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Geração de energia elétrica na entressafra de usinas de açúcar e álcool

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CONTEÚDO

ARTIGO ORIGINAL

FERNANDES, Luis Claudio de Avila Trani [1], JUNIOR, Ricardo Araújo Ferreira [2], BARBOSA, Geraldo Veríssimo de Souza [3], TEODORO, Iêdo [4]

FERNANDES, Luis Claudio de Avila Trani. Et al. Geração de energia elétrica na entressafra de usinas de açúcar e álcool. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 02, Vol. 03, pp. 127-137. Fevereiro de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/usinas-de-acucar-e-alcool

RESUMO

As empresas do setor sucroenergético que foram implantadas a partir da década de 90 já trouxeram a premissa de geração e venda de energia elétrica na sua concepção de engenharia desde o projeto conceitual. No entanto, unidades mais antigas não tinham essa visão e no decorrer dos anos algumas conseguiram se modernizar, a ponto de vender energia elétrica durante safra e outras por questões estruturais não conseguiram se adaptar, e geram somente energia elétrica suficiente apenas para as suas necessidades da produção de açúcar e etanol. Neste artigo, o objetivo foi fazer uma análise técnico-econômica da geração de energia elétrica em uma usina de  açúcar e álcool para venda na entressafra da cana-de-açúcar, com bagaço armazenado durante a safra. A geração de energia, com bagaço de cana-de-açúcar em usinas de açúcar e álcool, para venda na entressafra, só é economicamente viável a partir de uma moagem total de um milhão de toneladas de cana e se o preço do “megawatt hora” for igual ou maior que R$ 240,00 reais.

Palavras-chave: Setor sucroenergética, energia elétrica.

1. INTRODUÇÃO

Em 2010, a participação da biomassa na matriz elétrica brasileira representou um acréscimo anual 1.750 Megawatts (MW), equivalente a 32 % em relação ao total de crescimento de todas as fontes de geração de energia elétrica. A partir de então, ocorreu significativo decréscimo, havendo oscilações, e em 2018 representou apenas 2% (114 MW). O uso do bagaço da biomassa da cana-de-açúcar atingiu em 2018 uma capacidade instalada de geração de 11.356 (MW), correspondente a 76,9% de potência outorgada de toda a geração de biomassa no Brasil. A biomassa ocupa a 3ª fonte de geração mais importante da matriz elétrica com geração de 14.770 9 %, atrás das fontes hídricas com 107.720 MW (64 %), fóssil com 28.205 MW (17 %) seguida muito próxima pela eólica com 13.334 MW (8 %) (ÚNICA).

Atualmente o Brasil continua fortemente dependente na sua matriz elétrica da energia hidráulica (60,8 %), sendo que a energia eólica e de biomassa ocupam percentuais de 8,6 % e 8,5 % respectivamente, significando que houve um grande incentivo para a implantação de parques eólicos e o setor de biomassa não avançou, devido à fatores de ordem meteorológicos, econômicos e estruturais do setor sucroenergético ao longo dos últimos 10 anos (Agencia Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, 2019).

O Brasil diversificou sua matriz elétrica de fontes alternativas renováveis com forte investimento em parques de energia eólica e solar, em função da necessidade de mudar seu portfólio e diminuir a dependência da geração em hidroelétricas. Estudo efetuado pela Energias do Brasil S/A (EDP São Paulo, 2015) sinalizava um investimento até 2024 de 268,5 bilhões de reais em geração de energia elétrica, sendo que dos 155,8 bilhões (58,1% do total) eram previstos para os setores de Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCH)Biomassa + Eólica + Solar. Os demais recursos seriam empregados em outras fontes como hidroelétrica, térmicas, nuclear, gás natural, carvão e óleo combustível/diesel, mostrando a importância da geração de energia elétrica com fontes renováveis.

Embora seja antigo, o uso da biomassa, com destaque para a geração de energia elétrica nas usinas do setor sucroenergético usando o bagaço de cana-de-açúcar, merece atenção para a sua utilização no período da entressafra. A viabilidade dessa geração de energia elétrica na entressafra depende da oportunidade do negócio – preço de compra e venda no mercado de energia. O Mercado Livre, na modalidade Preço de Liquidação das Diferenças (PLD) oferece as melhores oportunidades de venda a preços competitivos em determinados períodos do ano (CCEE, 2018).

