Aproveitamento da Biomassa para a Geração de Energia Elétrica

Aproveitamento da Biomassa para a Geração de Energia Elétrica

Dr. Osvaldo Stella MartinsDr. Osvaldo Stella Martins

Centro Nacional de Referência em Biomassa - CENBIO

BrasBrasíília, 09 de dezembro de 2004lia, 09 de dezembro de 2004

11ºº SeminSemináário sobre a Utilizario sobre a Utilizaçção de Energias Renovão de Energias Renovááveis para veis para

EletrificaEletrificaçção Rural do Norte e Nordeste do Brasilão Rural do Norte e Nordeste do Brasil


Todos os organismos biológicos que podem ser aproveitados como fontes de energia, são chamados

de BiomassaBiomassa:: a cana-de-açúcar, o eucalipto, a beterraba, o biogás (produzido pela biodegradação anaeróbica existente no lixo e dejetos orgânicos),

lenha e carvão vegetal, óleos vegetais (amendoim, soja, dendê), etc.


- A biomassa é formada pela combinação de dióxido de carbono da atmosfera e água na fotossíntese, que produz os hidratos de carbono - a energia solar éarmazenada nas ligações químicas dos componentes estruturais da biomassa;

- Se a biomassa for queimada de modo eficiente, háprodução de dióxido de carbono e água. Portanto, o processo é cíclico e dizemos que a biomassa é um recurso renovável.


Tipos de Biomassa


- Biomassa Sólida;

- Biocombustíveis Gasosos;

- Biocombustíveis Líquidos.


Biomassa Sólida:

Tem como fonte de origem os produtos e resíduos da agricultura (incluindo substâncias vegetais e animais), os produtos e resíduos florestais e das indústrias conexas e a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos.


Biocombustíveis Gasosos: Biogás

- Tem origem nos efluentes agro-pecuários, da agro-indústria e urbanos (lodos das estações de tratamento dos efluentes domésticos) e ainda nos aterros de RSU (Resíduos Sólidos Urbanos).

- Resultado da degradação anaeróbia da matéria orgânica contida nos resíduos anteriormente referidos e éconstituído por uma mistura de metano (CH4) em percentagens que variam entre os 50% e os 70% sendo o restante essencialmente CO2.


Biocombustíveis Líquidos:

Existe uma série de biocombustíveis líquidos com potencial de utilização, todos com origem em “culturas energéticas”:

- Biodiesel: obtido a partir de óleos vegetais;

- Etanol: produzido a partir da fermentação de hidratos de carbono (açúcar, amido, celulose);

- Óleos in natura.


Processos de Conversão


Biomassa Sólida:

Quanto à biomassa sólida, o processo de conversão ou aproveitamento de energia, passa primeiro pela recolha dos vários resíduos de que écomposta, seguido do transporte para os locais de consumo, onde se faz o aproveitamento energético por combustão direta.


Biocombustíveis gasosos:

Como já referido, a sua obtenção faz-se a partir da degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica contida nos resíduos como efluentes agro-pecuários, da agro-indústria e urbanos, obtendo-se uma mistura gasosa de metano e dióxido de carbono (biogás), aproveitando o seu potencial energético através da queima para obtenção de energia térmica ou elétrica.



Os biocombustíveis líquidos biodisel, etanol,óleo in natura, obtidos a partir de "culturas energéticas", podem ser utilizados na substituição total ou parcial como combustíveis para veículos motorizados e grupos geradores.


Tecnologias de conversão


Biomassa Sólida:

Na recolha e transporte da biomassa são utilizadas diversas tecnologias mecanizadas, dependendo da idade das árvores (2,5 ou 10 anos) ou do tamanho dos resíduos. O seu armazenamento pode ser feito em pilhas curtas, peletes, postes, montes de estilhas ou serrilha.As tecnologias de aproveitamento do potencial da biomassa sólida passam essencialmente pela queima em centrais térmicas com tecnologias como: de grelha fixa, móvel ou inclinada e de leito fluidizado, ou centrais de cogeração para a produção de energia elétrica e de água quente.


1

4

2

3 Wes

Wbs

Qq

Qf


2

3

Qq

Gerador de vapor para a

turbina

d a

bomba

Queimador

Gases da

Combustão

Oxigênio

(Ar)

Combustível

Lenha Carvão

Bio-massa Óleo mineral Óleo vegetal Gás Natural

Liq.

Vap.

CALDEIRA


- Potência: de 150 kW a 23 MW;- Eficiência: Sem cogeração 18% a 20%, com cogeração ~ 30%);- Custos de manutenção: Primeiros cinco anos - 2% do investimento e demais anos - 5% do investimento;- Custos de operação: Depende da faixa de pressão da caldeira e envolve os custos dos produtos químicos da caldeira e o salário dos operadores para comunidades isoladas da região norte (valores "genéricos"):- 4 operadores 400 R$/mês cada um = 1600 R$/mês mais 1000 R$/mês com produtos químicos;- Custo de Investimento: R$ 5.000/kW – turn key para sistema de 200 kW.


