Cogeração de Energia em Indústria Sucroalcooleira - Vantagens e Aplicações

No mundo da geração de energia temos muitas matrizes e possibilidades de geração Então esperase encontrar muitos problemas neste sentido e como engenheiros temos que trazer as soluções para a comunidade empresas e clientes Questão 1 A cogeração de energia também chamada de CHP Combined Heat and Power é uma abordagem eficiente e sustentável que produz eletricidade e calor útil simultaneamente a partir de uma única fonte de energia como gás natural biomassa carvão ou energia solar Ela oferece vantagens econômicas ambientais e energéticas sendo uma escolha atraente em um mundo preocupado com recursos limitados custos energéticos crescentes e redução das emissões de gases de efeito estufa Ao contrário da geração convencional de eletricidade que frequentemente desperdiça calor residual a cogeração utiliza esse calor para aplicações térmicas melhorando a eficiência do sistema reduzindo o consumo de combustíveis e as emissões de poluentes além de aumentar a independência com relação à rede elétrica Na indústria sucroalcooleira a cogeração de energia desempenha um papel especialmente relevante e estratégico Nesse setor a matériaprima principal é a canadeaçúcar da qual são extraídos não apenas produtos como açúcar e etanol mas também uma quantidade substancial de biomassa residual conhecida como bagaço de cana A cogeração aproveita esse bagaço como uma fonte de energia renovável para alimentar caldeiras de alta pressão produzindo vapor e por consequência eletricidade através de turbinas O calor residual durante a geração de energia é utilizado para as operações industriais como a destilação do etanol e o processamento de açúcar o que aumenta significativamente a eficiência energética da planta Além disso o excedente de eletricidade pode ser exportado para a rede elétrica contribuindo para a estabilidade do sistema e gerando receitas adicionais Sabendo disso imaginese trabalhando em uma indústria sucroalcooleira que não possui gerador de energia e você quer mostrar os benefícios e estimativas para o seu superior Para isso você precisa organizar algumas informações a Sobre o texto apresentado o sistema de cogeração nas indústrias sucroalcooleira são ciclos Topping ou Bottoming Explique as diferenças dos dois tipos de ciclos b Você encontrou informações sobre a geradora termoelétrica da Usina São Martinho localizada em PradópolisSP que tem o mesmo porte onde você trabalha mas dentro dela algumas informações não foram apresentadas Através do seu conhecimento estime os valores que estão faltando para apresentar ao seu superior por facilidade considere a saída da turbina com vapor saturado Figura 1 Planta da unidade geradora Fonte ABDO J M Usinas Termeletricas de Pequeno Porte no Estado de Sao Paulo São Paulo 2001 Grandeza Valor Unidad e Potência gerada na turbina 1900 0 kW Vazão mássica Temperatura de entrada 300 C Pressão de entrada 20 MPa Entalpia de entrada Temperatura de saída Pressão de saída 015 MPa Entalpia de saída Tabela 1 Informações da unidade geradora Fonte o autor 2023 Questão 2 O vento consiste no deslocamento de massas de ar o que possui uma grande energia cinética que pode ser utilizada na geração de eletricidade Esse ramo da geração elétrica está se expandindo amplamente nos últimos anos por ser uma energia limpa e abundante e por já apresentar um custo de geração viável a ponto de ser inserido na matriz energética brasileira A potência é a taxa de variação temporal da energia com relação ao tempo Podese determinar a potência eólica P disponível no vento que passa por uma seção transversal de área A pela equação Onde P e a potência disponível no vento A é a área varrida pelas pás do aerogerador em movimento v é a velocidade do vento e d é a densidade do ar no local Sabendo disso um cliente chegou com um projeto de turbina eólica conforme a Figura 1 e solicitou ajuda com algumas informações Então para