Para isso as usinas que não tem possibilidade de aumentar sua produção de vapor exclusivamente para geração de energia elétrica para venda, podem na entressafra gerar e vender energia elétrica, desde que durante a safra seja produzido volume de bagaço excedente o suficiente para que se viabilize essa geração de energia a preços competitivos para retorno financeiro. Para isso também é necessário adaptar o processo de geração de vapor e energia elétrica da empresa. Utilizar todos os recursos possíveis em uma planta de açúcar e álcool é uma questão de sobrevivência, uma vez que as receitas geradas pela produção destes produtos vêm sofrendo com os preços do mercado. A venda de energia elétrica poderá contribuir para minimizar estes impactos desfavoráveis.

Com um Poder Calorífico (PC) útil de aproximadamente 1.800 kcalkg-1(50% de umidade) durante a safra, o bagaço pode ser usado na entressafra, mesmo com aumento de umidade devido ao armazenamento em pátios abertos.

No período de 2017 a 2018, mesmo com crescimento do Produto Interno Bruto (PIB) de apenas 1,0% e 1,1% (IBGE, 2019), respectivamente, as contas de energia elétrica tiveram a prática de tarifas com bandeira vermelha (níveis 1 e 2) de maneira mais intensa, 46%, bandeira amarela em 21% e bandeira verde 33%(EDP, 2019). Isso indica que, mesmo nesses momentos de baixo consumo de energia industrial, foram utilizadas fontes de energia elétrica mais cara, basicamente térmicas a base de gás natural e óleo diesel.

Usar todos os recursos possíveis para geração de energia elétrica será, no futuro, uma necessidade para o Brasil, evitando assim ficar refém das variações climáticas que vem afetando as bacias dos reservatórios e consequentemente, restringindo a geração hidroelétrica.

Uma mudança de estratégia só será possível com a melhora dos preços de venda, como aconteceu no passado, e as empresas deverão estar preparadas para este momento, com projetos já prontos, com custos definidos e que permitam os financiamentos nos organismos federais no momento propício.

O objetivo desse estudo é verificar a viabilidade econômica de armazenar o bagaço na safra para uso na entressafra para geração e venda de energia elétrica, utilizando equipamentos já existentes na usina como caldeira, gerador elétrico e torre de resfriamento, incluindo no sistema uma nova turbina de condensação, exclusiva para geração de energia elétrica e um condensador de vapor.

2. METODOLOGIA

O estudo foi baseado nos dados e condições de uma usina situada em Rio Largo, Alagoas. Para tanto, foi considerado apenas o balanço do volume de bagaço durante o processo de produção de açúcar e álcool, e dessa forma, poder estimar volume de bagaço disponível para queima na entressafra dentro de uma potência definida para geração de energia elétrica. Dividiram-se os pontos de verificação dos insumos, em A, B, C e D, desde a entrada da cana-de-açúcar, passando pela produção e consumo de bagaço, produção de vapor e sobra de bagaço para armazenagem, conforme fluxograma na Figura 1.

Figura 1 – Fluxograma da utilização do bagaço em uma usina de cana-de-açúcar:(A): Entrada de cana;(B): Saída de bagaço para consumo;(C): Consumo de vapor;(D) Sobra de bagaço

Fonte: Adaptada de Fernandes, 2018.

No ponto A, foi avaliado a capacidade de produção de cana-de-açúcar da Usina em um período que represente a maior e menor safra histórica, permitindo traçar uma média que possa ser à base do planejamento para a sobra de bagaço a ser utilizada na entressafra.

Com base na modelagem da safra média, calculou-se a quantidade de bagaço gerado por hora (BGH) e na safra (BGS), conforme as Equações 1 e 2:

em que: TCh é a taxa de moagem de cana [t.h-1]; FC é a porcentagem de fibra da cana [%]; FB é a porcentagem de fibra no bagaço [%].

em que: CPM é a quantidade de cana prevista para moagem na safra em toneladas; B/C é a relação bagaço/cana [%].Os parâmetros físicos do bagaço e da cana a ser moída utilizados está descrito na Tabela 1.

Tabela 1– Composição física do bagaço e da cana.

Índices Variação Valor utilizado
Umidade do bagaço 45a 50% 50%
Fibra da cana (FC) 11 a 16%. 15%
Fibra do bagaço (FB) 41 a 47,5%. 46%
Relação bagaço/cana (B/C) 25 a 29%. 29%

Fonte: Hugot (1977) e Peres (1982)

Desse total gerado deve ser subtraído algumas perdas a considerar, como a utilização do bagaço da cana para paradas (bp) programadas e a utilização de bagaço para produção de torta de filtros (bt).

