XIV Seminario de Ahorro de Energía, Cogeneración y Energía Renovable México, Octubre 2008 Paulo Costa Siemens Brasil

Índice Matriz energética de Brasil. Mercado de azúcar y etanol en Brasil. Ciclos de vapor típicos: tradicionales, optimizado y actual. Definición de una planta de cogeneración. Generación de energía: Producto o Sub-producto? Ventajas de turbinas de alta presión.

Matriz energética de Brasil - 2007 Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Matriz energética de Brasil - 2007

Azúcar y Etanol en Brasil Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Azúcar y Etanol en Brasil Más de 330 ingenios Fuertemente concentrados en escasos grupos poderosos Sector muy profesional Enfocado en sustentabilidad y eficiencia Evolución de: “productores de azúcar “ a “productores de energía.” Amazonia Zonas de caña de azúcar La región Sur-Centro representa 87% de la principal fuente de caña de azúcar Back

Expectativa del incremento de la producción Brasileña Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Expectativa del incremento de la producción Brasileña   2007/08 2015/16 2020/21 Producción de caña de azúcar (millones/ton) 491 829 1038 Área cultivada (millones ha) 7,8 11,4 13,9 Azúcar (millones ton) 30,7 41,3 45 Consumo Interno 12,1 Exportación 18,6 29,9 32,9 Etanol (billones de litros) 22,3 46,9 65,3 18,7 34,6 49,6 3,6 12,3 15,7 Potencial de Generación de Energía (MW) 1800 11500 14400 % en la matriz energética de Brasil 3& 15%

Exportación de etanol Brasileño Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Exportación de etanol Brasileño 8,3 Billones de Litros Billones de Litros 7,7 0,8 7,1 6,6 6,1 4,9 4,2 4,2 3,0 4,1 3,9 1,9 2,6 Exportación Brasileña de Etanol Proyección de la exportación Brasileña

Flota Brasileña por combustible Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Flota Brasileña por combustible Millones de vehículos 37,1 35,2 33,4 31,8 30,2 28,8 27,5 26,1 24,7 23,2

La demanda de etanol esta controlada por la elección del consumidor Fontes: Unica, COGEN, C Procknor La demanda de etanol esta controlada por la elección del consumidor Ventas domésticas de etanol Millones de Vehículos Millones de Litros 2003 2008 Sources ANP , Unica & ANFAVEA

Crecimiento de la Bioelectricidad Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Crecimiento de la Bioelectricidad mecanización MW Promedio ,excedentes (x1000) Suposiciones basadas en los siguientes valores: 1 ton de azúcar produce 250 kg de bagazo + 240 kg de paja, 1 ton de caña (sólo bagazo) genera 85,6 KWh para exportación, 1 ton de caña (bagazo + paja) generan 199,9 KWh para exportación, el valor calorífico de la paja = 1,7 el poder calorífico del bagazo, factor de capacidad = 0,5. Nota: MWpromedio = MW capacidad firme Sources Unica, Cogen

Cogeneración en la industria del azúcar Consumos Térmico (Vapor saturado a baja temperatura para ser usado en proceso) Eléctrico y Mecánico (motores mecánicos y generación de energía) Generación Local Térmica (calderas de biomasa)  Eléctrica y Mecánica (Turbos de vapor) Combustible Biomasa Producida localmente (debido al proceso) Suficiente para atender la demanda total Biomasa sólida con 50% de humedad

Diagrama típico de un ingenio azucarero- Tradicional Adoptado por muy pocos ingenios, aún en existencia, no enfocados a la generación de energía Vapor @ 21 bar/ 280 ºC Turbo generador Motores accionados por turbinas energía Caldera Vapor @2,5 bar saturado Make-up Agua Proceso Condensado

Diagrama típico de un ingenio azucarero- Tradicional El bagazo aún es considerado como un problema ambiental (debe ser quemado); Calderas de baja presión y temperatura  eficiencia pobre Unidades de cogeneración con muy baja eficiencia  no suministran todas las necesidades del ingenio; Demasiados motores mecánicos accionados con pequeñas turbinas de vapor  eficiencia pobre Comportamiento general de la planta de generación (vapor y energía) no considerado seriamente.

Diagrama típico de un ingenio azucarero- Optimizado Turbo generador Vapor @ 65 bar / 480 ºC ~ Adoptado por la mayoría de los ingenios energía Turbo generador Motores accionados por turbinas ~ energía Caldera Vapor @2,5 bar saturado Make-up Agua Proceso Condensado

Diagrama típico de un ingenio azucarero- Optimizado Generación de energía más eficiente; Mejor relación presión/temperatura, sin embargo aún no optimizada y por debajo de las posibilidades reales; Calderas de nueva generación  Eficiencia mediana; Demasiados motores mecánicos accionados con turbinas pequeñas de vapor  eficiencia pobre Comportamiento general de la planta de generación (vapor y energía) sin un concepto de planta definido

Diagrama típico de un ingenio azucarero- Actual Concepto nuevo ya siendo adoptado Vapor @ 65 bar / 480 ºC Turbo generador ~ energía Motorizado Vapor de media presión condensador Caldera Vapor @2,5 bar saturado Agua Make-up Proceso Condensado

Diagrama típico de un ingenio azucarero- Actual La producción de energía es uno de los principales productos del ingenio; Parámetros de alta presión (presión y temperatura)  Calderas de alta eficiencia; Reemplazo de turbinas de vapor pequeñas por motores eléctricos con convertidor de frecuencia  Incrementan la eficiencia global de la planta; La eficiencia es un objetivo común en todo el ingenio  Uso de la paja y la punta de la caña  Enfocado en equipos de alto comportamiento; Evaluación técnica de la gasificación de la paja de la caña y el bagazo  migración a ciclo combinado.

