Implementación de los biocombustibles en Brasil - Nest
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Implementación de los biocombustibles en Brasil - Nest
Implementación de los biocombustibles en Brasil Electo Eduardo Silva Lora Núcleo de Excelencia en Generación Térmoeléctrica y Distribuida – NEST Instituto de Ingenieria Mecánica Universidad Federal de Itajubá Av. BPS 1303, CP 50, Itajubá-MG, 37500-903, Brasil [email protected] ENERGIA = DESARROLLO PERO.... NECESITAMOS CONSUMIR TANTA ENERGIA ???? POR OTRO LADO....ENERGIA = DAÑO AMBIENTAL SOLUCIONES:EFICIENCIA ENERGÉTICA, DESCARBONIZACIÓN, FUENTES RENOVÁBLES (EÓLICA, HIDRAÚLICA, SOLAR Y... BIOMASA) Potencial energético de la biomasa a escala mundial 14 % del total de energía consumida. El potencial técnico de bioenergia para el año 2050 es calculado como 340-450 EJ (actual demanda global de energía). Se prevé que en el año 2050 la biomasa sea la fuente de aproximadamente el 18-30 % del total de energía consumida. La biomasa en el balance energético de Brasil La oferta interna de energía en Brasil en 2002 fue de 198 millones de tep o 1,134 tep/hab. 41,5 % de esta oferta es oriunda de fuentes renovables (14 puntos porcentuales corresponden a la energía hidráulica y 27 a la biomasa). La producción de alcohol en el 2002 fue de 12,6 millones de m3 (BEN, 2003). Los pronósticos para 2022 indican una producción de 23,7 millones de m3 (MME, 2002). En Brasil la producción de electricidad a partir de la biomasa corresponde a cerca del 4 % de la cantidad total de electricidad generada, que fue de 344,6 TWh en 2002. De la potencia instalada total de 88,36 GW corresponden a la biomasa 2,915 GW o sea un 3,3 % (ANEEL, 2004). Evolución de la composición por fuentes de la oferta interna de energía en Brasil en el periodo 1970-2002 (BEN 2003). Actualmente la fracción de “biomasa moderna” en la matriz energética de Brasil (11,3%) ya es casi igual a la fracción representada por la “biomasa tradicional” (12,5 %) (solo 1,73 % a nível mundial). Entidades brasileñas relacionadas con la utilización de la biomasa como fuente de energia CENBIO – Centro Nacional de Referencia en Biomasa. RENABIO- Rede Nacional de Bioenergia. Publica una revista técnica. Centro de Tecnologia Canaviais (Antiguo Centro de Tecnologia de COPERSUCAR). Núcleo de Excelencia en Generación Termoeléctrica y Distribuida – NEST. Universidad Federal de Itajubá. Principales oportunidades de la bioenergia en Brasil: Sector de la caña de azúcar 320 centrales de azúcar y alcohol, que procesan 357,50 millones de toneladas de caña por año, generando 94,4 millones de toneladas de bagazo. Para el caso del etanol la energía obtenida es 8-9 veces mayor que la utilizada en el cultivo de la caña y proceso de fabricación, La producción de alcohol en Brasil provoca una reducción de la emisión de gases de efecto invernadero de cerca de 12.7 millones de toneladas de carbono equivalente con una productividad de 6350 litros de alcohol por hectárea (UNICA, 2004). El potencial técnico de generación de electricidad excedente en el sector de azúcar y alcohol utilizando ciclos a vapor con altos parámetros es de 3,85 GW (aprovechando el 40 % e la paja existente). Otros estudios mencionan un rango entre 6,0-8,0 GW. En el año 2002 estaban siendo disponibilizados para el sistema eléctrico 619 MW. En el 2022 la potencia instalada prevista es de 5,8 GW y la generación de electricidad excedente 30 TWh (MME, 2002). SUGAR CANE - 5 million ha - 60,000 producers - all-year-round harvest ~ 10% of total cultivated land N-NE (20% land) harvest: sept/march ~ 1% of total land available for agriculture C-S (80% land) harvest: april/november Brazil: 1997/98 - 2003/04 Ethanol production 18 16 15,4 13,9 Million m3 14 14,7 13,0 12 10,6 11,5 12,6 01/02 02/03 10 8 6 4 2 0 97/98 98/99 99/00 00/01 Crop season Source: UNICA 03/04 51,2% gain in productivity The Brazilian Ethanol Experience - Brazilian ethanol, gasohol & Flex-Fuel