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PROJETO DE GRADUAÇÃO
Projeto e Avaliação de uma Central de Geração Elétrica de 5 kW por Gaseificação de Biomassa Por, Alexandre Caires Rodrigues
Brasília, 20 de novembro de 2008
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
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UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica
PROJETO DE GRADUAÇÃO
Projeto e Avaliação de uma Central de Geração Elétrica de 5 kW por Gaseificação de Biomassa POR,
Alexandre Caires Rodrigues
Relatório submetido como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Banca Examinadora
Prof. Dr. Carlos Alberto Gurgel Veras, UnB/ ENM (Orientador) Prof. Dr. Armando Caldeira Pires, UnB/ENM Prof. Dr. Fábio Alfaia da Cunha, UnB/ENM
Brasília, 20 de novembro de 2008
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Dedicatória Aos meus amados pais Delson e Zilma, e irmãos Letícia, Luciene e Fábio, pelo amor incondicional, a forte base de valores plantada em meu coração e todo o suor e sangue derramados.
Alexandre Caires Rodrigues
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Agradecimentos
Ao meu caro professor Gurgel, por me mostrar a beleza da engenharia mecânica com empolgação, paciência e, sobretudo, pela confiança em mim depositada. Ao professor Jorge, pelo auxílio acadêmico. À minha segunda família Raquel, Napoleão, Gabriela, Jorge, João, Daniel, Amanda, Danilo e minha querida Eline. A todos, meus mais profundos e sinceros agradecimentos.
Alexandre Caires Rodrigues
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“O muro entre a arte e a engenharia existe apenas em nossas mentes”. Theo Jansen
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RESUMO
O presente trabalho avalia a viabilidade de uma central de geração de energia elétrica de 5 kW para comunidades isoladas no Brasil com o uso de um sistema de gaseificação de biomassa do tipo estratificado “downdraft” associado a um grupo motogerador diesel, visando reduzir o consumo de óleo.
ABSTRACT
This text evaluate the viability of a 5kW electric generation plant for Brazilian isolated communities using a downdraft biomass gasification system associated with a diesel engine generator, seeking for a reduction on a oil consumption.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 14
2
1.1
ENERGIA: BREVE HISTÓRICO E CENÁRIO ATUAL ....................................................................... 14
1.2
POTENCIAL ENERGÉTICO DA BIOMASSA ..................................................................................... 17
1.3
ELETRIFICAÇÃO DE COMUNIDADES ISOLADAS .......................................................................... 20
1.4
ESTADO DA ARTE DA GASEIFICAÇÃO “DOWNDRAFT” DE PEQUENO PORTE .......................... 22
1.5
MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS ............................................................................................................. 25
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................. 26 2.1
PRINCÍPIOS DA GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA ........................................................................... 26
2.2
TIPOS DE GASEIFICADORES .......................................................................................................... 27
2.2.1.
GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO ............................................................................... 28
2.2.2.
GASEIFICADORES DE LEITO FIXO .............................................................................................. 29
2.3
TECNOLOGIA DE GASEIFICADOR DOWNDRAFT ESTRATIFICADO ............................................ 30
2.4
MOTOR CICLO DIESEL .................................................................................................................... 32
2.4.1. 2.5
BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL DE GASEIFICAÇÃO ................................................................ 33
2.5.1.
PODER CALORÍFICO SUPERIOR E INFERIOR ............................................................................ 33
2.5.2.
TEOR DE UMIDADE ........................................................................................................................ 34
2.5.3.
CONSTITUIÇÃO QUÍMICA ............................................................................................................. 34
2.5.4.
MASSA ESPECÍFICA ........................................................................................................................ 34
2.5.5.
TEOR DE CINZAS ............................................................................................................................. 34
2.5.6.
GEOMETRIA ..................................................................................................................................... 34
2.5.7.
ACESSIBILIDADE ............................................................................................................................ 34
2.6
3
O CÍCLO DIESEL .............................................................................................................................. 32
COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS.............................................................................. 36
2.6.1.
PEQUENAS CENTRAIS TERMELÉTRICAS A BIOMASSA ......................................................... 36
2.6.2.
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ............................................................................................................ 37
BANCADA EXPERIMENTAL E METODOLOGIA ..................................................... 38 3.1
FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA .................................... 38
3.2
SISTEMA DE GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA ................................................................................ 38
3.2.1.
REATOR ............................................................................................................................................. 39
3.2.2.
SISTEMA DE TRATAMENTO DE GASES...................................................................................... 39
3.3
GRUPO MOTO-GERADOR ............................................................................................................... 41
3.3.1.
O MOTOR .......................................................................................................................................... 41
3.3.2.
GERADOR ELÉTRICO ..................................................................................................................... 43
3.4
BANCO DE RESISTÊNCIAS ............................................................................................................. 43
3.5
QUADRO DE AQUISIÇÃO DE DADOS ............................................................................................. 43
3.6
AFERIÇÃO DO CONSUMO DE ÓLEO DIESEL ................................................................................ 44
3.7
PLANTA INSTALADA EM CAMPO .................................................................................................... 45
3.7.1.
UNIDADE CONSUMIDORA ............................................................................................................ 47
3.7.2.
SISTEMA DE GASEIFICAÇÃO INSTALADO NO CAMPO .......................................................... 48
3.8
METODOLOGIA ................................................................................................................................. 49
7
4
5
RESULTADOS ........................................................................................................... 50 4.1
RESULTADOS LABORATORIAIS ..................................................................................................... 50
4.2
CURVAS DE CONSUMO E DESEMPENHO ..................................................................................... 51
4.3
AVALIAÇÃO DO SISTEMA INSTALADO EM CAMPO ...................................................................... 53
CONCLUSÕES .......................................................................................................... 55 5.1
6
CONCLUSÕES .................................................................................................................................. 55
REFEÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 56
8
LISTA DE FIGURAS
1.1 Oferta de oferta de energia por fonte. Fonte: Balanço Energético Anual (BEN). . 15 1.2 Países produtores de petróleo. Fonte: Agência de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA). ......................................................................................... 16 1.3 Países produtores de petróleo. Fonte: Agência de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA). ......................................................................................... 16 1.4 Potencial de geração de energia elétrica através do aproveitamento de resíduos de madeira (GWh/ano). Fonte: CENBIO 2000. ........................................................... 17 1.5 Potencial de geração de energia elétrica através do aproveitamento de resíduos agrícolas (GWh/ano). Fonte: CENBIO 2000. ........................................................... 17 1.6 Taxa de eletrificação residencial – proporção de domicílios eletrificados em 1991. Fonte: ANEEL, 1991 ........................................................................................... 19 1.7 Número de citações no Chemical Abstract referente à gaseificação de biomassa. Fonte: FAO (1986) ............................................................................................. 23 2.1 Esquema geral de um sistema de gaseificação de biomassa ........................... 26 2.2 Esquema de um gaseificador de leito fluidizado ............................................ 28 2.3 Esquema de um gaseificador tipo updraft..................................................... 29 2.4 Esquema de um gaseificador tipo downdraft................................................. 30 2.5 Zonas de reação em um reator tipo downdraft.............................................. 31 2.6 Diagrama P-v do ciclo Diesel....................................................................... 33 2.7 Fases do ciclo em um motor Diesel. Fonte: Site Sala de Física......................... 33 2.8 Serraria Imperial, rodovia BR 020 km 01 na Vila Rosário no município de Correntina-BA.................................................................................................... 35 2.9 Montanha de resíduos provenientes do processo de corte e preparo do pinus... 35 2.10 Toras de madeiras cortadas...................................................................... 36 2.11 Diagrama esquemático dos processos de conversão energética da biomassa. Fonte: MME, 1982.............................................................................................. 36 3.1
Componentes do sistema de geração de energia elétrica por gaseificação de
biomassa.......................................................................................................... 39 3.2 Sistema de gaseificação de biomassa downdraft estratificado montado em laboratório......................................................................................................... 38 3.3 Reator de combustão................................................................................. 40 3.4 Separador centrífugo (ciclone).................................................................... 41 3.5 Trocador de calor...................................................................................... 41 3.6 Filtro de caroço de açaí.............................................................................. 42
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3.7 Interior do filtro com açaí........................................................................... 42 3.8 Moto-gerador instalado em seu local de ensaios............................................ 43 3.9 Quadro elétrico do gerador......................................................................... 44 3.10 Quadro de comando de carga e medidor polifásico ...................................... 45 3.11 Reservatório de óleo sobre balança digital ................................................. 45 3.12 Comunidade Veredão ou Veredãozinho. Fonte: INPE.................................... 46 3.13 da região do Veredãozinho. Fonte: INPE..................................................... 47 3.14 Passivo ambiental gerado por serrarias nas proximidades de Veredãozinho..... 48 3.15 Casa da Dona Helena, matriarca da comunidade Veredãozinho...................... 48 3.16 Sistema de gaseificação instalado em campo.............................................. 49 4.1 Curva de consumo de óleo diesel ............................................................... 53 4.2 Curva de consumo de óleo de macaúba ...................................................... 53 4.3 Curva de consumo de óleo de macaúba com auxílio de gás de macaúba ......... 54
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LISTA DE TABELAS 1.1 Consumo mundial de energia primária (1995 – Mtep). Fonte: IEA, 1998........... 18 1.2 Indicadores socioeconômicos e demográficos – Brasil e suas regiões. Fonte: Atlas de energia elétrica do Brasil – ANEEL, 2002........................................................... 20 3.1 Caracterização da unidade consumidora....................................................... 46 4.1 Dados obtidos utilizando-se apenas óleo Diesel............................................. 51 4.2 Dados obtidos utilizando-se óleo da amêndoa de macaúba ............................ 52 4.3 Dados obtidos utilizando-se óleo de macaúba e gás de síntese de macaúba .... 52 4.4 Roteiro de avaliação qualitativa de sistemas de gaseificação de biomassa ........ 55
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LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolos Latinos A
Área
[m2]
m
Massa
[kg]
m
Vazão mássica
T
Temperatura
t
Tempo
[s]
p
Pressão
[Pa]
v
Volume
[m3]
W
Trabalho
[J]
P
Potência
[W]
U
Tensão elétrica
[V]
I
Corrente elétrica
[A]
f
Freqüência
E
Energia
e
Erro
Cdiesel
Energia gerada por litro de diesel
C
Carbono
H
Hidrogênio
O
Oxigênio
N
Nitrogênio
[kg/s] [oC]
[Hz] [J]
[kWh/l]
Símbolos Gregos
Variação entre duas grandezas similares
Massa específica
Σ
Somatória
[m3/kg]
Subscritos el
elétrica
i
fases R, S ou T
th
térmico
Sobrescritos
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Variação temporal
Siglas BEN
Balanço Energético Nacional
EIA
Agência de dados oficiais de energia dos Estados Unidos
MME
Ministério de Minas e Energia do Governo brasileiro
USA
Estados Unidos da América do Norte
OPEP
Organização dos Países Exportadores de Petróleo
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
CENBIO
Centro Nacional de Referência em Biomassa
IDH
Índice de Desenvolvimento Humano
CCC
Conta de Consumo de Combustível
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
ABRADEE
Associação Brasileira de Distribuidoras de Energia Elétrica
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1 INTRODUÇÃO Este capítulo apresenta um breve histórico sobre a relação humana com a energia traçando um panorama energético mundial e local focando-se nas comunidades isoladas existentes no Brasil. Será feito ainda neste capítulo, um levantamento do estado da arte da tecnologia de gaseificação de biomassa para geração de energia em centrais de até 5 kW, a qual será o objetivo deste trabalho.
