XIV Seminario de Ahorro de Energía, Cogeneración y Energía Renovable

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

2. 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.

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

4. 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

5. Fontes: Unica, COGEN, C Procknor Expectativa del incremento de la producción Brasileña

6. 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 3,0 4,2 4,2 4,1 3,9 1,9 2,6 Exportación Brasileña de Etanol Proyección de la exportación Brasileña

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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 Motores accionados por turbinas Turbo generador energía Caldera Vapor @2,5 bar saturado Proceso Make-up Agua Condensado

12. 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.

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

14. 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

15. 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 Proceso Agua Make-up Condensado

16. 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.

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

18. 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

19. 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)

20. 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”

21. 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)

22. 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;

23. Comparación de Performance x bar/ºC CALDERA Turbo -Generador de vapor Producción de azúcar y etanol Energía Generada

24. 160 140 120 100 80 Presión de vapor [bar] 60 40 20 0 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 80 100 150 180 Potencia [MW] Línea de Producción de Siemens ST6 SST-600 140 bar/540 °C SST-400 140 bar/540 °C Tipo HN ST5 ST4 120 bar/520 °C SST-300 110 bar/510 °C ST3 Tipo N 80 bar/480 °C ST2 SST-200 65 bar/480 °C ST7 30 bar/350 °C SST-100 Tipo WK

25. Referencias Recientes (Condensación + extracción) Más de 700 referencias mundiales de turbinas de condensación con extracción

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