vehicles - Imported gasohol vehicles % Ethanol in Gasoline (gasohol) 1977: 4.5% 1979: 15% 1981: 20% 1985: 22% 1998: 24% 1999: 20 to 24% SINCE 2002 20% to 25% FLEX FUEL VEHICLES • First Brazilian Flex Fuel Vehicle introduced in the market in March, 2003 • Flex Fuel Vehicles can run on gasoline or on 100% ethanol or on any blend of ethanol & gasoline • Until April 2004 over 80,000 units were marketed (operate mostly on 100% ethanol) • Market projections indicate sales of about 250,000 Flex Fuel vehicles in 2004 Principales oportunidades de la bioenergia en Brasil: Sector de papel y celulosa Con mas de doscientas empresas el sector de papel y celulosa produjo 9,0 millones de toneladas de celulosa y 7,9 millones de toneladas de papel en 2003 . El sector tiene mas de 1,4 millones de hectáreas plantadas principalmente de eucalipto y pino con una productividad media en 2002 de 50 y 33 metros cúbicos estereos por hectárea por año respectivamente. Este sector se caracteriza por un alto consumo de energía eléctrica, que en el 2003 fue de 12,767 TWh (BEN, 2003). Las fabricas de celulosa tienen una capacidad instalada de 1067,2 MW (BEN, 2003). El potencial técnico de generación de electricidad en el sector de papel y celulosa para 2003 fue evaluado como 1740 MW. Principales oportunidades de la bioenergia en Brasil: Residuos agrícolas En el 2001 se colectaron casi 100 millones de toneladas de granos, yuca y algodón, lo que equivale a un poco mas de 130 millones de toneladas de residuos (paja, tallos y cáscaras) (MAPA, 2003). El valor del potencial máximo fue calculado considerando la eficiencia de conversión de 15 y 20%, y la fracción de residuos recuperables de 70 %. Así llegamos a un potencial total mínimo de 4967,02 MW y máximo de 9271,77 MW. En la actualidad solo la cáscara de arroz se utiliza para la generación de electricidad. En la región sur del Brasil, que concentra los grandes productores y la industria beneficiadora de arroz, ya existen varias centrales termoeléctricas con ciclo a vapor y capacidad de algunos MWs cada una. Principales oportunidades de la bioenergia en Brasil: Plantas oleaginosas Se destaca por su productividad la palma africana o dendé, la que presenta posibilidades a medio o largo plazo de substitución de cantidades considerables de derivados de petróleo. Se propone el cultivo de la palma africana en regiones desflorestadas de la región Amazónica en el norte de Brasil. Para un área de 2-3,2 millones de hectáreas se indica una producción de aceite de palma en el rango 77,5 -124 106 toneladas. Goldemberg y Coelho (2001b) indican un potencial técnico de generación de electricidad a partir del aceite de palma de 35,97 MW, para el total de los Estados productores. Entre los procesos físicos tenemos la reducción granulométrica, que permite la quema en suspensión de la biomasa en hornos y calderas, el briquetado, que disponibiliza residuos polidispersos para calefacción distrital y cocción de alimentos. Por otro lado tenemos la obtención de aceite vegetal a partir de plantas oleaginosas y de biodiesel, sometiendo este último a un proceso de transesterificación. Se considera muy perspectivo el acoplamiento de gasificadores de biomasa con tecnologías de generación avanzadas tales como motores Stirling, microturbinas a gas y células de combustible (fuel cells). En el caso de los motores Stirling, ya fabricados comercialmente para operar con gas natural y GLP, las investigaciones para su utilización con biocombustibles están lideradas por la Universidad Técnica de Dinamarca, con las opciones de combustión y gasificación de la biomasa (Carlsen et al., 2002). Dos proyectos están en desarrollo con el objetivo de desenvolver módulos gasificador de biomasa / Microturbina a gas, el denominado Flex-Microturbina (DOE, 2002) en los Estados Unidos y el Green Gasifier Generator en Australia (Australian Greenhouse Office, 2003). En relación con el uso del gas de la gasificación