1.1 ENERGIA: BREVE HISTÓRICO E CENÁRIO ATUAL A energia é um elemento essencial à existência da vida. O desenvolvimento da espécie humana está intrinsecamente ligado à sua capacidade de obtenção e armazenamento de energia, seja esta nutricional, térmica ou mecânica. A disponibilidade de energia tem sido através da história da humanidade, o fator decisivo para a sobrevivência das civilizações. O antigo Egito sob os Faraós, a Grécia sob a democracia e o Brasil Imperial tiveram no braço escravo a sua principal fonte de energia (Wilolrich, 1978). Tal cenário viria a mudar com a Revolução Industrial, onde a visão mecanicista do mundo baseada no pensamento de Francis Bacon, René Descartes e Isaac Newton, acompanhada de avanços tecnológicos tais como a máquina a vapor aperfeiçoada por James Watt em 1765 e, posteriormente, os motores de combustão interna desenvolvidos por Otto, Daimler e Diesel; aumentariam consideravelmente a demanda por energia. Estima-se que nas primeiras duas décadas do século XX a humanidade consumiu mais energia do que havia feito em todos os séculos anteriores de sua existência (Baumol, 1989). Nos dias atuais, em decorrência de diversos fatores tais como alterações climáticas em escala global e iminente fim das reservas de combustíveis minerais conhecidas, o mundo volta-se à procura de formas mais “limpas” e renováveis de recursos energéticos. A palavra energia tem sua etimologia no vocábulo grego ergos, que significa trabalho. É um ente da natureza assim como massa e força, de difícil definição. A única forma de mesurá-la é quando em transformação e por não possuir unidades físicas próprias é medida por unidades de trabalho que pode ser realizado. Dessa forma, define-se energia como a capacidade de um determinado sistema de realizar trabalho (Rodrigues, 1975). Termodinamicamente, a energia apresenta-se em várias formas tais como mecânica, térmica, elétrica, nuclear, potencial e química, sendo todas elas regidas por umas das mais importantes leis naturais: o princípio da conservação da energia, o qual reza que a energia pode mudar de uma forma para outra, porém, seu montante final permanece constante (Çengel & Boles, 1998). Na natureza encontram-se diversos tipos de recursos energéticos. Historicamente, o homem valeuse num primeiro momento da lenha, material que, durante dezenas de milênios, permaneceu uma fonte de energia térmica e luminosa insubstituível (Hémery, Debeir, & Deléage, 2007). Com o aumento do
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desenvolvimento tecnológico e o conseqüente aumento da demanda energética, outras fontes de energia passaram a ser utilizadas tais como o carvão mineral, gás natural, petróleo, hidráulica e outras. A Figura (1.1) mostra a matriz energética mundial por fontes para o ano de 1973. Pode-se observar que o petróleo já ocupava uma posição hegemônica em relação às outras fontes de energia dada à sua facilidade em ser estocado e seu imediato uso, sendo seguido pelo carvão mineral.
1973 6.128 106 tep
Outras 0,1%
Carvão Mineral 24,4%
Petróleo 46,2%
Fontes Renováveis 10,6% Hidráulica 1,8% Nuclear 0,9%
Gás Natural 16,0%
Figura.1.1 - Oferta de oferta de energia por fonte. Fonte: Balanço Energético Anual (BEN).
O petróleo, assim como as outras fontes de energia primárias não renováveis, apresenta-se geograficamente mal distribuído. Seus maiores produtores são a Arábia Saudita, Rússia e os EUA, respectivamente (Fig. 1.2). O consumo também é bastante desigual no que tange esta fonte de energia. Os maiores consumidores são EUA, República Popular da China, Japão, Rússia e Alemanha, nesta ordem (Fig. 1.3).
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United Kingdom; Iran; 1,686 Saudi France; 1,83 Italy; 1,732 Arabia; Mexico; 1,997 1,961 2,139 Korea, South; 2,174
United States; 20,687
Brazil; 2,217 Canada; 2,264 Japan; 5,159
India; 2,572 Germany; 2,665
China; 7,201
Russia; 2,811
Figura 1.2 - Países produtores de petróleo. Fonte: Agência de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA).
United Italy; 1,732 France; Kingdom; 1,961 Iran; 1,686 Saudi 1,83 Arabia; Mexico; 1,997 2,139 Korea, South; 2,174 Brazil; 2,217
United States; 20,687
Canada; 2,264 India; 2,572 Germany; 2,665
Japan; 5,159
China; 7,201
Russia; 2,811
Figura 1.3 - Países produtores de petróleo. Fonte: Agência de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA).
Após as crises do petróleo em 1973 e 1979 o mundo, que até então pagava US$ 1,71 pelo barril, viu-se obrigado a pagar o equivalente a US$ 11,65, representando um aumento de 300%. Desde então o preço do barril de petróleo iniciou sua escalada chegando a ser cotado a mais de US$ 100,00. Os combustíveis fósseis, por serem constituídos na sua maioria de hidrocarbonetos alifáticos, alicíclicos e aromáticos contendo ainda quantidades pequenas de nitrogênio (N), oxigênio (O), compostos de enxofre (S) e íons metálicos, principalmente de níquel (Ni) e vanádio (V), geram como
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produtos de sua combustão quantidades consideráveis de dióxido de carbono (CO2) e outros poluentes em menor proporção, tais como os óxidos de nitrogênio (Nox), óxido de enxofre (SO), monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos provenientes da queima incompleta. Esses gases quando na atmosfera provocam o fenômenos como o de efeito estufa e chuvas ácidas com grandes consequências ao clima global. Destes gases, o que apresenta maior forçamento radiativo1 é o CO2. Ainda assim, acredita-se que os combustíveis fósseis permanecerão como as principais fontes primárias de energia mundial. Estima-se um aumento de 83% na demanda global no intervalo entre 2004 e 2030 (International Energy Agency, 2006). Encabeçando esse aumento estão o carvão mineral seguido pelo petróleo e o gás natural. Em contra partida, estes recursos naturais são finitos e suas reservas se esgotarão em um futuro próximo. Sabe-se que até o momento, não há ainda outra fonte energética capaz de substituir o petróleo e o carvão de modo a suprir esta grande e crescente demanda mundial. Em um cenário como este, o mundo volta seu olhar às fontes energéticas renováveis que não apresentam tamanho impacto negativo ao clima e à economia mundial. Isso justifica um crescente interesse em tecnologias como energia solar, eólica, nuclear, geotérmica, das marés e da biomassa. O Brasil, por ser um país com condições climáticas propícias e ter grande território, tem na biomassa um recurso energético natural renovável com grandes possibilidades de exploração. Dentre as tecnologias de transformação energética pode-se destacar a gaseificação de biomassa, a qual será tratada nos itens subseqüentes.
1.2 POTENCIAL ENERGÉTICO DA BIOMASSA Biomassa é toda matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) constituída por compostos carbonados e que, do ponto de vista energético, pode ser utilizada na produção de energia. As plantas, organismos fotossintetizantes, utilizam energia solar para sintetizar esses compostos carbonados. Esta energia na forma de fótons dirige a síntese de carboidratos a partir de dióxido de carbono (CO2) e água com a liberação de oxigênio (O2). Desta forma, energia solar fica armazenada na forma de energia química nas ligações moleculares da estrutura da biomassa podendo posteriormente ser aproveitada na geração de calor ou de gás combustível. Apesar de uma grande parte do planeta estar desprovida de florestas, a quantidade de biomassa existente na Terra é da ordem de dois trilhões de toneladas; o que significa cerca de 400 toneladas per capita (ANEEL, 2002). O fato de ser renovável e se poder aproveitar diretamente em fornos, caldeiras ou gaseificadores, são uma importante característica que, a despeito do ainda baixo rendimento e junto
1
Mudanças positivas ou negativas no balanço energético da Terra, causados por uma substância. É usado
para expressar a influência no aquecimento ou resfriamento no clima global. É medido em [W/m2]. (Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007).
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à possibilidade de futura escassez de combustíveis fósseis no mundo, torna o uso de biomassa para fins energéticos uma alternativa cada vez mais atraente. Atualmente, a biomassa representa 14% do consumo mundial de energia primária, um índice superior ao do carvão mineral e similar ao do gás natural e ao da eletricidade. Esta parcela aumenta para 34% nos países em desenvolvimento segundo dados da IEA (Tab. 1.1). País ou região
Biomassa
Outras fontes
Total
Percentual do uso de biomassa (%)
China Leste Asiático Sul da Ásia América Latina África
206 106 235 73 205
649 316 188 342 136
855 422 423 415 341
24,1 25,1 55,6 17,6 60,1
Países em Desenvolvimento
825
1.632
2.457
33,6
Países da OCDE Total
81 930
3.044 5.713
3.125 6.643
2,6 14,0
Tabela 1.1 – Consumo mundial de energia primária (1995 – Mtep). Fonte: IEA, 1998.
Várias tecnologias de aproveitamento estão em fase de estudo e aplicação das quais a gaseificação é uma delas. Estas tecnologias com maior eficiência na conversão vêm tornando a biomassa um vetor energético moderno e bastante conveniente com vantagens ambientais no controle de emissões de CO 2 e enxofre. Além da geração de calor com a queima em fornos e caldeiras, a biomassa apresenta um grande potencial na geração de energia elétrica. A produção de lenha, carvão vegetal e/ou toras de madeira geram uma grande quantidade de resíduos os quais podem ser aproveitados para este fim. A energia aproveitável a partir desses resíduos de extração vegetal é função do poder calorífero desses resíduos (ANEEL, 2002). O Pará, com suas atividades extrativistas, e São Paulo, com suas florestas plantadas (reflorestamento), são os Estados com o maior potencial de aproveitamento de resíduos da madeira brasileiros como podemos observar nas figuras (1.4). Há ainda no setor de geração de energia elétrica, um grande potencial representado pelos resíduos agrícolas. Nas Regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste apresentam os maiores potenciais com destaque para os Estados do Paraná e Rio Grande do Sul (Fig. 1.5).
