Exergy and economic analysis of a hybrid biomass-­solar thermal cogeneration plant applied to the corn ethanol industry: Análise exergética e econômica de uma planta de cogeração híbrida a biomassa e energia solar térmica aplicada à indústria do etanol de milho

Abstract

O milho é uma das principais matérias­primas para a produção de etanol, entretanto, as usinas de etanol de milho têm a desvantagem de depender de fontes externas de combustível para suprir suas necessidades energéticas, diferentemente das usinas que produzem etanol a partir da cana­deaçúcar que queimam o bagaço para obter energia. O presente trabalho analisa a viabilidade técnica e econômica da tecnologia solar térmica para mitigar o consumo de biomassa de uma destilaria de etanol de milho tí­ pica. A usina de cogeração híbrida proposta utiliza, em paralelo, uma caldeira de biomassa e um campo solar de calhas parabólicas, em geração direta de vapor, para alimentar uma turbina de vapor de contrapressão de 28,5 MWe com vapor superaquecido a 520 °C e 67 bar. A partir da uma extração de vapor alimenta­se uma secadora com vapor saturado a pressão de 9 bar. Os demais processos produtivos são alimentados com vapor saturado a 2,5 bar. O ciclo de cogeração hibrido é operado em uma estraté­ gia de economia de combustível na qual o campo solar é responsável por no máximo 60% do vapor gerado no ciclo. A avaliação técnica de desempenho é feita por meio de análises energética e exergética. Para tanto, a planta de cogeração híbrida foi simulada para as condições de projeto do campo solar e um ano meteorológico típico (TMY) nas localidades de Phoeniz/AZ (USA) e Barreiras/BA (BRA). Além disso, análises de sensibilidade de parâmetros termodinâmicos considerando a variação do tamanho do campo solar são executadas. Quanto à avaliação econômica, análises de viabilidade utilizando o valor presente líquido (VPL) do campo solar foram feitas. Os resultados obtidos mostram que, para os respectivos TMY, a destilaria híbrida obtém uma economia anual de 60162 toneladas de biomassa e fração solar de 12.6 % em Phoenix e 50871 toneladas e 10.6% em Barreiras. Ainda, na análise exergética, observa­se a concentração da destruição de exergia nos sistemas geradores de vapor (campo solar e caldeira). Assim os resultados termodinâmicos mostram que há viabilidade técnica na integração da tecnologia solar térmica para ambas as localizações. Contudo, do ponto de vista econômico, a avaliação mostra que para os custos atuais tal integração não é viável economicamente. Ainda assim, a análise de sensibilidade econômica indica que Phoenix tem melhores perspectivas de se tornar financeiramente viável.

Abstract : Corn is one of the main feedstocks for ethanol production; however, corn ethanol plants have the drawback of relying on external fuel sources to supply their energy needs, unlike plants that produce ethanol from sugarcane that burn the bagasse for energy. This work analyzes the technical and economic feasibility of solar thermal technology to mitigate the biomass consumption of a conventional corn ethanol distillery. The proposed hybrid cogeneration plant uses a biomass boiler and a parabolic trough solar field in direct steam generation to feed a 28.5 MWe back­pressure steam turbine with superheated steam at 520 °C and 67 bar. Steam is extracted from the turbine to feed a distillery grain dryer with 12.5 kg/s of saturated steam at 9 bar. The remaining production processes are fed with 37.5 kg/s of saturated steam at 2.5 bar. The cogeneration cycle operates on a fuel economy strategy, which means that the boiler and solar field jointly supply the steam needs of the plant at all times. Also, a maximum of 60% of the total steam generation is produced in the solar field. The biomass used is eucalyptus chips. The technical performance evaluation is done through energy (especially fuel economy) and exergy (with exergy destruction) analyses. For this, simulations for the design conditions of the solar field and a conventional meteorological year (TMY) of the locations Phoeniz/AZ (USA) and Barreiras/BA (BRA) are performed. Also, thermodynamic sensitivity analyses, with variation of the solar field size, are performed. Furthermore, the economic evaluation is done based on the solar field's economic parameter net present value (NPV). The study results show the technical feasibility of integrating a solar field with the proposed cogeneration plant for the locations. The corn ethanol distillery obtains annual savings of 60162 tons of biomass and a solar fraction of 12.6 % in Phoenix and 50871 tons and 10.6% in Barreiras In addition, in the exergetic analysis, it is observed the concentration of exergy destruction in the steam generating systems (solar field and boiler). Thus, the thermodynamic results show that the integration of solar thermal technology is technically feasible for both locations. However, from an economic point of view, the evaluation shows that for the current costs this integration is not economically feasible. Nevertheless, in case of a reduction in the direct installation costs or an increase in the biomass cost, the hybrid plant located in Phoenix presents better prospects of becoming financially feasible.