Na Figura 2.5 é mostrada uma representação
esquemática do ciclo Brayton. As turbinas a gás são constituídas basicamente por
um compressor de ar, uma câmara de combustão e um expansor (turbina
propriamente dita), que produz a potência necessária ao acionamento do
compressor e, ainda, a potência útil para acionamento de um gerador elétrico ou
para acionamento mecânico.
42
Figura 2.5 – Representação esquemática de um ciclo Brayton simples.
O aumento na eficiência das turbinas a gás alcançado nestas últimas décadas
e a disponibilidade de gás a preços competitivos tem favorecido sua implantação em
sistemas de cogeração para a indústria (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
O compressor é um equipamento que, uma vez definidos seus parâmetros
geométricos e a rotação, operará com uma vazão volumétrica de ar praticamente
independente de outros fatores. Conseqüentemente, a massa de ar admitida, que
por sua vez determina a potência da turbina, é diretamente influenciada pela
densidade do ar na sua entrada. Por isso, as propriedades do ambiente que
determinam a densidade do ar, altitude ou pressão atmosférica, temperatura e
umidade relativa, influem decisivamente na potência e eficiência da turbina
(ANTUNES, 1999).
Sendo a turbina um equipamento volumétrico, a sua potência é determinada
basicamente pela vazão em volume dos gases em sua entrada.
O primeiro processo é a compressão do fluido de trabalho. Se a expansão
deste fluido comprimido ocorrer diretamente e sem perdas, a potência desenvolvida
pela turbina será tão somente igual à consumida no compressor. Mas, se for
adicionada energia para aumentar a temperatura do fluido antes da expansão,
haverá um aumento significativo na potência desenvolvida pela turbina, produzindo
excedentes de potência em relação àquela necessária para acionar o compressor.
Ocorrem irreversibilidades ou perdas no processo de combustão e expansão
que reduzem o rendimento térmico do ciclo.
O ciclo de turbinas a gás pode ser caracterizado por dois parâmetros
significativos: a relação de pressão e a temperatura de queima. A relação de
pressão do ciclo se refere ao quociente da pressão de descarga e a pressão de
entrada, sendo que em turbinas modernas um valor típico é 14:1. Quando o objetivo
43
é alcançar eficiências mais altas em operação em ciclos simples, empregando, por
exemplo, turbinas aeroderivadas, são necessárias taxas de compressão mais
elevadas, na faixa de 18:1 a 30:1 (IPT, 1996).
A temperatura mais alta do ciclo é a temperatura de queima que chega a
atingir 1.200 ºC. Temperaturas mais altas podem ser atingidas em turbinas com
sistemas de resfriamento nas pás.
As turbinas se dividem em dois tipos básicos: aeroderivadas e industriais. As
turbinas aeroderivadas são baseadas na tecnologia adotada para a propulsão de
aeronaves, sendo compactas e de peso reduzido. As turbinas industriais são mais
robustas e, por isso, apresentam maior resistência a ambientes agressivos,
permitindo processar combustíveis líquidos de baixa qualidade e sua potência
máxima supera em muito a das turbinas aeroderivadas.
Diversas modificações podem ser feitas no ciclo Brayton simples para
aumentar o seu desempenho, incluindo regeneração, resfriamento intermediário e
reaquecimento, ou uma combinação dessas três modificações, denominada ciclo
composto ou combinado.
A regeneração é a recuperação de energia térmica (calor) dos gases de
exaustão pelo ar comprimido antes de entrar no combustor. A eficiência do ciclo
decresce à medida que a relação de pressões aumenta (exatamente o oposto do
ciclo Brayton básico) e, além disso, depende das relações de temperatura. A
regeneração aumenta a eficiência do ciclo até a relação de pressões na qual a
temperatura do ar que sai do compressor é igual à temperatura dos gases de
exaustão da turbina. Este tipo de ciclo diminui a temperatura dos gases de exaustão
e pode não ser adequado para cogeração.
O resfriamento do ar comprimido entre os estágios de compressão oferece
um aumento no trabalho líquido extraído do ciclo, mais diminui a eficiência. Se, além
desse resfriamento intermediário, for adicionada a regeneração, a eficiência e o
trabalho líquido são melhorados em relação ao ciclo simples.
O reaquecimento requer um segundo combustor entre os estágios de
expansão e tem os mesmos efeitos de um resfriamento intermediário, porém são
menos pronunciados. Utilizando apenas o reaquecimento, há um aumento na
produção de trabalho líquido com um decréscimo na eficiência do ciclo. Entretanto,
44
se for adicionada a regeneração, o trabalho líquido e a eficiência são aumentados
comparativamente ao ciclo simples.
A regeneração, o resfriamento intermediário e o reaquecimento podem ser
utilizados simultaneamente no ciclo composto. Este ciclo alcança a maior eficiência
nas relações de pressão mais elevadas, mas exige uma maior quantidade de
equipamentos e controles adicionais.
2.3.3 Ciclo Combinado
O ciclo combinado é uma combinação dos ciclos da turbina a gás (ciclo
Brayton) com o ciclo de turbina a vapor (ciclo Rankine), conforme é mostrado na
Figura 2.6. A entalpia ainda disponível nos gases de exaustão da turbina de gás é
aproveitada para gerar vapor sob pressão na caldeira de recuperação de calor, o
qual irá expandir-se numa turbina a vapor, produzindo mais energia útil. Portanto, a
geração de vapor pela caldeira de recuperação está diretamente ligada à vazão e
temperatura dos gases de exaustão da turbina a gás.
Figura 2.6 – Representação esquemática de um ciclo combinado.
Nesta modalidade, resulta uma alta eficiência de utilização do combustível,
pois a alta temperatura de exaustão dos gases na turbina a gás permite suprir o ciclo
45
a vapor. Conseqüentemente, parte das irreversibilidades de ambos os ciclos, que
advém das temperaturas de rejeição de calor, são eliminadas no ciclo combinado.
As caldeiras de recuperação usadas nos ciclos combinados podem ser de
dois tipos: sem pós-queima, onde a geração de vapor só depende da vazão de
gases recebidas da turbina a gás, e com queima suplementar, onde um combustível
é queimado na caldeira de recuperação, aumentando, assim, a participação na
geração de vapor. Em ambos os casos, essas caldeiras de recuperação são de
concepção mais simples que as caldeiras convencionais, principalmente a caldeira
sem pós-queima. Estas caldeiras podem gerar vapor em diferentes níveis de
pressão, geralmente dois níveis, embora se possa chegar a três, o que possibilita o
uso de turbinas a vapor que permitem a injeção de fluxos adicionais de vapor entre a
pressão de alimentação e a de condensação (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
2.3.4 Ciclos Otto e Diesel
O ciclo a ar Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor a combustão
interna de ignição por centelha, onde em um estado ocorre uma compressão
isoentrópica do ar, momento este em que o pistão se movimenta, assim o calor é
transferido para o ar, enquanto o pistão está momentaneamente em repouso, após
ocorre uma expansão isoentrópica e por fim do processo, rejeição do calor do ar
enquanto o pistão está no ponto inferior.
Já o ciclo de ar Diesel é ideal para motores de ignição por compressão. Neste
ciclo o calor é transferido ao fluido de trabalho à pressão constante, como o gás
expande durante a transferência de calor no ciclo padrão a ar, a transferência de
calor deve ser apenas o suficiente para manter a pressão constante. No próximo
estado a transferência de calor cessa e o gás sofre uma expansão isoentrópica até
que o pistão atinja o ponto morto inferior. A rejeição de calor, como no ciclo Otto,
ocorre a volume constante e com o pistão no ponto morto inferior.
Uma central elétrica com motor de combustão interna é composta pelas
unidades de motores e geradores principais, sala de controle e sistemas auxiliares,
que incluem tanques e bombas do armazenamento e alimentação do combustível,
46
sistema de resfriamento de água e óleo lubrificante, suprimento de ar de combustão
e exaustão dos gases da combustão.
As centrais de geração de energia elétrica com motores de combustão interna
são freqüentemente utilizadas para suprir sistemas onde a demanda não justifique a
instalação de uma usina termelétrica a vapor (BARREDA DEL CAMPO, 1999).
Para a utilização de gás natural como combustível é recomendado o ciclo
Otto. No entanto, pode-se utilizar o gás natural em equipamentos de ciclo Diesel,
desde que o combustível inserido na câmara de combustão seja uma mistura de gás
natural com 3 a 5 % de diesel. Estes equipamentos são conhecidos como bi-
combustível ou duplo-combustível em função do modo que é realizado a mistura dos
combustíveis.
A Figura 2.7 representa um ciclo de cogeração com um motor alternativo.
Figura 2.7 – Cogeração com motor alternativo.
2.4 Sistemas de Cogeração no Setor Sucroalcooleiro
Diversas são as possibilidades para incremento da produção de eletricidade
com a manutenção dos sistemas tradicionais e todas elas passam pela melhoria da
eficiência energética do processo, reduzindo o consumo de vapor por tonelada de
cana processada e usando a quantia economizada para produzir mais eletricidade.
A interferência mínima possível seria a substituição das atuais turbinas a
vapor de simples estágio e de baixa eficiência por turbinas de múltiplos estágios e de
47
maior eficiência. A substituição das atuais caldeiras por outras de maiores pressões
e temperaturas, e dos turbogeradores de contrapressão por turbogeradores de
extração-condensação, seria uma interferência mais profunda, mas que ainda
permitiria a manutenção dos atuais ciclos de contrapressão, tal como mostra a
Figura 2.8 (CORRÊA NETO; RAMON, 2002).
Adicionalmente, existem outras tecnologias que também estão sendo
implantadas, tais como a eletrificação dos acionamentos e o aproveitamento da
palha como combustível, através da substituição da queimada e coleta manual pela
colheita mecanizada.
Figura 2.8 – Sistema de cogeração com turbina de extração-condensação.
2.5 Programas de Incentivo a Cogeração Criados pelo Governo
2.5.1 Programa Prioritário de Termoeletricidade
Uma medida tomada no Brasil, que nasceu com o blecaute de maio de 1999,
foi o Programa Prioritário de Termoeletricidade (PPT), que previa a colocação
48
gradual de cerca de 11.500 MW de geração térmica.
O objetivo do Programa Prioritário de Termoeletricidade era viabilizar, em
curto prazo, investimentos na área de geração termelétrica, com uma série de
medidas para incentivar os investidores, em especial na área de gás natural.
O lançamento do PPT produziu resultados no que se diz respeito à disposição
dos investidores quanto ao risco dos projetos de geração de energia, contando com
a adesão de 49 usinas térmicas. Com o risco do gás parcialmente equacionado,
restava apenas assegurar a tendência de crescimento da economia, o que garantiria
o crescimento do consumo de energia elétrica.
No entanto, o PPT não conseguiu atingir totalmente os seus objetivos, sendo
que a maioria das Usinas Termelétricas não saiu do papel.
2.5.2 Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
O Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
(PROINFA) é um importante instrumento para a diversificação da matriz energética
nacional, garantindo maior confiabilidade e segurança ao abastecimento. O
Programa, coordenado pelo Ministério de Minas e Energia (MME), estabelece a
contratação de 3.300 MW de energia no Sistema Interligado Nacional (SIN),
produzidos por fontes eólicas, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas (PCHs),
sendo 1.100 MW de cada fonte.
Criado em 26 de abril de 2002, pela Lei nº 10.438, o PROINFA foi revisado
pela Lei nº 10.762, de 11 de novembro de 2003, que assegurou a participação de
um maior número de estados no Programa, o incentivo à indústria nacional e a
exclusão dos consumidores de baixa renda do pagamento do rateio da compra da
nova energia.
O PROINFA conta com o suporte do BNDES, que criou um programa de
apoio a investimentos em fontes alternativas renováveis de energia elétrica. A linha
de crédito prevê financiamento de até 70 % do investimento, excluindo apenas bens
e serviços importados e a aquisição de terrenos. Os investidores têm que garantir
30 % do projeto com capital próprio. As condições do financiamento entre outras são
49
de carência de seis meses após a entrada em operação comercial, amortização por
dez anos e não pagamento de juros durante a construção do empreendimento.
A Eletrobrás, no contrato de compra de energia de longo prazo (PPAs),
assegura ao empreendedor uma receita mínima de 70 % da energia contratada
durante o período de financiamento e proteção integral quanto aos riscos de
exposição do mercado de curto prazo, durante os 20 anos dos projetos contratados.
Uma das exigências da Lei nº 10.762 é a obrigatoriedade de um índice
mínimo de nacionalização de 60 % do custo total de construção dos projetos, além
disso, ela estabelece critérios de regionalização, impondo um limite de contratação
por Estado de 20 % da potência total destinada às fontes eólicas e biomassa e 15 %
para as PCHs, o que possibilita a todos os Estados que tenham vocação e projetos
aprovados e licenciados a oportunidade de participarem do programa. A limitação,
no entanto, é preliminar, já que, caso não venha a ser contratada a totalidade dos
1.100 MW destinados a cada tecnologia, o potencial não-contratado pode ser
distribuído entre os Estados que possuírem as licenças ambientais mais antigas.
Para participarem do Programa, os empreendimentos terão de ter licença prévia de
instalação.
Em relação ao abastecimento de energia elétrica do país, o PROINFA é um
instrumento de complementaridade energética sazonal à energia hidráulica,
responsável por mais de 90 % da geração do país. Na região Nordeste, a energia
eólica serve como complemento ao abastecimento hidráulico, já que o período de
chuvas é inverso ao de ventos. O mesmo ocorre com a biomassa nas regiões Sul e
Sudeste, onde a colheita de safras propícias à geração de energia elétrica (cana de
açúcar e arroz, por exemplo) ocorre em período diferente do chuvoso.
A entrada de novas fontes renováveis evitará a emissão de 2,5 milhões de
toneladas de gás carbônico/ano, ampliando as possibilidades de negócios de
Certificação de Redução de Emissão de Carbono, nos termos do Protocolo de
Kyoto. O Programa também permitirá maior inserção do pequeno produtor de
energia elétrica, diversificando o número de agentes do setor.
Entre os benefícios do PROINFA podem ser destacados os seguintes:
¾ Social: Geração de 150 mil postos de trabalho diretos e indiretos durante a
construção e a operação, sem considerar os de efeito-renda.
50
¾ Tecnológico: Investimentos de R$ 4 bilhões na indústria nacional de
equipamentos e materiais.
¾ Estratégico: Complementaridade energética sazonal entre os regimes
hidrológico/eólico (NE) e hidrológico/biomassa (SE e S). A cada 100 MW
médios produzidos por parques eólicos, economizam-se 40 m
3
/s de água na
cascata do Rio São Francisco.
¾ Ambiental: A emissão evitada de 2,5 milhões de tCO
2
/ano criará um
ambiente potencial de negócios de Certificação de Redução de Emissão de
Carbono, nos termos do Protocolo de Kyoto.
¾ Econômico: Investimento privado da ordem de R$ 8,6 bilhões.
2.5.3 Programa Paulista de Bioenergia
Algumas ações têm sido desenvolvidas para incrementar a cogeração de
energia no setor sucroalcooleiro, principalmente no Estado de São Paulo onde se
encontra a maior parte das usinas.
Entre estas ações pode ser destacada a da Secretaria de Saneamento e
Energia, que está iniciando um trabalho sobre a Matriz Energética Paulista,
identificando, levantando e avaliando todos os fatores relacionados com a geração
de energia elétrica, com destaque para a geração distribuída baseada na cogeração
através da bioenergia. Em abril de 2007 foi constituída a Comissão Especial de
Bioenergia do Estado de São Paulo, cujo objetivo é dar subsídios para a elaboração
de um Plano de Ação do Governo.
Destaca-se também no Estado de São Paulo o apoio da FAPESP e da
DEDINI, através da assinatura de um convênio em julho de 2007, no valor de 100
milhões de reais, para o desenvolvimento de atividades de pesquisa científicas e
tecnológicas de interesse do setor sucroalcooleiro, envolvendo, dentre outros temas,
o processo de hidrólise, a produção e consumo de energia e o rendimento e
eficiência dos processos.
Outra ação importante foi o protocolo assinado entre o Governo do Estado de
São Paulo e a FIESP em 05/09/2007 para a criação do
”Programa Paulista de
51
Cogeração de Energia”, que tem como objetivos desburocratizar o setor e buscar,
junto à ANEEL, uma regulamentação adequada e linhas de crédito para dar
sustentação financeira ao crescimento do setor sucroalcooleiro paulista, com o
intuito de se duplicar a quantidade de energia cogerada até 2010.
Mais informações sobre a parte que envolve a palha podem ser encontradas
no Termo de Referência 8 - Geração de Eletricidade a partir de Biomassa e Biogás,
cuja minuta pode ser livremente acessada no website da Secretária de Saneamento
e Energia do Estado de São Paulo.
52
3 Aproveitamento da Palha para Cogeração
A seguir será apresentado o potencial energético da palha para a cogeração
no setor sucroalcooleiro, destacando o Sistema de Lavagem de Cana a Seco; as
origens do sistema, com apresentação de testes e resultados obtidos; e, por fim, os
princípios de funcionamento do sistema.
Nesta dissertação será tratado o termo “palha” como a matéria vegetal
separada pelo Sistema de Limpeza de Cana Seco que será preparada para
utilização como combustível suplementar na caldeira, diferentemente do termo
“palhiço”, que é o conjunto de folhas, ponteiros e palha que estão presentes na cana
de açúcar ainda no canavial.
3.1 Potencial Energético da Palha para Cogeração
Há um potencial adicional a ser explorado para a cogeração, o qual envolve o
aproveitamento da palha, que tradicionalmente é usada como adubo nas lavouras.
Um grande trabalho tem sido realizado no Brasil na busca de melhores técnicas para
a colheita/transporte da palha, assim como para a avaliação da sua disponibilidade
real (BNDES, 2003).
É importante comentar que o setor sucroalcooleiro, em seus primórdios,
ignorava a possibilidade de aproveitamento do bagaço e muito menos da palha;
comprava energia elétrica das concessionárias locais e queimava óleo combustível.
Com o passar do tempo, o uso do bagaço foi se tornando rotina em um processo
cogerador, pois permitia produzir energias térmica, para o processo industrial, e
elétrica, para a movimentação mecânica da indústria, iluminação e outros fins. A
falta de visão do Setor Elétrico, entretanto, impedia a exportação de excedentes, em
face, tanto das dificuldades impostas pela legislação, que defendia o monopólio
existente na época, quanto pela cultura centralizante, predominante no Setor Elétrico
Brasileiro, geradora de soluções hidrelétricas de grande porte.
53
Esta característica inibiu, totalmente, a queima eficiente do bagaço. Os
investimentos dimensionaram-se não pelo lado da potencialidade intrínseca do
combustível, mas sim pela necessidade exigida pelo processo industrial. As
unidades cogeradoras instaladas, em razão desta falta de visão, tornaram ineficiente
esta combustão, desperdiçando quantidades significativas de energia
potencialmente presentes, tanto no bagaço quanto na palha.