de biomasa como fuente de hidrógeno en células a combustible se está en los inicios de investigaciones teóricas y experimentales (Andries et al., 2003, ECN, 2002) Commercial feasibility Technological Maturity Power range, kW Technology* H Combustion / steam cycle M X Gasification / SE Gasification / ICE X X ORC – Organic Rankine Cycle X Gasification / GT (BIG/GT technology) Gasification / FC Some demonstrative/commercial units X X High costs. X X X Mathematical modeling Demands low cost fuels X X Ongoing research projects High cost and low efficiency conversion X Combustion / Steam cycle Ongoing research projects Initial commercialization. Biodiesel quality problems. X X Gasification / FC > 1000 X X Ongoing research projects Commercial/demonstration units X X X Few commercial options and successful projects X X Combustion / steam cycle High cost and low efficiency conversion X X Biodiesel / ICE L X X Gasification / FC 200 -1000 M X Gasification / GMT Combustion / SE H X Gasification / ICE 5-200 kW L Comments X Some demonstrative units. High efficiency. Mathematical modeling and EU project in initial stage. PROYECTOS ÉXITOSOS EN GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA - Gasificador de tope abierto del Indian Institute of Science. La eficiencia del gasificador es de aproximadamente 80%. El poder calorífico del gas de 4,7 MJ/Nm3 y el contenido de partículas y de alquitrán a la salida del sistema de limpieza del gas es menor que 50 e 80 mg/Nm3 respectivamente. - Gasificador comercial chino, con cerca de 100 unidades implementadas en China. El consumo específico de combustible en un gasificador de este tipo evaluado en Mali fue de 3,75 – 4,0 kg casca /kWh, aunque se reporten datos en el rango de 2,0 – 2,5 kg/kWh para gasificadores operando en China. GASEIFICADOR IISc PROYECTOS ÉXITOSOS EN GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA - Gasificador ENAMORA instalado en Móra d´Ebre, Tarragona, España y diseñado con apoyo del Instituto Catalán de Energía. Se trata de un gasificador de cáscaras de nueces operando en lecho fluidizado y acoplado a un motor diesel con 750 kWe de potencia eléctrica. La eficiencia del sistema es de 21-22 %. - Planta de gasificación en Gussing, Austria. Compuesta por un gasificador de lecho fluidizado de dos zonas, que utiliza vapor como agente de gasificación, y un motor a gas Jenbacher J620 GS. El poder calorífico del gas es 12,00 MJ/Nm3 y la eficiencia eléctrica del conjunto es de aproximadamente 30 %. - Biomax 15. Sistema gasificador/MCI de 10-25 kWe desarrollado por la empresa Community Power Corporation (CPC) conjuntamente con el National Renewable Energy Laboratory-NREL del Departamento de Energía de los Estados Unidos. El consumo específico de biomasa es de 1,5 kg/kWh y la inversión específica 1200,00 $/kWh. GASEIFICADOR ENAMORA BIOMAX 15 Desarrollo de gasificadores en Brasil: nuevo proyecto de la Termoquip Evaluado recientemente por investigadores del NEST mostrando un poder calorífico de 5 MJ/Nm3 INDICADORES Y DISPONIBILIDAD COMERCIAL DE LAS TECNOLOGIAS PARA LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD A PARTIR DE LA GASIFICACIÓN DE LA BIOMASA El Programa de Incentivo a las Fuentes Alternativas de Energía - PROINFA. El gobierno Brasileño con el objetivo de estimular la implementación de proyectos envolviendo el uso de fuentes renovables de energía propuso el PROINFA que entró en vigor por la ley n.º 10.438, del 26 de abril de 2002, y fue revisado por la n.