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Figura 1. 4 – Potencial de geração de energia elétrica através do aproveitamento de resíduos de madeira (GWh/ano). Fonte: CENBIO 2000.
Figura 1.5 - Potencial de geração de energia elétrica através do aproveitamento de resíduos agrícolas (GWh/ano). Fonte: CENBIO 2000.
Alguns aspectos devem ser observados tais como a baixa eficiência termodinâmica das plantas atuais e os custos relativamente altos de produção e transporte e a necessidade de maior gerenciamento do uso e ocupação do solo, devido à falta de regularidade no suprimento (sazonalidades da produção), criação de monoculturas, perda de biodiversidade, uso intensivo de defensivos agrícolas e outros mais. Além do que, nos casos de extração seletiva e beneficiamento descentralizado, o aproveitamento de
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resíduos pode se tornar economicamente inviável.
Estes entraves, no entanto, tendem a ser
contornados, a médio e longo prazo, pelo desenvolvimento e aplicação de novas e eficientes tecnologias de conversão energética da biomassa (Cortez, 1999).
1.3 ELETRIFICAÇÃO DE COMUNIDADES ISOLADAS O Brasil é um país com dimensões continentais. Sua população beira os 170 milhões de habitantes distribuídos de forma bastante desigual em uma extensão territorial de aproximadamente 8,5 milhões de km2, resultando em uma densidade demográfica de 20 habitantes por km2. Sua distribuição é resultante de uma forte concentração da população em determinados territórios a despeito de outros, gerando assim, um acentuado quadro de desigualdade social. Com 11% do território brasileiro, a região Sudeste concentra 43% da população e 56% do poder de compra do país. Por outro lado, a região Norte corresponde a 45% do território nacional, 7,6% da população brasileira e apenas 4,9% do poder de compra do país (Tab. 1.2). Verifica-se, ainda, que 28% da população brasileira vivem na região Nordeste que detém apenas 16,5% do poder de compra da nação (ANEEL, 2002). Região Sul Sudeste Nordeste Norte Centro-Oeste Brasil
Área (km2) 557.214 927.287 1.558.201 3.869.739 1.612.077 8.544.518
População1 Densidade 25.07.211 43,43 72.262.411 77,93 47.679.381 30,6 12.919.949 3,34 11.611.491 7,2 169.544.443 19,84
PIB2 6.865 8.843 3.085 4.705 7.073 6.495
IPC3 0,158 0,557 0,165 0,049 0,073 1
IDH4 0,86 0,857 0,608 0,727 0,848 0,83
1. Dados preliminares do Censo 2000 [IBGE, 2001]. 2. Produto Interno Bruto (U$/hab.). Valores de 1996, ponderados pelo poder de compra [IPEA, 2001]. 3. Índice de Potencial de Consumo – expressa o poder de compra de cada região [Gazeta Mercantil, 1998]. 4. Índice de Desenvolvimento Humano – valores de 1996 [IPEA, 2001].
Tabela 1.2 – Indicadores socioeconômicos e demográficos – Brasil e suas regiões. Fonte: Atlas de energia elétrica do Brasil – ANEEL, 2002.
Entende-se que apesar de não ser um indicador direto do grau de desenvolvimento de uma região, a disponibilidade de energia elétrica é um fator determinante para o dito bem-estar social e o crescimento econômico do país. Não por acaso, as regiões com as menores taxas de eletrificação são também as com menores IDH’s. O Censo Demográfico realizado pelo IBGE referente ao ano de 1991 evidencia uma forte correlação entre a taxa de eletrificação residencial e indicadores socioeconômicos. Os melhores índices são encontrados nas regiões Sul e Sudeste. Como exemplos de regiões com baixos índices de eletrificação destacam-se a do Alto Solimões, no Amazonas, e grande parte do Estado do Pará indo desde a fronteira com Mato Grosso até o Oceano Atlântico. Ainda na região Norte, observa-se índices muito baixos na região central do Acre, no sudoeste do Amazonas e leste do Tocantins. Na região Nordeste verifica-se várias regiões com baixos índices, entre elas grande parte do Maranhão e Piauí e algumas regiões do Ceará e da Bahia (Fig. 1.6).
20
Figura 1.6 – Taxa de eletrificação residencial – proporção de domicílios eletrificados em 1991. Fonte: ANEEL, 1991.
A ABRADEE, Associação Brasileira de Distribuidores de Energia Elétrica, no ano de 2000, estimou 2,8 milhões de domicílios e aproximadamente 11 milhões de pessoas sem energia elétrica, dos quais 9,7 milhões estão na área rural. Dessa forma, tem-se uma taxa de eletrificação rural de 70,7% contra 99,2% de eletrificação urbana. Por serem de difícil acesso, as comunidades isoladas em sua maioria não são beneficiadas pelo sistema predominante no restante do Brasil, que é baseado em nossa grande matriz hidrelétrica. Essa carência energética é suprida de forma deficiente por aproximadamente 300 pequenos sistemas de geração a diesel operados pelas concessionárias de energia elétrica locais, e outros milhares que são utilizados por proprietários particulares (Marco, Jorge, Cláudio, & Eduardo, 2005). Como conseqüência dos elevados custos de operação, de manutenção e do combustível, o custo da energia na Amazônia é elevadíssimo. Atualmente este custo é subsidiado pela Conta de Consumo de Combustíveis (CCC), que é compartilhada por todas as concessionárias de energia elétrica do Brasil, baseado no lucro de cada uma. A Eletrobrás é a agência responsável pela fiscalização.
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O Ministério de Minas e Energia lançou em 2004 o programa “Luz para Todos”, cujo objetivo é levar energia elétrica a todos os brasileiros excluídos dos benefícios da eletrificação, até 2008. Para atingir esta ambiciosa meta far-se-á necessária a inserção, na medida do possível, de fontes não convencionais de energia, de preferência quando estas fontes são disponíveis localmente como, por exemplo, os resíduos das atividades agrícolas e florestais e os óleos vegetais (Suani et al. 2005). Vale salientar que, segundo Frate e Brasil (2006), a inserção de tecnologias de geração de energia renovável em comunidades isoladas provoca alterações em seu cenário sócio-econômico e ambiental sendo a atual política do Governo insuficiente para estabelecer tais cenários de forma sustentável. A avaliação dos impactos causados pela ação antrópica não pode ser tomada levando em consideração apenas fatores espaciais e temporais, mas também fatores culturais das comunidades (Capata & Orechini, 1996). Deve-se observar também que, segundo Athayde et all (2004), a disponibilidade de energia pode romper com o equilíbrio local alterando os padrões de consumo e induzindo à migração para grandes centros, por conta da disponibilidade de informações trazidas pela televisão. Para que haja uma bem sucedida implantação de novas tecnologias de eletrificação em comunidades rurais isoladas, são necessárias alterações profundas nos paradigmas de produção agrícola, de consumo energético e, sobretudo, uma mudança psicossocial (Frate & Brasil Jr., 2006). Dessa forma, em se tratando de eletrificação de comunidades isoladas, deve-se levar em conta não apenas fatores estritamente técnicos, mas também, fatores políticos, econômicos e sociais.
1.4 ESTADO DA ARTE DA GASEIFICAÇÃO “DOWNDRAFT” DE PEQUENO PORTE A gaseificação de biomassa não é um processo novo. Nos idos de 1669, Sir Thomas Shirley conduziu experimentos com produção de gás metano (CH4). No entanto, as primeiras patentes sobre gaseificação foram registradas apenas em 1788 e 1791 por Robert Gardner e John Barber, respectivamente (Larson, 1998). Barber, em sua patente mencionou o uso do gás de síntese a partir do carvão em motores de combustão interna. Este uso, porém, só seria confirmado um ano após, em 1792. Ainda neste ano, Murdoch, um engenheiro escocês, pirolisou carvão em um reator de ferro e utilizou o gás sintetizado para iluminar sua casa (Lowry, 1945). Posteriormente, Murdoch construiu uma planta de gás para James Watt e iluminou uma das oficinas deste (Rezaiyan & Cheremisinoff, 2005). No ano de 1798, os primeiros experimentos com gaseificação de madeira foram feitos por Lebon. No início do século dezenove foi patenteado na Inglaterra um gaseificador portátil e em 1840, na França, foi desenvolvido o primeiro gaseificador comercial. Estes sistemas de gaseificação, porém, eram ainda muito rudimentares e não representavam verdadeiras soluções no fornecimento de energia à sociedade. Na década de 1860 os primeiros motores de combustão interna especialmente projetados para a queima de gás sintético da gaseificação começaram a ser utilizados na Bélgica. No início do século
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vinte numerosos veículos eram movidos à gás sintético e algumas máquinas maiores foram construídas na Europa e nos Estados Unidos. Em Cobdogla, Austrália, foi construído um sistema de irrigação no qual o motor da bomba d’água era movido por um sistema de gaseificação. James Willian junto com Grahan J. Parker patenteou, na Inglaterra, um sistema melhorado para veículos onde o combustível era o carvão vegetal. Esses sistemas, porém, ainda eram pouco operacionais. Abastecer o veículo com carvão era um trabalho difícil e sujo exigindo a troca de roupas. Ligar o veículo levava um considerável tempo até que as reações de gaseificação iniciassem e a qualidade do carvão era determinante. A potência desses veículos era no máximo 50% a dos veículos movidos a petróleo da época. Durante os anos de 1930, o desenvolvimento da gaseificação despertou grande interesse de países com grandes áreas florestais. Além do mais, a crise econômica que abalou o mundo devido ao “crash” da bolsa de valores norte-americana e o conseqüente aumento dos combustíveis fósseis, foi um incentivo adicional ao uso da gaseificação. Em 1938, cerca de 7.800 veículos movidos a gás supridos por 1.500 estações de abastecimento de madeira ou carvão vegetal circulavam pelas ruas da França. A Suécia e Alemanha seguiram o exemplo da França. Na Suécia, em 1942, cerca de 80.000 veículos e mais de 20.000 tratores foram convertidos para o uso do gás, (Larson, 1998). Durante a Segunda Guerra Mundial, com a escassez de petróleo, os veículos movidos a gás sintético tiveram uma importante atuação. Este cenário de interesse e desenvolvimento da gaseificação durou até meados dos anos 50 quando a produção de petróleo foi normalizada e o interesse por gás combustível diminuiu ao ponto de ser descartado como fonte de energia alternativa. Em 10 de fevereiro de 1979 o aiatolá Ruhollah Khomeini, recém chegado de seu exílio na França, lidera a revolução islâmica no Irã proclamando a República Islâmica do Irã, a qual suspendeu os acordos de compras de armamentos norte-americanos e de venda de petróleo aos Estados Unidos. Estava instaurada a crise mundial do petróleo que reacenderia o interesse pela gaseificação de biomassa. A Figura (1.4) mostra a dinâmica histórica do interesse pelo assunto na forma de citações no Chemical Abstracts sobre gaseificação.