ajudálo responda conforme o que o cliente trouxe Figura 2 Esquemático do aerogerador Fonte SANTOS L D dos Geração de Energia Elétrica Maringá UniCesumar 2021 a Qual tipo de turbina que o cliente trouxe de eixo vertical ou de eixo horizontal b Qual é a área varrida pelas pás do aerogerador c Complete a tabela com a potência eólica e a potência elétrica gerada considerando uma eficiência elétrica total do sistema de 30 P elétrica Peólicansistesma Para um dia típico onde será instalada a turbina eólica considere a densidade do ar no local como 1 kgm3 Horári o Velocidade do vento ms Potência Eólica kW Potência Elétrica kW 0000 6 0100 6 0200 5 0300 4 0400 3 0500 2 0600 2 0700 8 0800 15 0900 18 1000 20 1100 20 1200 20 1300 19 1400 18 1500 18 1600 18 1700 20 1800 18 1900 16 2000 16 2100 14 2200 13 2300 11 Tabela 2 Dados de velocidade do vento de Sobral CE no dia 27082022 Fonte o autor 2023 d Monte o gráfico da curva de produção com as informações da tabela da Questão 3 do dia estudado Horário x Potência elétrica Questão 3 As Pequenas Centrais Hidrelétricas PCHs são usinas hidrelétricas de tamanho reduzido com potência variando entre 5 e 30 megawatts MW e área de reservatório inferior a 13 km² conforme definido pela Agência Nacional de Energia Elétrica Aneel em 1997 Apesar do nome que sugere pequenez essas PCHs contribuem significativamente para o sistema elétrico brasileiro representando aproximadamente 35 da capacidade instalada total A exploração desse potencial começou após o fim do monopólio estatal no setor elétrico em 1997 quando investidores privados direcionaram mais de R 1 bilhão para estudos e projetos de geração de energia renovável Atualmente há mais de 9000 MW em projetos de PCHs protocolados na Aneel embora cerca de 7000 MW ainda aguardem aprovação Sabendo disso pense na seguinte situação chegou um grupo de empresas que quer investir em geração de energia elétrica renováveis e o grupo em questão tem em vista uma propriedade rural onde possui um rio e um grande declive sendo interessante a instalação de uma PCH Você deve levantar algumas informações para organizar uma apresentação para o seu cliente As informações que você deve apresentar ao seu cliente são a Para os seus clientes ficarem mais familiarizados diga para ele como é o princípio de funcionamento para a geração de energia nas PCHs b Sabendo que a montante do rio se encontra a uma cota de 210 m e a jusante do rio se encontra a uma cota de 160 m com a vazão de 14375 m3s e os rendimentos são 985 92 e 94 para o sistema hidráulico para a turbina e para o alternador respectivamente Com estas informações demonstre a potência disponível no eixo da turbina e a potência elétrica na saída do alternador utilize g98 ms 2 c Com base na potência altura e vazão mostre qual seria as melhores ou a melhor opção de turbina deste projeto d O cliente tem a intenção de instalar uma usina geradora com a potência estimada encontrada Utilize quatro algarismos significativos então encontre o custo unitário da energia produzida RkWano Dados Custo de investimento da Usina 24 milhões de reais 1100 RkW Custo de OM 106 RkWano Vida útil 50 anos Taxa de atualização 10 Energia firme valor da potência encontrada no alternador FC 1 No mundo da geração de energia temos muitas matrizes e possibilidades de geração Então esperase encontrar muitos problemas neste sentido e como engenheiros temos que trazer as soluções para a comunidade empresas e clientes Questão 1 A cogeração de energia também chamada de CHP Combined Heat and Power é uma abordagem eficiente e sustentável que produz eletricidade e calor útil simultaneamente a partir de uma única fonte de energia como gás natural biomassa carvão ou energia solar Ela oferece vantagens econômicas ambientais e energéticas sendo uma escolha atraente em um mundo preocupado com recursos limitados custos energéticos crescentes e redução das emissões de gases de efeito estufa Ao contrário da geração convencional