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Biomassa para produção de electricidade
Trabalho realizado por:Paulo Pereira
José Fernandes
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Introdução - Biomassa
A produção de energia a partir de biomassa vegetal constitui uma componente importante, valorizando os resíduos agrícolas, florestais e agro-industriais já existentes e posteriormente dando cada vez mais importância a produção de biomassa para fins energéticos.
Biomassa é toda a matéria orgânica, não fóssil, de origem biológica, que pode ser explorada para fins energéticos.
A energia da biomassa é produzida a partir de plantas, animais, e principalmente, resíduos da agricultura, tal como da floresta, inclusive da limpeza dos matos, também tendo importância, árvores de fruto (oliveiras, macieiras, pereiras amendoeiras) e até mesmo vinhas.
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Energias Renováveis - Portugal
A economia portuguesa apresentava, em 2004, um consumo final de energia maioritariamente oriundo do petróleo (58%), sendo o país europeu com maior dependência desta fonte (média da UE é de 40%). O consumo final de electricidade representava 19% e o de energias renováveis 9%.
A produção doméstica de energia assenta na Electricidade e em algumas Energias
Renováveis.
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Biomassa sólida
No que diz respeito aos biocombustíveis sólidos, existem várias fontes de energia, nomeadamente, os resíduos florestais.
A utilização de árvores de fruto, destacando-se as oliveiras, as macieiras, as pereiras, as amendoeiras e as aveleiras e, muito em particular, as vinhas e as palhas, associadas á produção de cereais, são algumas espécies a ter em consideração.
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Biomassa DensificadaUma das formas de melhorar a qualidade da biomassa na combustão é a densificação, o que irá
melhorar a sua homogeneidade, tornando-se mais fácil e económico o seu transporte. Com o objectivo de minimizar os custos de transporte, opta-se por utilizar biomassa densificada ou, em alguns casos, misturando a biomassa com um combustível fóssil como por exemplo turfa.
o processo de combustão de material densificado é um processo novo e a sua caracterização como combustível ainda não está completamente desenvolvida.
Algumas das principais vantagens da biomassa densificada são:
� Taxa de combustão comparável à do carvão
� Combustão mais uniforme
� Redução da emissão de partículas
� Melhoria das condições de armazenamento, transporte e alimentação
As técnicas de densificação geralmente utilizadas são a produção de briquetes e pellets .
O objectivo destas técnicas é elevar a massa específica aparente da biomassa em muitos casos, 5 a 10 vezes superior ao material de origem.
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Tecnologias de Conversão e Aproveitamento
A biomassa pode ser utilizada para diversas aplicações domésticas como por exemplo:
� Caldeira a lenha
� Fogão a lenha
� Lareira a lenha
A utilização da biomassa é feita basicamente para produção de dois tipos de energia, sendo elas a energia calorífica e a energia eléctrica.
Desde a biomassa até a energia eléctrica é necessário passar por várias etapas, demonstrando-se no gráfico seguinte os passos principais.
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Todos estes processos de conversão de biomassa em energia são afectados por diversos factores entre os quais se destaca a percentagem de humidade que afecta a qualidade de combustão e o poder calorífico da biomassa florestal.
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Tecnologias de conversão e
aproveitamento
Há uma vasta gama de tecnologias que podem ser usadas para produção de electricidade a partir da biomassa.
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Combustão Directa
Nas centrais de combustão, a biomassa é queimada para produzir calor de processo ou vapor que alimentam uma turbina de vapor.
A eficiência de conversão do combustível para electricidade ébaixa, especialmente para os sistemas de dimensão reduzida, mas os custos iniciais são relativamente reduzidos.
Vejamos o processo de conversão de biomassa representado a seguir.
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Existem vários tipos de caldeiras para a combustão da biomassa. A figura seguinte é representativa de uma caldeira com combustão em grelha móvel e de uma caldeira com combustão de partículas em suspensão.
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Caldeiras com combustão em leite fluidizado (leito fluidizado borbulhante e leito fluidizado circulante).
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Combustão Conjunta
Como o próprio nome indica, significa adicionar uma porção de biomassa a um combustível fóssil.
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Esta tecnologia apresenta as seguintes vantagens:
� Custo de capital reduzido – A maior parte dos equipamentos (caldeira, gerador, condensador e torres de arrefecimento) não são alterados.
� Redução das emissões de oxido de azoto.
� Redução das emissões de dióxido de enxofre
Em contrapartida apresenta como desvantagem a impossibilidade de reciclar as cinzas da biomassa, utilizando-as como nutriente para o solo.
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Custo da energia na utilização de biomassa em conjunto com o
carvão.
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
€/kWh
a
b
c
d
a) Custo da Biomassa a 30 €/ton e do Carvão a 39,09 €/tonb) Custo da Biomassa a 51,48 €/ton e do Carvão a 39,09 €/tonc) Custo da Biomassa a 30 €/ton e do Carvão a 28,05 €/ton
d) Custo da Biomassa a 51,48 €/ton e do Carvão a 28,05 €/ton
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Comparando as emissões gasosas e sólidas de uma central a carvão e de uma central de combustão conjunta verificamos que a central de combustão conjunta só “perde” na emissão de CO2 Fósseis + Biomassa, sendo assim numa central de combustão conjunta, no global existe menos emissões de gases.