Número de citações
Ano de citação
Figura 1.7 - Número de citações no Chemical Abstract referente à gaseificação de biomassa. Fonte: FAO (1986)
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Nos dias atuais o interesse pela gaseificação de biomassa como fonte de gás combustível é pautado por questões econômicas, sociais e ambientais. Uma característica do sistema energético de vários países em desenvolvimento – em particular em áreas rurais – é o uso intensivo de motores de combustão interna para aplicações estacionárias como a geração de potência elétrica e operação de bombas d’água para irrigações de plantações. Tecnologias como a gaseificação, que permite a utilização de biomassa como combustível para tais máquinas com um mínimo de preparação, são de particular importância (FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1986). Um sistema de gaseificação características bastante interessantes é o do tipo downdraft estratificado onde o ar e a biomassa entram pela parte superior do reator e o gás de síntese sai pela parte inferior do mesmo. Este sistema opera gerando um gás relativamente limpo no que tange às concentrações de alcatrão. Warren et al. (1995) em seu trabalho com plantas de 30kWe (eletricidade) e 60kWth (calor), apontaram a viabilidade de utilização da tecnologia downdraft para eletrificação rural. Peres (1999) obteve resultados significantes em seus experimentos de gaseificação de bagaço de cana. Verificou-se a geração de 0,65 m3 de gás por quilo de bagaço e um poder calorífico de aproximadamente 12,84 MJ/m3 demonstrando assim, a viabilidade econômica da tecnologia posto que a safra de cana de açúcar do nordeste brasileiro nos anos de 1995 e 1996 foi de 47.957.667 toneladas que geraram 14.387.300 toneladas de bagaço de cana os quais gaseificados gerariam 4.675.872.500 m3 de gás (Peres, 1999). Comprovou-se através de estudos realizados que a gaseificação da biomassa do capim-elefante (pennisetum purpureum) é uma alternativa sustentável para geração de energia com baixa emissão de poluentes. Utilizou-se um grupo moto-gerador diesel operando em regime híbrido alcançando uma substituição de 70% do óleo diesel pelo gás de biomassa. Estimou-se, em valores da época, um custo de 0,16 a 0,23 R$/kWh que em termos econômicos, valida a viabilidade para o projeto de eletrificação rural (Cortes & Sanchez, 2000). Wander et al. (2004) experimentaram um sistema de gaseificação leito fixo downdraft estratificado e comprovaram que a gaseificação de madeira pode produzir um gás capaz de ser queimado em motor de combustão interna desde que este sofra uma limpeza adequada. Eles propuseram a inserção de um sistema de recirculação que queima parte dos gases produzidos visando manter um nível elevado de temperatura na zona de gaseificação e gerando, assim, aumento da eficiência. O consumo estimado dos resíduos de serraria pelo gaseificador é de 12 kg/h. Com a finalidade de examinar os efeitos dos parâmetros operacionais em relação a qualidade do gás de síntese e taxa de conversão de biomassa, utilizou-se cavaco de madeira em um sistema de gaseificação downdraft. Constatou-se um poder calorífico de 5,79 ± 0,52 MJ/Nm3; uma taxa de conversão de carbono de 98,01 ± 0,53% e uma concentração de alcatrão de 14,06 ± 8,54 mg/Nm3. Esses valores apontam para a viabilidade da qualidade deste gás para o uso em motores de combustão
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interna. Observou-se ainda, que com o aumento da umidade da biomassa, a concentração de monóxido de carbono (CO) diminuiu ao passo que a concentração de alcatrão teve um significativo aumento.
1.5 MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS Motivados por uma crescente demanda por energia, principalmente em regiões onde o acesso a formas convencionais não é viável e um cenário energético mundial com inúmeras restrições, sejam estas naturais, como o esgotamento das reservas de combustíveis fósseis e a constatação da responsabilidade antropogênica nas mudanças climáticas globais, ou econômicas, como o constante aumento do preço desses combustíveis; novas soluções energéticas devem ser buscadas a fim de garantir independência energética, fundamental ao país. Cientes da cultura predominante de eletrificação por grupos motogeradores diesel em comunidades isoladas, de sua tecnologia estar totalmente dominada, dos altos custos do óleo diesel para o Governo brasileiro e do potencial energético de biomassa dessas regiões, acredita-se que a tecnologia de geração de energia elétrica de pequena escala por sistema de gaseificação de biomassa seja pertinente. O objetivo do presente projeto é avaliar uma central de geração de energia elétrica de cinco kilowatts baseado em um sistema de gaseificação de biomassa e um grupo motogerador, para comunidades isoladas.
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2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste capítulo serão apresentados os princípios básicos da tecnologia de gaseificação de biomassa, em especial os gaseificadores de leito fixo do tipo “downdraft”. Serão feitas algumas considerações sobre biomassa para gaseificação e sobre o grupo motogerador. Por fim, será feita uma comparação entre outras tecnologias existentes para eletrificação de comunidades isoladas.
2.1 PRINCÍPIOS DA GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA A biomassa pode sofrer alguns processos de conversão térmica: a pirólise, resultando em carvão e gás; a gaseificação, que fornece gás combustível e, por fim, a combustão, liberando gases quentes. A pirólise (de Piro – fogo, calor e lisys – quebra) é a quebra da estrutura molecular pelo uso de calor. É um estágio inicial presente tanto na combustão quanto na gaseificação. A pirólise tem início quando a biomassa é aquecida a temperaturas aproximadas de 350 oC. Ocorre a formação de carvão (C), gases (CO, H2, CH4, CO2), e vapores de alcatrão (cuja fórmula atômica aproximada é CH1.2O0.5). O alcatrão assume o estado gasoso apenas a elevadas temperaturas. Fora dessa zona de temperatura, ocorre a formação de uma fumaça branca composta por gotículas de alcatrão condensado (Reed & Das, 1988). A gaseificação é um processo de conversão de biomassa em gás sintético combustível (H2, CO, CO2, CH4) que, teoricamente, contém toda a energia originalmente presente na biomassa. Na prática, porém, ocorre a conversão de 60% a 90% dessa energia em energia do gás. Este processo envolve a reação do carbono com ar, oxigênio, vapor d’água, dióxido de carbono ou uma mistura desses elementos a uma temperatura igual ou superior a 700ºC, produzindo um gás que pode ser utilizado para gerar energia elétrica ou calor (Rezaiyan & Cheremisinoff, 2005). Os sistemas de gaseificação basicamente são compostos por uma unidade onde ocorrem as reações químicas, o reator, um sistema de tratamento do gás gerado e uma unidade de conversão da energia deste gás em outro tipo de energia, que pode ser um grupo moto-gerador no caso de energia elétrica, ou uma caldeira quando se trata de energia térmica (Fig. 2.1).
O2
Sistema de tratamento de gás
Eletricidade Gás Biomassa
Reator
Conversor Calor
Figura 2.1 – Esquema geral de um sistema de gaseificação de biomassa.
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No processo de gaseificação, a maior parte do oxigênio injetado no reator, seja na forma de ar atmosférico ou de oxigênio puro, é consumida nas reações entre carbono (C), oxigênio (O2) e hidrogênio (H), (Eq. 2.1 a 2.3). 𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 𝐶 + 1 2 𝑂2 → 𝐶𝑂 𝐻2 + 1 2 𝑂2 → 𝐻2 𝑂
(2.1) (2.2) (2.3)
Essas reações, por serem exotérmicas, fornecem o calor necessário para secar a biomassa, quebrar as ligações químicas liberando voláteis e elevar a temperatura da zona de reação possibilitando a continuidade do processo de gaseificação. As principais reações de gaseificação são as chamadas reações gás-água (Eq. 2.4 e 2.5), que são endotérmicas e ocorrem com maior intensidade em ambientes com alta temperatura e baixa pressão. 𝐶 + 𝐻2 𝑂 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐶𝑂 + 𝐻2
(2.4)
𝐶 + 2𝐻2 𝑂 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2
(2.5)
Conhecida como reação de Bourdourd, a reação (2.6) é endotérmica. Ela ocorre mais lentamente que a reação de combustão (2.1) sob mesmas condições de temperatura, desde que na ausência de catalisadores. 𝐶 + 𝐶𝑂2 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 2𝐶𝑂
(2.6)
Outra reação que ocorre no interior da zona de reação é a hidro-gaseificação (2.7), que é bastante lenta, com exceção das circunstâncias nas quais a pressão é elevada. 𝐶 + 2𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
(2.7)
Quando uma maior produção de hidrogênio (H2) é desejada, a reação (2.8) passa a representar um importante papel, desde que se faça uso de um catalisador e a baixas temperaturas – por volta de 260 o
C. A pressão não afeta essa reação. 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝑂 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐻2 + 𝐶𝑂2
(2.8)
As reações de formação de metano (2.9) ocorrem de forma lenta, em baixas temperaturas e na ausência de catalisadores. 𝐶𝑂 + 3𝐻2 → 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂
(2.9)
Completando o quadro de reações presentes no processo de gaseificação, há a reação que ocorre entre carbono e água (2.10): 𝐶 + 𝐻2 𝑂 → 1 2 𝐶𝐻4 + 1 2 𝐶𝑂2
(2.10)
2.2 TIPOS DE GASEIFICADORES A despeito de sua mecânica simples, os gaseificadores são equipamentos de difícil operação. Os maiores avanços até agora foram alcançados empiricamente. Isso se deve ao fato de não haver ainda
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um modelo que descreva e preveja completamente a queima em um escoamento em meio poroso não uniforme. Podem-se classificar os gaseificadores em dois grandes grupos: os de leito fluidizado e os de leito fixo. 2.2.1. GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO
Os de leito fluidizado funcionam com o escoamento de um gás pressurizado pelo leito de material particulado. A vazão do gás é controlada de tal forma que sua força de arrasto se igualar ao peso das partículas que entram em suspensão. Essas partículas adquirem características de líquido ganhando o nome de leito fluidizado (Fig. 2.2).
Gás de síntese
Zona de
Partículas em suspensão
Reação
Reservatório de cinzas
Entrada de ar pressurizado
Figura 2.2 – Esquema de um gaseificador de leito fluidizado.