de eletricidade que frequentemente desperdiça calor residual a cogeração utiliza esse calor para aplicações térmicas melhorando a eficiência do sistema reduzindo o consumo de combustíveis e as emissões de poluentes além de aumentar a independência com relação à rede elétrica Na indústria sucroalcooleira a cogeração de energia desempenha um papel especialmente relevante e estratégico Nesse setor a matériaprima principal é a canadeaçúcar da qual são extraídos não apenas produtos como açúcar e etanol mas também uma quantidade substancial de biomassa residual conhecida como bagaço de cana A cogeração aproveita esse bagaço como uma fonte de energia renovável para alimentar caldeiras de alta pressão produzindo vapor e por consequência eletricidade através de turbinas O calor residual durante a geração de energia é utilizado para as operações industriais como a destilação do etanol e o processamento de açúcar o que aumenta significativamente a eficiência energética da planta Além disso o excedente de eletricidade pode ser exportado para a rede elétrica contribuindo para a estabilidade do sistema e gerando receitas adicionais Sabendo disso imaginese trabalhando em uma indústria sucroalcooleira que não possui gerador de energia e você quer mostrar os benefícios e estimativas para o seu superior Para isso você precisa organizar algumas informações a Sobre o texto apresentado o sistema de cogeração nas indústrias sucroalcooleira são ciclos Topping ou Bottoming Explique as diferenças dos dois tipos de ciclos O sistema de cogeração nas indústrias sucroalcooleiras pode adotar tanto ciclos Topping quanto Bottoming dependendo da configuração específica do processo No ciclo Topping a cogeração é realizada por meio da geração simultânea de eletricidade e calor a partir de uma única fonte de energia primária como o bagaço de cana na indústria sucroalcooleira Esse ciclo tem as seguintes características Produção de Eletricidade como Principal Objetivo No ciclo Topping a prioridade está na produção de eletricidade O calor residual gerado durante a produção de eletricidade é então utilizado para aplicações térmicas como destilação do etanol e processamento de açúcar aumentando a eficiência energética da planta Caldeiras de Alta Pressão e Turbinas O bagaço de cana ou outra biomassa residual é utilizado para alimentar caldeiras de alta pressão produzindo vapor Esse vapor aciona turbinas que por sua vez geram eletricidade No ciclo Bottoming a cogeração ocorre após um processo de geração de eletricidade convencional O calor residual gerado nesse processo é então aproveitado para aplicações térmicas As principais características são Geração Convencional de Eletricidade Inicialmente a eletricidade é gerada de maneira convencional sem o objetivo específico de aproveitar o calor residual Aproveitamento do Calor Residual O calor residual gerado durante o processo convencional de geração de eletricidade é capturado e utilizado para aplicações térmicas melhorando a eficiência geral do sistema No ciclo Topping a geração de eletricidade é a atividade principal enquanto no Bottoming a eletricidade é gerada de forma convencional e o calor residual é posteriormente utilizado Ambos os ciclos visam melhorar a eficiência global do sistema aproveitando o calor residual para fins térmicos Na indústria sucroalcooleira mencionada no texto a descrição parece se alinhar mais ao ciclo Topping onde o bagaço de cana é diretamente utilizado para a produção de eletricidade e calor útil b Você encontrou informações sobre a geradora termoelétrica da Usina São Martinho localizada em PradópolisSP que tem o mesmo porte onde você trabalha mas dentro dela algumas informações não foram apresentadas Através do seu conhecimento estime os valores que estão faltando para apresentar ao seu superior por facilidade considere a saída da turbina com vapor saturado Figura 1 Planta da unidade geradora Fonte ABDO J M Usinas Termeletricas de