Atualmente, contudo, em face da proximidade do fim da vida útil destas
unidades, da evolução da tecnologia e das alterações legais ocorridas no Setor
Elétrico, os impedimentos à venda de excedentes à rede só poderão ocorrer em
razão praticamente exclusiva da inércia da cultura centralizante que ainda
predomina neste setor. No entanto, as alterações mencionadas anteriormente
passaram a permitir o compartilhamento das linhas de transmissão e das redes de
distribuição ou, em outras palavras, passaram a incentivar a concorrência na
geração da eletricidade.
Ademais, a palha que, neste primeiro período, não era utilizada, agora, por
força da evolução tecnológica ocorrida tanto na cultura da cana quanto nos
equipamentos e no processo de cogeração, passou a colaborar com a produção
energética, fato que aumentou a capacidade energética do setor sucroalcooleiro.
O uso racional dessas biomassas combustíveis (bagaço e palha) representa
uma típica solução de geração distribuída. Com a proximidade das usinas dos
centros de consumo elétrico, aliada à potencialidade da exportação dos excedentes,
em razão da evolução tecnológica verificada, e à complementaridade com o parque
gerador hidrelétrico brasileiro, se não coloca a cultura da cana de açúcar como a
melhor alternativa de geração distribuída dentre todas aquelas passíveis de serem
disponibilizadas rapidamente no país, certamente a situa dentre as mais
promissoras. Além destes fatores, pode-se citar ainda:
¾ Os valores elevados de energia injetados à rede, dando ancoragem ao
Sistema Interligado;
¾ O fato de ser fonte renovável;
¾ Ser fonte altamente benéfica ao meio ambiente, pois fornece uma alternativa
comercialmente válida para o uso dos resíduos gerados.
54
A palha, os colmos e boa parte dos ponteiros da cana de açúcar são
processados simultaneamente na colheita mecânica até a fase da separação
pneumática na qual o palhiço é lançado ao solo e os rebolos de cana são priorizados
e transportados até o veículo de transbordo. No conceito atual, onde se prevê uma
forte expansão das áreas plantadas, fica em evidência a necessidade de reformular
este paradigma para que aproximadamente um terço da energia da cana seja
recuperado com custo e qualidade adequados para seu aproveitamento energético.
Duas mudanças importantes podem ser apontadas nos processos atuais de
recuperação da palha que contribuiriam para acelerar seu aproveitamento
energético: aumentar sua densidade no ato da colheita e eliminar o manuseio
intenso com seus correspondentes custos e a contaminação com terra. Estes, entre
outros tópicos importantes sobre a colheita, foram discutidos no “II Workshop
Tecnológico sobre Colheita de Cana de Açúcar e Palha”, realizado na Faculdade de
Engenharia Agrícola (FEAGRI) da UNICAMP em 29/11/2006.
A Figura 3.1 demonstra uma forma de colheita da cana de açúcar, onde o
palhiço é eliminado no próprio campo.
Figura 3.1 – Colheita mecanizada da cana de açúcar.
Fonte: http://www.rankbrasil.com.br.
A UNICA, representando a indústria paulista produtora de açúcar, etanol e
bioeletricidade, e o Governo do Estado de São Paulo, assinaram, no dia 4 de junho
de 2007, o Protocolo Agro-ambiental do Setor Sucroalcooleiro Paulista. Esse
protocolo, de adesão voluntária, estabeleceu uma série de princípios e diretivas
técnicas, de natureza ambiental, a serem observadas pelas indústrias da cana de
açúcar (vide Anexo A).
55
Através desse Protocolo Agroambiental a maioria das usinas do setor
sucroalcooleiro paulista se comprometeu a antecipar o cronograma de diminuição
gradual das queimadas nas lavouras de cana no Estado, anteriormente fixados pela
Lei Estadual N
o
11.241/02. Até 2014 as usinas deverão eliminar 100 % da queimada
nas áreas mecanizáveis e, até 2017, o fogo deverá ser eliminado inclusive nas áreas
não mecanizáveis, conforme mostra a Figura 3.2.
Figura 3.2 – Prazos para a eliminação da queima da palha no estado de São Paulo.
Fonte: www.unica.com.br
De acordo com a UNICA, a agroindústria canavieira nacional negociou em
2008 cerca de 2.245 MW, sendo grande parte deste total (1.500 MW) entregues
ainda em 2008. Mas o potencial será ainda maior nos próximos anos. Segundo
cálculos da entidade, se o setor chegar a 1 bilhão de toneladas em 2020, como está
sendo previsto, e aproveitar 50 % da palha e 75 % do bagaço para gerar energia
excedente, teria potencial de geração de 28.000 MW, o que representaria cerca de
duas usinas de Itaipu (COMBUSTÍVEL..., 2008).
De acordo com os estudos realizados pela empresa Andrade & Canellas
Consultoria e Engenharia, em 2007 estavam em operação no Estado de São Paulo
146 usinas de cogeração do setor sucroalcooleiro, somando uma potência total
instalada de 1.712 MW, 70 % do segmento de cogeração do país, sendo que o total
de energia vendida no mercado era cerca de 900 MW médios, divididos conforme
mostra a Figura 3.3 (MELLO, 2007).
56
Figura 3.3 – Montantes de energia provenientes de biomassa de cana
comercializados em 2007 no Estado de São Paulo.
As perspectivas da cogeração de energia com o bagaço de cana no Estado
de São Paulo são excelentes, podendo haver um incremento de mais de 500 %,
aumentando a potência instalada para mais de 10.000 MW até 2015, em função dos
seguintes fatores complementares:
¾ Expansão do setor sucroalcooleiro em mais de 20 % nos próximos 5 anos;
¾ Aproveitamento da palha e das pontas para a cogeração de energia;
¾ Possibilidade de retrofit nas atuais usinas, aumentando consideravelmente as
atuais capacidades de geração de energia.
Atualmente os investimentos para a recuperação da palha deixada no campo
estão cada vez mais intensos visando, além de uma melhor produtividade, a
utilização da palha juntamente com o bagaço na produção de energia elétrica,
aumentando a quantidade de excedentes para comercialização. Dentro dessa
perspectiva, a seguir serão apresentados alguns dados sobre a utilização da palha
para a geração de energia.
A produtividade de palha, em base seca, é de 14 % da cana com a
produtividade da cana de 82,4 t/ha, sendo valores médios para as variedades
plantadas no Estado de São Paulo, segundo o CTC (Centro de Tecnologia
Canavieira). Considerando estes valores de produtividade, Mello (2007) simulou dois
casos para verificar o incremento da geração de eletricidade devido ao
aproveitamento da palha, utilizando equipamentos modernos e eficientes e com a
melhor tecnologia para a geração, no caso turbinas de extração-condensação
operando, respectivamente, com vapor a 65 bar e 510 ºC (Caso A) e 92 bar e 520 ºC
(Caso B),
e, ainda, considerando todo o processo eletrificado. Na Tabela 2 são
57
apresentados os resultados dessas simulações e os parâmetros utilizados,
verificando-se que a geração específica de excedente de eletricidade com o uso
combinado do bagaço e da palha é muito superior ao caso em que se utiliza apenas
o bagaço (MELLO, 2007).
Tabela 2 – Parâmetros utilizados e resultados da simulação do uso combinado do
bagaço e da palha para geração de eletricidade.
Parâmetro Unidade Caso A Caso B
Pressão do vapor bar 65 92
Temperatura do vapor ºC 510 520
Demanda de vapor no processo kg/t
cana
342-402 342-402
Consumo eletricidade (processo eletrificado) kWh/t
cana
32 32
Eficiência nominal da turbina a vapor % 85 87
Eficiência nominal da caldeira % 88 88
Geração específica de excedente de eletricidade
usando apenas o bagaço
kWh/t
cana
60-70 70-80
Geração específica de excedente de eletricidade
usando o bagaço e a palha
kWh/t
cana
125-130 132-145
3.2 Sistema para a Separação da Palha
Com o aumento da mecanização na colheita de cana e a diminuição da
prática de queima prévia da palha nos canaviais, cresce significativamente a
quantidade de palha que vai para a indústria, assim como a quantidade de resíduos
minerais que acompanham a cana.
Para evitar grandes perdas de sacarose no processo industrial, é necessário
separar essas impurezas e atualmente o melhor sistema para realizar esta função é
através do Sistema de Limpeza de Cana a Seco (SLCS).
Segundo os especialistas, esta deve ser uma conseqüência do avanço da
colheita mecanizada no Brasil e deve aumentar ao longo dos anos. A matéria-prima
picada possui mais áreas de atração de impurezas, de modo que, se a usina for
lavar a cana picada, a perda de açúcar será da ordem de 5 %, tornando proibitiva
essa medida.
58
Uma tonelada de cana de açúcar possui, em média, 150 quilos de sacarose,
sendo que 2 % deste volume podem ser perdidos no procedimento de lavagem da
cana. Entre 4 % e 6 % também são eliminados durante o processamento da cana na
moenda ou no difusor.
Com a tecnologia de limpeza a seco, parte dessas perdas pode ser evitada,
sendo dois fatores determinantes para a obtenção desse resultado. O primeiro
quando a usina remove a impureza vegetal (palha) e este material fica impedido de
“roubar” sacarose do caldo durante o processo de extração e o segundo permite que
a usina diminua o tempo de moagem e, conseqüentemente, ajuste a safra para um
período maior de maturação de cana, o que renderá maior concentração de
sacarose.
Embora os resultados possam parecer promissores, o sistema, pesquisado
inicialmente em Cuba, é complexo e possui duas vertentes, sendo aplicado por meio
de um processo de sopragem ou por ação mecânica. A primeira opção promove a
separação das partículas vegetais e a outra remove as impurezas minerais.
O sistema de ventilação foi desenvolvido pelo CTC, antiga COPERSUCAR,
em parceria com o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). A técnica empregada
é semelhante ao túnel de vento utilizado para testar aviões. Já a ação mecânica é
realizada em separadores ou em mesas com fundo furado, que fazem revolvimento
do material para obter a separação de partículas.
A Figura 3.4 mostra um equipamento que realiza a separação de impurezas
vegetais das minerais.
Figura 3.4 – Separação de impureza mineral.
Fonte: www.revistaalcoolbras.com.br.
59
Ambos os processos retiram o resíduo sólido e entregam a cana limpa na
moenda ou no difusor. Atualmente, o sistema permite, segundo cálculos do CTC,
eficiência de aproximadamente 70 % de separação de impureza mineral e vegetal.
Além da restrição já mencionada imposta pela mecanização, o aumento do
uso do sistema de lavagem de cana a seco pode ser determinado pela necessidade
de aumento da capacidade de moagem.
Quando a usina está operando no limite da capacidade, cada tonelada de
palha que passa na moenda representa menos uma tonelada de cana a ser moída.
Além disso, o teor de fibra deste material é maior se comparado ao verificado na
cana, o que pode derrubar ainda mais a capacidade de moagem. Assim, a usina não
deixa de moer só aquela tonelada, deixa de moer mais um pouco devido ao efeito
dessa fibra no comportamento da moenda.
O custo de implantação da tecnologia de limpeza a seco está relacionado
diretamente ao porte e às características operacionais de cada usina, sendo, de
maneira geral, um investimento considerado ainda alto.
O sistema de lavagem de cana a seco trata-se de uma solução já adotada por
algumas usinas com bons resultados. Parte destas unidades separa e manda para a
lavoura a palha e a terra recolhida, já outras separam a palha da terra e a passam
pela moenda. No entanto, o ideal é a utilização da palha como combustível
suplementar para as caldeiras de bagaço possibilitando um aumento de geração de
energia excedente que pode ser exportada, porém as palhas retiradas apresentam
um inconveniente que é o fato de serem de tamanho grande e com fibras longas, por
isso não são próprias para a queima nas caldeiras convencionais a bagaço.
Faz-se necessário transformar a palha em pequenos pedaços para que possa
fazer a mistura com o bagaço e, depois, a queima nas caldeiras convencionais.
Uma das soluções encontrada foi o uso de um picador de palha, sendo o
mesmo testado durante o ano de 2004, atingindo resultados satisfatórios. Ele é um
equipamento simples, composto por um rotor com facas fazendo com que a palha
passe por um cesto, assim transformando as palhas de fibras longas em palha
picada, ideal para a queima em caldeiras. A Figura 3.5 é um exemplo de um picador
de palha que prepara a mesma para queima em caldeiras convencionais.
60
Figura 3.5 – Picador de palha.
Fonte: www.bruno.com.br/MyFiles/PPB/palha.jpg
Outra forma encontrada pelas usinas sucroalcooleiras de enviar esta palha
para a caldeira é passando-a por todos os ternos de moagem e, conseqüentemente,
tendo uma perda em sacarose (ART) ou ainda adicionando-a no último terno de
moagem, sem diminuir a capacidade de moagem como no caso em que ela passa
por todo o processo, possibilitando, assim, uma economia na construção de esteiras
para o transporte da palha picada até a caldeira, além de diminuir a perda de
sacarose.
A Figura 3.6 mostra o estado da palha antes e depois do picador.
Figura 3.6 – Palha inteira e palha picada.
Fonte: http://www.ideaonline.com.br.
61
3.3 Origens do Sistema de Lavagem de Cana a Seco, Testes e
Resultados Obtidos
A origem do sistema de limpeza de cana a seco surgiu para atender a
necessidade de reduzir as impurezas minerais, especialmente na cana picada, pois
não podia ser lavada com água, devido às grandes perdas de sacarose. Desta
forma, a especificação do projeto também se estendeu para a redução das
impurezas vegetais e também para a operação com a cana inteira. Este sistema
contava com vários estágios de separação de impurezas (até 3 estágios) e assim
ocasionava num elevado custo do equipamento e dificuldades no lay-out para
instalação.
A Figura 3.7 apresenta o sistema antigo de lavagem de cana a seco.
Figura 3.7 – Sistema de lavagem a seco de cana (Projeto Antigo - CTC).
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
Para atingir o objetivo de viabilizar o sistema, além das mudanças de
conceito, foi necessária a melhoria na eficiência de limpeza. Com auxílio de
pesquisas, foi criado um novo projeto para o sistema, ocorrendo reduções no
número de estágios de ventilação, na potência dos ventiladores e no espaço
necessário em termos de lay-out.
As mudanças de conceito, busca numa melhor eficiência e com as tendências
atuais de aumento do percentual de cana picada (colheita mecanizada), resultaram
no novo projeto, que é mostrado na Figura 3.8.
62
Figura 3.8 – Sistema de lavagem a seco de cana (Projeto Novo - CTC).
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
A Tabela 3 mostra resultados obtidos pela usina Quatá na safra 2001/2002,
sendo considerados 3 estágios de ventilação do extrator das colhedoras de cana
(ventilada, parcialmente ventilada e sem ventilação – mais informações no Item 4.1
Dados de entrada).
Tabela 3 – Dados de impureza e eficiência de separação em função
do tipo de coleta (projeto antigo).
Cana Picada Ventilada
Parcialmente
Ventilada
Sem
Ventilar
Quantidade de Testes 4,0 4,0 4,0
Cana Processada (t/h) 201,4 150,4 111,0
Impurezas na Cana
Mineral (%) 1,4 1,9 2,3
Vegetal (%) 5,7 10,8 21,5
Eficiência de Separação
(Base Seca)
Mineral (%) 45,4 63,0 71,7
Vegetal (%) 55,1 56,3 59,9
Total (%) 46,3 45,0 59,7
Observa-se na Tabela 3 que a quantidade de cana processada é bem maior
quando a colhedora trabalha com seus ventiladores ligados (extrator), pois a maior
quantidade de impurezas acaba ficando em campo e o transporte até a usina de
cana acaba sendo mais eficaz. Quanto menor for a separação de impurezas no
campo, maior é a quantidade que entra na indústria, como pode ser visto para a
colhedora trabalhando sem ventilação. Conseqüentemente, a eficiência do sistema
63
de limpeza a seco é maior conforme a quantidade de impurezas aumenta.
Com o novo conceito do projeto para o sistema de lavagem a seco, o CTC
obteve alguns resultados preliminares os quais são demonstrados na Tabela 4.
Tabela 4 – Dados de impureza e eficiência de separação
em função do tipo de coleta.
Colheita
Perdas de
Cana (%)
Separação de
Folhas (%)
Separação de
Ponteiros (%)
Separação
de terra (%)
Ventilada 0,1 29,0 2,0 70,0
Parcialmente
Ventilada
0,5 40,0 4,0 75,0
Sem Ventilar 1,8 45,0 10,0 64,0
A Tabela 4 demonstra uma análise que, quanto maior a quantidade de
impurezas (vegetal e mineral) adentra na usina (Sem Ventilar), ocorre um maior
valor na eficiência de separação do Sistema de Limpeza de Cana a Seco, sendo que
essa eficiência é menor para os ponteiros (10 %).
A Figura 3.9 mostra uma relação da rotação do extrator primário da colhedora
com a quantidade de impurezas que chega à moenda e que é separada pelo
sistema de limpeza a seco do projeto novo do CTC.
Figura 3.9 - Relação da rotação do extrator primário da colhedora com a quantidade de impurezas.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
64
3.4 Princípios de Funcionamento do Sistema de Limpeza de Cana a
Seco
O sistema atual faz com que um fluxo de ar gerado por ventiladores atravesse
a "cascata" de cana, que cai da mesa alimentadora para a esteira de cana, sendo
que os ventiladores são instalados atrás ou sob a mesa de alimentação para eliminar
as impurezas por sopragem, variando a quantidade e a localização de acordo com o
layout da instalação.
A Figura 3.10 mostra dois sistemas com localização diferente dos
ventiladores.
As mesas de alimentação, com 10 a 13 metros de comprimento e ângulos de
35º, 45º e 50º, além de receber e armazenar a cana, estão diretamente ligadas à
instalação dos ventiladores, à queda da cana de certa altura direta na esteira de
talisca ou de borracha e à queda de areia e terra. Já na descarga da mesa, os
ventiladores removem a palha e parte da areia.
Figura 3.10 – Projeto atual do sistema de lavagem de cana a seco.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC; www.techpetersen.com.br
65
A Figura 3.11 mostra uma Mesa Alimentadora de 13 m de comprimento e 45º
de inclinação.
Segundo o CTC utilizando apenas a cana picada, o fluxo de ar realiza um
trabalho melhor, chegando a níveis de limpeza próxima dos 70 % da cana que é
descarregada na Mesa Alimentadora. Na cana inteira este índice chega de 60 a
65 %. É mais do que suficiente para que a usina processe o caldo e o bagaço sem
transtornos.
Figura 3.11 – Mesa alimentadora.
Fonte: Usina Pioneiros Bioenergia S/A.
A Figura 3.12 apresenta o esboço do Sistema de Limpeza de Cana a Seco e
uma foto real do transporte da cana picada após ser descarregada na Mesa
Alimentadora através da esteira de taliscas.
Uma opção para que na própria Mesa Alimentadora já ocorra uma pré-
separação das impurezas vegetais é trabalhar com as chapas de fundo perfuradas,
assim parte da terra contida na cana já é eliminada.