Esse tipo de gaseificador foi desenvolvido antes da Segunda Guerra Mundial visando sistemas de grande porte de gaseificação de carvão mineral. Para tal, é necessário que a base da câmara de combustão seja alimentada com ar pressurizado por uma placa perfurada que suporta o leito de areia. Neste leito, o combustível sólido é transformado em gás no reator pela ação de agentes redutores a
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temperaturas aproximadas a 1000 oC, produzindo um gás com baixo poder calorífico. O rendimento energético aproximado é de 70%. Esse sistema apresenta grande produtividade e altas taxas de transferência de calor. O combustível é praticamente todo processado e pode-se reduzir o teor de enxofre do gás pelo uso de agentes dessulfurantes. Por ser um sistema de grande porte, apresenta também elevados custos de construção e operação. 2.2.2. GASEIFICADORES DE LEITO FIXO
Esse tipo de gaseificador utiliza um leito de partículas sólidas pelo qual ar e gás fluem tanto para cima quanto para baixo. Os reatores nos quais esse fluxo passa de cima para baixo, são chamados de concorrentes ou downdraft, enquanto nos que têm o fluxo de ar passando de baixo para cima, são chamados contracorrentes, ou updraft. O reator contracorrente ou updraft foi o primeiro e mais simples dos modelos de gaseificadores. Nele, a entrada de ar é na parte inferior e a saída do gás é superior. A biomassa entra pela parte superior seguindo para baixo, daí o nome contracorrente. Perto à grade (Fig. 2.3), ocorrem as reações de combustão, que são seguidas pelas reações de redução logo acima. Na parte superior, o aquecimento e a pirólise da biomassa ocorre devido à transferência de calor por convecção formada. Biomassa
Gás sintético
Entrada de ar Cinzas
Figura 2.3 - Esquema de um gaseificador tipo updraft.
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Sua configuração simples é um ponto favorável, assim como a possibilidade de operação com diferentes tipos de biomassa. No entanto, este tipo de gaseificador é bastante suscetível ao entupimento, o que cria bolsões de oxigênio em seu interior, o que torna o risco de explosão grande. Além disso, a concentração de alcatrão no gás formado era consideravelmente elevada. A solução para o elevado nível de concentração de alcatrão no gás dos gaseificadores tipo updraught foi encontrada projetando-se um reator onde o ar primário de gaseificação é injetado pela parte superior sobre a zona de oxidação no gaseificador. Assim, tanto o ar como a biomassa percorrem o gaseificador no mesmo sentido, daí a definição gaseificador tipo concorrente (downdraft), como visto na Figura (2.4). Esse tipo, em particular o tipo estratificado, será tratado mais detalhadamente nas seções seguintes.
Entrada de ar
Biomassa
Gás sintético Cinzas
Figura 2.4 - Esquema de um gaseificador tipo downdraft.
2.3 TECNOLOGIA DE GASEIFICADOR DOWNDRAFT ESTRATIFICADO A geometria de um gaseificador concorrente estratificado (stratified downdraft) é, basicamente, um vaso cilíndrico com a parte superior permanentemente aberta por onde entram a biomassa e um fluxo
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constante de ar, ambos no sentido descendente passando por quatro zonas distintas, daí o nome estratificado.
Zona de depósito
Zona de pirólise
Zona de redução
Cinzas
Figura 2.4 – Zonas de reação em um reator tipo downdraft.
A primeira zona (Fig. 2.5) pela qual a biomassa passa é uma zona de depósito na qual ocorre a secagem do combustível pelo calor conduzido pelas zonas inferiores. Na zona seguinte chamada de zona de pirólise, os voláteis provenientes da quebra das estruturas moleculares da biomassa pelo calor, reagem com o ar em combustão gerando basicamente CO, H2, CO2, H2O e N2. Na terceira zona esses gases sofrem redução pelo carvão formado na segunda fase. Na quarta e última zona, localiza-se a parte onde as cinzas provenientes da redução são armazenadas, servindo de proteção à grelhe de um eventual superaquecimento. Uma série de vantagens pode ser destacada nesse tipo de geometria. A parte superior aberta possibilita um abastecimento muito mais fácil de combustível e permite um melhor acesso de instrumentos de mediada no leito, o que permite uma melhor comparação com os resultados obtidos em modelos teóricos. A passagem uniforme de biomassa e ar mantém a temperatura estável. A geometria cilíndrica é de muito mais fácil construção e dessa forma, mais barata. O gaseificador de leito estratificado é conceitualmente e matematicamente mais fácil de ser compreendido. Dessa forma, descrições quantitativas e modelos matemáticos do fluxo de gás através o leito são facilitados (Reed & Das, 1988).
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Estas vantagens aliadas à simplicidade da geometria e construção colocam os gaseificadores de leito estratificado em uma posição vantajosa quando comparados aos outros tipos de gaseificadores. Há, no entanto, um longo caminho a ser trilhado no que tange às pesquisas sobre essa tecnologia. Algumas pontos devem ainda ser melhor estudados tais como a retirada das cinzas e do alcatrão no gás produzido.
2.4 MOTOR CICLO DIESEL Baseado em uma propriedade do óleo que faz com que este, quando pulverizado em um recipiente com oxigênio exploda, o engenheiro alemão Rudolf Christian Karl Diesel desenvolveu e patenteou em 1893 um motor a combustão cuja simplicidade de funcionamento e robustez revolucionou a indústria e, atualmente, pode ser encontrado até mesmo nos locais mais longínquos do mundo seja em navios, carros ou unidades estacionárias para geração de energia elétrica. Trata-se do motor diesel. Tendo sido projetado primeiramente para utilizar óleo vegetal (óleo de amendoim), este motor logo começou a ser utilizado para queimar óleo proveniente da destilação inicial do petróleo, gasóleo ou óleo diesel (também em homenagem a Rudolf Diesel). O óleo é injetado a alta velocidade em pequenos orifícios sendo pulverizados na câmara de combustão do cilindro. O combustível vaporiza e se mistura com o ar a alta temperatura e alta pressão. Se a temperatura e a pressão estiverem acima do ponto de ignição do combustível, ocorre combustão espontânea de uma porção da mistura. Com a liberação de calor proveniente da chama piloto, ocorre a combustão do restante da mistura (Heywood, 1988). Dessa forma o motor diesel difere do motor ciclo Otto por não necessitar de uma faísca elétrica para a ignição. No motor a gasolina, o ar e o combustível são comprimidos juntos. A taxa de compressão fica, assim, presa à pressão de auto-ignição da mistura. No motor diesel, no entanto, apenas o ar é comprimido sendo o combustível adicionado apenas no momento da queima conseguindo-se, assim, maiores taxas de compressão. Esta característica do motor diesel é bastante favorável para a queima de gás pobre. 2.4.1. O CÍCLO DIESEL
O ciclo Diesel pode ser descrito em quatro fases distintas. Na fase 1-2 do diagrama P-v (Fig. 2.6) ocorre uma compressão isentrópica na qual o ar é comprimido. Na fase 2-3, calor entra no sistema proveniente da combustão da mistura ar-combustível, praticamente isobárica. Na fase 3-4, ocorre expansão adiabática. Por fim, na fase 4-1, há rejeição de calor a volume constante (Çengel & Boles, 1998).
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Figura 2.5 – Diagrama P-v do ciclo Diesel.
Mecanicamente, as fases supracitadas podem ser melhor visualizadas na figura (2.7) a seguir.
Figura 2.6 – Fases do ciclo em um motor Diesel. Fonte: Site Sala de Física.
2.5 BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL DE GASEIFICAÇÃO Há um grande número de tipos de biomassa. Cada um diferindo drasticamente em sua composição química, física e em suas propriedades morfológicas. Isso faz com que haja uma demanda de diferentes tipos de reatores para suprir cada tipo em especial. Dessa forma, cada tipo de reator operará satisfatoriamente no que tange à qualidade do gás e eficiência apenas para valores particulares das propriedades de determinada biomassa. As principais propriedades são: poder calorífico superior e inferior, teor de umidade, constituição química, geometria e teor de cinzas. 2.5.1. PODER CALORÍFICO SUPERIOR E INFERIOR
O poder calorífico define-se como a quantidade de energia na forma de calor liberada pela combustão de uma unidade de massa da madeira (Jara, 1989). No Sistema Internacional o poder calorífico é expresso em joules por grama ou quilojoules por quilo, mas pode ser expresso em calorias por grama ou quilocalorias por quilograma. O poder calorífico divide-se em superior (PCS) e inferior (PCI). O poder calorífico superior é aquele em que a combustão se efetua a volume constante e no qual a água formada durante a combustão é condensada e o calor que é derivado desta condensação é recuperado (Quirino et al., 2005). O poder calorífico inferior é a energia efetivamente disponível por unidade de massa de combustível após deduzir as perdas com a evaporação da água (JARA, 1989).
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2.5.2. TEOR DE UMIDADE
Segundo Earl (1975), citado por Quirino et al. (2005), o teor de umidade da biomassa combustível deve ser reduzido, diminuindo assim o manejo e o custo de transporte, agregando valor ao combustível. A presença da umidade torna inevitável a perda de calor nos gases de combustão em forma de vapor de água, já que a umidade da madeira evapora e absorve energia em combustão (Quirino et al. 2005). Quanto maior o conteúdo de umidade dad madeira, menor é o seu poder de combustão, devido ao processo de evaporação da umidade, o qual absorve energia em combustão (Cunha et al., 1989). 2.5.3. CONSTITUIÇÃO QUÍMICA
Segundo Tillman (1978), citado por Quirino at al. (2005), considera a composição química da biomassa um parâmetro de suma importância a despeito da constituição física. As características energéticas da biomassa são, dessa forma, funções da composição química, dimensões, forma e arranjo dos elementos anatômicos. Para Jara (1989), lignina e extrativos (resinas, óleos-resinas, matérias graxas, óleos, etc.) são os principais elementos determinante do poder calorífico superior da madeira acompanhados pela umidade. Colet (1955), citado por Quirino at al. (2005), afirma que a quantidade de carbono é função da porcentagem de lignina da madeira. 2.5.4. MASSA ESPECÍFICA
É a quantidade de matéria por volume. No sistema internacional utiliza-se kg/m3. Um valor elevado da massa específica em um combustível sólido agrega valor energético ao passo que uma quantidade maior de massa (energia) está confinada por unidade de volume. Segundo Cunha et al. (1989), não há correlação entre densidade básica e o poder calorífico. Há, porém, uma forte relação do volume de biomassa a ser gaseificado e o conteúdo energético. Dessa forma, a densificação de biomassa torna-se uma interessante estratégia para agregar valor a este combustível. 2.5.5. TEOR DE CINZAS
Elevados teores de cinzas podem causar vários problemas em um gaseificador, em especial os do tipo concorrente (downdraft). Quando em altas temperaturas, as cinzas se fundem obstruindo a passagem do fluxo de gases junto à grelha do reator. Biomassas com elevados teores de cinzas devem ser evitadas e medidas devem ser tomadas no que diz respeito ao mecanismo mecânico, tais como um sistema de grelha vibrante e freqüente manutenção. 2.5.6. GEOMETRIA
Também conhecida como granulometria, a geometria tem papel importante na gaseificação por influenciar de maneira decisiva a forma com a qual o fluxo de gases passará pelo reator. Por se tratar de um escoamento em meio poroso, as dimensões das partículas são de vital importância ao funcionamento do gaseificador, pois a homogeneidade desse escoamento deve ser assegurada. 2.5.7. ACESSIBILIDADE
Não menos importante que as demais características supracitadas, o fácil acesso à biomassa deve ser levado em conta para fins de viabilidade econômica. Devem-se considerar além do valor da
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biomassa, os custos com transporte e manuseio. Várias atividades geram grandes volumes de biomassa combustível como subproduto de seus processos. É o caso de fábricas de móveis, compensados, extrativismo, serrarias e etc. Este é o caso da Serraria Imperial, localizada na rodovia BR 020 km 01 na Vila Rosário no município de Correntina-BA (Fig. 2.6). A produção estimada é de 100 m3 de refugos (serragens, cavacos e maravalha) para cada 100 m3 de toras de pinus (Pinus caribaea), como pode se observar nas figuras (2.7 e 2.8).