º 10.762, del 11 de noviembre de 2003. El PROINFA tiene por objetivo la diversificación de la matriz energética Brasileña y la búsqueda de soluciones regionales con la utilización de fuentes renovables de energía. La meta de este programa es implementar 3300 MW de capacidad, en instalaciones de generación con inicio de operación previsto hasta el 30 de diciembre de 2006. La compañía estatal Eletrobras garantiza la compra de la electricidad producida por un periodo de 20 años de los emprendedores habilitados. Evita la emisión de 2,5 millones de toneladas de dioxido de carbono por año. 150000 empleos e inversiones privadas de 3 mil millones USD. Programa Luz para Todos Con el programa “Luz para todos” el gobierno Brasileño planea conseguir la universalización del suministro de electricidad hasta el año 2008. En este periodo deben recibir energía eléctrica 12 millones de personas a un costo de 3,3 mil millones de dólares. Están contempladas tres alternativas tecnológicas: la extensión de la red, sistemas de generación descentralizada con redes de distribución aisladas y sistemas de generación individuales. Actualmente algunas comunidades aisladas en la región amazónica utilizan generadores a Diesel con un costo medio de generación de 200- 285 US$/MWh, siendo que en la red convencional es de alrededor de 30 US$/MWh. Proyectos en ejecución en Brasil: PROVEGAM (Motores Diesel y aceites vegetales) El PROVEGAM fue implementado en la Villa Soledad del Municipio de Moju en el estado de Pará. Esta comunidad tiene un total de 700 habitantes. Anteriormente al proyecto la comunidad disponía de un motor diesel antiguo. La situación se hizo más difícil por el alto costo del combustible diesel. En el proyecto se utilizó un motor diesel modelo TD229-EC6 de 6 cilindros en línea, con 137cv de potencia, enfriado por radiador y con un sistema de inyección mecánico BOSCH. Para posibilitar el uso directo de aceite vegetal en el motor fue comprado un modulo de adaptación de fabricación alemana, cuya principal función es el precalentamiento del combustible. En poco tiempo se observó una perdida considerable de potencia en el motor y tupiciones debido a la solidificación de la parte más densa del aceite vegetal en determinados puntos del motor, inclusive utilizando diesel durante la parada y partida del mismo. Fue desarrollado un nuevo módulo de conversión del motor para aceite vegetal. Durante la operación la temperatura del aceite de palma a la salida del tanque de precalentamiento se mantuvo entre 70 y 75 oC. Proyectos en ejecución en Brasil: PROVEGAM (Motores Diesel y aceites vegetales) A las 500 horas de operación los inyectores presentaban una formación de depósitos solo un poco más intensa de la correspondiente al mismo número de horas de operación con diesel. A las 750 horas de operación fueron substituidos los inyectores, los cabezotes del motor y la bomba de inyección. Los demás componentes de motor estaban en perfectas condiciones para continuar operando con aceite vegetal. La disponibilidad de energía de forma continua y con buena calidad posibilitó la inversión por los habitantes de la Villa Soledad en maquinas para el procesamiento de Asaí, una de las principales fuentes de alimentación de las comunidades rurales del Pará, y que tiene un enorme potencial de comercialización. Proyectos en ejecución en Brasil: GASEIFAMAZ El proyecto GASEIFAMAZ “Comparación entre las tecnologías existentes para la gasificación de biomasa” es una parcería entre el CENBIO – Centro Brasileño de Referencia en Biomasa, BUN - Biomass Users Network of Brazil, IPT – Instituto de Investigaciones Tecnológicas del Estado de Sao Paulo y la UA – Universidad del Amazonas. Fue importado un sistema de gasificación de 20 kW del Instituto Hindú de Tecnología. Durante las pruebas en el IPT se obtuvo un valor medio del Poder calorífico superior PCS de 5,7 MJ/Nm3 para un consumo de biomasa de 18 kg/h. Este sistema de gasificación será instalado en la comunidad de Aquidabam , Municipio de Manacaparú en el Estado de Amazonas, que consta con 180 viviendas y 700 habitantes. Uno de los principales productos de esta comunidad es el cupuasú, una fruta de la región Amazónica, actualmente vendida "in natura” con poco valor agregado. La instalación del sistema de gasificación va a permitir la formación de una agroindustria local para la venta de pulpa de cupuasú, con alto valor agregado, lo