Figura 3.12 – Transporte de cana picada pela esteira de talisca.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
66
Na Figura 3.13 é mostrado o local de instalação dos ventiladores que no caso
do projeto do CTC fica atrás da Mesa Alimentadora e na Figura 3.14 ilustra-se o
local de saída de ar que faz a separação da cana das impurezas mineral e vegetal.
Figura 3.13 – Sistema de ventilação do sistema de limpeza de cana a seco.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
Figura 3.14 – Saídas de ar do sistema de limpeza de cana a seco.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
Com a instalação deste sistema, as Caldeiras podem queimar sem problemas
o bagaço advindo de moendas com limpeza por ventilação, e as seções de
decantação e filtragem, devidamente dimensionadas, podem operar sem
transtornos.
67
Este processo tem duas formas de separação de terra da palha que
inevitavelmente é arrastada pelo fluxo de ar: O sistema via seco e via úmido. No
sistema via seco, a câmara recolhe a terra através de esteiras transportadoras que
enviam para um reservatório definido para se dar o destino final. No sistema via
úmida, uma cortina de água recolhe a terra e a palha, separada esta da terra por um
cush-cush, e segue para o sistema de decantação, onde a água volta ao processo.
A Figura 3.15 apresenta a caixa coletora de palha e terra e a Figura 3.16
apresenta o Sistema de Lavagem de Cana a Seco já em operação na usina Equipav
em Promissão, SP.
Figura 3.15 – Caixa coletora de palha e terra.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
Figura 3.16 – Sistema de lavagem a seco em uma usina sucroalcooleira.
Fonte: Usina Equipav.
68
4 Conceitos e Metodologia Aplicada para o Aproveitamento
da Palha
A seguir serão apresentados os conceitos e a metodologia aplicada para o
aproveitamento da palha da cana de açúcar.
4.1 Dados de Entrada
Para início do programa elaborado é necessária a inserção de alguns dados,
como a quantidade de palha existente na de cana de açúcar.
Na Figura 4.1 segue um desenho ilustrativo de como a cana de açúcar é
composta.
Figura 4.1 – Divisão da cana de açúcar.
Fonte: Centro de Tecnologia Canavieira – CTC.
69
A Tabela 5 se refere a composição química de uma cana de açúcar madura,
normal e sadia.
Tabela 5 – Composição química típica de um colmo de cana de açúcar.
Água 74,50% ------------------- 74,50%
Cinzas 0,50%
SiO
2
0,25%
K
2
O 0,12%
Na
2
O 0,01%
CaO 0,02%
MgO 0,01%
Fe
2
O
3
-
P
2
O
5
0,07%
SO
3
0,02%
Cl -
Fibra 10,00%
Celulose 0,25%
Pentosana 0,12%
Goma de Cana 0,01%
Lignina, etc 0,02%
Açúcares 14,00%
Sacarose 12,50%
Dextrose 0,90%
Levulose 0,60%
Matérias
Nitrogenadas
0,40%
Albuminóides 0,12%
Amida 0,07%
Aminoácidos 0,20%
Ácido Nítrico 0,01%
Amoníaco -
Corpos xânticos -
Graxas e ceras 0,20% ------------------- 0,20%
Pectinas 0,20% ------------------- 0,20%
Ácidos Livres 0,08% ------------------- 0,08%
Ácidos
combinados
0,12% ------------------- 0,12%
Fonte: http://www.cosan.com.br.
70
Para fins de cálculos foram considerados 12% de palha e o restante (88%) de
colmo para a cana de açúcar.
A Tabela 6 apresenta outros dados que são considerados para determinação
dos resultados.
Tabela 6 – Dados de entrada para uso no programa.
Parâmetro Valor
PCI do Bagaço a 51% umidade 7.243 kJ/kg
PCI da Palha a 15% umidade 12.905 kJ/kg
Fibra da Palha 85 %
Fibra do Colmo 12 %
Fibra do Bagaço 47 %
% Açúcar Redutor Total (ART) 16 %
Fonte: Usina Pioneiros Bioenergia S/A.
Com esses dados é possível determinar a porcentagem de caldo e a de
bagaço para uma determinada quantidade de cana de açúcar plantada.
1
Caldo FC
PPART
=
−−
(4.1)
Bag FC FB
PPP
=
(4.2)
onde:
Caldo
P
- Porcentagem de caldo existente na cana de açúcar (%);
FC
P
- Porcentagem de fibra no colmo (%);
FB
P
- Porcentagem de fibra no bagaço (%);
ART
- Açúcar redutor total (%);
Bag
P
- Bagaço gerado a partir da cana de açúcar (%).
71
Determinada a quantidade de cana de açúcar plantada e considerando uma
produtividade de 90 t/ha, pode-se calcular a área necessária para o plantio da
mesma como sendo:
=
⋅ Pr
Plantio Total Colmo
A
Cana P od
(4.3)
onde:
Plantio
A
- Área necessária para o plantio da cana de açúcar (ha);
Total
Cana
- Cana total plantada (t);
Colmo
P
- Porcentagem de colmo na cana de açúcar (%);
Prod
- Produtividade (t/ha).
De acordo com o CTC as colhedoras de cana apresentam 3 tipos de variação
na ventilação para a separação de palha já no campo. A Tabela 7 demonstra esses
dados.
Tabela 7 – Porcentagem de separação de palha pelas colhedoras.
Tipo de colheita Palha no Campo Palha para Indústria
Ventilada 80 % 20 %
Parcialmente Ventilada 50 % 50 %
Sem Ventilar 6 % 94%
O programa desenvolvido também apresenta algumas variações para chegar
a resultados mais próximos possíveis do real, como por exemplo, eficiência da
lavagem de cana pelo Sistema de Limpeza de Cana a Seco, taxa de utilização do
equipamento, eficiência da Indústria (extração), porcentagem de mecanização do
corte de cana de açúcar, custos de venda de açúcar, álcool e energia além do mix
de produção.
72
4.2 Produção de Álcool
Atualmente 85 % do etanol brasileiro é consumido no mercado interno. Dois
fatores contribuem para isso: a proporção de álcool anidro na gasolina e a expansão
de veículos bicombustíveis. A produção de etanol em 2007 foi de 20,1 bilhões de
litros; em 2008 foi de 27,1 bilhões de litros e se estima que, em 2030, alcance a
marca de 66,6 bilhões de litros. Em 2007 foram plantados 7,08 milhões de hectares
de cana, e em 2008 um total 9,0 milhões de hectares. Um aumento de 1,9 milhões
de hectares plantados com cana em apenas um ano (BRASIL, 2008).
O Álcool Anidro é o produto obtido através do processo de desidratação do
álcool hidratado, com a utilização de agentes desidratantes como benzol,
ciclohexano e peneira molecular. Ele encerra uma riqueza alcoólica mínima de cerca
de 99,3°INPM, com um grau recomendável para a produção de 99,5°INPM ou
99,69°GL, sendo que ºINPM e ºG correspondem, respectivamente, a concentração
de álcool em peso e em volume, a 15ºC.
O Álcool Hidratado é o produto principal da operação de retificação e possui
uma riqueza alcoólica mínima de 92,6°INPM e máxima de 93,8°INPM.
A seguir são descritas as equações necessárias para o cálculo do rendimento
teórico da produção de álcool de anidro e hidratado, respectivamente:
11
Re 1
100
Aan Aan
Aab Aan
Rt
DTA
⎡
⎤
⎛⎞⎛ ⎞
=+−
⎢
⎥
⎜⎟⎜ ⎟
⎢
⎥
⎝⎠⎝ ⎠
⎣
⎦
(4.4)
11
Re 1
100
Ahi Ahi
Aab Ahi
Rt
DTA
⎡
⎤
⎛⎞
⎛⎞
=+−
⎢
⎥
⎜⎟
⎜⎟
⎢
⎥
⎝⎠
⎝⎠
⎣
⎦
(4.5)
onde:
A
ab
D
- Densidade do álcool absoluto (kg/l);
Re
A
an
- Rendimento estequiométrico do álcool anidro (kg/kg ART);
Re
A
hi
- Rendimento estequiométrico do álcool hidratado (kg/kg ART);
A
an
Rt
- Rendimento teórico do álcool anidro (l/kg ART);
73
A
hi
Rt
- Rendimento teórico do álcool hidratado (l/kg ART);
A
an
TA
- Teor alcoólico do álcool anidro (% peso);
A
hi
TA
- Teor alcoólico do álcool hidratado (% peso).
O rendimento global da produção de álcool anidro e de álcool hidratado pode
ser calculado, respectivamente, pelas equações:
(
)
10.000
Aan Aan Ferm Dest
Rg Rt Rp R=⋅⋅
(4.6)
(
)
10.000
Ahi Ahi Ferm Dest
Rg Rt Rp R=⋅ ⋅
(4.7)
onde:
A
an
Rg
- Rendimento global do álcool anidro (l/kg ART);
A
hi
Rg
- Rendimento global do álcool hidratado (l/kg ART);
Ferm
Rp
- Rendimento prático da fermentação (%);
Dest
R
- Rendimento da destilaria (%).
Para encontrar a produção final de álcool, o ART perdido no processo
(ART
PP
), assim como o recuperado (ART
Rec
), devem ser calculados,
respectivamente, pelas seguintes equações:
(
)
(
)
(
)
1 100 100
PP DP Ferm Dest
ART ART Rp R
⎡
⎤
=−
⎣
⎦
(4.8)
Re cDPPP
ART ART ART
=
−
(4.9)
Assim, pode-se definir a produção final de álcool anidro e hidratado,
respectivamente, por:
Re
A
an c Aan
Pf ART Rg
=
(4.10)
74
Re
A
hi c Ahi
Pf ART Rg
=
(4.11)
onde:
PP
ART
- ART perdido no processo (kg de ART);
DP
ART
- ART disponível para o processo (kg de ART);
Re c
ART
- ART recuperado (kg de ART);
A
an
Pf
- Produção final de álcool anidro (litros);
A
hi
Pf
- Rendimento da destilaria (litros).
4.3 Fabricação de Açúcar
O açúcar como produto de consumo de massa é o produto que mais participa
da alimentação diária dos brasileiros. Com um consumo individual de
45 kg/habitante/ano, o maior do mundo, esse produto detém um portifólio dos mais
variados. Sua presença se faz obrigatória na produção industrial de diferentes
gêneros alimentícios. As indústrias de refrigerante, panificação, sucos artificiais e
achocolatados, são as que mais utilizam esse produto na fabricação de seus
produtos. O açúcar refinado líquido, por exemplo, é bastante utilizado pela indústria
na fabricação de bebidas carbonatadas, licores, sucos de frutas; sorvetes, alimentos
matinais; balas achocolatadas, biscoitos e confeitos; além de cervejas especiais
adoçadas (MOAGEM..., 2005).
A partir dos dois últimos séculos o açúcar começou a ser produzido e
consumido de forma cada vez mais intensa. Com a sofisticação da técnica, purificou-
se ainda mais o açúcar de cana retirando-se dele apenas a sacarose branca e com
a adição de produtos químicos é obtido o açúcar branco cristal. O açúcar VHP (Very
High Polarization) por ser menos úmido (Max 0,10 %), é ideal para exportação, pois
facilita o transporte. Toda sua produção é destinada ao mercado externo para o
refino em outros países devido sua alta polarização (99,0 a 99,5°S).
A Tabela 8 demonstra a classificação do açúcar cristal de acordo com a
Polarização (POL), que é a porcentagem em massa de sacarose aparente contida
em uma solução açucarada de peso normal, determinada pelo desvio provocado
75
pela solução no plano de vibração da luz polarizada, com a cor e as porcentagens
de umidade e de cinza.
Tabela 8 – Classificação do açúcar cristal.
Tipo POL Umidade (%) Cor (UI) Cinzas (%)
Açúcar Demerara Máx. 99,0 ºS - - -
Açúcar Standard Mín. 99,3 °S 0,15 700 0,15
Açúcar VHP Mín. 99,3 °S 0,10 700 0,10
Açúcar Superior Mín. 99,5 °S 0,10 > 400 0,10
Açúcar 200 tipo 3 Mín. 99,7 °S 0,04 200 0,05
Açúcar 150 tipo 2 Mín. 99,7 °S 0,04 150 0,05
Açúcar Refinado Mín. 99,8 °S 0,04 45 0,04
A seguir são descritas as equações necessárias para o cálculo de produção
de açúcar branco e VHP.
A eq. (4.12) é referente ao ART recuperado, sendo que para seu cálculo é
necessário analisar a eficiência de recuperação de ART pela porcentagem de ART
da cana (
Re _cART
ε
), assim quando ocorrer apenas produção de açúcar a eficiência é
de 85 % e quando se tem a produção de açúcar e álcool a eficiência é de 90 %.
Re Re _cDPcART
ART ART
ε
=
(4.12)
As eqs. (4.13) e (4.14) são referentes à produção de açúcar branco e açúcar
VHP, respectivamente:
()
Re
50 0,95
c
Branco
Branco
ART
Pf
Pol
⎛⎞
=
⎜⎟
⎜⎟
⋅
⎝⎠
(4.13)
()
Re
50 0,95
c
VHP
VHP
ART
Pf
Pol
⎛⎞
=
⎜⎟
⎜⎟
⋅
⎝⎠
(4.14)
76
onde:
Branco
Pf
- Produção Final de Açúcar Branco (sacas);
VHP
Pf
- Produção final de açúcar VHP (sacas);
Branco
Pol
- Pol para produção de açúcar branco (%);
VHP
Pol
- Pol para produção de açúcar VHP (%).
4.4 Balanço Energético da Geração de Energia
Desde a sua implantação e em maior escala a partir da metade do século XX,
as indústrias do setor sucroalcooleiro desenvolveram instalações próprias de
geração elétrica, seja através de pequenos aproveitamentos hidrelétricos, óleo
diesel, e, depois, face à indisponibilidade de energia elétrica e aos seus custos,
adotaram-se sistemas de geração, em processo de cogeração, ajustados às
necessidades do processamento industrial da cana de açúcar, utilizando o bagaço.
Mas, como a quantidade do bagaço produzida é muito elevada, existe um
grande potencial para geração de eletricidade para venda comercial.
4.4.1 Conceitos Termodinâmicos
4.4.1.1 Primeira Lei da Termodinâmica
A maneira clássica de determinar o desempenho térmico de sistemas é
através da utilização da primeira lei da termodinâmica. Esta análise permite, sob o
ponto de vista da energia, definir o desempenho de cada equipamento e também o
desempenho global do sistema (HORLOCK, 1997).
Apesar de muito difundida, esta metodologia tem suas limitações, pois não
contabiliza a qualidade da energia, ou seja, não se preocupa com as
77
irreversibilidades inerentes de todos os processos. Para que se possa considerar
este aspecto é necessário o uso conjunto da segunda lei da termodinâmica, através
de uma análise exergética (KOTAS, 1985). Esta forma de avaliação não substitui as
avaliações feitas com base na eficiência energética, mas sim as complementa,
permitindo o cálculo tanto do valor termodinâmico de um fluxo, em termos do
trabalho mecânico que poderia ser extraído dele, como das ineficiências e perdas
termodinâmicas reais dos processos dos sistemas (FIOMARI, 2004).
A eq. (4.15) mostra que, em regime permanente, a taxa total do fluxo de
massa entrando no volume do controle é igual à taxa total do fluxo de massa que sai
do volume do controle e a eq. (4.16) estabelece que a taxa total da energia entrando
no volume de controle é igual à taxa total de energia deixando o volume de controle,
já desconsiderando as variações de energia cinética e potencial.
0mm
se
=−
∑
∑
&&
(4.15)
0hmhmWQ
sseevcvc
=−+−
∑
∑
∑
&&
&
&
(4.16)
onde:
e
m
&
- Fluxo de massa que entra no volume de controle (kg/s);
s
m
&
- Fluxo de massa que sai do volume de controle (kg/s);
e
h
- Entalpia específica na entrada do volume de controle (kJ/kg);
s
h
- Entalpia específica na saída do volume de controle (kJ/kg);
vc
Q
&
- Taxa de transferência de calor para o volume de controle (kW);
vc
W
&
- Potência referente ao volume de controle (kW).
4.4.1.2 Segunda Lei da Termodinâmica
As irreversibilidades num processo são quantificadas pela Segunda Lei da
Termodinâmica, por meio da propriedade entropia. Para processos em um volume
78
de controle, considerando que o processo seja em regime permanente o balanço de
entropia é definido como:
,
0
vc i
ger e e s s
i
Q
Smsms
T
⎛⎞
++−=
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
∑∑∑
&
&
&&
(4.17)
onde:
e
s
- Entropia específica na entrada do volume de controle (kJ/kgK);
s
s
- Entropia específica na saída do volume de controle (kJ/kgK);
j
T
- Temperatura superficial do volume de controle (K);
ger
S
&
- Geração de entropia no volume de controle (kJ/kgK);
ger
S
&
≥0.
Para se prever se um processo qualquer que envolve interações de energia
pode ocorrer ou se os sentidos dos processos de transferência do calor são
possíveis pode-se utilizar a equação de balanço de entropia e também se pode dizer
que a segunda lei governa o limite de conversão entre diferentes formas de energia.
Para um processo ser possível do ponto de vista termodinâmico é necessário que
ger
S
&
≥0.
4.4.1.3 Balanço de Exergia
A determinação de um fluxo (termodinâmico) em termos do trabalho mecânico
que poderia ser extraído dele e as ineficiências e perdas reais dos sistemas
energéticos vinculam estreitamente a aplicação da primeira e segunda leis da
termodinâmica.
No centro da análise está o conceito de exergia, que para um sistema
termodinâmico, num dado estado, é definido como a máxima quantidade de trabalho
que se pode obter chegando a um estado de equilíbrio entre o sistema e o ambiente
em um processo reversível, porém no processo irreversível existe um saldo de
trabalho não realizável que dá uma medida da irreversibilidade do processo.
79
Outra definição seria a de Kotas (1985) que afirma que a exergia é o padrão
de qualidade de energia, igual ao máximo trabalho útil que pode ser obtido de uma
dada forma de energia, utilizando os parâmetros do ambiente (P
0
, T
0
) como
referencial.
Assim, para sistemas energéticos cujos fluxos operam com parâmetros fora
das condições do ambiente de referência, a exergia pode ser entendida como a
parte da energia que pode ser transformada em trabalho mecânico de forma
reversível e útil, sendo a destruição de exergia o resultado direto das
irreversibilidades de um sistema. Um dos aspectos que pode aumentar a geração de
irreversibilidades é o funcionamento do equipamento fora das condições de projeto
inerentes ao mesmo, aspecto que geralmente incrementa não só a destruição de
exergia, mas também as perdas exergéticas para o ambiente.
Como a exergia é função de propriedades de dois estados (físico e químico),
uma vez fixado o ambiente de referência, pode-se utilizá-lo para calcular a exergia
de qualquer outro estado. Sendo uma propriedade termodinâmica, a variação de
exergia entre dois estados será independente do processo seguido para alcançar
um a partir do outro. Isto permite, por sua vez, definir uma trajetória composta por
vários processos para separar a variação total de exergia no somatório de vários
termos.