Figura 2.7 - Serraria Imperial, rodovia BR 020 km 01 na Vila Rosário no município de Correntina-BA
Figura 2.8 – Montanha de resíduos provenientes do processo de corte e preparo do pinus.
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Figura 2.9 – Toras de madeiras cortadas.
Deve-se observar ainda que o uso dessa biomassa pode solucionar o problema do passivo ambiental de várias atividades industriais e extrativistas.
2.6 COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS O aproveitamento da biomassa como combustível pode ser feito através de processos termoquímicos (gaseificação, pirólise, liquefação e transesterificação), por processos biológicos (digestão anaeróbica e fermentação) ou mesmo pela queima direta (com ou sem processos físicos de secagem, classificação, compressão, corte/quebra, etc.) (ANEEL, 2002). O diagrama da figura (2.11) apresenta esses processos. No entanto, nem todas as tecnologias desses processos se adéquam a comunidades isoladas.
Figura 2.10 – Diagrama esquemático dos processos de conversão energética da biomassa. Fonte: MME, 1982.
2.6.1. PEQUENAS CENTRAIS TERMELÉTRICAS A BIOMASSA
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Operam com madeira diretamente queimada em caldeiras em ciclos Rankine com turbinas a vapor. Consomem lenha picada para capacidades menores e, para capacidades acima de 5MW, consomem lenha em toras. Exigem mão-de-obra especializada e apresentam manutenção onerosa. Um exemplo emblemático das dificuldades a enfrentar na implantação de uma central termelétrica a lenha prevista para operar com lenha produzida pelo manejo sustentável de formações naturais pode ser dado pelo projeto de Manacapuru, idealizado para a cidade do mesmo nome, localizada em frente à cidade de Manaus, na margem oposta do Rio Negro. Em termos brasileiros, talvez este projeto seja aquele que mais adiante avançou na proposta de utilizar racionalmente a biomassa da floresta amazônica para geração de eletricidade em média escala e segundo uma tecnologia moderna, com turbinas a vapor multi-estágio e caldeiras a lenha picada. Os equipamentos chegaram a ser licitados, contudo a descontinuidade dos recursos, cuja disponibilidade dependia de um agora extinto imposto único sobre energia, os elevados custos, da ordem de 4.500 EE.UU.$/kW, e que envolviam a infraestrutura de manejo e produção florestal, bem como as dificuldades de dados quanto aos impactos e produtividade ambiental foram fatores de desmotivação e de insucesso para o empreendimento (Zukowski at al.). 2.6.2. PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
São painéis que se valem do efeito fotovoltaico que transforma energia luminosa em energia elétrica. Geralmente é composto por 32 células fotovoltaicas. O uso de pequenos painéis fotovoltaicos é indicado para sistemas de telecomunicação e outros eletrônicos de baixo consumo. Um ponto negativo dessa tecnologia é seu elevado custo. Em média, o valor de mercado de um painel com potência geradora de 130W é de U$ 1.200,00. Além do mais, faz-se necessário uma série de equipamentos tais como, banco de baterias, controladores de carga das baterias, inversores de freqüência 12V DC – 110V AC e etc. Estes equipamentos são em geral, fortemente atacados pela umidade do ar, o que no caso de regiões amazônicas é um fator considerável. Isto tudo torna o projeto bastante rebuscado e caro exigindo uma manutenção constante e qualificada dificultando, assim, o uso em comunidades isoladas.
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3 BANCADA EXPERIMENTAL E METODOLOGIA Neste capítulo serão dadas explicações detalhadas sobre o sistema de gaseificação montado em laboratório, o quadro de comando, o banco de resistências e o sistema de aquisição de dados. Além do que, serão feitas considerações sobre o grupo motogerador e a bancada montada em Campo.
3.1 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA O processo de geração de energia elétrica por gaseificação de biomassa inicia-se no reator onde a biomassa é transformada em gás de síntese o qual é posteriormente tratado seguindo para um grupo motogerador elétrico. Os componentes principais do sistema serão descritos nos itens subseqüentes e uma imagem esquemática da bancada montada em laboratório pode ser vista na figura (3.1). Biomassa
Gás
Figura 3.1 - Componentes do sistema de geração de energia elétrica por gaseificação de biomassa.
3.2 SISTEMA DE GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA O sistema de gaseificação utilizado para o presente estudo foi o de leito fixo do tipo downdraft estratificado (Fig. 3.2). Basicamente, o gaseificador divide-se em três etapas: a geração de gás ou a gaseificação propriamente dita, a limpeza do gás e, por fim, a queima deste.
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Figura 3.2 – Sistema de gaseificação de biomassa downdraft estratificado montado em laboratório.
3.2.1. REATOR
O reator foi construído com chapas de aço 1020 soldadas. Em seu lado frontal existe uma porta de acesso que é vedada com junta para altas temperaturas. Sua única parte móvel é a grelha que fica dependurada junto à base inferior do cone (Fig. 3.3) e sua finalidade é conferir graus de liberdade para que a parte inferior da coluna de reação possa vibrar e as cinzas caiam para o reservatório (vide desenhos técnicos no apêndice).
Figura 3.3 – Reator de combustão.
A biomassa entra pela parte superior do cone bem como o ar. Na coluna de biomassa formam-se zonas de reações onde é gerado o gás de síntese. Este gás é retirado pelo tubo seguindo para o sistema de limpeza restando apenas as cinzas armazenadas no reservatório. 3.2.2. SISTEMA DE TRATAMENTO DE GASES
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Após sair do reator a elevadas temperaturas e composto por fuligens e vapores de alcatrão, o gás segue para o sistema de tratamento. A primeira etapa do tratamento ocorre em um separador de partículas centrífugo (Fig. 3.4) que aproveita o decaimento da energia cinética das partículas mais pesadas em seu interior como princípio de separação.
Figura 3.4 – Separador centrífugo.
O próximo estágio da limpeza do gás é a diminuição da temperatura e conseqüente retirada de condensáveis como o alcatrão em um trocador de calor (Fig. 3.5).
Figura 3.5 – Trocador de calor.
No trocador de calor, o gás entra a elevada temperatura na parte superior escoando dentro de tubos aletados imersos em água fria corrente com a qual troca calor. Na parte inferior do trocador o gás sai com temperatura menor ficando reservados os gases que se condensaram na forma líquida. O calor transferido para a água no trocador pode ainda ser aproveitado em um sistema de aquecimento para banho ou outros fins.
40
A última etapa do sistema de limpeza é um filtro (Fig. 3.6) no qual as eventuais impurezas são definitivamente separadas do gás. O elemento filtrante utilizado é o caroço de açaí (Fig. 3.7), que apresentou excelente desempenho.
Figura 3.6 – Filtro de caroço de açaí.
Figura 3.7 – Interior do filtro com açaí.
3.3 GRUPO MOTO-GERADOR 3.3.1. O MOTOR
O grupo motogerador utilizado foi montado pela empresa Heimer do Brasil LTDA, que utiliza um motor Kirloskar modelo DM-20, de fabricação indiana (Fig. 3.8).
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Figura 3.8 – Grupo Moto-gerador instalado em seu local de ensaios.
A ficha técnica do grupo é a seguinte:
Dois cilindros dispostos em linha com duas válvulas no cabeçote cada;
Cilindrada: 1.884 cm3;
Taxa de compressão: 17:1;
Potência a 1800 rpm: 23,0 cv (16,9 kW);
Admissão: aspiração normal;
O motor em questão é do tipo estacionário, o que significa que a rotação é constante e qualquer alteração significativa de potência demandada é regulada pelo governador, o qual controla a maior ou menor injeção de combustível na câmara de combustão. Assim, quando o motor opera em modo duplo combustível (gás/diesel), o governador percebe o aumento da rotação e, para mantê-la constante, diminui a quantidade de diesel injetada. Dessa forma, a presença do gás induz uma redução no consumo do diesel. O rendimento (η) do motor operando apenas com diesel é dado pela equação (3.1) seguinte: 𝜂=
𝑊 𝑄𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙
=
𝑊 𝑚 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 ×𝑃𝐶 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙
, onde η e Pcdiesel são constantes
(3.1)
Assim, temos que 𝑊 = 𝜂 × 𝑚 × 𝑃𝐶,
(3.2)
Dessa forma, para que a potência seja mantida constante, o único parâmetro que pode ser variado é m. Isso é feito justamente pelo governador de débito da bomba do motor diesel. Quando o motor trabalha no modo duplo combustível, a equação (3.2) assume a seguinte forma: 𝑊 = 𝜂 𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 . 𝑃𝐶𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 + 𝑚𝑔á𝑠 . 𝑃𝐶𝑔á𝑠
(3.3)
Como η, PCdiesel, 𝑚𝑔á𝑠 e PCgás são constantes, o governador atua apenas em 𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 , estando este limitado a um valor mínimo de 20% de 𝑚𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 .
42
Há que se lembrar que para um sistema real, existe uma perda de potência de aproximadamente 20% quando o motor opera em modo duplo combustível devido ao baixo valor de PC diesel. 3.3.2. GERADOR ELÉTRICO
O gerador utilizado foi um Heimer Diesel modelo GEHK-18. Sua potência é de 12 kW AC, 220 – 380V. Acoplado à sua saída há um quadro elétrico no qual foram tomadas medidas de freqüência, corrente e tensão (Fig. 3.9).
Figura 3.9 – Quadro elétrico do gerador.
3.4 BANCO DE RESISTÊNCIAS Para fornecer a carga necessária aos testes utilizou-se um banco de seis resistências elétricas de 2 kW de potência cada, as quais foram submersas em água e comandadas por um quadro de comando no qual se pode acioná-las e aferir corrente e tensão através de um medidor polifásico (Fig. 3.10).
