Hoje, grande parte do bagaço produzido no setor sucroalcooleiro brasileiro é utilizado na produção de energia elétrica e calor de processo. Grande parte dessa geração é voltada para o atendimento das necessidades da própria usina (autoprodução). Há ainda a questão da palha, que semelhante ao bagaço, serve como combustível para produção energia. Entretanto, devido ao fato de ainda haver grande parte de colheita manual nas lavouras de cana-de-açúcar, a palha é deixada no solo, funcionando como adubo orgânico para a cultura.
Embora tenha sido muito empregada até meados do século XX, a cogeração foi perdendo a competitividade para a eletricidade produzida pelas concessionárias nas grandes centrais geradoras (termoelétricas, hidrelétricas, termonucleares), o que implicou na redução dos custos da eletricidade, restringindo o emprego da cogeração em sistemas isolados (plataformas submarinas) e indústrias com resíduos combustíveis (canavieira e de papel e celulose, por exemplo) (INEE, 2015).
No entanto, importantes mudanças no cenário energético mundial, como as decorrentes das crises do petróleo, em 1973 e 1979, incentivaram a busca por fontes alternativas.
Houve a necessidade de reformas em face da elevação do custo da geração de energia institucionais em vários países em face da elevação do custo da geração de energia elétrica segundo as tecnologias convencionais (termeletricidade a carvão mineral), tanto por razões tecnológicas quanto ambientais e devido ao processo recessivo dos países industrializados (CORTEZ et al., 2008). Essas reformas, de caráter eminentemente descentralizador, resultaram na revalorização da cogeração, na produção de energia elétrica em pequena escala, no uso mais intensivo de fontes energéticas renováveis e na produção independente (MATEUS, 2010).
Uma típica central termoelétrica a bagaço de cana-de-açúcar é composta de vários sistemas: caldeira, turbina, gerador elétrico, subestação elevatória e o sistema de transmissão de energia, além de um conjunto de sistemas periféricos como alimentação da caldeira, sistemas de refrigeração de mancais do turbogerador etc. (MATEUS, 2010).
De acordo com Corrêa Neto e Ramon (2002), a transformação da energia térmica em energia mecânica, que ocorre em uma central termoelétrica, é realizada por diferentes equipamentos cuja construção é baseada em algum dos diversos ciclos termodinâmicos conhecidos. No caso do setor sucroalcooleiro, o atendimento energético é tradicionalmente realizado pelo ciclo Rankine, onde o combustível (bagaço de cana) é queimado externamente
52 (na caldeira) à maquina motriz (turbina), para produzir vapor. Esse vapor superaquecido está a uma temperatura que varia entre 723K a 803K, em usinas mais modernas. Em seguida, o vapor se expande na turbina e produz trabalho mecânico, acionado um gerador (CORRÊA NETO, RAMON, 2002).
Após a expansão, o vapor em baixas pressões e menor temperatura é condensado e retorna para a caldeira. Segundo Cremonez (2013) este é o principal ponto onde a cogeração é agregada, pois antes do fluido (vapor) ser retornado ao estado líquido, ele pode ser usado no processo industrial para diversos fins como evaporação, cozimento, secagem e outros. Assim, há dois arranjos básicos de cogeração: o primeiro com a turbina em contrapressão, onde o condensador é substituído pelo próprio processo industrial e o segundo, com a turbina de condensação, onde o vapor retorna à caldeira na forma de condensado.
Assim, empregam-se duas tecnologias comerciais na cogeração do setor sucroalcooleiro, sendo que uma utiliza turbinas de contrapressão e é a mais difundida no setor sucroalcooleiro nacional, e outra que utiliza turbinas de condensação/extração. A Figura 3.1 apresenta um desenho típico de um sistema de cogeração com turbina a vapor, com presença de condensador.
Figura 3.1 – Esquema típico de um sistema de cogeração com turbina a vapor com presença de condensador
53 Essas duas rotas tecnológicas foram analisadas juntamente com outras no estudo sobre biomassa contemplado no Plano Nacional de Energia 2030 e resumidas pela ANEEL no Atlas de Energia Elétrica do Brasil (2008), podendo assim ser diferenciadas:
Ciclo a vapor com turbinas de contrapressão: “É empregado de forma integrada a
processos produtivos por meio de cogeração. Nele, a biomassa é queimada diretamente em caldeiras e a energia térmica resultante é utilizada na produção do vapor. Este vapor pode acionar as turbinas usadas no trabalho mecânico requerido nas unidades de produção e as turbinas para a geração de energia elétrica. Além disso, o vapor que seria liberado na atmosfera após a realização desses processos pode ser encaminhado para o atendimento das necessidades térmicas do processo de produção”. De acordo com o estudo, este processo é o mais difundido atualmente além de apresentar maturidade do ponto de vista comercial e industrial. De acordo com Lora21 apud Mateus (2010, p.49), a desvantagem desse sistema é a pouca flexibilidade em relação à variação de carga, de modo que a potência elétrica fica condicionada ao consumo de vapor no processo.