Baseado na experiência de cada usina, o bp pode variar de 4 a 12%. De acordo com Camargo et al. (1990), a média de excedentes de bagaço nas usinas com destilarias anexas é de no máximo 6%. Para o presente estudo foi adotado o percentual de reserva para paradas de 5%.

Considerando Camargo et al. (1990), cada tonelada de bagaço consumido para produção de torta de filtro gera 7 kg. Assim para moagem de cada tonelada de cana moída (TCM)considerado, pode ser calculado um valor de bt em toneladas, conforme Equação 3:

Já no ponto B, a capacidade de moagem é o limite mínimo da taxa de moagem que permite a geração de vapor suficiente para atender a todas as necessidades de processo de fabricação de açúcar e álcool sem a utilização de energia elétrica comprada da concessionária. Existe um limite máximo de moagem, imposto pelo fabricante das moendas que é função de seu tamanho.

Brunelli (2011) apresentou uma metodologia que leva em conta os fatores mecânicos e da matéria-prima (cana-de-açúcar) para o cálculo da capacidade de moagem, na qual é levado em conta a densidade da cana a ser moída, conforme Equação 4.

em que: TChMAX é aTCh máximo; n é a rotação da moenda [rpm], que varia de 1 a 19; D é o diâmetro do rolo da moenda [m]; L é o comprimento do rolo da moenda [m]e dc é a densidade da cana [tm-3]

O equipamento que controla a densidade da cana é chamado de Calha Donnelly ou Chute Donnelly. Esse equipamento é formado por uma calha fechada totalmente até certa altura, com seção transversal retangular e com abertura divergente no sentido de alimentação da moenda. Quando se enche a calha, pelo próprio peso formado pela coluna de cana preparada, a densidade no fundo será elevada. Esta densidade é da ordem de 0,50 a 0,55 tm³, tornando a alimentação eficiente e possibilitando elevada moagem e extração de caldo (CTC, 1999).

Referente ao Ponto C, o consumo total de vapor necessário para a alimentação das diversas turbinas que existirem no sistema de consumo de vapor que alimentam as moendas, geradores, bombas de alimentação de água para caldeiras, ventiladores etc., podem ser estimados pelas folhas de dados das turbinas em sua capacidade nominal ou por medição direta de vapor com uso de transmissores de vazão de vapor instalados em cada equipamento ou conjunto de equipamentos.

O somatório desse consumo de vapor pode ser convertido em bagaço equivalente (bh)pela seguinte equação, conforme Santos (2012):

em que: Ve é o consumo específico de vapor [kgt-1]; H1é a entalpia da água de alimentação da caldeira [kJ kg-1]; H2é a entalpia do vapor que sai da caldeira [kJ kg-1]; PC50% é o poder calorífero do bagaço com umidade de 50% [kJ kg-1]; ɳ  é o Rendimento da caldeira [%].

Esse balanço de bagaço pode servir para avaliar a capacidade máxima necessária a geração nominal de vapor pelas caldeiras e o de consumo de bagaço para geração do vapor necessário ao processo. Se for positivo haverá uma sobra de capacidade de geração para a usina e se negativo ou zero a usina está no seu limite de capacidade de produção de vapor.

No Ponto D, a quantidade geral de bagaço para armazenamento e uso na entressafra é avaliada considerando a subtração do consumo total de bagaço (consumo de bagaço na safra, bagaço reservado para partidas e bagaço para filtros) da produção total de bagaço.

Uma vez que existe ainda uma perda de bagaço na armazenagem no pátio de estocagem, será considerado 3% de perdas totais, sendo que uma das causas é a ação do vento e a outra ocorre é pela ação da fermentação na meda.

2.1 DEFINIÇÃO DA CAPACIDADE DE GERAÇÃO NA ENTRESSAFRA

Para o cálculo da capacidade de geração deve-se levar em conta que o bagaço não deverá ter a mesma característica de quando é moído, sendo necessária a utilização de usar um bagaço com maior umidade (PC menor).

Além disso, deve-se definir quanto de energia elétrica será gerado na entressafra. Para isso é preciso:

  • Definira potência do gerador a ser utilizado, e verificar a possibilidade de utilização de um dos geradores existentes, a fim de diminuir o custo do empreendimento;
  • Adquirir uma turbina de condensação e seus periféricos, com as interligações necessárias para o uso de uma das cadeiras existentes na geração de vapor na entressafra;
  • Estimar o consumo de energia elétrica para uso interno que permita a partida e continuidade operacional da caldeira na entressafra;
  • Calcular o custo de implementação da turbina de condensação, aquisição de materiais tipo tubulações, cabos elétricos etc., construção civil e montagem eletromecânica do sistema modificado (Figura 2).
  • Estudar os preços de venda de energia para venda no PLD no período das entressafras, por um período não inferior a 5 anos, pois os preços variam muito no mercado;
  • Efetuar as análises econômicas tradicionais como o Valor Líquido Presente (VLP), Taxa Interna de Retorno (TIR), Payback Simples (PBS), Payback Descontado (PBD) e Índice de Lucratividade (IL);

Figura 2 – Proposição de geração de energia elétrica na entressafra para um gerador existente na Usina.