Biocombustíveis Gasosos: Biogás

Para o aproveitamento do biogás, dependendo da sua fonte (suinoculturas, RSU, lamas) são aplicadas diversas tecnologias de aproveitamento deste potencial energético, finalizando quase todos na queima do biogás para obtenção de calor ou para transformação em energia elétrica;

As tecnologias de conversão mais utilizadas são os motores de combustão interna e as turbinas.

Tecnologias de Conversão

Caldeiras

Turbinas

Motores Microturbinas

Tecnologias de Conversão

< 9 ppm24% - 28%30 kW – 100 kWMicroturbinas

(Pequeno Porte)

35 ppm – 50 ppm(gás de aterro)

20% - 30%500 kW – 150 MWTurbinas a Gás(Médio Porte)

250 ppm – 3.000 ppm

30% – 40%30 kW – 20 MWMotores a Gás

Emissõesde NOx

RendimentoPotência

Fonte: CENBIO, 2003

Fonte: Jenbacher, 2001 Fonte: Solar Turbines, 2001 Fonte: Capstone, 2001


• Potência: 30 kW a 20 MW para motores a gás (Ciclo Otto) e de 500 kW a 150 MW para turbinas a gás;

• Eficiência (sem cogeração): 30 % a 40 % para motores a gás e de 20 % a 30 % para turbinas a gás;

• Eficiência (com cogeração): 50 % a 80 % para motores a gás e de 40 % a 90 % para turbinas a gás;

• Custos de manutenção: de 0,03 R$/kWh a 0,18 R$/kWh;• Custos de operação: Envolve os custos com os salários dos

operadores. Para a região sudeste (valores “genéricos”); 4 operadores a 400 R$/mês cada um = 1.600 R$/mês.

• Custo de investimento: de 2.100 R$/kW a 4.800 R$/kW.



Nos biocombustíveis líquidos as tecnologias para conversão em energia final são essencialmente as mesmas do biogás: motores de ciclo de Otto e diesel, turbinas e caldeiras.

Os custos são mais baixos que os do biogás em função das tecnologias que foram desenvolvidas para combustíveis líquidos e adaptadas para o biogás.

Gaseificadores

• Gaseificador de leito fixo:

- Co-corrente (downdraft)

- Contracorrente (updraft)

• Gaseificador de leito fluidizado ou leito circulante;

Segundo MANIATIS (2001), 77,5 % dos projetos de gaseificadores são do tipo de leito fixo, 20 % são do tipo fluidizado ou circulante e 2,5 % de outros tipos.

Gaseificador Co- corrente (Downdraft)

• Variantes: modelo desenvolvido por MUKUNDA et

al, do Instituto de Ciência Indiano, IISc vem apresentando bons resultados em testes de avaliação em laboratórios e em campo, na Índia

• Três unidades foram trazidas ao Brasil para testes de avaliação de desempenho com biomassas locais (CENBIO / BUN e UFPA).


Especificações Técnica do IISc

• Combustível: Biomassa com umidade máxima de 15 % b. u.; dimensões de 1 a 6 cm; densidade de empilhamento > 300 kg/m2

• Potência nominal de geração: 20 kWe (220 V e 60 Hz) e 70 kWth;

• Composição média gás gerado (% vol. b. s.): CO 20 ± 1; CH4 3 ±1; H2 20 ± 1; CO2 12 ± 1; N2~ 45; PCS 4,5 a 5,0 MJ/kg;

• Consumo de biomassa: 20 kg/h;

• Consumo de diesel: ~1 litro/h (relação de substituição de 80 %);

• Princípio de funcionamento: Topo aberto; co-corrente estratificado;

• Sistema de limpeza do gás: Via úmida.

Componentes principais do gaseificador

Corpo do gaseificador

Sistema de limpeza de gases

Ciclone

Removedorde cinzas

Resfriador de água

Lavador 1

Lavador 2

Lavador 3

2 Bombas d’água

Resultados preliminares com cavaco seco ( 3% umidade)

• PCS médio gás (MJ/Nm3) 5,7

• Potência térmica média (kW) 67,1

• Teor de particulado e alcatrão nos gases (mg/Nm3) ~216

• Vazão alimentação cavaco (kg/h) ~18

• Vazão descarga de cinzas (kg/h) 1,3

• Rendimento a frio do gaseificador (%) ~70 %


• Potência: 1 kW a 1.000 kW;

• Eficiência: Gaseificador 70%, motor 35%, líquida 14%;

• Custos de manutenção: De 0,30 R$/kWh a 0,50 R$/kWh;

• Custos de operação: Envolve os custos com os salários dos operadores mais o custo do diesel (30%) 0,5 R$/kWh;

• Custo de investimento: 6.500 R$/ kW.

Stirling

CENBIO

Centro Nacional de Referência em Biomassa

Osvaldo Stella Martins

[email protected]

Fone: (11) 3483-6983 / 3091-2649

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Aproveitamento da Biomassa para a Geração de Energia Elétrica