3.5 QUADRO DE AQUISIÇÃO DE DADOS Para a aquisição de dados de potência elétrica consumida utilizou-se o medidor polifásico de três fases, quatro fios e três elementos modelo ZMD318CMt-8155, da LANDIS +GYR. Este equipamento foi ligado ao quadro de comando de carga e comunica-se por meio do software AMAZON Z.D v3.0.0 onde são gravados o consumo de cada fase dentre outros parâmetros (Fig. 3.10).
43
Figura 3.10 – Quadro de comando de carga e medidor polifásico.
3.6 AFERIÇÃO DO CONSUMO DE ÓLEO DIESEL A aferição do consumo de óleo diesel (débito) se deu pelo uso de uma linha de combustível partindo de um béquer contendo o óleo apoiado em uma balança digital modelo Adventurer ARD 110, da Ohaus com precisão e=0,1g. em conjunto com o software LabVIEW 8.2 da National Instruments. Tal montagem pode ser observada na figura (3.11).
Figura 3.11 – Reservatório de óleo sobre balança digital.
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3.7 PLANTA INSTALADA EM CAMPO A comunidade isolada tratada neste trabalho foi a comunidade de Veredãozinho, município de Correntina-BA (Fig. 3.12). Um ponto decisivo na escolha deste local para estudo reside no fato de já haver um histórico de cooperação entre o Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Brasília – UnB e a população local, estando presente e funcionando uma turbina hidrocinética gerando uma potência de 1 kW elétrico.
Figura 3.12 – Comunidade Veredão ou Veredãozinho. Fonte: INPE.
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Esta comunidade manteve praticamente intocada sua flora (cerrado, vereda e veredão) estando cercada por latifúndios com grandes áreas de plantios de algodão, pinus, eucalipto e etc. (Fig. 3.13). Há ainda a presença de inúmeras e ativas serrarias nas proximidades gerando toneladas de biomassa (serragem) como passivos ambientais (Fig. 3.14).
Figura 3.13 – Plantio da região do Veredãozinho. Fonte: INPE.
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Figura 3.14 – Serragem como passivo ambiental gerado por serrarias nas proximidades de Veredãozinho.
A comunidade resume-se a uma família (Fig. 3.15) dividida em quatro casas onde residem aproximadamente quinze pessoas que vivem da caça, da pesca, da aposentadoria da matriarca e do auxílio do programa governamental Bolsa Família.
Figura 3.15 – Casa da Dona Helena, matriarca da comunidade Veredãozinho.
3.7.1. UNIDADE CONSUMIDORA
Quanto ao consumo elétrico, a unidade consumidora é composta por lâmpadas, duas bombas d’água e eletrodomésticos. Uma especificação mais detalhada pode ser vista na tabela (3.1).
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Consumo de Energia Elétrica Residencial Unidade Consumidora:
Veredãozinho
Periodo: Jan 2007 a jun 2008
Média Utilização diaria [h]
Consumo Médio Mensal de Energia [kWh]
Aparelho Elétrico
Quantidade
Potência Média do aparelho [W]
Chuveiro (Verão) - 3200 W Ferro de passar - 1200 W Geladeira 1 porta - 200 W* Lâmpada Fluorescente Compacta - 23 W Lavadora de roupas - 600 W Bomba d'água - 370 W (0,5 CV) Liquidificador - 300 W TV Em Cores 20" - 90 W
0 1 1
3200 1200 200
0 1200 200
30 7 30
2 1 12
0 8,4 72
8
23
184
30
5
27,6
1 2 1 1
600 370 300 90
600 740 300 90
4 30 15 30
2 2 0,25 5
4,8 44,4 1,125 13,5
Potência Instalada [kW] - Pn:
2,574
Consumo Mensal de Energia [kWh]
127,425
Fator de Carga: Fator de Potência
0,5 0,7
Potência de Pico [W] - Pp:
1,287
Potência Total Dias Estimados [W] de uso p/ mês
Tabela 3.1 – Caracterização da unidade consumidora.
3.7.2. SISTEMA DE GASEIFICAÇÃO INSTALADO NO CAMPO
O sistema instalado no campo é composto por equipamentos iguais aos instalados em laboratório. O gaseificador se encontra em uma pequena casa de máquinas construída para este fim (Fig. 3.16) estando ligado à rede elétrica local.
Figura 3.16 – Sistema de gaseificação instalado em campo.
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3.8 METODOLOGIA Na primeira fase do projeto foram feitas aferições laboratoriais para fins de validação com o auxílio de uma balança digital na qual as medidas de consumo mássico de diesel, ou óleo da amêndoa de macaúba, foram tomadas enquanto as variações de carga foram registradas pelo sistema de captura de dados do quadro de comando. Também com o uso de uma balança foi feito a medida do consumo de biomassa. Os procedimentos foram os seguintes: a) Ajuste da carga no quadro de comando; b) Aferimento do consumo de energia realizado pelo quadro de aquisição de dados; c) Aferimento da quantidade de massa de óleo combustível consumida em um determinado intervalo de tempo (débito) e d) Aferimento do consumo de biomassa. Estes procedimentos foram repetidos para cada valor de carga com o motor operando no modo diesel e depois, com o motor operando no modo duplo combustível gás/óleo. Para o experimento utilizou-se endocarpo da macaúba (Acrocomia aculeata) como biomassa combustível e óleo diesel. Em uma fase seguinte, logo após a validação se mostrar satisfatória, foram realizados inúmeros experimentos utilizando biomassa de macaúba e óleo in natura da amêndoa de macaúba. Dessa forma, comprovou-se a capacidade de independência de combustíveis fósseis do sistema de geração de eletricidade com gaseificação de biomassa proposto. Na fase final, foi ministrado o treinamento a alguns indivíduos da comunidade local com o intuito de proporcionar-lhes autonomia operacional. A eles foi ensinado como ligar e desligar todo o sistema, aquisição e tratamento correto da biomassa tal como secagem e por fim, a forma correta de manutenção do equipamento. Além disto, foi feito uma avaliação qualitativa da unidade.
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4 RESULTADOS Esta parte do texto faz uma análise dos dados obtidos empiricamente no laboratório, apresentando algumas curvas de consumo de diesel e óleo in natura e seu desempenho na geração de energia elétrica. É apresentado ainda neste capitulo uma avaliação qualitativa do sistema instalado em campo bem como dos operadores do mesmo.
4.1 RESULTADOS LABORATORIAIS A partir dos experimentos realizados em laboratório, dois grupos de dados foram obtidos: um com o motor operando apenas com óleo (Tab. 4.1 e 4.2) e outro grupo com o sistema de gaseificação gerando gás de síntese e o motor no modo duplo combustível (Tab. 4.3).
COMBUSTÍVEL: ÓLEO DIESEL 13/11/2008
Data:
DADOS DE ENTRADA QUADRO ELÉTRICO
Carga 1 2 3 4 5 6 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Inicial Tempo (t1) Medida (W.h) hh mm ss 19 13 28 212052 19 15 35 212521 19 18 35 213184 19 20 36 213611 19 23 23 214200 19 25 28 214604 19 27 46 215036 19 29 49 215349 19 32 48 215750 19 34 11 215927 19 36 50 216241 19 38 56 216439 19 41 23 216670 19 42 50 216756 19 45 55 216940 19 47 49 217005 19 50 45 217086
Final Tempo (t2) Medida (W.h) hh mm ss 19 15 35 212521 19 18 6 213079 19 20 36 213611 19 23 6 214131 19 25 28 214604 19 27 25 214972 19 29 49 215349 19 31 9 215546 19 34 11 215927 19 36 21 216186 19 38 56 216439 19 40 54 216629 19 42 50 216756 19 45 23 216918 19 47 49 217005 19 50 7 217079 19 52 2 217086
CONSUMO COMBUSTÍVEL Débito (g/s)* 1 1,29 1,30 1,20 1,19 1,06 1,06 0,83 0,82 0,71 0,71 0,62 0,63 0,48 0,51 0,43 0,42 0,33
2 1,30 1,34 1,21 1,19 1,06 1,07 0,82 0,82 0,72 0,71 0,58 0,67 0,53 0,51 0,42 0,42 0,33
3 1,30 1,34 1,21 1,18 1,06 1,06 0,82 0,82 0,72 0,72 0,62 0,67 0,51 0,51 0,45 0,41 0,33
Débito médio (g/s) 1,30 1,33 1,21 1,19 1,06 1,06 0,82 0,82 0,72 0,71 0,61 0,66 0,51 0,51 0,43 0,42 0,33
(kg/h) 4,67 4,78 4,34 4,27 3,82 3,83 2,96 2,95 2,58 2,57 2,18 2,36 1,82 1,84 1,56 1,50 1,19
SAÍDA Intervalo de tempo Δt (s) 127 151 121 150 125 117 123 80 83 130 126 118 87 153 114 138 77
Potência (kW) 13,294 13,303 12,704 12,480 11,635 11,323 9,161 8,865 7,677 7,172 5,657 5,797 3,559 3,812 2,053 1,930 0,000
Tabela 4.1 – Dados obtidos utilizando-se apenas óleo Diesel.