Pequeno Porte no Estado de Sao Paulo São Paulo 2001 Grandeza Valor Unidade Potência gerada na turbina 19000 kW Vazão mássica 50000 Kgh Temperatura de entrada 300 C Pressão de entrada 20 Mpa Entalpia de entrada 3050 KgkJ Temperatura de saída 150 C Pressão de saída 015 MPa Entalpia de saída 2750 KgkJ Tabela 1 Informações da unidade geradora Fonte o autor 2023 Vazão Mássica A vazão mássica pode variar significativamente com o tipo de fluido de trabalho Para um fluido comum em processos industriais como vapor dágua poderíamos considerar uma vazão mássica na ordem de 50000 kgh Entalpia de Entrada A entalpia de entrada depende do tipo de fluido e das condições específicas do processo Para vapor dágua a 20 MPa e 300 C a entalpia de entrada pode ser estimada em aproximadamente 3050 kJkg Temperatura de Saída A temperatura de saída depende da eficiência da turbina Considerando uma eficiência típica de 80 a temperatura de saída poderia ser aproximadamente 150 C Entalpia de Saída A entalpia de saída pode ser calculada considerando a variação de entalpia e a entalpia de entrada Supondo uma eficiência isentrópica podemos estimar a entalpia de saída em 2750 kJkg Questão 2 O vento consiste no deslocamento de massas de ar o que possui uma grande energia cinética que pode ser utilizada na geração de eletricidade Esse ramo da geração elétrica está se expandindo amplamente nos últimos anos por ser uma energia limpa e abundante e por já apresentar um custo de geração viável a ponto de ser inserido na matriz energética brasileira A potência é a taxa de variação temporal da energia com relação ao tempo Podese determinar a potência eólica P disponível no vento que passa por uma seção transversal de área A pela equação Onde P e a potência disponível no vento A é a área varrida pelas pás do aerogerador em movimento v é a velocidade do vento e d é a densidade do ar no local Sabendo disso um cliente chegou com um projeto de turbina eólica conforme a Figura 1 e solicitou ajuda com algumas informações Então para ajudálo responda conforme o que o cliente trouxe Figura 2 Esquemático do aerogerador Fonte SANTOS L D dos Geração de Energia Elétrica Maringá UniCesumar 2021 a Qual tipo de turbina que o cliente trouxe de eixo vertical ou de eixo horizontal Tratase de uma turbina de eixo horizontal b Qual é a área varrida pelas pás do aerogerador A área é de Aπ R 2625π 196349m 2 c Complete a tabela com a potência eólica e a potência elétrica gerada considerando uma eficiência elétrica total do sistema de 30 Pelétrica Peólicansistesma Para um dia típico onde será instalada a turbina eólica considere a densidade do ar no local como 1 kgm3 Horári o Velocidade do vento ms Potência Eólica kW Potência Elétrica kW 0000 6 21206 6362 0100 6 21206 6362 0200 5 12272 3682 0300 4 6283 1885 0400 3 2651 795 0500 2 785 236 0600 2 785 236 0700 8 50265 15080 0800 15 331339 99402 0900 18 572554 171766 1000 20 785396 235619 1100 20 785396 235619 1200 20 785396 235619 1300 19 673379 202014 1400 18 572554 171766 1500 18 572554 171766 1600 18 572554 171766 1700 20 785396 235619 1800 18 572554 171766 1900 16 402123 120637 2000 16 402123 120637 2100 14 269391 80817 2200 13 215689 64707 2300 11 130670 39201 Tabela 2 Dados de velocidade do vento de Sobral CE no dia 27082022 Fonte o autor 2023 d Monte o gráfico da curva de produção com as informações da tabela da Questão 3 do dia estudado Horário x Potência elétrica 000 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 000 50000 100000 150000 200000 250000 PotElet x h Hora Potência Elétrica Questão 3 As Pequenas Centrais Hidrelétricas PCHs são usinas hidrelétricas de tamanho reduzido com potência variando entre 5 e 30 megawatts MW e área de reservatório inferior a 13 km² conforme definido pela Agência Nacional de Energia Elétrica Aneel em 1997 Apesar do nome que sugere pequenez essas PCHs contribuem significativamente para o sistema elétrico brasileiro representando aproximadamente 35 da