Fonte: Adaptado de Fernandes, 2018

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para exemplificar a aplicação do método, segue um estudo de caso aplicado a uma usina que tem geração própria e está no seu limite de geração de vapor e, portanto, não consegue gerar energia elétrica para venda durante a safra.

  • Geração de 3 MVA de um gerador já existente na fábrica
  • Aquisição de turbina de condensação considerando transporte, projeto e montagem, acessórios e instalação: R$ 4,00 milhões de reais
  • Produção, consumo e perdas de bagaço considerado para um caso específico.

Baseado nas estimativas de safra de 1,00 a 1,60 milhão de tonelada de cana, foi elaborado os cálculos do bagaço total efetivamente gerado na safra e a efetiva quantidade bagaço para uso na entressafra, após descontar o consumo na safra e as perdas durante o processo (Tabela 2).

Tabela 2– Quantidade de bagaço restante para ser usado na entressafra.

Estimativa total do bagaço Moagem na safra [t]
1.000.000 1.200.000 1.400.000 1.600.000
Quantidade de bagaço total [t] 290.000 348.000 406.000 464.000
Perdas de bagaço estimado [t] 812 975 1.137 1.300
Bagaço efetivo para uso na entressafra [t] 26.272 31.527 36.781 42.036

Fonte: Adaptada de Fernandes, 2018.

  • Geração esperada e tempo de produção de energia elétrica

Consumo específico de vapor turbina de condensação: 8,00[ Kgf.kWh-1]

Consumo de vapor para potência pretendida: 8 x 3.000 = 24,00 [tv.h-1]

Vazão do bagaço de retorno para alimentação da caldeira [t.h-1] com PC do bagaço: 1.690 kcal/kg (devido a estocagem aumentar a umidade):  [tb.h-1]

Com base no bagaço que sobra na safra (Tabela 2) e o consumo de vapor necessário para gerar 3,00 MW de energia elétrica em uma turbina de condensação, pode ser estimado o tempo de geração na entressafra conforme a Tabela 3.

Tabela 3–Tempo de geração de energia elétrica na entressafra.

Moagem na safra [t]
800.000 1.000.000 1.200.000 1.400.000 1.600.000
Tempo previsto de utilização(meses) 2,6 3,2 3,8 4,5 5

Fonte: Adaptada de Fernandes, 2018.

  • Valores aceitáveis da análise econômica

O valor da energia elétrica para venda no mercado livre é bastante volátil e de difícil previsão. Os dados da ANEEL durante o período de 2014 a 2018 evidenciaram essa variação anual para o Nordeste e nesse período ocorreu uma variação total média de 68,1%. (Tabela 4).

Tabela 4 – Preço de venda de energia elétrica no PLD/Nordeste (R$/MWh)

2014 2015 2016 2017 2018 MÉDIA DO PERÍODO
Mínimo 378,22 145,09 106,07 139,25 71,13  

 

68,1%

Máximo 776,88 388,48 310,38 533,82 533,82
Variação % 51,3% 62,7% 65,8% 73,9% 86,7%

Fonte: CCEE, 2018- Informe mensal

Para a análise foram considerados valores de VPL positivos acima de R$1,5 milhão ao ano, para um prazo de retorno de 4 (quatro) anos e uma taxa de desconto de 5% ao ano. Os valores aceitáveis de TIR foram considerados acima de 25% para uma receita somente na entressafra durante 4 anos. Os valores de PBS e descontado PBD deveriam retornar em 4 anos e IL foi de 1,25 ou 25% ao ano.

Fixaram-se quatro valores de PLD, em R$. MWh-1(240, 280, 320 e 360) e consideraram-se quatro níveis de moagem de cana da Usina, em mil toneladas (1.000, 1.200, 1.400 e 1.600), na intenção de tomada de decisão da empresa, no sentido de rejeitar ou aprovar o empreendimento (Quadro 1).

Quadro 1 – Índices econômicos do projeto estudado para um empreendimento de geração de energia elétrica na entressafra.