Szargut, Morris e Steward (1988) e Kotas (1985), bem como outros autores,
propõem a seguinte relação para o cálculo da exergia:
quifist
bbb
+
=
(4.18)
onde:
fis
b
- Exergia física específica (kJ/kg);
qui
b
- Exergia química específica (kJ/kg).
A exergia física de um fluxo é calculada com base num estado de referência
restrito (P
0
, T
0
) onde há equilíbrio térmico e mecânico com o meio, através da
seguinte equação:
80
(
)
(
)
000fis
ssThhb
−
−
−
=
(4.19)
Para haver equilíbrio completo com o meio, o sistema deve estar também em
equilíbrio químico com ele. O trabalho que pode ser obtido através de um processo
reversível que leva o sistema do estado de referência restrito até o estado de
referência onde há equilíbrio completo (“estado morto”), é a exergia química, definida
por:
(
)
0,qui i i i
i
bx
μμ
=−
∑
(4.20)
onde:
i,0
μ
- Potencial químico de referência do elemento (T
0
, P
0
);
i
μ
- Potencial químico do elemento na mistura (T
i
, P
i
);
i
x
- Fração do componente na mistura.
Logo, a exergia total (b
t
) pode ser representada por:
(
)
(
)
(
)
00 0 0,tiii
i
bhhTss x
μμ
=− − − + −
∑
(4.21)
A combinação entre a primeira e segunda leis da termodinâmica permite que
se estabeleça o balanço de exergia. Considere o sistema da Figura 4.2 que num
certo instante pode estar em contato térmico com vários reservatórios térmicos de
temperaturas T
i
).,..,3,2,1( ni =
. A atmosfera, representada pelo reservatório
térmico a P
0
e T
0
, tem um papel especial na instalação. A potência (W
&
) representa a
combinação de todos os modos possíveis de transferência de trabalho
(
,,,
mecânico elétrico magnético
PdV dt W W W
&&&
).
81
Figura 4.2 – Sistema aberto em comunicação com a atmosfera e n reservatórios térmicos.
Com referência ao sistema aberto e desprezando as mudanças de energia
cinética e potencial, pode-se escrever a primeira e a segunda leis da seguinte forma:
0
issee
dE
QW mh mh
dt
=−+ − =
∑∑∑
&
&
&&
(4.22)
0
i
ger e e s s
i
Q
dS
Smsms
dt T
=− − + ≥
∑∑ ∑
&
&
&&
(4.23)
Eliminando
0
Q
&
das eqs. (4.22) e (4.23), encontra-se que a potência (W
&
)
depende explicitamente do grau de irreversibilidade termodinâmica do sistema
(
ger
S
&
), como segue:
() () ()
0
0000
1
ie s ger
i
T
d
W ETS Q mhTs mhTs TS
dt T
⎛⎞
=− − + − + − − − −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑ ∑
&&
&
&&
(4.24)
Assim, a eq.(4.24) pode ser expressa como:
gerrev
STWW
&
&&
0
−=
(4.25)
82
Na qual, tem-se:
() () ()
0
000
1
rev i e s
i
T
d
WETS QmhTsmhTs
dt T
⎛⎞
=− − + − + − − −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑ ∑
&
&
&&
(4.26)
Pode-se fazer a diferença entre a taxa de transferência de trabalho reversível
e a taxa de transferência de trabalho real, resultando a taxa de transferência de
trabalho perdido ou taxa de exergia destruída (
perd
W
&
), ou seja, irreversibilidades,
conforme segue:
0
0
≥=−==
gerrevperd
STWWIW
&
&&&&
(4.27)
A expressão
gerperd
STIW
&
&&
0
== é conhecida como Teorema do Trabalho
Perdido de “Gouy-Stodola”.
A taxa de trabalho útil (
w
E
&
) é:
dt
dV
PWE
w 0
−=
&&
(4.28)
Portanto, o balanço de exergia é o seguinte:
() () ()
0
00 0 0 0
1
w i e s ger
i
T
d
E EPVTS Q mhTs mhTs TS
dt T
⎛⎞
=− + − + − + − − − −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑ ∑
&&
&
&&
(4.29)
Sob a ótica da Segunda Lei da Termodinâmica, a adoção da hipótese de
processo adiabático pode ser uma condição útil para a identificação de
irreversibilidades internas que não estão associadas às medições de calor na
fronteira do volume de controle (KOTAS, 1985).
Para os processos que envolvem transferência de calor, a seleção da
superfície de controle é importante para a determinação das perdas exergéticas
83
associadas ao termo de transferência de calor na equação do balanço exergético e
da exergia destruída ou irreversibilidade (BEJAN, 1988).
Quando a fronteira do volume de controle posiciona-se suficientemente
distante do equipamento onde ocorre a interação de calor, o termo de exergia
associado a este calor transferido se anula, já que a temperatura da fronteira é a
mesma do meio. Neste caso, a redução de exergia de fluxo na saída do volume de
controle é computada como uma irreversibilidade interna ou exergia destruída, ao
invés de exergia perdida. Por este motivo, a seleção da fronteira para análise do
volume de controle é importante quando se pretende identificar as reais
possibilidades de aumento de eficiência térmica de um processo, diferenciando-se
as irreversibilidades intrínsecas daquelas que poderiam ser evitadas.
4.4.1.4 Irreversibilidade dos Equipamentos
Um importante parâmetro a ser observado na análise exergética é a
irreversibilidade em cada equipamento e, conseqüentemente, em todo o sistema. As
irreversibilidades são determinadas através da aplicação do balanço de exergia,
descrito na eq. (4.29), em cada volume de controle definido no sistema.
A irreversibilidade mostra a quantidade de exergia que é destruída em cada
equipamento do ciclo, ou seja, mostra o quanto o equipamento é eficiente em
aproveitar a exergia que nele é introduzida.
A análise exergética também contempla a determinação da quantidade com
que cada equipamento contribui na geração de irreversibilidade global do sistema,
podendo ser definida uma equação que permite quantificar a porcentagem da
irreversibilidade de cada equipamento (
i
δ
) em relação ao total da planta:
i
i
i
I
I
δ
=
∑
&
&
(4.30)
84
onde:
i
I
&
- Irreversibilidade num determinado equipamento;
∑
i
I
&
- Irreversibilidade total da planta.
4.4.1.5 Eficiências Térmicas pela Primeira e Segunda Leis da
Termodinâmica
A eficiência termodinâmica baseada na primeira lei
(
)
I
η
relaciona o trabalho
realizado no volume de controle com o trabalho produzido em um processo
hipotético isoentrópico desde o mesmo estado de entrada até a mesma pressão de
saída. Um processo pode ser chamado de isoentrópico se a entropia é constante
durante o processo. Para que isso ocorra necessariamente o processo tem que ser
adiabático, mas não necessariamente um processo adiabático é isoentrópico. A eq.
(4.31) mostra a eficiência com base na primeira lei:
iso
v.c.
I
∆hm
W
η
&
&
=
(4.31)
onde:
iso
∆h
- Diferença entre as entalpias de entrada e saída do volume de controle,
para processo isoentrópico (kJ/kg);
m
&
- Vazão mássica (líquido ou vapor) no volume de controle (kg/s).
Associado ao uso da análise de exergia foi desenvolvido o conceito de
eficiência determinada a partir do ponto de vista da segunda lei da termodinâmica.
()
se
v.c.
II
bbm
W
η
−
=
&
&
(4.32)
No caso específico das caldeiras, as eficiências de primeira e segunda leis
85
são calculadas, respectivamente, pelas seguintes equações:
combcomb
eess
I
PCIm
hmhm
η
&
&&
−
=
(4.33)
combcomb
eess
II
bm
bmbm
η
&
&&
−
=
(4.34)
onde:
s
h
- Entalpia específica na saída da caldeira (kJ/kg);
e
h
- Entalpia específica na entrada da caldeira (kJ/kg);
s
b
- Exergia específica na saída da caldeira (kJ/kg);
e
b
- Exergia específica na entrada da caldeira (kJ/kg);
comb
b
- Exergia específica do bagaço da cana (kJ/kg);
s
m
&
- Vazão mássica na saída da caldeira (kg/s);
e
m
&
- Vazão mássica na entrada da caldeira (kg/s);
comb
m
&
- Vazão mássica de combustível consumido na caldeira (kg/s);
comb
PCI
- Poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg).
Através da primeira e segunda leis da termodinâmica, foi possível avaliar a
eficiência e a geração de calor e potência para cada componente tais como
caldeiras, turbinas, condensadores e bombas que compõe a planta avaliada, bem
como o aproveitamento global de energia desta.
Para a análise termodinâmica de sistemas são aplicadas as equações de
conservação da massa, conservação de energia (primeira lei da termodinâmica),
balanço de entropia (segunda lei da termodinâmica) e o balanço de exergia baseado
nas duas leis anteriores, considerando um volume de controle para cada um dos
equipamentos que compõem a planta a ser analisada. A análise exergética é útil
para a avaliação de desempenho dos componentes e do sistema em seu conjunto. É
importante também para quantificar as irreversibilidades termodinâmicas verificadas
nos diversos processos (BEJAN, 1988).
86
Adotou-se para esse trabalho que todo volume de controle analisado, seja
pela primeira lei da termodinâmica ou pela segunda, considerará a operação em
regime permanente (RP). Portanto, nas análises não serão incluídas as fases
transitórias de entrada em operação, parada ou qualquer variação no tempo, mesmo
em operação normal. Isso equivale a dizer que qualquer variação de massa, energia
e exergia no tempo dentro do volume de controle serão desconsideradas. Essa
hipótese é possível de ser adotada nesse caso, pois mesmo os volumes de controle
maiores, que é caso da caldeira, não apresentam grandes variações de massa ou
de suas propriedades termodinâmicas quando em operação normal.
4.4.2 Exportação de Energia e Produção Energética
Na Tabela 9 segue dados que foram utilizados para os cálculos de exportação
de energia e produção energética.
Tabela 9 – Dados de entrada para cálculo de exportação de energia
e eficiência térmica.
Parâmetro Valor
Rendimento da caldeira 86 %
Entalpia da água de alimentação da caldeira 440 kJ/kg
Entalpia de vapor gerado 3.483 kJ/kg
Consumo vapor de processo 430 kg
vapor
/t
cana
Consumo do setor extração de caldo 5 kg
vapor
/kW
Consumo do condensador 3 kg
vapor
/kW
Consumo específico 16 kWh/t
cana
Consumo da moenda 15 kWh/t
cana
A produção de vapor por bagaço e palha pela caldeira são dados pelas eqs.
(4.35) e (4.36), respectivamente:
87
()
η
=
−
Cald Bag
Bag
Vger Aal
.PCI
Pcald
hh
(4.35)
()
Cald Palha
Palha
Vger Aal
.PCI
Pcald
hh
η
=
−
(4.36)
onde:
Bag
Pcald
- Produção de vapor por bagaço pela caldeira (kg
vapor
/kg
bag
);
Palha
Pcald
- Produção de vapor por palha pela caldeira (kg
vapor
/kg
palha
);
Cald
η
- Rendimento da caldeira (%);
Bag
PCI
- Poder Calorífico Inferior do bagaço (kJ/kg);
Palha
PCI
- Poder Calorífico Inferior da palha (kJ/kg);
Vger
h
- Entalpia do vapor gerado (kJ/kg);
A
al
h
- Entalpia da água de alimentação (kJ/kg).
O vapor gerado pela caldeira é utilizado na turbina a vapor onde parte é
destinada a extração e a outra parte para a condensação. Abaixo seguem as
equações necessárias para encontrar esses valores:
()
(
)
Ger Bag Disp Palha Disp
V Pcald Bag Pcald Palha=+..
(4.37)
Pr
1000
Ext oc Safra
VCvM
=
(4.38)
Cond Ger Ext
VVV
=
−
(4.39)
onde:
Ger
V
- Vapor gerado pela caldeira (t/safra);
Ext
V
- Vapor destinado à extração da turbina (t/safra);
Cond
V
- Vapor destinado à condensação da turbina (t/safra);
Disp
Bag
- Bagaço de cana disponível (t/safra);
88
Disp
Palha
- Palha disponível (t/safra);
Safra
M
- Moagem total (t/safra);
Pr oc
Cv
- Consumo de vapor pelo processo (kg/t
cana
).
Desta forma é possível encontrar a geração de energia através da extração e
condensação da turbina a vapor através das eqs. (4.40) e (4.41), respectivamente.
Ext Ext Ext
GVC
=
(4.40)
Cond Cond Cond
GVC
=
(4.41)
Com a somatória das eqs. (4.40) e (4.41) encontra-se a geração total da
turbina extração/condensação:
Total Ext Cond
GGG
=
+
(4.42)
onde:
Ext
G
- Geração de energia através da extração da turbina (MW);
Cond
G
- Geração de energia através da condensação da turbina (MW);
Total
G
- Geração total da turbina (MW);
Ext
C
- Consumo da turbina na extração (kg
vapor
/kW);
Cond
C
- Consumo da turbina na condensação (kg
vapor
/kW).
O consumo de energia interno do processo e o consumo da moenda são
necessários para encontrar a quantidade total de energia comercializada, assim
como o consumo dos equipamentos para adequação da queima da palha na
caldeira. As eqs. (4.43) e (4.44) apresentam, respectivamente, o consumo interno de
energia pelo processo e consumo de energia pelas moendas:
Pr Pr
int 1000
oc Safra oc
CMCesp
=
(4.43)
89
Moenda Safra Moenda
CMCesp
=
(4.44)
A eq. (4.45) demonstra o consumo total de energia pela planta sucroalcooleira
analisada:
_Pr
int
Total Planta oc Moenda Palha
CCCCextra=++
(4.45)
Desta forma encontra-se a energia total exportada e a produção energética,
como sendo, respectivamente:
_Total Total Total Planta
Exp G C
=
−
(4.46)
(
)
_
1.000
Energética Total Energia Safra
Exp M
ε
=⋅
(4.47)
onde:
Pr
int
oc
C
- Consumo de energia interno do processo (MW/safra);
Pr oc
Cesp
- Consumo específico do processo (kWh/t
cana
);
Moenda
C
- Consumo de energia pelas moendas (MW/safra);
Moenda
Cesp
- Consumo específico da moenda (kWh/t
cana
);
_Total Planta
C
- Consumo total de energia na planta sucroalcooleira (MW/safra);
Palha
Cextra
- Consumo extra de energia no processamento da palha (MW/safra);
Total
Exp
- Exportação total de energia (MWh/safra);
Energética
ε
- Produção energética (kWh/t
cana
).
4.4.3 Análise Energética dos Equipamentos do Preparo e Moagem de
Cana e do Preparo da Palha
Os equipamentos em análise do setor de preparo de cana são um picador 54”
modelo COP-5 e um desfibrador 54” modelo COP-8. A moagem da cana de açúcar é
90
realizada por 6 ternos de moenda 30 x 54”. A Tabela 10 mostra os dados destes
equipamentos.
Tabela 10 – Dados de equipamentos do setor de preparo e
moagem de cana de açúcar.
Parâmetro Picador Desfibrador Ternos de Moenda
Capacidade Máxima
600 t
cana
/h 600 t
cana
/h 600 t
cana
/h
Potência do Motor 3,087 MW 3,087 MW 1,470 MW
Constante de Potência 0,6 0,7 0,7
O Setor de Preparo de Palha é composto por um picador de palha (mostrado
na Figura 3.5) que possui a finalidade de transformar a palha de fibras longas em
palha picada, ideal para a queima em caldeiras, esteiras transportadoras (total de 4
esteiras) e uma peneira rotativa para realizar a separação vegetal da mineral. A
Tabela 11 mostra os dados destes equipamentos.
Tabela 11 – Dados de equipamentos do setor de preparo da palha.
Parâmetro
Triturador
de Palha
Esteiras
Transportadoras
Peneira
Rotativa
Capacidade máxima (t
palha
/h) 25,0 25,0 20,0
Potência do motor (kW) 294,0 29,4 11,0
Constante de potência 0,9 0,9 0,9
Os ventiladores que fazem a separação da palha dos colmos da cana de
açúcar do Sistema de Limpeza de Cana a Seco (ver Figura 3.13) possuem em
média uma constante de consumo de aproximadamente 0,5 kWh/t
cana
.
Para encontrar a Energia Total Consumida (eq. 4.50) do conjunto de
equipamentos acima é necessário calcular a Potência Útil de cada equipamento e a
Constante Consumida, conforme as eqs. (4.48) e (4.49):
Motor Pot
Útil
PPCte
=
(4.48)
(
)
=⋅
Cons Máx FC
Útil
Cte P Cap P
(4.49)
91
Cons
Total Cons
ECte=
∑
(4.50)
onde:
Ú
til
P
- Potência útil do equipamento (kW);
Motor
P
- Potência do motor do equipamento (kW);
Pot
Cte
- Constante de potência do motor do equipamento;
Cons
Cte
- Constante de consumo do equipamento (kWh/t
cana
);
Máx
Cap
- Capacidade máxima do equipamento (t
cana/
h ou t
palha
/h);
Cons
Total
E
- Energia total consumida pelos equipamentos (kWh/t
cana
).
4.5 Cálculo do Seqüestro de ART pelo Bagaço
A quantidade de ART sequestrado pelo bagaço, seja ele com palha ou sem
palha, foi determinado adotando certa quantidade de colmo (constante) e através
das equações que serão apresentadas na seqüência.
As eqs. (4.51) e (4.52) apresentam a quantidade de ART do colmo da cana de
açúcar e a quantidade de ART destinada para o processo, respectivamente:
Colmo Colmo Cana
ART Cana ART
=
(4.51)
Pr oc Colmo Ext
ART ART
ε
=
(4.52)
onde:
Colmo
ART
- ART do colmo da cana de açúcar (kg);
Pr oc
ART
- ART para o processo (kg);
Cana
ART
- ART total da cana de açúcar (kg);
Ext
ε
- Eficiência de extração da moenda (%).
92
Assim, é possível encontrar a quantidade de ART (em kg) no bagaço
(
Bag
A
RT
), através da equação:
PrBag Colmo oc
ART ART ART
=
−
(4.53)
Como a quantidade de colmo da cana considerado para determinar o
seqüestro de ART é constante a quantidade (em kg) de bagaço produzido (Q
Bag
)
será determinada pela equação:
Bag Colmo
Q Cana Bag
=
(4.54)
Através destas equações é possível determinar a quantidade de ART que é
seqüestrado por quantidade de bagaço produzido (Sq):
Bag Bag
Sq ART Q
=
(4.55)
Por fim, mais informações a respeito da formulação podem ser encontradas
nas planilhas do programa desenvolvido que se encontram no Apêndice A.
4.6 Balanço Econômico da Geração de Energia, Produção de Álcool e
Açúcar
Para encontrar as receitas finais de exportação de energia, produção de
álcool e açúcar e, assim, gerar os gráficos que serão apresentados no próximo
capítulo para efeito de comparação dos casos estudados, serão necessárias
algumas equações que serão descritas a seguir.
As eqs. (4.56) e (4.57) representam as receitas finais da produção de álcool
anidro e hidratado, respectivamente, com relação à perda de ART convertida em
perda de produção de álcool.