50
COMBUSTÍVEL: ÓLEO DE AMÊNDOA DE MACAÚBA 13/11/2008
Data:
DADOS DE ENTRADA QUADRO ELÉTRICO
Carga 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Inicial Final Tempo (t1) Tempo (t2) Medida (W.h) Medida (W.h) hh mm ss hh mm ss 18 14 24 205048 18 16 17 205442 18 16 17 205442 18 18 23 205911 18 20 0 206226 18 21 8 206454 18 21 8 206454 18 23 5 206853 18 23 26 206910 18 26 4 207416 18 26 4 207416 18 27 59 207795 18 40 3 208893 18 42 21 209237 18 42 21 209237 18 44 57 209625 18 45 56 209742 18 47 50 209984 18 47 50 209984 18 50 8 210258 18 50 28 210296 18 52 34 210499 18 52 34 210499 18 54 44 210699 18 55 42 210775 18 58 6 210921 18 58 6 210921 19 0 1 211043 19 0 21 211058 19 2 36 211132 19 2 36 211132 19 4 6 211182 19 4 44 211192 19 6 57 211192
SAÍDA
CONSUMO COMBUSTÍVEL Débito (g/s) 1 1,45 1,44 1,28 1,30 1,23 1,24 0,99 1,00 0,87 0,88 0,75 0,75 0,61 0,62 0,52 0,52 0,38
2 1,43 1,44 1,27 1,32 1,24 1,25 0,99 0,99 0,88 0,88 0,75 0,75 0,62 0,62 0,53 0,50 0,40
3 1,46 1,43 1,27 1,32 1,23 1,25 1,00 1,02 0,88 0,87 0,75 0,76 0,62 0,62 0,52 0,53 0,40
Débito Médio (g/s) 1,45 1,44 1,27 1,31 1,23 1,25 0,99 1,00 0,88 0,88 0,75 0,75 0,62 0,62 0,52 0,52 0,39
(kg/h) 5,21 5,17 4,58 4,73 4,44 4,49 3,58 3,61 3,16 3,16 2,70 2,71 2,22 2,23 1,88 1,86 1,42
Intervalo de tempo Δt (s) 113 126 68 117 158 115 138 156 114 138 126 130 144 115 135 90 133
Potência (kW) 12,552 13,400 12,071 12,277 11,529 11,864 8,974 8,954 7,642 7,148 5,800 5,538 3,650 3,819 1,973 2,000 0,000
Tabela 4.2 – Dados obtidos utilizando-se óleo da amêndoa de macaúba. COMBUSTÍVEL: 11/08/2008
ÓLEO DE MACAÚBA
BIOMASSA:
MACAÚBA
Data:
DADOS DE ENTRADA QUADRO ELÉTRICO Carga 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Inicial Final Tempo (t1) Medida [W.h] Tempo (t2) Medida [W.h] hh mm ss hh mm ss 22 39 20 32072 22 42 46 32251 32627 32890 22 47 3 22 49 54 22 50 51 32979 22 52 57 33173 22 54 6 33297 22 55 3 33426 33494 33847 22 55 33 22 58 9 22 58 51 33940 23 2 8 34385 23 5 1 34770 23 7 31 35108 23 7 56 35162 23 9 46 35412 23 9 57 35435 23 12 12 35731 23 12 31 35774 23 14 48 36082 23 15 13 36139 23 17 49 36490
CONSUMO COMBUSTÍVEL Débito (g/s)* 1 0,12 0,22 0,23 0,19 0,23 0,25 0,19 0,21 0,20 0,16 0,16
2 0,12 0,22 0,18 0,22 0,21 0,23 0,20 0,22 0,16 0,18 0,19
3 0,12 0,21 0,19 0,22 0,19 0,25 0,21 0,20 0,16 0,17 0,17
SAÍDA
Intervalo Potência de tempo [kW] Δt *s+ (kg/h) 0,432 206 3,128 0,78 171 5,537 0,72 126 5,543 0,756 57 8,147 0,756 156 8,146 0,876 197 8,132 0,72 150 8,112 0,756 110 8,182 0,624 135 7,893 0,612 137 8,093 0,624 156 8,100
Débito Médio (g/s) 0,12 0,22 0,20 0,21 0,21 0,24 0,20 0,21 0,17 0,17 0,17
Tabela 4.3 – Dados obtidos utilizando-se óleo de macaúba e gás de síntese de macaúba. Na tabela (4.3) deve-se notar que os valores de carga giraram em torno de 8kW. Isto se deu enquanto foi dado um ajuste fino no motor a fim de se reduziu ao máximo o débito chegando-se, assim, a 0,612 kg/h de consumo de óleo de macaúba. Este ajuste pode ser observado na figura (4.3). O consumo de biomassa médio foi calculado como sendo de 1 kg/kWh. Esta medida foi feita no ensaio com óleo de macaúba.
4.2 CURVAS DE CONSUMO E DESEMPENHO Com base nos dados das tabelas do item anterior, as seguintes curvas foram traçadas:
51
Consumo de óleo diesel
5,5 5,0 4,5
Consumo [kg/h]
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
Potência [kW] Figura 4.1 – Curva de consumo de óleo diesel (Tab. 4.1).
Consumo de óleo de macaúba 5,5 5,0 4,5 Consumo [kg/h]
4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
Potência [kW] Figura 4.2 – Curva de consumo de óleo de macaúba (Tab. 4.2).
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Figura 4.3 – Curva de consumo de óleo de macaúba com auxílio de gás de síntese de macaúba.
4.3 AVALIAÇÃO DO SISTEMA INSTALADO EM CAMPO Três semanas após a comunidade obter autonomia de operação do sistema foi feita a primeira inspeção qualitativa no equipamento. Para tal, foi seguido o roteiro da tabela (4.4). Os itens observados sugerem que o sistema instalado em campo é estável e operacional. Segundo relato dos moradores da comunidade, o único problema encontrado até então foi o rompimento da flange de ligação do sistema à admissão do motor. Este problema foi contornado pela própria comunidade que soldou a peça defeituosa e colocou novamente o sistema em funcionamento sem maiores danos. Este tipo de atitude foi incentivado no treinamento afim de proporcionar maior independência por parte da comunidade na manutenção do sistema.
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Avaliação de qualitativa do sistema de gaseificação de biomassa Local: Veredãozinho, Correntina-BA Data: 15/11/08 Aspecto observado
Planta de Gaseificação
Apreciação qualitativa Sistema de armazenagem (autonomia) Sistema de alimentação Reator e subsistemas Sistema de tratamento dos gases
Avaliação
Observações
Satisfatória
Sistema apresentou aparente confiabilidade e desenho operacional
Satisfatória Biomassa secada e estocada sob lona Sistema não funciona devido à inadequação do parafuso transportador. Satisfatória Equipamento funcionando
Insatisfatória
Satisfatória Equipamento funcionando
Sistema de retirada de cinzas
Satisfatória Funcional
Sistema de coleta de particulados
Satisfatória Funcional
Desempenho Integração Sistemas
Motor
Apesar do uso de Equipamentos de Sistema de proteção ao operador Insatisfatória proteção individual é necessario ainda cuidado maior com proteção coletiva Sistema de alimentação de gás Controle de Detonação
Satisfatória Satisfatória Até momento não apresenta detonação
Sistema de partida da unidade
Satisfatória Ainda manual
Sistema de parada da unidade
Satisfatória Ainda manual
Estabilidade operacional do conjunto Estimativa do consumo de biomassa Nível de condensação na linha
Sistema apresenta estabilidade sendo Satisfatória capaz de suprir às necessidades da comunidade 4kg/h
Valor estimado a partir do depoimento dos operadores locais
Baixa quantidade de condensados Satisfatória retirada em manutenção do trocador de calor
Tabela 4.4 – Roteiro de avaliação qualitativa de sistemas de gaseificação de biomassa.
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5 CONCLUSÕES Neste capítulo serão feitas as considerações finais do projeto de graduação ponderando as metas propostas os avanços alcançados em laboratório e em campo bem como sugestões para possíveis projetos que dêem seqüência ao trabalho realizado.
5.1 CONCLUSÕES Os dados obtidos neste trabalho indicam a viabilidade do projeto e instalação de uma central de geração elétrica de 5 kW por gaseificação de biomassa. A relativa simplicidade de operação e o baixo custo de implantação tornam atrativa a utilização desta tecnologia para eletrificação de comunidades isoladas, sendo assim, uma possível solução à de falta de energia elétrica em regiões de difícil acesso às linhas convencionais. Os ensaios feitos com o motor operando no modo duplo combustível, com gás de síntese da macaúba, apresentaram uma economia média de 60% no consumo de óleo combustível podendo, com um ajuste fino do débito no motor, chegar até 80% de economia. Em campo, a unidade mostrou-se estável e confiável não apresentando falhas em seu sistema principal estando já em uso e suprindo a comunidade de Veredãozinho com energia elétrica de qualidade. Por ser um sistema de fácil operação e manutenção, a comunidade mostrou sinais de apropriação da tecnologia logo no inicio do treinamento dos operadores. O fato de não haver partes móveis no sistema de gaseificação e de já existir uma afinidade por parte dos moradores da comunidade com motogeradores diesel facilitou o processo de aprendizado. Acredita-se que com esta tecnologia, a comunidade terá um cenário propício ao incremento do índice de desenvolvimento humano. Alguns pontos carecem ainda de atenção tais como a automação do sistema de alimentação e melhor armazenamento da biomassa, aproveitamento da água quente rejeitada pelo trocador de calor, medidas de segurança de operação, isolamento acústico, monitoramento remoto do sistema e a inadequação da casa de máquinas existente em campo. Sugere-se, assim, o uso de um container especialmente projetado contemplando todos estes pontos. Além do mais, o container criaria uma unidade móvel de geração elétrica por gaseificação de biomassa podendo este se deslocar facilmente até as comunidades.
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6 REFEÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEEL. (2002). Atlas de energia elétrica do Brasil. Brasília: ANEEL. Baumol, W. J. (1989). Productivity and american leadership: the long view. The MIT Press. Capata, R. N., & Orechini, F. (1996). Social Impact of Energy Systems. World Renewable Energy Council - WREC. Geneve. Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (1998). Thermodynamics, An Engineering Approach (International Edition ed.). McGraw Hill. Cortes, M., & Sanchez, C. (2000). Projeto gaseificação de gramínea (pennisetum purpureum). Encontro de Energia no Meio Rural. Campinas - SP: UNICAMP. Cortez, L. A. (1999). Uso de Resíduos Agrícolas para Fins Energéticos: o Caso da Palha de Canade-Açúcar. Revista Brasileira de Energia , n.1, p.66-81. FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations. (1986). Wood gas as engine fuel. Rome, Italy: FAO. Frate, C. A., & Brasil Jr., A. C. (2006). Electrification Policy for Isolated Communities in Brazil and Sustainable Development Indicators. RIO 6 - World Climate & Energy Event . Hémery, D., Debeir, J.-C., & Deléage, J.-P. (2007). Uma História da Energia. Brasília: Editora UnB. Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. Massachusetts: McGraw-Hill. Intergovernmental Panel on Climate Change. (2007). Climate Change 2007: Synthesis Report. Valência, Espanha. International Energy Agency. (2006). World Energy Outlook 2006. International Energy Agency. Jara, E. R. (1989). O poder calorífico de algumas madeiras que ocorrem no Brasil. São Paulo: Comunicação Técnica. Krushna, N. P., Raymond, L. H., & Danielle, D. B. (2005). Experimental Study of a Downdraft Gasifier. American Society of Agricultural and Biological Engineers . Larson, E. D. (1998). Small escale gasification based biomass power generation. Princeton, USA: Center for Energy and Environmental Studies. Leite, A. D. (1997). A energia do Brasil. Rio de Janeiro: Editora Nova Fronteira. Lowry, H. H. (1945). Chemistry of Coal Utilization. Marco, A. E., Jorge, H. G., Cláudio, M., & Eduardo, T. S. (2005). O Contexto das Energias Renováveis no Brasil. Revista da Direng . Peres, S. (1999). Gás do bagaço de cana: um combustível substituto do gás natural. XV Seminário nacional de produção e transmição de energia elétrica. Recife - PE. Quirino, W. F., Teixeira, A., de Andrade, A. P., & Lúcia, V. (2005). Poder calorífico da madeira e de materiais lignocelulósicos. Revista da Madeira n. 89 , 100 a 106.
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