“Tecnología del Bagazo”: quemarlo necesariamente Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Evolución Técnica “Tecnología del Bagazo”: quemarlo necesariamente “Sustentabilidad y tecnología de gran comportamiento” bioelectricidad, etanol, azúcar y CO2

Definición de una planta de Cogeneración Puntos a ser ponderados y considerados: Combustible (bagazo sólo o bagazo + paja de la caña); Parámetros de vapor; Reducción de consumos internos de vapor en todo el ingenio; Electrificación de los accionadores Conexión a la red pública Operación del ingenio (sólo en zafra o después de zafra) Nuevas tecnologías

Generación de Energía : Producto o Sub -producto? Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Generación de Energía : Producto o Sub -producto? Bagazo (variable) Energía (media eficiencia) Materia Prima 1 ton caña de azúcar ~ 140 kg Paja ~ 150 kg Azúcar ~ 140 kg bagazo Productos ~ 100 kg Azúcar ~ 85 L Etanol o Mezcla de azúcar + etanol Ingenio de azúcar y etanol Sub-productos Excedente Bagazo + paja (energía) ~ 12 L vinaza por L etanol Electricidad variable (energía) paja (quemado en sitio)

Generación de Energía : Producto o Sub-Producto? Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Generación de Energía : Producto o Sub-Producto? Bagazo (variable) Energía (Alta eficiencia) Materia Prima 1 ton caña de azúcar ~ 140 kg paja ~ 150 kg Azúcar ~ 140 kg bagazo Productos Azúcar Etanol (energía) Electricidad (energía) Biogás (energía) Otros… Ingenio “Bioenergético”

Experiencia brasileña Los grupos azucareros se están convirtiendo en ”productores de energía”, lo cual quiere decir que los ingenios ahora están totalmente dedicados a la producción de etanol y la generación de energía; Con el fin de incrementar el comportamiento general del ingenio, la tendencia actual es enfocarse en la alta eficiencia de los equipos, desde la caldera hasta la turbina de vapor; Principales características de los equipos: Parámetros de vapor por encima de 85 bar / 500 ºC Turbinas de vapor con alabes de reacción Producción de energía durante todo el año (o en la mayor parte del mismo)

Hablando de Turbogeneradores Equipo estándar utilizado en proyectos nuevos en Brasil: Alabes de reacción; 92 bar/ 530 ºC Utilizar una única unidad de gran tamaño en vez de generar en dos unidades, asegura la mejor eficiencia del equipo (en vez de 1 turbina de contrapresión con extracción + 1 turbina de condensación). Usualmente una turbina de condensación con extracción. La selección del equipo es hecha en función del punto de carga más frecuente Las turbinas de condensación son usadas normalmente para asegurar la generación de energía, no sólo cuando la producción esta activa; Las inversiones están basadas en un completo panorama económico de instalación;

Comparación de Performance x bar/ºC P (bar) 21 42 65 > 90 Temp (º C) 300 400 490 > 500 Consumo especifico kg vapor / kW 12,5 7,8 5,7 4,74 Energía Generada MWh/año 38'400 61'500 84'200 101'300 X X + 60% X + 200% X + 260% CALDERA Turbo -Generador de vapor Producción de azúcar y etanol Energía Generada

Línea de Producción de Siemens Presión de vapor [bar] Potencia [MW] 140 120 100 80 60 40 20 160 3 4 5 6 7 8 9 10 30 50 150 180 SST-600 ST6 140 bar/540 °C SST-400 140 bar/540 °C Tipo HN ST4 ST5 120 bar/520 °C SST-300 110 bar/510 °C ST3 Tipo N ST2 80 bar/480 °C SST-200 65 bar/480 °C ST7 30 bar/350 °C SST-100 Tipo WK

Referencias Recientes (Condensación + extracción) Cliente Segmento País Pot (MW) Vale do Rosário Azúcar y Etanol Brasil 25 Destilaria Pioneiros 32 Colorado 43 Usina Santa Cruz Paramonga Perú 23 Bahiasul Pulpa y Papel 61 Klabin 72 Propal Colombia 15 Lages Generación de Energía 28 Açominas Metalúrgica 30 Usiminas Más de 700 referencias mundiales de turbinas de condensación con extracción

Componentes de la turbina Buchas Laberinto Cuerpo del cojinete anterior Cuerpo del cojinte posterior Porta-alabes Carcaza – Fundida Carcaza – Fundida Rotor Rotor Caja del segmento inyector Valv. Control Válvula Cierre rápido