93
Aan
Pf Aan Aan
RPfC
=
(4.56)
Ahi
Pf Ahi Ahi
RPfC
=
(4.57)
As eqs. (4.58) e (4.59) representam as receitas finais da produção de açúcar
branco e VHP, respectivamente, com relação à perda de ART convertida em perda
de produção de açúcar.
Branco
Pf Branco Branco
RPfC
=
(4.58)
VHP
Pf VHP VHP
RPfC
=
(4.59)
A eq. (4.60) representa a receita final de exportação de energia com relação à
perda de exportação energia utilizando como base a colheita manual através de
queimadas.
ExpTotal Total Energia
RExpC
=
(4.60)
onde:
ExpTotal
R
- Receita final para exportação de energia (R$/MW);
Branco
Pf
R
- Receita final para produção de açúcar branco (R$/sacas);
VHP
Pf
R
- Receita final para produção de açúcar VHP (R$/sacas);
A
an
Pf
R
- Receita final para produção de álcool anidro (R$/m
3
);
A
hi
Pf
R
- Receita final para produção de álcool hidratado (R$/m
3
);
Energia
C
- Custo da venda de energia (R$/MW);
Branco
C
- Custo de venda do açúcar branco (R$/sacas);
VHP
C
- Custo de venda do açúcar VHP (R$/sacas);
A
an
C
- Custo de venda do álcool anidro (R$/m
3
);
A
hi
C
- Custo de venda do álcool hidratado (R$/m
3
).
94
5 Resultados
5.1 Caso 1
No primeiro caso estudado é considerada uma usina com uma moagem
média de 1.500.000 toneladas de cana. É considerada uma moagem média, pois a
quantidade de cana que passa pelo Setor de Extração é diretamente ligada com a
eficiência de ventilação das colhedoras, ora a moagem é menor com uma eficiência
maior do ventilador das colhedoras (limpeza/separação da palha), ou seja, uma
maior quantidade de palha fica na lavoura, ora é maior com uma eficiência menor da
ventilação das colhedoras, ou seja, uma quantidade maior de palha vai para a
indústria.
Na safra de 2007/2008 a Usina Santa Isabel / SP ficou em 112° no ranking de
produção da região centro-sul com uma moagem de aproximadamente 1.501.884t
de cana. Sua produção de álcool anidro foi de 23.037m³ e de hidratado 12.197m³,
sendo que a produção de açúcar chegou a 146.877 t (UNICA, 2008).
Neste caso é considerada a produção apenas de álcool com um mix de 70%
anidro e 30% hidratado.
A Tabela 12 apresenta os dados de entrada necessários para início dos
cálculos, sendo que os dados do SLCS (Sistema de Limpeza de Cana a Seco) foram
obtidos através de fornecedores do sistema e os custos de venda de energia e de
álcool através da UNICA.
95
Tabela 12 – Dados de entrada para cálculos (Caso 1).
Dados da Cana de açúcar
Porcentagem de Palha 12 %
Porcentagem de Cana Colmo 88 %
PCI Bagaço 7.243 kJ/kg
PCI Palha 12.905 kJ/kg
Fibra da Palha 85 %
% Fibra Colmo 12 %
% Fibra do Bagaço 47 %
% ART 16 %
% Caldo 71 %
% Bagaço (51 % umidade) 26 %
Sistema de Lavagem de Cana a Seco
Eficiência da Lavagem 63 %
Taxa de Utilização do Equipamento 65 %
Investimento R$5.000.000,00
Eficiência da Indústria
Eficiência de Extração (Moenda) 97 %
Custos de Venda do Álcool e Energia
Álcool Hidratado R$ 720,00 / m³
Álcool Anidro R$ 840,00 / m³
Energia R$ 120,00 / MW
Na Tabela 13 pode-se observar que, com uma produtividade de 90 t/ha e uma
área de plantio de aproximadamente 16.000 ha (eq. 4.3), a quantidade de cana
disponível no canavial, incluindo a palha, é de 1.635.000 t.
Tabela 13 – Rendimento do canavial (Caso 1).
Rendimento do Canavial
Área de plantio (ha) 16.000
Produtividade (t/ha) 90
Cana com palha (t) 1.635.000
De acordo com o CTC as colhedoras de cana apresentam 3 tipos de variação
na ventilação para a separação de palha já no campo (Tabela 7), sendo assim,
96
considerando 60 % da colheita mecanizada e o restante manual através de
queimadas (40 %), chega-se a um valor disponível no canavial de 1.556.520 t de
cana de açúcar a ser colhida, deste total cerca de 1.438.800 t são referentes a
colmo e 117.720 t referentes a palha (ver Figura 4.1.). Assim a Tabela 14 mostra a
quantidade de cana (colmo + palha) que chega a indústria.
Tabela 14 – Quantidade de cana entrando na indústria (Caso 1).
Colhedora de Cana (Ventilação) Quantidade de Colmo e Palha
Ventilada
1.438.800 t_colmo
23.544 t_palha
Parcialmente Ventilada
1.438.800 t_colmo
58.860 t_ palha
Sem Ventilação
1.438.800 t_colmo
110.657 t_ palha
Com a colhedora trabalhando sem ventilação aproximadamente 6% da palha
fica no campo, quase que 5 vezes mais de palha acaba entrando na indústria
comparado com a colhedora trabalhando com sua potência máxima de ventilação.
Após a cana ser descarregada na Mesa Alimentadora que possui o Sistema
de Limpeza de Cana a Seco (ver Figura 3.16) a quantidade de cana que chega ao
setor de Preparo e Extração da indústria é mostrado na Tabela 15.
Tabela 15 – Quantidade de cana na entrada do setor de extração e
moagem (Caso 1).
SLCS Tipo de Ventilação Colmo (t) Palha (t) Total (t)
Ligado
Ventilada 1.438.800 13.903 1.452.703
Parcialmente Ventilada 1.438.800 23.544 1.462.344
Sem Ventilação 1.438.800 34.757 1.473.557
Desligado
Ventilada 1.438.800 58.860 1.497.660
Parcialmente Ventilada 1.438.800 65.343 1.504.143
Sem Ventilação 1.438.800 110.557 1.549.457
A Tabela 15 apresenta uma situação do SLCS Desligado, ou seja, desta
forma se pode comparar com uma usina que não possui este sistema. Comparando
a quantidade de palha que segue para os setores de preparo e extração com a
97
colhedora ventilada e sem ventilar podendo o SLCS estar Ligado ou Desligado
observa-se que a diferença é elevada de impureza vegetal que adentra na indústria.
Desta forma aumenta a possibilidade de paradas industriais (buchas) no setor e,
conseqüentemente, diminui-se a eficiência da indústria.
A Tabela 16 apresenta a quantidade de palha que é separada com o SLCS
Ligado.
Tabela 16 – Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 1).
Tipo de Ventilação Palha (t)
Ventilada 9.641
Parcialmente Ventilada 24.103
Sem Ventilação 45.314
De acordo com o tipo de sistema de ventilação das colhedoras e
respectivamente as quantidades de cana moídas de acordo com a Tabela 14 obtêm-
se as quantidades de bagaço apresentadas na Tabela 17, que são destinadas à
queima na caldeira. Considera-se que a palha já esteja preparada para a devida
queima em uma caldeira de alta pressão.
Tabela 17 – Quantidade de bagaço destinado à queima em
uma caldeira de alta pressão (Caso 1).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Bagaço Derivado
da Moagem (t)
Palha Preparada
para Queima (t)
Total (t)
SLCS
Ligado
Ventilada 392.534 9.641 402.175
Parcialmente Ventilada 413.388 24.103 437.491
Sem Ventilação 443.974 45.314 489.288
SLCS
Desligad
o
Ventilada 402.175 0,00 402.175
Parcialmente Ventilada 437.491 0,00 437.491
Sem Ventilação 489.288 0,00 489.288
Colheita Manual (Queimada) 378.631 0,00 378.631
98
5.1.1 Resultados Termodinâmicos
Com um rendimento da caldeira de 86 %, a entalpia da água de alimentação
da caldeira e do vapor gerado igual a 440 kJ/kg e 3.483 kJ/kg, respectivamente, e
outros dados já informados anteriormente nas Tabelas 15, 16 e 17, chega-se aos
consumos da moenda, interno do processo e do preparo da palha para queima na
caldeira (em MWh / safra) apresentados na Tabela 18.
Tabela 18 – Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 1).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Consumo
Moenda
Consumo
Extra Palha
Consumo
Processo
Consumo
Total
SLCS
Ligado
Ventilada 21.790 2.373 23.243 47.407
Parcialmente
Ventilada
22.103 4.854 23.577 50.535
Sem Ventilação 22.562 8.493 24.066 55.122
SLCS
Desligado
Ventilada 21.935 1.128 23.397 46.460
Parcialmente
Ventilada
22.464 2.820 23.962 49.247
Sem Ventilação 23.241 5.301 24.791 53.345
Colheita Manual (Queimada) 21.582 0 23.020 44.603
Como pode ser observado na Tabela 18 o consumo da moenda e do
processo não variam muito com a diferença no tipo de ventilação da colhedora,
sendo que a maior diferença no consumo total não ultrapassa 1.780 MWh/safra
(SLCS Ligado e Desligado - Sem Ventilação), porém no final da safra essa diferença
pode corresponder a R$ 213.600,00.
O consumo extra da palha que passa pelo processo de preparo para queima
na caldeira aumenta conforme diminui a eficiência de ventilação da colhedora,
ocorrendo um maior consumo quando a colhedora trabalha sem ventilação e com o
SLCS Ligado.
Analisando o consumo total por meio desses indicativos, verifica-se que a
melhor solução é trabalhar com a colhedora totalmente ventilada e o SLCS
99
Desligado. A diferença para o pior caso chega ao final da safra à aproximadamente
R$ 1.040.000,00.
A partir do consumo total de energia necessário para o funcionamento da
usina (eq. 4.45) e a geração total energia (eq. 4.42), encontra-se a exportação total
de energia (eq. 4.46). Estes dados são apresentados na Tabela 19.
Tabela 19 – Geração total e exportação de energia por safra
em MWh / safra (Caso 1).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Geração Total
de Energia
Exportação
de Energia
SLCS
Ligado
Ventilada 187.904 140.497
Parcialmente Ventilada 216.660 166.124
Sem Ventilação 258.832 203.710
SLCS
Desligado
Ventilada 182.592 136.131
Parcialmente Ventilada 203.372 154.130
Sem Ventilação 233.863 180.528
Colheita Manual (Queimada) 168.734 124.132
Como pode ser analisada na Tabela 19 a geração de energia aumenta com
uma maior introdução de palha na indústria e, conseqüentemente, a quantidade de
energia para exportação também aumenta. Assim, a Figura 5.1 apresenta a
produção energética global (eq. 4.47) dos indicadores estudados. Pode-se observar
que, quando a colhedora trabalha com sua eficiência de ventilação baixa, a geração
de energia aumenta relacionado a quantidade de cana que entra na indústria, isso
ocorre por ter uma maior quantidade de palha sendo queimada na caldeira sendo
que seu PCI é quase o dobro do bagaço. A melhor eficiência de exportação de
energia por quantidade de cana (135 kW/t
cana
) ocorre com o SLCS ligado e com a
colhedora sem ventilação. A menor eficiência da indústria ocorre quando a colheita é
totalmente manual através de queimada, devido a não utilização da palha como
combustível suplementar para queima na caldeira, pois através das análises nota-se
que o aproveitamento da palha melhora a produção energética.
100
Figura 5.1 – Produção energética global para o Caso 1.
5.1.2 Resultados Econômicos
As Figuras 5.2 e 5.3 demonstram as perdas de ART para cada tipo de
indicador estudado relacionado à produção de Álcool Hidratado e Anidro,
respectivamente. A base para realizar esta análise é em cima da cana queimada, ou
seja, quanto de produção de álcool se perde com a introdução da palha na indústria
sucroalcooleira levando em consideração o mix de produção de álcool (30 %
hidratado e 70 % anidro).
Figura 5.2 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool hidratado (Caso 1).
101
Figura 5.3 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool anidro (Caso 1).
Em ambas as Figuras 5.2 e 5.3, verifica-se que a maior perda de produção de
álcool ocorre quando a eficiência de ventilação das colhedoras é baixa, sendo que
para álcool hidratado a maior perda é de R$ 244.625,00 e para álcool anidro é de
R$ 636.246,00 por safra, resultando uma perda total de R$ 880.871,00 por safra.
A Figura 5.4 apresenta a perda com a venda de energia (em R$ / safra) que a
usina possui quando ela realiza a queima da cana antes do corte deixando de utilizar
a palha como combustível suplementar na caldeira. Pode-se observar que quando o
SLCS está ligado, ocorre à maior perda na venda de energia, pois a eficiência de
ventilação das colhedoras é baixa (teoricamente, maior quantidade de palha na
indústria), ou seja, a usina deixa de ganhar aproximadamente R$ 9.549.405,00 por
safra.
Figura 5.4 – Perdas de energia com a queima da palha no Caso 1 (Base cana queimada).
102
Desta forma, pode-se chegar a Figura 5.5, que representa a receita final da
utilização da palha como combustível suplementar na caldeira, considerando-se a
venda de energia através do acréscimo de palha queimado na caldeira (Figura 5.4),
as respectivas perdas com a venda de álcool através do seqüestro de ART pela
palha (Figura 5.2 e 5.3) e o custo do investimento total para a implantação do
Sistema de Limpeza de Cana a Seco para a primeira safra da usina (custo
encontrado na Tabela 12).
Figura 5.5 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira safra (Caso 1).
Observa-se que para a primeira safra a usina terá o maior déficit, próximo a
R$ 3.748.000,00, quando o SLCS está desligado e a colhedora trabalhando com sua
eficiência máxima de limpeza de palha no campo, porém com o SLCS ligado e com
uma maior quantidade de palha entrando na indústria a usina pode pagar o seu
investimento com o sistema e ainda ter um superávit de aproximadamente
R$ 4.030.000,00.
A Figura 5.6 apresenta a rentabilidade da energia excedente exportada com a
introdução da palha na caldeira em safras.
103
Figura 5.6 – Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 1 (Base cana queimada).
Quando as colhedoras trabalham com sua eficiência máxima de limpeza de
palha no campo, sendo com o SLCS ligado ou desligado, a usina só irá conseguir
pagar seus investimentos, considerando apenas a lucratividade da energia
excedente exportada pelo acréscimo da palha, no decorrer do sexto ano de safra.
Assim, pode-se dizer que, com uma maior introdução de palha na indústria, com
equipamentos bem preparados para essa queima na caldeira, os lucros da usina
podem ser bem altos, como no caso onde no final da sexta safra a usina terá uma
receita de aproximadamente de R$ 54.377.000,00 trabalhando com as colhedoras
em baixa rotação de seu ventilador e o SLCS ligado.
Para incremento do primeiro caso estudado é adicionada uma comparação
considerando que 100 % da colheita seja mecanizada, e, desta forma, pode-se
estimar se ocorrerá uma melhora ou não na produção energética global da usina
(kWh/t
cana
), além de saber quanto a usina poderá gerar a mais de eletricidade em
uma safra.
Como pode ser analisado na Figura 5.7, com 100 % da colheita mecanizada a
quantidade de palha que entra na indústria é maior e, sendo assim, trabalhando com
o SLCS a quantidade de palha preparada para a queima na caldeira também é
maior, comprovando o que já havia sido comentado anteriormente que a queima da
palha como combustível suplementar aumenta a produção energética global da
usina, sendo que, com o SLCS ligado e considerando a colhedora Sem Ventilação, o
aumento pode chegar a 22 % a mais na produção energética global comparada com
apenas 60 % da colheita mecanizada.
104
Figura 5.7 – Produção energética global no Caso 1 (100 % da colheita mecanizada).
Vale a pena comentar que, com esse aumento na mecanização da colheita, a
receita final da usina com a introdução da palha, considerando apenas a exportação
de energia, aumenta para todos os índices analisados, conforme mostra a Figura
5.8, sendo que, com o SLCS ligado e considerando a colhedora Sem Ventilação, o
aumento pode chegar a 150 % a mais na receita, ou seja, aproximadamente
R$ 6.090.000,00.
Figura 5.8 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira safra do Caso 1
(Base cana queimada – 100 % da colheita mecanizada).
105
5.2 Caso 2
No segundo caso estudado é considerada uma usina com uma moagem
média de 4.750.000 toneladas de cana. Como já dito anteriormente, é considerada
uma moagem média, pois a quantidade de cana que passa pelo Setor de Extração é
diretamente ligada com a eficiência de ventilação das colhedoras.
Na safra de 2008/2009 a Usina Alta Mogiana (São Joaquim da Barra / SP)
moeu uma quantidade bem próxima à analisada, tendo ficado em 9
o
lugar no ranking
de produção da região centro-sul com uma moagem de aproximadamente 4.751.584
toneladas de cana. Sua produção de álcool anidro foi de 72.533 m³ e de hidratado
92.387 m³, sendo que a produção de açúcar chegou a 354.500 toneladas (UNICA,
2009).
O mix de produção considerada foi de 60 % para álcool, sendo deste total
60 % álcool hidratado e 40 % álcool anidro, e os outros 40 % para açúcar, sendo
deste total 70 % açúcar VHP e 30 % açúcar branco. Os dados do SLCS (Sistema de
Limpeza de Cana a Seco) foram obtidos através de fornecedores do sistema e os
custos de venda de energia e de álcool da UNICA, sendo os custos líquidos de
álcool uma média do valor recebido no ano de 2008 pelos produtores, sem
contabilizar frete e impostos.
A Tabela 20 apresenta os dados de entrada necessários para início dos
cálculos.
106
Tabela 20 – Dados de entrada para cálculos (Caso 2).
Dados da Cana de açúcar
Porcentagem de Palha 12 %
Porcentagem de Cana Colmo 88 %
PCI Bagaço 7.243 kJ/kg
PCI Palha 12.905 kJ/kg
Fibra da Palha 85 %
% Fibra Colmo 12 %
% Fibra do Bagaço 47 %
% ART 16 %
% Caldo 71 %
% Bagaço (51% umidade) 26 %
Sistema de Lavagem de Cana a Seco
Eficiência da Lavagem 63 %
Taxa de Utilização do Equipamento 65 %
Investimento R$ 5.000.000,00
Eficiência da Indústria
Eficiência de Extração (Moenda) 97 %
Custos de Venda do Álcool e Energia
Álcool Hidratado R$ 720,00 / m³
Álcool Anidro R$ 840,00 / m³
Açúcar Branco R$ 40,00 / sacas 50 kg
Açúcar VHP R$ 25,00 / sacas 50 kg
Energia R$ 120,00 / MW
Na Tabela 21 pode-se observar que com uma produtividade de 80 t/ha e uma
área de plantio de aproximadamente 56.100 ha (eq. 4.3) a quantidade de cana
disponível no canavial, incluindo a palha, é de 5.100.000 t.
Tabela 21 – Rendimento do canavial (Caso 2).