Fonte: Adaptado de Fernandes, 2018

4. CONCLUSÕES

A geração de energia, com bagaço de cana-de-açúcar em usinas de açúcar e álcool, para a venda na entressafra, só é economicamente viável a partir de uma moagem total de um milhão de toneladas de cana e se o preço do “megawatt hora” for igual ou maior que R$ 240,00 reais

5. REFERÊNCIAS

ANEEL, Capacidade de geração de energia elétrica. Disponível em: http://www2 .aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/OperacaoCapacidadeBrasil.cfm, acessado em 20/02/2019.

BRUNELLI, Sidnei. Recepção, alimentação, preparo e moagem de cana – Um setor maduro. Revista Opiniões sobre o setor Sucroenergético, n. 27, p 30, jan-mar.2011.

CAMARGO, C.A. de; Ushima, A.H.; Ribeiro, A de M. de M; Souza, M. E. de P.;

CCEE: Câmara de Comercialização de Energia Preços médios PLD. Informações ao mercado. Disponível em: <https://www.ccee.org.br/portal/faces/pages_publico/o-que fazemos/como_ccee_atua/precos/precos_medios> Acessos: outubro 2016 a março 2018.

CTC – Centro De Tecnologia Copersucar. Curso de operação de moendas. Seção de Tecnologia de Moagem. 1999.

EDP. Energias do Brasil S/A. Bandeiras tarifárias. Disponível em http://www.edp.com.br/distribuicao-es/saiba-mais/informativos/bandeira-tarifariahttp://www.edp.com.br/distribuicao-es/saiba-mais/informativos/bandeira-tarifaria, acessado em 16/02/2019.

EPE-Empresa Pesquisa Energética. Plano Decenal de expansão de Energia 2014, Ministério de Minas e Energia. Brasília, MME/EPE,2015.

FERNANDES, L.C.A.T, Viabilidade técnico-econômica de geração de energia elétrica na entressafra de uma usina de açúcar e álcool. Maceió, 2018.Dissertação(mestrado) – Universidade Federal de Alagoas. Centro de Ciências Agrárias.2018.

HUGOT, E. Manual da engenharia açucareira. São Paulo: Editora Mestre Jou.1977.

IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia Estatística. PIB cresce 1,1% em 2018 e fecha ano em R$ 6,8 trilhões. Disponível em: https://agenciadenoticias.ibge.gov.br/agencia-sala-de-imprensa/2013-agencia-de-noticias/releases/23886-pib-cresce-1-1-em-2018-e-fecha-ano-em-r-6-8-trilhoes.Fevereiro de 2019.

PERES, N. P. Eficiência em caldeiras na agroindústria canavieira. São Paulo: STAB – Sociedade dos técnicos açucareiros e alcooleiros do Brasil,1982. Apostila

SANTOS; N. F. dos.  Conservação de energia na indústria do açúcar e do álcool. São Paulo. Instituto de Pesquisas Tecnológicos, 1990.

SANTOS, F. A. dos. Análise de aplicação da biomassa da cana como fonte de energia elétrica: Usina de açúcar, etanol e bioeletricidade. São Paulo, 2012. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de  Paulo. Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas.

ÚNICA, União da Indústria de cana-de-açúcar. BOLETIM/ÚNICA: A Bioeletricidade da cana-de-açúcar em números – março de 2018.2/3/2018.

[1] Mestrado profissional em energia da biomassa pela UFAL – CECA (2018). Especialização em engenharia da produção pela UFPB (2004). Graduação em engenharia elétrica pela Universidade Gama Filho (1985).

[2] Doutorado em Agronomia (Energia na Agricultura) pela UNESP-Botucatu (2013). Mestrado em Agronomia (Produção vegetal) pela Universidade Federal de Alagoas (2010). Graduação em Engenharia Agronômica pela Universidade Federal de Alagoas (2007).

[3] Doutor em Agronomia/Produção Vegetal pela Universidade Federal do Paraná, em 2014. Mestre em Agronomia/Estatística e Experimentação Agronômica, pela Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, da Universidade de São Paulo, em 1986. Graduado em Agronomia pela Universidade Federal Rural de Pernambuco, em 1976.

[4] Doutorado em Engenharia Agrícola pela Universidade Federal de Campina Grande (2011). Mestrado em Meteorologia pela Universidade Federal de Alagoas (2003). Especialização em Agrometeorologia do Semi Árido (1995). Graduação em Agronomia pela Universidade Federal de Alagoas (1992).

Enviado: Agosto, 2019.

Aprovado: Fevereiro, 2020.

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