que va a permitir mejorar los ingresos de la comunidad, y en consecuencia su calidad de vida. Proyectos en ejecución en Brasil: CTE con ciclo a vapor (LAJES, Tractebel Energia) Central Termoeléctrica de Piratini • Empresa Koblitz • En operación desde 2002 • Potencia instalada de 10 MW • Consume anualmente cerca de 142 mil toneladas de residuos de madera para producir alrededor de 71 mil megawatts hora ano. • El costo de la inversión R$ 22 millones. Proyectos en ejecución en Brasil: Biogas del tratamiento anaeróbio de efluentes domésticos Este proyecto está siendo realizado en conjunto por el CENBIO y la empresa de aguas del Estado de Sao Paulo (SABESP). En la Estación de Tratamiento de Efluentes de Baurerí, Estado de Sao Paulo, fue instalada una microturbina a gas de 30 kW de potencia eléctrica, fabricada por la CAPSTONE. El proyecto se inicio en Diciembre de 2002 y tiene como objetivo evaluar la posibilidad de la utilización de microturbinas en plantas de tratamiento de efluentes de pequeña capacidad. Ademas es realizada la comparación entre las emisiones de motores de combustión interna y las de las microturbinas. El poder calorífico del gas es aproximadamente la mitad del correspondiente al gas natural pero 4-5 veces mayor que el gas obtenido producto de la gasificación termo-química de la biomasa. Los contaminantes presentes en el biogás afectan el desempeño del motor como descrito a seguir: Humedad: puede comprometer la operación de las partes internas de la microturbina, además de disminuir el poder calorífico del biogás. Para la reducción de la humedad se utilizaron filtros coalescentes y secadores refrigerados antes y después del compresor. H2S: Puede dañar las partes internas del secador, el compresor y la turbina, debido a su carácter corrosivo. Para la remoción H2S se utilizó un filtro de carbón. La mayoría de los digestores anaeróbicos produce un gas con 0.32% de H2S La presencia de aire en las tuberías reduce el poder calorífico del gas. Siloxina: Fue detectada su presencia en concentraciones de algunos ppb en el biogás. Tratase de un compuesto de sílice, derivado de cosméticos, que puede provocar problemas a largo plazo en los rotores de las microturbinas y en los motores de combustión interna (formación de granos de sílice a alta temperatura). Los resultados de las mediciones de la composición de los gases de escape mostraron que las concentraciones de NOx en los gases de escape fueron de aproximadamente 1 ppm, valor este mucho menor que el correspondiente a los motores de combustión interna que operan con Diesel. Trabajos del Núcleo de Excelencia en Generación Termoeléctrica y Distribuida NEST en el tema de la bioenergia Fuentes de financiamiento Gobierno (CTNERG) Empresas eléctricas Consultorias Cursos Treinamento operadores UTE Cursos de qualificação Energia da biomasa Diagnostico de Usinas Termoeletricas Microturbinas a gas Modelamento de processos e sistemas Células a combustível Motores Stirling Cogeração e trigeneração Controle de poluentes Combustión. Ajuste de la combustión y medición de la concentración de contaminantes gaseosos (NOx y partículas) en calderas a vapor para biomasa. Software SBC: realiza el cálculo térmico y aerodinámico de calderas de vapor que queman bagazo de caña. La metodología del cálculo corresponde a la propuesta en el método normativo ruso para los cálculos térmico y aerodinámico de calderas a vapor. El esquema compuesto por un horno, conductos de aire y gases, tubos de agua y vapor, ventiladores, sopladores de hollín y una chimenea, puede ser montado a partir de diferentes elementos, superficies y conductos utilizando una interfase amistosa. - Evaluación de la temperatura óptima de los gases de escape en calderas para bagazo. El valor de la temperatura de los gases de escape obtenido del análisis que utiliza el precio de comercialización del excedente de la electricidad (abordaje II) es de aproximadamente 120-130 °C; - Diseño, construcción y pruebas de sistemas horno / Motor Stirling para la operación en regiones aisladas (Proyecto CTNERG/CEMIG en desarrollo conjuntamente con investigadores austriacos) 9 kW Stirling engine Motor Stirling Viebach a biomassa Tiragem de Vapor Alívio de Pressão Válvulas de segurança Alimentação da fornalha Caldeira Fornalha Motor Stirling Bloco do motor de motor Ducatti Cagiva adquirido para a fabricação do sistema fornalha / Stirling Motor Stirling SOLO Potência Gerada [KW] Geração de Potência Ativa 10 9 8 2 y = -0,0341x + 0,9034x + 3,981 2 R = 0,9944 1250 l/h água de resfriamento 2 y = -0,0368x + 0,926x + 3,742 2 R = 0,9856 7 1200 l/h água de resfriamento 6 2 y = -0,0348x + 0,8554x + 3,6545 2 R = 0,9829 5 657 l/h água de resfriamento 4 70 80 90 100 110 120 130 140 145 Pressão de Trabalho [Bar] Gasificación. Estudio del proceso de gasificación y del desempeño de gasificadores de lecho fluidizado y de flujo cruzado. Diseño, montaje y pruebas de un sistema Gasificador / MCI de 10 kW de potencia (motor a gasolina). Evaluación experimental de la operación de una microturbina de 30 kWe operando con mezclas de gas de gasificación de biomasa / gas natural. Evaluación de las modificaciones necesarias de la microturbina para la operación solo con gas de gasificación de la biomasa. Evaluación de Motores Stirling acoplados a un gasificador de biomasa, con el objetivo de definir los parámetros de operación, ventajas y desventajas de estos sistemas. Modelación matemática y evaluación experimental de una célula SOFC de 5 kWe fabricada por la Fuel Cells y de sistemas híbridos con microturbinas. Evaluación de la posibilidad y requerimientos para el acoplamiento de esta célula SOFC a un gasificador de biomasa. Esquema del gasificador de lecho fluidizado CARACTERÍSTICAS DO GASEIFICADOR Potência Térmica Altura do Leito Diâmetro da Seção do Leito Vazão de Biomassa Vazão de Gás Produzido Vazão de Ar Eficiência a Frio Eficiência a Quente Altura do Freeboard Diâmetro do Freeboard Biomassa Considerada 245 kW 800 mm 0.474 mm 0.03 kg/s 0.163 m³/s 0.032 m³/s 57 % 75 % 3000 mm 702 mm Bagaço de cana Gaseificador / MCI Projeto P&D com a CPFL (Tecnologia Siemens) Será a quarta em operação no mundo Biodiesel. Experimentos de quema de diferentes mezclas diesel/biodiesel e de biodiesel puro en microturbinas a gas. Alcohol. Estudio teórico-experimental de las tecnologías de biodigestión y combustión para el tratamiento de las vinazas obtenidas como residuo de la producción de alcohol. Cogeneración y créditos de carbono. Desarrollo de software para la evaluación del desempeño y de la viabilidad económica de sistemas de cogeneración. Evaluación del impacto económico de la comercialización de créditos de carbono en proyectos de cogeneración y generación de electricidad a partir de la biomasa. Optimización de proyectos de diversificación productiva en la industria de azúcar y alcohol. CONCLUSIONES El Brasil es uno de los paises del mundo que más ha avanzado en la implementación de programas de uso de la energía de la “biomasa moderna”. Sin embargo esfuerzos adicionales deben ser realizados en lo relacionado con la generación de electricidad en pequeña escala. Los proyectos demostrativos y comerciales en implementación en Brasil deben ofrecer informaciones importantes para la superación de las barreras técnicas y comerciales que dificultan la implementación extensiva de la bioenergia. CONCLUSIONES La gasificación de la biomasa posee un amplio espectro de aplicaciones y debe constituir la base de la ampliación de la utilización de la “biomasa moderna”. Se necesitan de esfuerzos y recursos para la entrada definitiva de esta tecnología en su fase comercial. Los proyectos en ejecución en el NEST abarcan casi todo el espectro de las potenciales aplicaciones de la bioenergia con tecnologías avanzadas. Se propone la creación de un centro de Desarrollo y Entrenamiento en Tecnologías avanzadas para la bioenergia.