Rendimento do Canavial
Área de plantio (ha) 56.100
Produtividade (t/ha) 80
Cana com palha (t) 5.100.000
107
De acordo com explicações anteriores as colhedoras de cana apresentam 3
tipos de variação na ventilação para a separação de palha já no campo (Tabela 7),
sendo assim, considerando 80 % da colheita mecanizada e o restante manual
através de queimadas (20 %), chega-se a um valor disponível no canavial de
4.980.000 toneladas de cana de açúcar a ser colhida, deste total cerca de 4.490.000
toneladas são referentes a colmo e 490.000 toneladas referentes a palha (ver Figura
4.1), considerando que 20 % da palha já foi queimada. Assim a Tabela 22 mostra a
quantidade de cana (colmo + palha) que chega a indústria.
Tabela 22 – Quantidade de cana entrando na indústria (Caso 2).
Colhedora de Cana (Ventilação) Quantidade de Colmo e Palha
Ventilada
4.490.000 t_colmo
97.920 t_palha
Parcialmente Ventilada
4.490.000 t_colmo
244.800 t_ palha
Sem Ventilação
4.490.000 t_colmo
460.224 t_ palha
Com a colhedora trabalhando sem ventilação aproximadamente 6 % da palha
fica no campo, quase que 5 vezes mais de palha acaba entrando na indústria
comparado com a colhedora trabalhando com sua potência máxima de ventilação,
ou seja, 80% da palha ficando no campo.
Após a cana ser descarregada na Mesa Alimentadora que possui o Sistema
de Limpeza de Cana a Seco (Figura 3.16) a quantidade de cana que chega ao setor
de Preparo e Extração da indústria é mostrada na Tabela 23.
Tabela 23 – Quantidade de cana na entrada do setor de extração e moagem
(Caso 2).
SLCS Tipo de Ventilação Colmo (t) Palha (t) Total (t)
Ligado
Ventilada
4.490.000
57.820 4.547.820
Parcialmente Ventilada
4.490.000
144.554 4.634.554
Sem Ventilação
4.490.000
271.762 4.761.762
Desligado
Ventilada
4.490.000
97.920 4.587.920
Parcialmente Ventilada
4.490.000
244.800 4.734.800
Sem Ventilação
4.490.000
460.224 4.950.224
108
A Tabela 23 apresenta a situação do SLCS Desligado como critério de
comparação com uma usina que não possui este sistema. Comparando a
quantidade de palha que segue para os setores de preparo e extração com a
colhedora ventilada e sem ventilar podendo o SLCS estar Ligado ou Desligado
observa-se que a diferença é elevada de impureza vegetal que adentra na indústria.
Desta forma aumenta a possibilidade de paradas indústrias (buchas) no setor
conseqüentemente diminuindo a eficiência industrial.
A Tabela 24 apresenta a quantidade de palha que é separada com o SLCS
Ligado.
Tabela 24 – Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 2).
Tipo de Ventilação Palha (t)
Ventilada 40.098
Parcialmente Ventilada 100.245
Sem Ventilação 188.461
De acordo com o tipo de sistema de ventilação das colhedoras e
respectivamente as quantidades de cana moídas de acordo com a Tabela 23 obtêm-
se as quantidades de bagaço apresentadas na Tabela 25, que são destinadas à
queima na caldeira. Considera-se que a palha já esteja preparada para a devida
queima em uma caldeira de alta pressão.
Tabela 25 – Quantidade de bagaço destinado à queima em
uma caldeira de alta pressão (Caso 2).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Bagaço Derivado
da Moagem (t)
Palha Preparada
para Queima (t)
Total
(t)
SLCS
Ligado
Ventilada 1.238.874 40.098 1.278.973
Parcialmente Ventilada 1.325.607 100.245 1.425.853
Sem Ventilação 1.452.815 188.461 1.641.272
SLCS
Desligado
Ventilada 1.278.973 0,00 1.278.973
Parcialmente Ventilada 1.425.853 0,00 1.425.853
Sem Ventilação 1.641.272 0,00 1.641.272
Colheita Manual (Queimada) 1.181.053 0,00 1.181.053
109
Como pode ser observado na Tabela 24, a quantidade de combustível para
queima na Caldeira é a mesma quando comparada o SLCS Ligado ou Desligado,
mas o grande diferencial é que para o SLCS Ligado existe palha preparada com um
PCI quase que o dobro comparado com o bagaço advindo do Setor de Moagem.
5.2.1 Resultados Termodinâmicos
Com um rendimento da caldeira de 86 %, a entalpia da água de alimentação
da caldeira e do vapor gerado igual a 440 kJ/kg e 3.483 kJ/kg, respectivamente, e
outros dados já informados anteriormente nas Tabelas 23, 24 e 25, chega-se aos
consumos da moenda, interno do processo e do preparo da palha para queima na
caldeira (em MWh / safra) apresentados na Tabela 26.
Tabela 26 – Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 2).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Consumo
Moenda
Consumo
Extra Palha
Consumo
Processo
Consumo
Total
SLCS
Ligado
Ventilada 68.187 9.088 136.374 213.651
Parcialmente
Ventilada
69.488 19.355 138.976 227.820
Sem Ventilação 71.396 34.412 142.793 248.602
SLCS
Desligado
Ventilada 68.788 4.632 137.578 210.998
Parcialmente
Ventilada
70.992 11.580 141.984 224.556
Sem Ventilação 74.223 21.770 148.447 244.440
Colheita Manual (Queimada) 67.320 0 134.640 201.960
Como pode ser analisado na Tabela 26 o consumo da moenda não varia
muito com a diferença no tipo de ventilação da colhedora.
O consumo do processo já apresenta certa variação no consumo de energia,
diferentemente do primeiro caso estudado.
O consumo extra da palha que passa pelo processo de preparo para queima
na caldeira aumenta conforme se diminui a eficiência de ventilação da colhedora,
110
ocorrendo um maior consumo quando a colhedora trabalha sem ventilação e com o
SLCS Ligado, já no consumo total a maior diferença é de aproximadamente
4.160 MWh/safra (comparação entre SLCS Ligado e Desligado – Sem Ventilação),
sem considerar a colheita manual, porém, no final da safra essa diferença pode
corresponder a R$ 500.000,00.
Analisando o consumo total por meio desses indicativos, verifica-se que a
melhor solução é trabalhar com a colhedora totalmente ventilada e o SLCS
Desligado, pois o consumo de energia da indústria é menor (210.998 MWh/safra),
sendo que, assim, uma maior quantidade de energia pode ser exportada.
A partir do consumo total de energia (eq. 4.45) necessário para o
funcionamento da usina e a geração total energia (eq. 4.42), encontra-se a
exportação total de energia (eq. 4.46). Estes dados são apresentados na Tabela 27.
Tabela 27 – Geração total e exportação de Energia MWh / safra (Caso 2).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Geração Total
de Energia
Exportação
de Energia
SLCS
Ligado
Ventilada 633.327 419.677
Parcialmente Ventilada 760.640 532.820
Sem Ventilação 947.366 698.765
SLCS
Desligado
Ventilada 609.643 398.645
Parcialmente Ventilada 701.430 476.874
Sem Ventilação 836.050 591.610
Colheita Manual (Queimada) 548.452 346.492
Como pode ser visto na Tabela 27, a geração de energia aumenta com a
maior introdução de palha na indústria e, conseqüentemente, a exportação de
energia também aumenta. Assim, a Figura 5.9 apresenta a produção energética
global (eq. 4.47) dos indicadores estudados. Pode-se observar que, quando a
colhedora trabalha com sua eficiência de ventilação baixa (Sem Ventilação), a
geração de energia aumenta com relação à quantidade de cana que entra na
indústria, isso ocorre por ter uma maior quantidade de palha preparada sendo
queimada na caldeira com PCI que é quase o dobro do bagaço, obtendo-se, assim,
uma melhor eficiência de exportação de energia por quantidade de cana
(147 kW/t
cana
). Portanto, sem a utilização da palha, tem-se que a menor eficiência
111
global ocorre quando a colheita é totalmente manual através de queimadas na
lavoura (77 kW/t
cana
).
Figura 5.9 – Produção energética global para o Caso 2.
Comparando os resultados obtidos na Figura 5.9 com os da Figura 5.1
(Caso 1 – pag. 100), na situação na qual a colhedora opera com sua ventilação de
limpeza de palha Parcialmente Ventilada, a diferença na produção energética global
é muito pequena (2 kWh/t
cana
), sendo indiferente o SLCS Ligado ou Desligado. Isso
ocorre devido à quantidade de palha que fica no campo e que entra na indústria ser
praticamente a mesma e a eficiência ser calculada com base na moagem da usina
(eq. 4.47). A maior diferença ocorre quando o SLCS está ligado e a colhedora opera
no modo Sem Ventilação (12 kWh/t
cana
).
5.2.2 Resultados Econômicos
As Figuras 5.10 e 5.11 demonstram as perdas de ART para cada tipo de
indicador estudado relacionado à produção de álcool hidratado e anidro,
respectivamente. A base para realizar este análise é a cana queimada, ou seja,
quanto de produção de álcool se perde com a introdução da palha na indústria
112
sucroalcooleira levando em consideração o mix de produção de álcool (60 %
hidratado e 40 % anidro).
Figura 5.10 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool hidratado (Caso 2).
Figura 5.11 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool anidro (Caso 2).
Em ambas as Figuras 5.10 e 5.11, a maior perda de produção de álcool
ocorre quando a eficiência de ventilação das colhedoras é baixa, sendo que para
álcool hidratado a maior perda é de R$ 1.200.618,00, ou seja, deixam de ser
produzidos aproximadamente 1.670 m
3
de álcool hidratado por safra. Por outro lado,
mantida a proporção, deixam de ser produzidos 1.060 m
3
de álcool anidro, o que
equivale a uma perda de R$ 892.200,00 por safra. Assim, é contabilizada uma perda
total de R$ 2.092.818,00 na produção de álcool. Observa-se que, mesmo sendo o
113
preço do álcool anidro para venda maior que o do hidratado, a perda (R$) é menor
com o seqüestro de ART pela palha que passa pela moenda devido ao mix de
produção ser muito mais voltado para a produção de álcool hidratado.
As Figuras 5.12 e 5.13 demonstram as perdas de ART para cada tipo de
indicador estudado relacionado à produção de açúcar branco e VHP,
respectivamente. A base para realizar este análise também é a cana queimada, ou
seja, quanto de produção de açúcar se perde com a introdução da palha na indústria
levando em consideração o mix de produção de açúcar (30 % Branco e 70 % VHP).
Figura 5.12 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar branco (Caso 2).
Figura 5.13 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar VHP (Caso 2).
Em ambas as Figuras 5.12 e 5.13, a maior perda de produção de açúcar
ocorre quando a eficiência de ventilação das colhedoras é baixa, sendo que para
114
açúcar branco a maior perda é de R$ 845.740,00, que representa aproximadamente
21.143 sacas de 50 kg, e para açúcar VHP, 49.143 sacas de 50 kg, ou seja,
R$ 1.228.423,00 por safra totalizando uma perda de R$ 2.074.163,00. Observa-se
que a perda total tanto para álcool como para açúcar são bem próximas, com uma
diferença de aproximadamente R$ 18.655,00 apenas.
A Figura 5.14 apresenta a perda com a venda de energia (em R$ / safra) que
a usina possui quando ela realiza a queima da cana antes do corte deixando de
utilizar a palha como combustível suplementar na caldeira.
Figura 5.14 – Perdas de energia com a queima da palha (Caso 2).
Pode-se observar na Figura 5.14 que, quando o SLCS está ligado, ocorre a
maior perda na venda de energia, além disso, com a eficiência de ventilação das
colhedoras baixa (teoricamente, maior quantidade de palha na indústria), a usina
deixa de ganhar aproximadamente R$ 42.272.721,00 por safra, o que significa uma
receita muito maior que a de muitas usinas sucroalcooleiras brasileiras.
Desta forma pode-se chegar a Figura 5.15, que representa a receita final da
utilização da palha como combustível suplementar na caldeira. Para chegar a este
gráfico foi considerada a venda de energia através do acréscimo de palha queimado
na caldeira, as respectivas perdas com a venda de álcool e açúcar através do
seqüestro de ART pela palha (Figuras 5.10, 5.11, 5.12 e 5.13) e o custo do
investimento total para a implantação do Sistema de Limpeza de Cana a Seco para
a primeira safra da usina (custo encontrado na Tabela 12).
115
Figura 5.15 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira safra (Caso 2).
Observa-se na Figura 5.15 que, para a primeira safra, a usina terá
lucratividade em todos os índices analisados, sendo o maior deles com o SLCS
ligado e com uma maior quantidade de palha entrando na indústria utilizando para
queima na Caldeira a usina pode pagar o seu investimento com o sistema e ainda
ter um superávit de aproximadamente R$ 34.812.000,00.
A Figura 5.16 apresenta a rentabilidade da energia excedente exportada com
a introdução da palha na caldeira em safras.
Figura 5.16 – Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 2 (Base cana queimada).
Como pode ser observado na Figura 5.16, a partir da segunda safra a usina já
terá quitado o investimento realizado com o Sistema de Limpeza de Cana a Seco
116
para todos os índices analisados, sendo que até a sexta safra o superávit pode
chegar próximo a R$ 260.000.000,00.
Para incremento do segundo caso estudado é adicionada uma comparação
considerando que apenas 20 % da colheita é mecanizada, sendo que, desta forma,
pode-se estimar se ocorrerá uma melhora ou não na produção energética global da
usina (kWh/t
cana
), além de comparar o quanto a usina deixa de ganhar com a queima
prévia da palha no campo.
Como pode ser analisado na Figura 5.17, com 20 % da colheita mecanizada,
a quantidade de palha que entra na indústria é menor e, conseqüentemente,
trabalhando com o SLCS a quantidade de palha preparada para a queima na
Caldeira também é menor, sendo que a usina no melhor dos seus casos sai de
147 kWh/t
cana
para 95 kWh/t
cana
(SLCS Ligado – Sem Ventilação), ou seja, um
decréscimo de aproximadamente 65 % na produção energética global comparada
com 80% da colheita mecanizada.
Figura 5.17 – Produção energética global no Caso 2 (100% da colheita mecanizada).
Vale a pena comentar que, com essa diminuição na mecanização da colheita,
a receita final da usina com a introdução da palha, considerando apenas a
exportação de energia, diminui para todos os índices analisados sendo que, com o
SLCS ligado e considerando a colhedora Sem Ventilação, a redução pode chegar a
aproximadamente R$ 30.000.000,00.
117
Isso prova que investimentos em equipamentos que conseguem utilizar a
palha como combustível suplementar em caldeiras de bagaço contribuem para a
usina ter uma maior receita no final da safra.
Figura 5.18 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira safra no Caso 2 (Base
cana queimada – 100% da colheita mecanizada).
118
5.3 Caso 3
No terceiro e último caso estudado é analisado um caso real para a
possibilidade de utilização da palha como combustível suplementar na caldeira de
alta pressão da Usina Pioneiros Bioenergia S/A, sendo que os dados necessários
para os cálculos foram extraídos da safra 2008/2009.
Nesta safra, a moagem da referida usina foi de 1.817.674 toneladas de cana,
tendo com isso ficado em 83º lugar no ranking de produção da região centro-sul,
sendo que sua produção de álcool anidro e hidratado foram, respectivamente,
37.120 m³ e 61.196 m³, e a produção de açúcar chegou a 114.472 toneladas
(UNICA, 2009).
O mix de produção foi de 58,6 % para álcool (63 % hidratado e 37 % anidro) e
os outros 41,4 % para açúcar (87 % VHP, já que a usina possui um sistema de
descarregamento e transporte do VHP via fluvial economizando em transporte
terrestre, e 13 % açúcar branco).
Os dados do SLCS (Sistema de Limpeza de Cana a Seco) foram obtidos
através de fornecedores do sistema e os custos de venda de energia e de álcool
através da UNICA, sendo os custos líquidos de álcool uma média dos valores
recebidos pelos produtores no ano de 2008, sem contabilizar frete e impostos.
A Tabela 28 apresenta os dados de entrada necessários para início dos
cálculos.
119
Tabela 28 – Dados de entrada para cálculos (Caso 3).
Dados da Cana de açúcar
Porcentagem de Palha 10,38 %
Porcentagem de Cana Colmo 89,62 %
PCI Bagaço 7.243,00 kJ/kg
PCI Palha 12.905,00 kJ/kg
Fibra da Palha 85 %
% Fibra Colmo 13,10 %
% Fibra do Bagaço 48,14 %
% ART 15,40 %
% Caldo 71,50 %
% Bagaço (51 % umidade) 27,21 %
Sistema de Lavagem de Cana a Seco
Eficiência da Lavagem 63 %
Taxa de Utilização do Equipamento 65 %
Investimento R$ 5.000.000,00
Eficiência da Indústria
Eficiência de Extração (Moenda) 96,80 %
Custos de Venda do Álcool, Açúcar e Energia
Álcool Hidratado R$ 720,00 / m³
Álcool Anidro R$ 840,00 / m³
Açúcar Branco R$ 40,00 / sacas 50 kg
Açúcar VHP R$ 25,00 / sacas 50 kg
Energia R$ 115,00 / MW
Na Tabela 29 pode-se observar que, com uma produtividade de 80 t/ha e uma
área de plantio de aproximadamente 21.570 ha (eq. 4.3), a quantidade de cana
disponível no canavial, incluindo a palha, é de 1.925.000 t.
Tabela 29 – Rendimento do canavial (Caso 3).
Rendimento do Canavial
Área de plantio (ha) 21.570
Produtividade (t/ha) 80
Cana com palha (t) 1.925.000
120
De acordo explicações anteriores, as colhedoras de cana apresentam 3 tipos
de variação na ventilação para a separação de palha no campo, sendo assim,
considerando 45 % da colheita mecanizada e o restante manual através de
queimadas (55 %), chega-se a um valor disponível no canavial de 1.815.000
toneladas de cana de açúcar a ser colhida, deste total cerca de 1.725.185 toneladas
são referentes a colmo e 89.815 toneladas referentes a palha (ver Figura 4.1.),
considerando que 55 % da palha já foi queimado. Assim, a Tabela 30 mostra a
quantidade de cana (colmo + palha) que chega a indústria.
Tabela 30 – Quantidade de cana entrando na indústria (Caso 3).
Colhedora de Cana (Ventilação) Quantidade de Colmo e Palha
Ventilada
1.725.185 t_colmo
17.980 t_palha
Parcialmente Ventilada
1.725.185 t_colmo
44.960 t_palha
Sem Ventilação
1.725.185 t_colmo
84.520 t_palha
Com a colhedora trabalhando sem ventilação, aproximadamente 6% da palha
fica no campo, quase que 5 vezes mais de palha acaba entrando na indústria
comparado com a colhedora trabalhando com sua potência máxima de ventilação,
ou seja, 80% da palha fica no campo.
Após a cana ser descarregada na Mesa Alimentadora que possui o Sistema
de Limpeza de Cana a Seco (Figura 3.16) a quantidade de cana que chega ao setor
de Preparo e Extração da indústria é dada na Tabela 31.
