UFPE – CTG – DEQPLANO DE TRABALHO PARA AS DISCIPLINAS DE TCC E ESTÁGIO

1 – IDENTIFICAÇÃO

Nome do aluno: Túlio Rafael Guerra Avellar

Matrícula: 06487249483

Curso: Engenharia Química

Professor(a) Orientador(a): Antônio Carlos Duarte Coêlho

Início das atividades: 08/10/2014

2 – TÍTULO DO TRABALHO

COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM CICLO COMBINADO EM UMA USINA SUCROALCOOLEIRA

3 – INTRODUÇÃO / OBJETIVOS

Na indústria de eletricidade, o segmento da geração é responsável por produzir energia elétrica e

direcioná-la aos sistemas de transmissão e distribuição, para que chegue em seu destino final. No Brasil, o

segmento de geração é bastante fragmentado. Segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica

(ANEEL), o Brasil conta com 3.152 empreendimentos geradores.

Esses empreendimentos, em sua maioria, são usinas termoelétricas de médio porte, movidas a gás natural,

biomassa, óleo combustível, óleo diesel e carvão mineral. Entretanto, cerca de 70% da capacidade instalada no

país e 74% da energia gerada, são de origem hidrelétricas e limpa (ANEEL, 2014).

A procura por melhorias nos sistemas energéticos atuais e a busca por novas fontes de geração de energia

têm sido cada vez mais significativas. Um dos principais motivos que levaram a essa busca foi a preocupação

causada por graves consequências que o efeito estufa vem provocando ao meio ambiente. Outro fator que

também contribui é o crescimento da demanda da população pelo consumo de energia (ARAÚJO, 2001).

Diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas, visando relacionar a busca pela produtividade energética

com a garantia de sustentabilidade, reduzindo ao máximo os impactos ambientais. No Brasil, como em outros

países, a biomassa vem se destacando como uma das principais escolhas para a diversificação da matriz

energética e diminuição da utilização de combustíveis fósseis (CENBIO, 2001).

A biomassa, derivada de materiais orgânicos tais como o bagaço, as pontas e a palha da cana-de-açúcar,

palha de milho, cascas de arroz, dentre outros, vem sendo estudada como a principal fonte de energia

alternativa do futuro. Os estudos apontam que os processos com biomassa podem gerar combustíveis líquidos

e gasosos, além de carvão, com menores níveis de componentes poluentes quando comparados aos materiais

fósseis (ALVES, 2011).

Atualmente, o bagaço é uma fonte energética essencial para as usinas, sendo usado na geração de vapor e

energia elétrica. O poder calorífico superior do material varia entre 18 e 20 MJ/kg e produz-se, em média, 585

kWh por tonelada de cana, onde apenas 70% da energia primária do bagaço é convertida em energia útil. O

baixo aproveitamento da energia primária do bagaço, bem como o excedente de produção, deve-se às baixas

eficiências dos ciclos de cogeração empregados na maioria das usinas, associadas ao baixo custo do bagaço.

Sobre os usos futuros do bagaço, diversos estudos apontam a viabilidade de produção de energia elétrica

excedente e sua posterior comercialização à rede, mediante a modernização dos sistemas atuais de cogeração

e utilização do excedente de bagaço, além do uso das fibras como matéria-prima para o incremento de

produção de etanol (LEAL, 2010a).

O objetivo deste trabalho é demonstrar uma maneira para maximizar a cogeração de energia elétrica a

partir do uso do bagaço e da palha da cana-de-açúcar. Uma possível solução é utilizando-se o ciclo combinado

de Rankine e Brayton. No ciclo termodinâmico de Rankine, o calor da queima é usado para produção de vapor

em uma caldeira, que será direcionado para uma turbina de vapor que acionará um gerador elétrico. Já no

ciclo de Brayton, utiliza-se a violenta expansão ocasionada pela combustão de uma mistura de ar comprimido

com um combustível para realizar trabalho de eixo em uma turbina de gás, gerando assim energia elétrica.

Quando se deseja obter mais energia elétrica do que térmica, os dois ciclos com cogeração podem ser

associados em série térmica, originando um ciclo combinado Rankine-Brayton. A fase final do ciclo de Brayton

é a exaustão dos gases da combustão a altas temperaturas, que geram trabalho mecânico durante sua

expansão. A energia residual desses gases pode ser reaproveitada por cogeração de vapor utilizando uma

caldeira de recuperação de calor. No ciclo combinado, esse vapor é direcionado para uma turbina de vapor, se

expandindo para realizar trabalho e produzir mais energia elétrica. Por fim, o vapor de saída da turbina é

destinado aos processos da usina que necessitam de calor (BORELLI, 2000).

4 – RELEVÂNCIA DO TEMA / JUSTIFICATIVA

Os combustíveis fósseis, que são uma das fontes de energia mais utilizadas no mundo, poluem o ar e estão

sendo consumidos rapidamente, com efeitos devastadores na natureza. Os combustíveis fósseis são recursos

finitos, o que significa que eles vão acabar algum dia. Além disso, eles adicionam dióxido de carbono para a

atmosfera quando são queimados.

A maioria das fontes alternativas são renováveis, como é o caso da energia obtida a partir da biomassa da

cana-de-açúcar. Portanto, tem-se um potencial no futuro da cana-de-açúcar como fonte renovável de energia

e combustível, como no caso do etanol. No que se diz respeito ao etanol, já existem diversos estudos acerca

do chamado etanol de segunda geração, onde é produzido etanol a partir do bagaço da cana-de-açúcar,

aumentando assim a produção da usina. Mas ainda é necessário fazer estudos acerca da cogeração de energia

a partir da biomassa da cana-de-açúcar, visando maior viabilidade do processo.

