Estudo de plantas de cogeração a biomassa assistidas por energia solar como alternativa para indústria de alimentos

Abstract

A crescente demanda energética bem como os impactos ambientais causados pelo uso de combustíveis fósseis tem motivado a busca por fontes renováveis de energia, com ênfase no desenvolvimento de novas tecnologias voltadas para conversão da energia solar, eólica e também da biomassa. Neste contexto, o setor industrial demanda significativa parcela de fontes energéticas, sobretudo de eletricidade quase sempre importada da rede pública. De certa forma, há relativo empenho das empresas em aumentar a eficiência energética investindo em plantas de cogeração que atendam demandas elétricas e térmicas da cadeia de produção. Com este objetivo o presente trabalho contempla estudos relacionados a plantas de cogeração, associando uso combinado de biomassa e energia solar para atender demandas elétricas e térmicas de uma indústria do setor de alimentos, localizada no oeste do estado do Paraná. Em relação a abordagem adotada, inicialmente definiu-se uma planta de cogeração com leiaute e características operacionais baseadas em estudos anteriores do LabCET. A planta é equipada com uma caldeira com capacidade nominal de 55, 2 t/h de vapor superaquecido com parâmetros de 68 bar e 520 °C. O vapor superaquecido é expandido em uma turbina de condensação (Condensing-Extraction Steam Turbine - CEST) para gerar a potência elétrica requirida. Adicionalmente, uma extração é realizada a 10 bar para atendimento das demandas de vapor nos processos. Posteriormente, dois cenários integrando coletores solares do tipo Linear Fresnel foram propostos e avaliados, sendo: (a) Aquecimento de Água de Alimentação (FWH) com energia solar e (b) Geração Direta de Vapor (DSG) com energia solar em paralelo ao gerador de vapor a biomassa. As plantas foram analisadas considerando operação em carga plena para cada hora do ano meteorológico típico. Para avaliar a influência dos níveis de radiação na viabilidade técnica e econômica das plantas, os cenários também foram simulados no oeste do estado da Bahia. Como resultados importantes, foram identificadas as características da operação dos principais componentes da planta em condição de projeto e sob operação anual. Foram identificados os componentes que mais destroem exergia, bem como o potencial de economia de cavaco de eucalipto e a redução da área de floresta energética em razão do aproveitamento da energia solar para ambos os cenários. A análise de viabilidade econômica dos cenários propostos foi realizada por meio do cálculo dos parâmetros Taxa Interna de Retorno (TIR), Valor Presente Líquido (VPL) e tempo de retorno do investimento (payback descontado). Adicionalmente foi determinado o custo nivelado de eletricidade (Levelized Cost of Eletricity- LCOE) em função da operação híbrida. Como esperado, identificou-se potencial para redução do consumo anual de combustível entre 1,0% e 10,6% e consequentemente da área de floresta energética necessária suprir as necessidades da planta de cogeração em ambos os cenários avaliados, com destaque para as localidades com elevados índices de irradiação solar. Entretanto, a análise de pré-viabilidade econômica mostrou que, devido ao elevado custo dos concentradores o LCOE para os cenários híbridos está na faixa de 281-311 R$/MWh, superior aos 280 R$/MWh obtidos para o cenário operando apenas com biomassa. Desta forma, a redução do consumo de biomassa em função da inserção da tecnologia solar não viabiliza este tipo de projeto.

Abstract: The growing energy demand as well as the environmental impacts caused by using fossil fuels has motivated the search for renewable energy sources, with emphasis on the development of new technologies for solar, wind and biomass energy conversion. The industrial sector demands a significant portion of energy sources, especially electricity, which is almost always imported from the public grid. Companies have been attempting to increase energy efficiency by investing in cogeneration plants that meet the electrical and thermal demands of the production chain. The present work includes studies related to cogeneration plants, associating the combined use of biomass and solar energy to meet the electric and thermal demands of a food industry located in the western part of the state of Paraná. Regarding the approach adopted, initially a cogeneration plant, with layout and operational characteristics based on previous LabCET studies, was defined. The plant has a 55.2 t/h capacity boiler that provides superheated steam at 68 bar and 520 °C. The superheated steam is expanded in a Condensing-Extraction Steam Turbine (CEST) to generate the required electrical power. Additionally, an extraction is performed at 10 bar to meet the steam demands of the processes. Two scenarios integrating Linear Fresnel collectors were proposed and evaluated: (a) Feed Water Heating (FWH) and (b) Direct Steam Generation (DSG) with solar energy in parallel to the biomass steam generator. The plants were analyzed considering full load operation for each hour of the typical meteorological year. To evaluate the influence of radiation levels on the technical and economic viability of the plants, the scenarios were also simulated in western Bahia state. As important results, the characteristics of the operation of the main plant components under design condition and under annual operation were identified. The components that most destroy exergy were identified, as well as the potential savings in eucalyptus chips and the reduction in the area of energy forest due to the use of solar energy for both hybrid scenarios. The economic viability analysis was carried out by calculating the Internal Rate of Return (IRR), Net Present Value (NPV) and return on investment time (discounted payback). Additionally, the Levelized Cost of Electricity (LCOE) was determined. As expected, the annual consumption of fuel decreased between 1.0%-10.6% and consequently the area covered with biomass also decreased in both scenarios, with emphasis on the location with high solar irradiation. However, the economic analysis showed that, due to the high cost of the solar field the LCOE for the hybrid scenarios were between 281-311 R$/MWh that is higher than the 280 R$/MWh obtained for the scenario with biomass only. Thus, the biomass reduction due to the insertion of solar technology does not make this project viable.