Tabela 31 – Quantidade de cana na entrada do setor de extração e moagem
(Caso 3).
SLCS Tipo de Ventilação Colmo (t) Palha (t) Total (t)
Ligado
Ventilada
1.725.185
10.620 1.735.805
Parcialmente Ventilada
1.725.185
26.550 1.751.735
Sem Ventilação
1.725.185
49.910 1.775.095
Desligado
Ventilada
1.725.185
17.980 1.743.165
Parcialmente Ventilada
1.725.185
44.960 1.770.145
Sem Ventilação
1.725.185
84.520 1.809.705
121
A Tabela 31 apresenta a situação do SLCS Desligado, para poder comparar
com uma usina que não possui este sistema. Comparando a quantidade de palha
que segue para os setores de preparo e extração, com a colhedora ventilada e sem
ventilar, podendo o SLCS estar Ligado ou Desligado, observa-se que a diferença de
impureza vegetal que adentra na indústria é elevada. Desta forma, aumenta-se a
possibilidade de paradas industriais (buchas) no setor, diminuindo,
conseqüentemente, a eficiência da indústria.
A Tabela 32 apresenta a quantidade de palha que é separada com o SLCS
Ligado.
Tabela 32 – Quantidade de palha separada pelo SLCS Ligado (Caso 3).
Tipo de Ventilação Palha (t)
Ventilada 7.364
Parcialmente Ventilada 18.410
Sem Ventilação 34.611
De acordo com o tipo de sistema de ventilação das colhedoras e as
respectivas quantidades de cana moídas, de acordo com a Tabela 31, obtêm-se as
quantidades de bagaço apresentadas na Tabela 33, que são destinadas à queima
na caldeira. Considera-se que a palha já esteja preparada para a devida queima em
uma caldeira de alta pressão.
Tabela 33 – Quantidade de bagaço destinado à queima em uma caldeira de alta
pressão (Caso 3).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Bagaço Derivado
da Moagem (t)
Palha Preparada
para Queima (t)
Total (t)
SLCS
Ligado
Ventilada 480.082 7.364 487.446
Parcialmente Ventilada 496.010 18.410 514.420
Sem Ventilação 519.372 34.611 553.984
SLCS
Desligado
Ventilada 487.446 0,00 487.446
Parcialmente Ventilada 514.420 0,00 514.420
Sem Ventilação 553.984 0,00 553.984
Colheita Manual (Queimada) 469.462 0,00 469.462
122
Como pode ser observado na Tabela 33, a quantidade de combustível para
queima na caldeira é a mesma quando o SLCS está Ligado ou Desligado, mas o
grande diferencial é que, para o SLCS Ligado, existe palha preparada com um PCI
quase o dobro do bagaço advindo do setor de Moagem.
5.3.1 Resultados Termodinâmicos
Com um rendimento da caldeira de 86 %, a entalpia da água de alimentação
da caldeira e do vapor gerado igual a 440 kJ/kg e 3.483 kJ/kg, respectivamente, e
outros dados já informados anteriormente nas Tabelas 31, 32 e 33, chega-se aos
consumos da moenda, interno do processo e do preparo da palha para queima na
caldeira (em MWh / safra) apresentados na Tabela 34.
Tabela 34 – Consumo da moenda e da palha em MWh / safra (Caso 3).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Consumo
Moenda
Consumo
Extra Palha
Consumo
Processo
Consumo
Total
SLCS
Ligado
Ventilada 26.037 2.078 58.496 86.611
Parcialmente
Ventilada
26.275 3.902 59.033 89.210
Sem Ventilação 26.626 6.576 59.820 93.022
SLCS
Desligado
Ventilada 26.146 838 58.745 85.729
Parcialmente
Ventilada
26.552 2.096 59.654 88.302
Sem Ventilação 27.145 3.942 60.987 92.074
Colheita Manual (Queimada) 25.877 0 58.138 84.015
Como pode ser analisado na Tabela 34, os consumos da moenda e do
processo não variam muito com a diferença no tipo de ventilação da colhedora,
sendo que a maior diferença no consumo total não ultrapassa 950 MWh/safra, sem
considerar a colheita manual, porém, no final da safra, essa diferença pode
corresponder a R$ 109.250,00.
123
O consumo extra da palha que passa pelo processo de preparo para queima
na caldeira aumenta conforme se diminui a eficiência de ventilação da colhedora,
ocorrendo um maior consumo quando a colhedora trabalha sem ventilação e com o
SLCS Ligado.
Analisando o consumo total por meio desses indicativos, nota-se que a
melhor solução é trabalhar com a colhedora totalmente ventilada e o SLCS
Desligado, pois o consumo de energia da indústria é menor. A diferença para o pior
caso chega ao final da safra a aproximadamente R$ 838.700,00.
A partir do consumo total de energia necessário para o funcionamento da
usina (eq. 4.45) e a geração total energia (eq. 4.42), encontra-se a exportação total
de energia (eq. 4.46). Estes dados são apresentados na Tabela 35.
Tabela 35 – Geração total e exportação de energia no Caso 3 (MWh / safra).
Tipo de
Colheita
Tipo de
Ventilação
Geração Total
de Energia
Exportação
de Energia
SLCS
Ligado
Ventilada 236.964 150.352
Parcialmente Ventilada 260.345 171.134
Sem Ventilação 294.638 201.614
SLCS
Desligado
Ventilada 232.614 146.883
Parcialmente Ventilada 249.471 161.168
Sem Ventilação 274.195 182.120
Colheita Manual (Queimada) 221.376 137.360
Como pode ser visto na Tabela 35, a geração de energia aumenta com a
maior introdução de palha na indústria e, conseqüentemente, a exportação de
energia também aumenta. Assim, a Figura 5.19 apresenta a produção energética
global (eq. 4.47) dos indicadores estudados. Pode-se observar que, quando a
colhedora trabalha com sua eficiência de ventilação baixa (Sem Ventilação), a
geração de energia aumenta com o aumento da quantidade de cana que entra na
indústria, isso ocorre por ter uma maior quantidade de palha preparada sendo
queimada na caldeira sendo que seu PCI é quase o dobro do bagaço, obtendo-se,
assim, uma melhor eficiência de exportação de energia por quantidade de cana
(114 kW/t
cana
). A menor eficiência da indústria ocorre quando a colheita é totalmente
124
manual através de queimada da cana devido a não utilização da palha como
combustível suplementar para queima na caldeira.
Figura 5.19 – Produção energética global para o Caso 3.
5.3.2 Resultados Econômicos
As Figuras 5.20 e 5.21 demonstram as perdas de ART para cada tipo de
indicador estudado relacionado à produção de álcool hidratado e anidro,
respectivamente. A base para realizar este análise é a cana queimada, ou seja,
quanto de produção de álcool se perde com a introdução da palha na indústria
sucroalcooleira levando em consideração o mix de produção de álcool (63 %
hidratado e 37 % anidro).
125
Figura 5.20 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool hidratado (Caso 3).
Figura 5.21 – Perdas de ART convertidas em perdas de álcool anidro (Caso 3).
Em ambas as Figuras 5.20 e 5.21, a maior perda de produção de álcool
ocorre quando a eficiência de ventilação das colhedoras é baixa, sendo que para
álcool hidratado a maior perda é de R$ 224.502,00 e para álcool anidro é de
R$ 146.970,00 por safra totalizando numa perda de R$ 371.472,00 por safra.
Observa-se que, mesmo sendo o preço do álcool anidro para venda maior que o do
hidratado, a perda (R$) é menor com o seqüestro de ART pela palha que passa pela
moenda devido ao mix de produção ser mais voltado para a produção de álcool
hidratado.
As Figuras 5.22 e 5.23 demonstram as perdas de ART para cada tipo de
indicador estudado relacionado à produção de açúcar branco e VHP,
respectivamente. A base para realizar este análise também é a cana queimada, ou
126
seja, quanto de produção de açúcar se perde com a introdução da palha na indústria
levando em consideração o mix de produção de açúcar (13 % Branco e 87 % VHP).
Figura 5.22 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar branco (Caso 3).
Figura 5.23 – Perdas de ART convertidas em perdas de açúcar VHP (Caso 3).
Em ambas as Figuras 5.22 e 5.23, a maior perda de produção de açúcar
ocorre quando a eficiência de ventilação das colhedoras é baixa, sendo que para
açúcar branco a maior perda é de R$ 69.164,00 e para açúcar VHP é de
R$ 288.130,00 por safra, totalizando uma perda de R$ 357.294,00 por safra.
Observa-se que a perda total, tanto para álcool como para açúcar, são bem
próximas, com uma diferença de aproximadamente R$ 14.000,00, porém a
tendência para a safra de 2009/2010 é de um mix de produção voltado mais para o
açúcar, já que o preço no mercado externo está bem melhor do que na safra
passada, sem contar com a queda de exportação do álcool combustível.
127
A Figura 5.24 apresenta a perda com a venda de energia (em R$ / safra) que
a usina possui quando ela realiza a queima da cana antes do corte, deixando de
utilizar a palha como combustível suplementar na caldeira. Pode-se observar que,
quando o SLCS está ligado, ocorre a maior perda na venda de energia, além disso,
com a eficiência de ventilação das colhedoras baixa (teoricamente, maior quantidade
de palha na indústria), a usina deixa de ganhar aproximadamente R$ 7.390.000,00
por safra.
Figura 5.24 – Perdas de energia com a queima da palha (Caso 3).
Desta forma pode-se chegar a Figura 5.25, que representa a receita final da
utilização da palha como combustível suplementar na caldeira. Para chegar a este
gráfico foi considerada a venda de energia através do acréscimo de palha queimado
na caldeira, as respectivas perdas com a venda de álcool e açúcar através do
seqüestro de ART pela palha (Figura 5.20, 5.21, 5.22 e 5.23) e o custo do
investimento total para a implantação do Sistema de Limpeza de Cana a Seco para
a primeira safra da usina (custo encontrado na Tabela 12).
Observa-se na Figura 5.25 que, para a primeira safra, a usina terá o maior
déficit, próximo a R$ 4.060.000,00 quando o SLCS está desligado e a colhedora
trabalhando com sua eficiência máxima de limpeza de palha no campo, porém com
o SLCS ligado e com uma maior quantidade de palha entrando na indústria para
queima na caldeira, a usina pode pagar o investimento com o sistema e ainda ter um
superávit de aproximadamente R$ 1.960.000,00.
128
Figura 5.25 – Receita final com a venda de energia excedente na primeira safra (Caso 3).
A Figura 5.26 apresenta a rentabilidade da energia excedente exportada com
a introdução da palha para queima na caldeira em safras.
Figura 5.26 – Rentabilidade da energia excedente exportada (Caso 3).
Portanto, como pode ser observado nos dados analisados, a utilização da
palha como combustível suplementar em caldeiras de alta pressão a bagaço pode
ser financeiramente vantajosa para a empresa, aumentando consideravelmente a
receita final da usina, além gerar uma energia limpa e renovável, colaborando para
suprir eventuais déficits de energia no Brasil.
129
5.4 Tabela Comparativa entre os Casos
Na Tabela 36 são apresentados os dados comparativos dos principais índices
analisados em cada um dos caso considerados.
Tabela 36 – Comparação entre os casos analisados.
Caso 1 Caso 2 Caso 3
Área de Plantio (ha)
16.000 56.100 21.570
Moagem de Cana ()
1.500.000 4.750.000 1.800.000
Colheita Mecanizada (%)
60 80 45
Geração de Energia (MWh/safra) - melhor situação
258.832 947.366 294.638
Exportação de Energia (MWh/safra) - melhor situação
203.710 698.765 201.614
Produção Energética Global (kWh/tc) - melhor situação
135 147 114
Receita Final (R$) - melhor situação
4.030.000 34.800.000 1.960.000
Como pode ser observado na Tabela 36, a melhor receita final (R$) nem
sempre é relativa à maior moagem da usina. Por exemplo, o Caso 1, mesmo com
uma moagem menor que a do Caso 3, apresenta uma receita final mais que o dobro.
Isso ocorre devido porcentagem de colheita mecanizada ser maior e,
conseqüentemente, uma maior quantidade de palha é transportada para a indústria
e aproveitada como combustível suplementar na Caldeira de alta pressão e, assim, a
quantidade de energia comercializada também é maior, gerando uma maior receita.
130
6 Conclusões
Neste trabalho foi analisada a possibilidade de utilização da palha como
combustível suplementar em Caldeiras de Alta Pressão a bagaço com turbinas de
extração-condensação, sendo a planta industrial totalmente eletrificada
proporcionando um aumento da geração de energia e a possibilidade de exportação
da mesma. Os estudos foram feitos com base em duas plantas hipotéticas (Casos 1
e 2) e um caso real da usina Pioneiros Bioenergia S/A (Caso 3). Foram consideradas
variações na quantidade de cana de açúcar moída, produção de álcool e/ou açúcar,
porcentagem de mecanização da colheita, utilização ou não do Sistema de Limpeza
de Cana a Seco, entre outros parâmetros. Através de análises termodinâmicas da
geração de energia, produção de álcool e açúcar e investimentos com
equipamentos, foram obtidos resultados do ganho financeiro (R$) com a adição da
palha para queima na caldeira.
Foi verificado que o uso da palha como combustível complementar ao bagaço
em caldeiras de alta pressão convencionais é uma boa opção para aumentar a
geração de energia na usina. Porém, pode ocorrer um problema operacional com a
introdução da palha, pois dentro da caldeira o processo ocorre com uma pressão
negativa devido à entrada de ar através dos ventiladores (pressão positiva) e a saída
de ar (gases de exaustão) pela chaminé através dos exaustores (pressão negativa).
A saída dos gases de exaustão passa entre tubos em um local chamado de Pré-Ar e
aquece o ar atmosférico que entra na caldeira (fornalha) pelos ventiladores, onde
ocorre a queima do bagaço e da palha. Devido a essa pressão negativa para liberar
esses gases de exaustão, parte da palha é sugada para dentro do conjunto de Pré-
Ar, onde acaba entrando em combustão e queimando tubulações e chapas. Este
mesmo tipo de problema ocorre quando a umidade do bagaço está alta, pois nesta
situação também é necessária uma maior quantidade de ar para combustão e,
conseqüentemente, uma maior exaustão dos gases, aumentando a pressão
negativa dentro da caldeira e facilitando, desta forma, a ida do bagaço para a área
do Pré-Ar. No entanto, em ambos os casos este problema pode ser evitado com
operadores de caldeiras bem treinados. De qualquer maneira, é recomendável que
as caldeiras convencionais a bagaço passem por algumas modificações para que
131
possam utilizar a palha como combustível suplementar e, desse modo, possa ser
incrementada a geração de energia elétrica, inclusive no período de entressafra,
sem que seja prejudicada sua operação durante o período de safra.
Por fim, verifica-se que o bagaço, antes resíduo inconveniente devido a
dificuldade de armazenamento, e agora a palha, estão se tornando opções de
lucratividade para as usinas, além de serem uma opção para solução de problemas
de falta de energia, como ocorrido em 2001 (“apagão”) e, mais recentemente, com a
crise do gás natural.
Embora tenha sido mostrado neste trabalho que o aproveitamento da palha é
viável e aumenta consideravelmente a produção de energia elétrica, devem ser
buscadas tecnologias ainda mais avançadas, ainda em desenvolvimento, que
permitam um melhor aproveitamento energético do combustível. Como exemplos
disso, podem ser citados a gaseificação da biomassa da cana de açúcar e até
mesmo o uso do gás natural como combustível complementar (co-firing) para elevar
o poder calorífico do gás combustível resultante da gaseificação, aumentando,
assim, o potencial para geração de energia. Além dessas opções, existe ainda a
possibilidade do aproveitamento da ponta da cana e do bagaço para fabricação de
ração para ruminantes, desde que seja removida a sua toxidade. Vale destacar que
várias dessas opções têm ainda que passar por uma análise de viabilidade técnica-
econômica, antes da implantação.
Como proposta de incremento deste trabalho podem ser inseridas técnicas de
enfardamento da palha e o custo de transporte, mas isso deve ser objeto de estudos
futuros a serem conduzidos no Núcleo de Planejamento Energético, Geração e
Cogeração de Energia (NUPLEN) da Faculdade de Engenharia da UNESP de Ilha
Solteira.
132
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Anais... Araraquara,
1985.
137
APÊNDICE A
Informações sobre o Programa Desenvolvido
138
APÊNDICE A
Informações sobre o Programa Desenvolvido
O propósito inicial do desenvolvimento deste programa foi para analisar a
possibilidade de instalação do Sistema de Limpeza de Cana a Seco (SLCS) na nova
unidade da Pioneiros Bioenergia S/A que seria instalada na cidade de Ilha Solteira
(SP). Devido às proporções e riquezas de informações que o programa gera o
mesmo acabou se tornando parte da dissertação de mestrado.
Para os cálculos da viabilidade da implantação do SLCS, e posterior
aproveitamento da palha separada por este sistema para queima em caldeiras
convencionais de alta pressão, foi utilizado o programa Microsoft Office – Excel
®
.
Os dados iniciais necessários são os dados da composição da cana de
açúcar (Tabela 6); as eficiências de limpeza da palha das colhedoras (Tabela 7); as
eficiências do Sistema de Limpeza de Cana a Seco; o mix de Produção (Açúcar e
Álcool); o mix de Produção de Álcool (Anidro e Hidratado); o mix de Produção de
Açúcar (Branco e VHP); os custos de venda e investimento (álcool, açúcar, energia e
SLCS), porcentagem de mecanização da colheita da cana de açúcar, rendimento do
canavial, ou seja, quantidade de cana a ser moída e a eficiência de extração de
caldo das moendas.
139
A Figura B.1 apresenta a tela inicial do programa onde os dados de entrada
devem ser inseridos.
Figura B.1 – Tela de dados de entrada do programa.
140
A Figura B.2 demonstra parte da tela principal do programa, onde todos os
resultados são apresentados.
Nesta primeira etapa é apresentada a quantidade total de cana disponível no
campo e, conseqüentemente, a quantidade de colmo e de palha existente em certa
quantidade de cana. Após a determinação da porcentagem da colheita mecanizada
o próximo indicador mostra a quantidade real de colmo e palha no campo, ou seja,
quanto maior for a porcentagem de colheita manual (queimadas), menor será a
quantidade de palha. Em seguida é gerada a quantidade de palha que fica no campo
através das três eficiências de limpeza de palhiço das colhedoras (Ventilada,
Parcialmente Ventilada e Sem Ventilação).
Figura B.2 – Tela principal do programa (Parte 1).
141
A Figura B.3 é continuação da tela principal do programa gerando dados
como, quantidade de colmo e palha que entra na indústria e que é descarregada na
Mesa Alimentadora, e a quantidade de palha que é separada pelo SLCS e desta
forma seguindo para a caldeira sendo preparada antes para a correta queima
(picador de palha).
Figura B.3 – Tela principal do programa (Parte 2).
142
A Figura B.4 mostra outra parte da tela principal do programa na qual é
demonstrada a quantidade de Cana (Colmo + Palha) que segue para o setor de
extração de caldo (Moendas), além do picador de palha.