Ciclo a vapor com turbinas de condensação e extração: “Consiste na condensação total
ou parcial do vapor ao final da realização do trabalho na turbina para atendimento às atividades mecânicas ou térmicas do processo produtivo. Esta energia a ser condensada, quando inserida em um processo de cogeração, é retirada em um ponto intermediário da expansão do vapor que irá movimentar as turbinas. A diferença fundamental desta rota em relação à contrapressão é a existência de um condensador na exaustão da turbina e de níveis determinados para aquecimento da água que alimentará a caldeira. A primeira característica proporciona maior flexibilidade da geração termelétrica (que deixa de ser condicionada ao consumo de vapor no processo). A segunda proporciona aumento na eficiência global da geração de energia. Este sistema, portanto, permite a obtenção de maior volume de energia elétrica”. Um inconveniente deste sistema é o alto custo necessário à sua instalação, muito superior aos investimentos necessários à implantação do sistema simples de condensação.
Os sistemas de cogeração supracitados também podem ser classificados de acordo com a ordem de produção de cada tipo de energia. Assim, tem-se os sistemas
“toppingcycle22” e “bottomingcycle”, respectivamente. No primeiro deles, a produção de
21
LORA, Electo Eduardo Silva. Controle da poluição do ar na indústria açucareira. Escola Federal de Engenharia de Itajubá. 2000.
22
Na configuração topping, o combustível é queimado primeiramente em uma máquina térmica para produção
54 energia elétrica é privilegiada e o resíduo de sua produção (vapor) é utilizado nos processos que necessitam de energia térmica na forma de vapor a baixas temperaturas e/ou pressão. No bottomingcycle, a geração de energia elétrica é secundária (RIBAS, 2014).
Entre esses dois sistemas de cogeração, o mais utilizado no Brasil é o topping, pois o vapor residual do processo geralmente está a uma temperatura muito baixa para poder ser reaproveitado na geração de eletricidade. Assim, os sistemas bottoming são utilizados apenas em indústrias cujos processos forneçam grande quantidade de calor residual, limitando assim o uso desse ciclo (SANTOS e NOVO, 2008).
Balestieri (2002) aponta três estratégias de operação possíveis para centrais de cogeração em regime topping, conforme descrito a seguir.
1) Paridade térmica: nesse caso, o sistema é dimensionado de forma a ser atendida, primordialmente, a demanda térmica do processo. Pode, ou não, haver suplemento de calor por caldeiras auxiliares, em caso de alta demanda. Nesse caso, a energia elétrica é tratada como um subproduto, devendo ser adquirida da rede, caso a produção interna não seja suficiente. Caso haja excedente, a energia elétrica pode ser vendida à rede da concessionária de distribuição. A demanda para a qual o sistema está sendo projetado é a térmica.
2) Paridade elétrica: O sistema é projetado para atender prioritariamente a demanda elétrica. Para esses sistemas, o déficit de energia térmica deve ser adquirido de fornecedores externos, ou então, produzido a partir de um sistema de geração de vapor independente. Em sistemas operando em paridade elétrica, o excedente de energia térmica – vapor, caso exista, só poderá ser comercializado caso o mesmo se encontre próximo suficiente de outros consumidores. Por se tratar de um sistema que é projetado para suprir a demanda elétrica não existe excedente elétrico.
3) Despacho econômico: corresponde à colocação da central de cogeração em funcionamento apenas nos períodos em que a tarifa paga pela concessionária apresenta um retorno que interesse ao investidor. A central de cogeração poderá ficar desligada da concessionária nos casos em que não houver uma atratividade econômica em sua operação, ainda que isto implique custos devido à ociosidade dos equipamentos. Nessa estratégia, procura-se atender à comercialização de excedentes em períodos de tempo limitados, ou seja, na escala temporal diária ou na mensal, na medida em que os excedentes, térmicos ou elétricos, existam e que apresentem atratividade econômica e financeira.
Em relação ao processo de armazenamento de bagaço, este deve ser cuidadosamente planejado. A temperatura do bagaço armazenado sofre elevação, devido à ação de
55 decomposição do resíduo por microorganismos, podendo comprometer a saúde dos trabalhadores pela bagaçose. Esta tem sido descrita como uma pneumonia de hipersensibilidade caracterizada por inflamações dos brônquios e alvéolos, originada pela ação bacterial das endotoxinas desenvolvidas no bagaço armazenado (ABMT, 2003). Deste modo, várias pesquisas têm sido realizadas para estudar os meios ideais para armazenamento de bagaço.