capacidade instalada total A exploração desse potencial começou após o fim do monopólio estatal no setor elétrico em 1997 quando investidores privados direcionaram mais de R 1 bilhão para estudos e projetos de geração de energia renovável Atualmente há mais de 9000 MW em projetos de PCHs protocolados na Aneel embora cerca de 7000 MW ainda aguardem aprovação Sabendo disso pense na seguinte situação chegou um grupo de empresas que quer investir em geração de energia elétrica renováveis e o grupo em questão tem em vista uma propriedade rural onde possui um rio e um grande declive sendo interessante a instalação de uma PCH Você deve levantar algumas informações para organizar uma apresentação para o seu cliente As informações que você deve apresentar ao seu cliente são a Para os seus clientes ficarem mais familiarizados diga para ele como é o princípio de funcionamento para a geração de energia nas PCHs 1 Captação de Água O processo começa com a captação de água do rio utilizando uma estrutura chamada barragem ou represa Essa estrutura ajuda a criar uma diferença de altura aproveitando o declive natural do terreno 2 Canalização da Água A água captada é canalizada através de condutas ou canais forçados em direção à casa de máquinas garantindo uma trajetória controlada para a água 3 Casa de Máquinas Na casa de máquinas a água é direcionada para as turbinas As PCHs geralmente utilizam turbinas do tipo Pelton Francis ou Kaplan dependendo das características do local 4 Turbinas As turbinas convertem a energia cinética da água em energia mecânica à medida que a água passa por suas lâminas Cada tipo de turbina é otimizado para condições específicas de vazão e queda dágua 5 Geradores A energia mecânica gerada pelas turbinas é transmitida aos geradores Os geradores convertem essa energia mecânica em eletricidade por meio do princípio da indução eletromagnética 6 Transmissão de Energia A eletricidade gerada é então transmitida por linhas de transmissão até os pontos de consumo ou conectada à rede elétrica b Sabendo que a montante do rio se encontra a uma cota de 210 m e a jusante do rio se encontra a uma cota de 160 m com a vazão de 14375 m3s e os rendimentos são 985 92 e 94 para o sistema hidráulico para a turbina e para o alternador respectivamente Com estas informações demonstre a potência disponível no eixo da turbina e a potência elétrica na saída do alternador utilize g98 ms2 Pturbsistturbalt gQ H Pturb098509209410009814375 2101605901MW c Com base na potência altura e vazão mostre qual seria as melhores ou a melhor opção de turbina deste projeto Considerando a altura de queda dágua de 50 metros e a vazão de 14375 m³s sugerese que uma turbina do tipo Francis seria uma escolha adequada para esse projeto específico A turbina Francis é conhecida por sua versatilidade e eficiência em médias quedas dágua o que se alinha bem com as condições mencionadas Principais razões para sugerir a turbina Francis Adaptabilidade a Médias Quedas dÁgua A turbina Francis é projetada para funcionar eficientemente em quedas dágua moderadas o que a torna apropriada para a altura de 50 metros Eficiência em Variações de Vazão A turbina Francis é versátil e pode lidar bem com variações na vazão oferecendo boa eficiência em uma ampla faixa de condições operacionais Aplicação em Projetos de Médio Porte É uma escolha comum para centrais hidrelétricas de médio porte o que pode ser adequado para a escala do projeto mencionado d O cliente tem a intenção de instalar uma usina geradora com a potência estimada encontrada Utilize quatro algarismos significativos então encontre o custo unitário da energia produzida RkWano Dados Custo de investimento da Usina 24 milhões de reais 1100 RkW Custo de OM 106 RkWano Vida útil 50 anos Taxa de atualização 10 Energia firme valor da potência encontrada no alternador FC 1 CI240000001100590150R 34855500000 COM106590110R625506000 Ai 1i n 1i n1 0162 NT CICOM A E FC 11i n8760 1101 R kW ano