Figura B.4 – Tela principal do programa (Parte 3).
143
A Figura B.5 apresenta o setor de Preparo da Cana e Extração do Caldo com
as respectivas quantidades de ART disponível para o processo, ou seja, para a
produção de álcool e/ou açúcar dependendo o caso analisado, através da variação
de limpeza da palha das colhedoras.
Figura B.5 – Tela principal do programa (Parte 4).
144
A Figura B.6 gera a quantidade de bagaço disponível para a queima na
caldeira de alta pressão e a quantidade de ART seqüestrado a partir da introdução
da palha na moagem da cana. Na mesma figura na parte inferior é gerado o lucro
real com a exportação de energia para a primeira safra de moagem sendo
contabilizado também o custo do investimento do SLCS e da perda de produção
com álcool e/ou açúcar.
Figura B.6 – Tela principal do programa (Parte 5).
145
Com a quantidade de bagaço que sai dos ternos de moagem, mais a
quantidade de palha que é separada pelo SLCS e preparada para a queima a Figura
B.7 apresenta o total de combustível (bagaço + palha) para a caldeira de alta
pressão. A partir desta quantidade é possível iniciar os cálculos da geração de
energia da usina e, conseqüentemente, a sua comercialização.
Figura B.7 – Tela principal do programa (Parte 6).
146
Finalizando o programa (tela principal), é apresentada na Figura B.8 a
quantidade de álcool (m
3
) e de açúcar (sacas) que são perdidos com a introdução da
palha na moagem da cana utilizando para esses cálculos como base a colheita
100% manual da cana na lavoura, ou seja, toda a área de plantio foi queimada antes
da colheita.
Figura B.8 – Tela principal do programa (Parte 7).
Para se obter os resultados apresentados na Figura B.8 são necessários
alguns cálculos como: rendimentos da produção de álcool e açúcar; quantidade de
ART disponível para o processo, entre outros itens, como pode ser visto na tela
secundária do programa mostrada na Figura B.9. Os conceitos e metodologias
aplicadas estão nos Itens 4.2 e 4.3 desta dissertação.
A Figura B.10 apresenta uma tela secundária do programa para cálculos do
balanço energético gerando dados da geração total de energia, exportação de
energia, produção energética da planta industrial entre outros dados. Os conceitos e
metodologias aplicadas estão no Item 4.4 desta dissertação.
147
Figura B.9 – Tela secundária do programa para cálculo da produção de álcool e açúcar.
148
Figura B.10 – Tela secundária do programa para cálculo do balanço energético da usina.
Na tela secundária do programa apresentada na Figura B.11 é possível
quantificar a quantidade de ART que é perdido no bagaço, ou seja, o seqüestro de
kg de ART por kg de bagaço produzido. Os conceitos e a metodologia aplicados
para quantificar este valor estão explicados no Item 4.5 desta dissertação.
Figura B.11 – Tela secundária do programa para cálculo do seqüestro de ART
pelo bagaço produzido.
149
Nas Figuras B.12 e B.13 são apresentadas telas secundárias do programa
nas quais são realizadas análises energéticas dos equipamentos relacionados ao
setor de preparo e moagem de cana, assim como para o preparo da palha para
queima na caldeira.
Na Figura B.12 são realizados cálculos do consumo de energia por tonelada
de cana (kWh/tc) do picador e desfibrador de cana (modelo COP 5 e COP 8
respectivamente), assim como dos 6 ternos de moenda (30 x 64”), além disso é
apresentado a energia total consumida do conjunto de sistema que envolve o
acréscimo de palha como combustível suplementar na Caldeira variando o tipo de
ventilação das colhedoras de cana e se o SLCS está em funcionamento ou não.
Na Figura B.13 são realizados cálculos do consumo de energia por tonelada
de cana do conjunto de equipamentos que realizam o preparo da palha para queima
na caldeira, ou seja, dos ventiladores que fazem a separação da cana, do triturador
de palha, da peneira rotativa que realiza a separação da palha em relação às
impurezas minerais e das esteiras que realizam o transporte da palha até a esteira
elevadora da caldeira.
150
Figura B.12 – Tela secundária do programa para análise energética dos equipamentos do preparo e
moagem de cana e preparo da palha (Parte 1).
151
Figura B.13 – Tela secundária do programa para análise energética dos equipamentos
do preparo e moagem de cana e preparo da palha (Parte 2).
152
As próximas telas a serem apresentadas mostram os resultados finais obtidos
em forma gráfica com as metodologias aplicadas no Capítulo 4.
As Figuras B.14 e B.15 mostram telas secundárias do programa onde são
demonstradas as perdas de ART com o acréscimo da palha na indústria utilizando
como base a cana totalmente queimada nos canaviais convertidas em perdas de
álcool (hidratado e anidro) e açúcar (brando e VHP) variando a ventilação das
colhedoras de cana e trabalhando com o SLCS ligado ou não.
Figura 14 – Tela secundária do programa para cálculo das perdas de ART
convertidas em perdas de álcool e açúcar (Parte 1).
153
Figura B.15 – Tela secundária do programa para cálculo das perdas de ART
convertidas em perdas de álcool e açúcar (Parte 2).
154
A Figura B.16 apresenta o valor (R$/safra) que a usina deixa de ganhar não
aproveitando o potencial energético da palha, o qual acaba deixando no campo
aproximadamente um terço da “energia” da cana de açúcar.
Figura B.16 – Perdas de energia com a queima da palha nos canaviais.
A Figura B.17 apresenta a receita final com a venda de energia através do
acréscimo de palha queimado na Caldeira, as respectivas perdas com a venda de
álcool e açúcar através do seqüestro de ART pela palha e o custo do investimento
total para a implantação do Sistema de Limpeza de Cana a Seco para a primeira
safra da usina.
Figura B.17 – Receita final com acréscimo da palha na indústria.
155
A Figura B.18 é relativa à produção energética (eficiência) global dos
indicadores analisados.
Figura B.18 – Produção energética.
156
A Figura B.19 apresenta a rentabilidade da energia excedente exportada com
a introdução da palha na caldeira em safras.
Figura B.19 – Rentabilidade da energia comercializada com a introdução da palha na indústria.
Desta forma finaliza-se o programa desenvolvido para a análise da viabilidade
do aproveitamento da palha como combustível complementar na cogeração de
energia em uma usina sucroalcooleira.
157
ANEXO A
Protocolo Agro-Ambiental do Setor Sucroalcooleiro Paulista
158
ANEXO A
Protocolo Agro-Ambiental do Setor Sucroalcooleiro Paulista
A.1 Definição
O Protocolo Agroambiental assinado pelo Governador de São Paulo, pelos
Secretários de Estado de Meio Ambiente e de Agricultura e pelo presidente da União
da Indústria Sucroalcooleira (UNICA), faz parte do Programa Etanol Verde, um dos
21 projetos estratégicos da Secretaria do Meio Ambiente (SMA).
O Protocolo visa premiar as boas práticas do setor sucroalcooleiro através de
um certificado de conformidade e outros benefícios através de sua publicidade ao
mercado do certificado concedido ao produtor e renovável periodicamente, o
Protocolo determina um padrão positivo a ser seguido.
Em fase de operacionalização e aplicação em larga escala em todo o Estado,
o instrumento cobre alguns dos principais pontos de redução de impactos da cultura,
como a antecipação dos prazos de eliminação da queima da palha da cana, a
proteção de nascentes e dos remanescentes florestais, o controle das erosões e o
adequado gerenciamento das embalagens de agrotóxicos.
A.2. Objetivos
O objetivo principal do Projeto Ambiental Estratégico Etanol Verde é
desenvolver tratativas com o setor sucroalcooleiro de forma diferenciada da imposta
pelo órgão ambiental em seu histórico. Estimulando a produção sustentável de
etanol respeitando os recursos naturais, controlando a poluição, com
responsabilidade social; certificar empresas sucroalcooleiras, que aderirem a
protocolo de conduta agroambiental, com acompanhamento periódico.
159
Definindo de forma clara e concisa padrões positivos possíveis e monitoráveis
a serem seguidos pelos produtores de açúcar e álcool, diferentemente das ações de
comando e controle utilizadas pelos órgãos ambientais sem muito sucesso nas
ultimas décadas. Também são ações do projeto, articular e subsidiar o órgão
licenciador nos procedimentos de licenciamento e na padronização de dados sobre
a biodiversidade e informações enviadas nos estudos ambientais.
O Protocolo define diretivas técnicas ambientais a serem implementadas
pelas Unidades Agroindustriais aderentes, sendo muitas das diretivas impostas aos
aderentes mais restritivas que a legislação ambiental aplicável no Estado de São
Paulo.
A.3 Benefícios Esperados
Estima-se que no ano 2014 haverá no Estado de SP cerca de 7 milhões de
hectares de cana plantada. Dessa área, cerca de 5,9 milhões de hectares serão em
áreas mecanizáveis. Os restantes 1,1 milhões de hectares estarão em áreas não-
mecanizáveis, com declividade acima de 12 %. Sem o Protocolo e atendendo à Lei
11.241 de 2002, teríamos no ano 2014 ainda 3,83 milhões de hectares sendo
queimados. Com o Protocolo, toda a área mecanizável será colhida crua, sem
queima. Da área total, haverá queima em apenas 440 mil hectares, ou menos.
O protocolo também induz em conjunto com os outros instrumentos da SMA-
SP uma redução na utilização de água no processo industrial normatizando o uso de
água para no máximo 1 m³ de água por tonelada de cana de açúcar moída.
Outro ponto positivo desencadeado pelo Protocolo Agroambiental é o
compromisso das unidades agroindustriais quanto à recuperação de suas áreas de
mata ciliar, juntos, os aderentes do Protocolo Agroambiental somam uma área de
140 mil hectares de mata ciliar a ser recuperada até 2017, essa somatória significa
uma proteção de mais de 23 mil quilômetros de cursos d’água e equivale ao plantio
de mais de 22 milhões de mudas, algo nunca antes proposto por nenhum setor
agropecuário.
160
A.4 Diretrizes para os Produtores e Agroindústrias
Os produtores agrícolas e indústrias de cana de açúcar, para a obtenção do
Certificado de Conformidade Agro-Ambiental, devem aderir aos termos do Protocolo
de Cooperação e atenderem as Diretivas Técnicas abaixo descritas e esclarecidas.
Diretiva a
: Antecipar, nos terrenos com declividade até 12 %, o prazo final para a
eliminação da queimada da cana de açúcar, de 2021 para 2014, adiantando o
percentual de cana não queimada, em 2010, de 30 % para 70%.
Diretiva b: Antecipar, nos terrenos com declividade acima de 12 %, o prazo final para
a eliminação da queimada da cana de açúcar, de 2031 para 2017, adiantando o
percentual de cana não queimada, em 2010, de 10 % para 30 %.
As áreas correspondentes aos percentuais mínimos de redução da queima da
palha de cana, em áreas próprias, arrendadas ou em parceria, devem ser calculadas
separadamente, respectivamente, para as áreas com declividade de até 12 % e as
áreas com declividade superior a 12 %. Até 2014, será permitida que a área total de
redução, correspondente à soma das duas áreas calculadas separadamente, seja
alocada livremente, independentemente da declividade do terreno. A partir de 2014,
por outro lado, a redução da queima em áreas com declividade até 12 % deverá,
necessariamente, corresponder a 100 %.
Diretiva c: Não utilizar a prática da queima da cana de açúcar para fins de colheita
nas áreas de expansão de canaviais.
Consideram-se áreas de expansão as novas áreas de cultivo de cana de
açúcar cujo plantio for efetuado a partir de 1º de novembro de 2007 e que implique
aumento de área em relação à safra anterior, ou seja, somente será computada
como expansão a área incremental de cana em relação à área cultivada pela
unidade produtora na safra anterior. Assim, não serão consideradas áreas de
expansão os novos plantios que forem realizados apenas para substituir áreas que
161
deixaram de produzir cana para a unidade produtora.
Diretiva d: Adotar ações para que não ocorra a queima a céu aberto, do bagaço de
cana, ou de qualquer outro subproduto da cana de açúcar.
Implantar procedimentos internos visando a garantir o cumprimento dessa
determinação.
Diretiva e: Proteger as áreas de mata ciliar das propriedades canavieiras, devido à
relevância de sua contribuição para a preservação ambiental e proteção à
biodiversidade.
Adotar medidas de caráter preventivo e corretivo, para evitar e combater a
queima acidental das matas ciliares sob domínio da usina, tais como: manter aceiros
com no mínimo 6 metros de largura, entre a cultura e as matas ciliares, conforme
Artigo 5º do Decreto Estadual nº 47.700, de 11 de março de 2003. Inspecionar e
manter os aceiros isentos de matérias carburantes, mantendo-se cobertura vegetal
rasteira onde for necessário.
Manter brigada de combate a incêndio no momento da queima da palha da
cana com no mínimo um veículo equipado com tanque de combate a incêndios e
equipe treinada para essa finalidade. Vigiar a área de cana, e as matas ciliares
próximas, para acionamento rápido de brigada própria de combate a incêndio e do
corpo de bombeiro municipal para combater eventual fogo acidental.
Além dessas medidas, adotar outras de natureza preventiva como colocação
de placas visando à orientação e educação ambiental e de alerta sobre a proibição
de caça e captura de animais silvestres. Por ocasião da SIPAT, realizar palestras
visando à educação ambiental de proteção da fauna e flora e da importância da
proteção e recuperação das matas ciliares.
Apresentar o mapeamento das áreas de matas ciliares existentes nas áreas
próprias e arrendadas. Informar, ainda, se a indústria possui algum plano ou projeto,
voluntário, de recuperação de matas ciliares em andamento ou em planejamento.
Diretiva f: Proteger as nascentes de água das áreas rurais do empreendimento
canavieiro, recuperando a vegetação ao seu redor.
162
Adotar as medidas de proteção já descritas na Diretiva ‘e’ para a proteção das
matas ciliares. No caso de nascentes em áreas próprias da usina, cuja vegetação
das APPs estejam degradadas, favorecer a regeneração dessas num raio mínimo de
50 metros das nascentes e “olhos d’água”, mesmo que intermitentes, conforme
definido no Código Florestal, de forma a recuperá-las num percentual mínimo
recomendado de 10 % ao ano.
Diretiva g: Implementar Plano Técnico de Conservação do Solo, incluindo o combate
à erosão e a contenção de águas pluviais nas estradas internas e carreadores.
O plano de combate à erosão deverá considerar o tipo de solo, a declividade
do local, a época de preparo do solo e de plantio, as práticas de cultivo e as
condições climáticas em termos de distribuição e intensidade das chuvas. O plano
deve identificar os tipos de terraços utilizados (embutido, invertido, base larga, etc.) e
os espaçamentos adotados. O espaçamento entre terraços poderá ser flexibilizado
em função da adoção de práticas vegetativas de conservação do solo, dentre elas, o
cultivo de cultura de rotação e a cobertura do solo com palhiço de cana. Os terraços
deverão ser dimensionados para receber e direcionar águas de estradas internas e
de carreadores.
Como base para o planejamento sugere-se seguir as recomendações gerais
apresentadas nos manuais de microbacias elaborados pela Coordenadoria de
Assistência Técnica Integral (CATI) da Secretaria Estadual da Agricultura e
Abastecimento (SAA).
Diretiva h: Implementar Plano Técnico de Conservação de Recursos Hídricos,
favorecendo o adequado funcionamento do ciclo hidrológico, incluindo programa de
controle da qualidade da água e reuso da água utilizada no processo industrial.
O Plano Técnico de Conservação de Recursos Hídricos deverá considerar as
possibilidades de reuso da água e o fechamento dos circuitos principais visando
uma captação mínima, tendo ainda como fato, a cobrança pelo uso de água, que
impõe um valor econômico para este insumo. Além disto, deve prever o reuso dos
efluentes líquidos na lavoura de cana, de modo a promover a irrigação de
163
salvamento das soqueiras, evitando-se novas captações de água para este fim. O
plano deve prever a medição de vazão e o controle da qualidade da água captada e
utilizada.
No plano deverá ser informado o consumo específico de água, em metros
cúbicos de água por tonelada de cana processada e a caracterização dos efluentes,
incluindo a carga orgânica eventualmente lançada nos corpos d’água.
Diretiva i: Adotar boas práticas para descarte de embalagens vazias de agrotóxicos,
promovendo a tríplice lavagem, armazenamento correto, treinamento adequado dos
operadores e uso obrigatório de equipamentos de proteção individual.
Implementar as medidas de minimização de embalagem, e no caso de
embalagens rígidas, promover a tríplice lavagem. Manusear e aplicar os defensivos
com pessoas devidamente treinadas utilizando os EPIs específicos, conforme
recomendado pela NR-31do Ministério do Trabalho e Emprego.
Proceder ao armazenamento e destinação final adequada das embalagens de
agrotóxico, enviando as tríplices lavadas para unidade de recebimento de
embalagens de defensivos agrícola para reciclagem licenciada pela CETESB, e
também, conforme o caso, o reenvio das embalagens e produtos vencidos num
prazo de um ano aos respectivos fabricantes ou distribuidores, conforme
regulamenta a Lei nº 7.802, de 11 de julho de 1989, alterado pela Lei nº 9.974 de 06
de junho de 2000.
Diretiva j
: Adotar boas práticas destinadas a minimizar a poluição atmosférica de
processos industriais e otimizar a reciclagem e o reuso adequados dos resíduos
gerados na produção de açúcar e etanol.
As caldeiras cujas Licenças de Instalação forem solicitadas após 01 de janeiro
de 2007 devem obedecer à Resolução CONAMA n° 382 de 26 de dezembro de
2006 no que se refere à emissão de poluentes. Os poluentes controlados para as
caldeiras a bagaço de cana são materiais particulados (MP) e óxidos de nitrogênio
(NOx). O monitoramento deverá ser realizado bi-anualmente, conforme Termo de
Referencia para o PMEA (Plano de Monitoramento de Emissões Atmosféricas) da
CETESB – Março 2005. Para as caldeiras existentes, informar o sistema de controle
164
adotado para redução das emissões de particulados e outros poluentes atmosféricos
regulamentados e os planos estratégicos de redução dessas emissões, se existirem.
Implementar o uso racional da vinhaça visando a fertirrigação da lavoura de
cana, atendendo plenamente a NT CETESB P4.231. Adotar o uso dos resíduos
orgânicos e inertes para adubação e condicionamento do solo agrícola, aplicando a
torta de filtro as cinzas da caldeira e a fuligem do controle de emissões atmosféricas
da combustão do bagaço, que propiciam a reciclagem de nutrientes (N P K) e
melhoria das condições do solo. Retornar a terra de lavagem de cana ou da limpeza
a seco para o solo agrícola. Proceder ao armazenamento e destino adequado dos
resíduos perigosos (classe I) e de óleos lubrificantes.
Vale destacar que uma cópia (PDF) do documento original do protocolo, com
as assinaturas das autoridades pode ser encontrada no site da SMA de São Paulo
no link: http://homologa.ambiente.sp.gov.br/etanolverde/oquee/protocolo.pdf.
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