5 – ESTADO DA ARTE E METODOLOGIA Como fonte de energia primária, os países em desenvolvimento tendem a utilizar a biomassa como uma

das principais responsáveis pela energia consumida. A agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) define a

biomassa como sendo um recurso renovável de origem orgânica (ANEEL, 2005). Biomassa pode também ser

definida como uma fonte de hidrocarbonetos renováveis capaz de prover transporte de energia (calor,

transporte de combustível e eletricidade). Quando feitos a partir de biomassa, os produtos convertidos são

conhecidos como bioenergéticos, biocombustíveis, bioquímicos (IEA, 2008).

A biomassa apresenta certas vantagens em relação aos combustíveis fósseis, tais como: é pouco poluente,

emitindo quantidades significativas de CO2, NOx e SO2 e é uma energia renovável. A biomassa sólida é muito

barata, sendo uma das cinzas que menos poluem o meio ambiente (ALVES, 2011). Atualmente a utilização de

biomassa para produção de energia, tanto elétrica quanto em forma de vapor nas caldeiras, no Brasil já é

realidade, e o crescimento e desenvolvimento no setor têm sido bastante significativos.

A tecnologia de geração termoelétrica no mundo está passando por um momento de desenvolvimento

bastante revolucionário e seu principal agente é a aplicação das novas e eficientes plantas baseadas em

turbinas a gás (MACCHI, 1991). Os principais agentes para o desenvolvimento dessas tecnologias das turbinas

a gás são o desenvolvimento de sistemas eletrônicos de controle, da metalurgia, da fluido dinâmica e de novos

materiais.

Diversos tipos de máquinas e processos podem ser combinados, seja trabalhando com meios fluidos

distintos, ou com meios fluidos iguais, e ciclos empregando as mais distintas substâncias podem ser

construídos. Entretanto, até os dias de hoje, um tipo de ciclo combinado tem encontrado grande aplicação: a

utilização de turbinas a gás (ciclo Brayton) juntamente com turbinas a vapor (ciclo Rankine) (CUNHA, 2000).

Em geral, na indústria de cana de açúcar utiliza-se o ciclo de Rankine (Figura 1) para a cogeração de energia

elétrica. 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

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 (ROMÃO JÚNIOR, 2009).

Figura 1 – Ciclo de Rankine.

Fonte: Romão Júnior, 2009.

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 está na fase vapor. Na Figura 2 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 (ROMÃO JÚNIOR, 2009).

Figura 2 – Ciclo de Brayton.

Fonte: Romão Júnior, 2009.

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 3. 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 (ROMÃO

JÚNIOR, 2009).

Figura 3 – Ciclo combinado.

Fonte: Romão Júnior, 2009.

Para este trabalho, serão feitos cálculos para cogeração de energia em ciclo combinado, em um estudo de

caso onde a usina utiliza-se apenas do ciclo de Rankine e será feito um comparativo energético gerado nos

dois casos. Posteriormente, será feito uma estimativa do potencial de cogeração em ciclo combinado a nível

nacional, caso as usinas substituíssem o ciclo de Rankine pelo ciclo combinado.

6 – ETAPAS

Atividades OUT NOV DEZ JANRevisão bibliográfica X X XEncontro com o orientador X X X XCálculo da cogeração de energia X XCálculo da estimativa nacional X XRevisão e entrega oficial do trabalho XApresentação do trabalho em banca X

7– RESULTADOS ESPERADOS Verificar a eficiência da cogeração de energia em ciclo combinado;

Verificar a aplicabilidade do ciclo combinado (Rankine e Brayton) na usina;

Verificar a capacidade de produção energética em usinas a nível nacional utilizando ciclo combinado;

8 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS iniciais

ALVES, M. Estudo de sistemas de cogeração em usina de açúcar e álcool, com utilização do bagaço e palha

da cana. Campinas, SP: [s.n.], 2011.

ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Biomassa. Atlas de Energia Elétrica. 2 ed., pp. 77-

92. Brasília: ANEEL, 2005.

ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de energia elétrica do Brasil. 3 ed. Brasília:

Aneel, 2008.

ARAÚJO, J.L.R.H. A Questão do Investimento no Setor Elétrico Brasileiro: Reforma e Crise. In: XXIX Encontro

Nacional da ANPEC, 2001, Salvador. Anais...Salvador: 2001.

BORELLI, S. J.; 2000 – Método de análise da composição do custo da eletricidade gerada por usinas

termelétricas em ciclo combinado a gás natural – Dissertação de Pós Graduação – Publicação DM 44,

Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de São Paulo, SP, 2005.

CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM BIOMASSA. Cana-de-Açúcar no Brasil. Instituto de Eletrotécnica

e Energia – IEE. Universidade de São Paulo. SãoPaulo: CENBIO, 2001. Disponível em:

<http://www.iee.usp.br>. Acesso em 16 de outubro de 2014.

CUNHA, F., 2000, Co-Geração e Ciclos Combinados. 1 ed. CEFET/RJ, Rio de Janeiro.

IEA – INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. Energy technology perspectives 2008 – scenarios and

strategies to 2050. OECD/IEA, 2008.

LEAL, M.R.L.V. Evolução tecnológica do processamento da cana-de-açúcar para etanol e energia elétrica. In:

CORTEZ, L.A.B. Bioetanol de Cana-de-Açúcar: P&D para a Produtividade e Sustentabilidade. São Paulo:

Blucher, 2010a.

MACCHI, E., 1991, Power Generation Including Cogeneration. Energetic

Department – Politecnico di Milano, Milão, Itália.

ROMÃO JÚNIOR, R.A., 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.

Data : _______________

_______________________________________Assinatura do aluno

_______________________________________Assinatura do(a) Orientador(a)