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Processos termoquímicos
Processos Termoquímicos
Gaseificação Pirólise liquefação transesterificação
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Gaseificação
Processo em que ocorre o aquecimento da biomassa em presença de oxidante (ar ou O2) em quantidades menores do que a estequiométrica, obtendo-se um gás composto de CO, H2, CH4 e outros. Deste gás, utilizando-se catalisadores, pode-se obter adicionalmente metano, metanol, hidrogénio e amónia. As proporções com que se obtém estes gases variam de acordo com as condições do processo. Por fim o gás resultante do processo de oxidação pode ser utilizado em turbinas a gás para produzir electricidade.
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Gaseificação
Uma instalação de gaseificação é constituída pelos seguintes
componentes:� Processamento - armazenamento, transporte da biomassa e redução
da mesma ao tratamento necessário.
� Gaseificador - dotado de um alimentador próprio para não haver
fuga dos gases.
� Tratamento dos gases - arrefecimento e limpeza dos gases.
� Sistema de controlo - tais como pressão e temperatura
� Tratamento dos resíduos - considerando o potencial tóxico dos mesmos.
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GaseificaçãoA gaseificação da biomassa oferece as seguintes vantagens:
� Grande eficiência térmica, variando de 60% a 90%.� A energia obtida é limpa. � A produção de energia pode ser controlada e, consequentemente, a taxa de
gaseificação pode ser facilmente monitorizada e, também, controlada.� Diminuição da emissão de partículas.
Contudo o processo de gaseificação apresenta algumas desvantagens entre as quais se destacam:
� É uma técnica muito mais complexa relativamente á queima directa. � A biomassa deverá ser limpa.� Há o potencial de fusão de cinzas, que poderá alterar o desempenho do
gaseificador, quando se usa a biomassa com alto teor de cinzas � O alcatrão formado durante o processo de gaseificação, poderá limitar o
processo e aplicações
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Gaseificadores
Há vários tipos de gaseificadores, com grandes diferenças de temperatura e/ou pressão. Os mais comuns são os reactores de leito fixo e leito fluidizado.
É de registar que os gaseificadores de leito fixo podem-se subdividir em gaseificadores co-corrente (downdraft) ou em gaseificadores contracorrente (updraft).
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Gaseificadores de leito fixo
No gaseificador de leito fixo, a biomassa é alimentada pelo topo e passa pelos seguintes
processos sucessivos: secagem, pirólise (conversão da biomassa em produtos líquidos ou gasosos), carbonização e combustão dos resíduos carbonosos quando estes assentam no fundo do gaseificador. O gás produzido é retirado no topo do gaseificador e as cinzas no fundo. O gás produzido neste processo tem baixa velocidade e baixa temperatura. A baixa temperatura de operação cria uma quantidade considerável de óleo condensado e alcatrão no gás produzido.
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Gaseificador de leito fluidizado
Nos gaseificadores de leito fluidizado emprega-se um material como meio fluidizante, que arrasta consigo a biomassa, aumentando o contacto desta com o elemento oxidante e, consequentemente, aumentando as taxas de reacção.
Gaseificadores de leito fluidizado são mais adequados à conversão de uma maior quantidade de biomassa.
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Gaseificadores
Capacidade e características:
350 €/ kWEnvolve custos com os salários
dos operadores
mais oscustos dos
combustíveis
0,10 €/kWh a
0,20 €/kWh.
60% a 90%
1 KW a 1MW
Custos de investimento
Custos de operação
Custos de manutençã
o
EficiênciaPotência
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Gaseificação – características técnicas e evolução
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Custos de O&M e emissões de gases e partículas
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Pirólise
A pirólise ou também chamado de carbonização é o mais simples e mais antigo processo de conversão de um combustível (normalmente lenha) em outro de melhor qualidade e conteúdo energético (carvão, essencialmente). O processo consiste em aquecer o material original (normalmente entre 300°C e 500°C), na ausência quase por completo de ar, até que o material volátil seja retirado. O principal produto final é o carvão. Além de gás combustível, a pirólise produz alcatrão e uma fracção pirolenhosa (também designada algumas vezes por extracto ou bioóleo).
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PiróliseA relação entre a quantidade de lenha (material de origem) e a quantidade de carvão
produzida (principal combustível gerado) varia com vários factores. Em geral, são necessárias de quatro a dez toneladas de lenha para a produção de uma tonelada de carvão.
Embora necessite de tratamento prévio (redução da acidez), o líquido produzido pode ser usado como óleo combustível.
A fase gasosa é utilizada como fonte de energia suplementar ao processo e o seurendimento pode variar desde 5% a 20% em peso, dependendo da temperatura em que o processo se realiza.
A pirólise é um processo relativamente recente. Contudo, tem sido alvo de considerável atenção por parte dos investigadores, uma vez que o combustível é líquido e apresenta uma maior flexibilidade e um maior potencial de mercado, uma vez que pode facilmente ser armazenado e transportado.
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Pirólise rápida e pirólise convencional
Nos processos de pirólise rápida, cerca de 60% do material se transforma num gás rico em hidrogénio e monóxido de carbono (apenas 10% de carvão sólido), o que a torna uma tecnologia competitiva com a gaseificação (contudo este gás resultante da pirólise normalmente é utilizado para calor de processo). Todavia, a pirólise convencional (300°C 500°C) ainda é a tecnologia mais atractiva.
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Reactor de pirólise
A pirólise ocorre num local designado por reactor de pirólise, o qual possui três zonas específicas:
� zona de secagem: nesta zona as temperaturas estão na ordem dos 100º a 150º C.
� zona de pirólise: na qual ocorrem as reacções propriamente ditas, sendo elas a volatilização, a oxidação e a fusão. As temperaturas nesta fase variam de 150ºC a 450ºC.
� zona de resfriamento: nesta fase os resíduos gerados pelo processo são colectados (cinzas e bioóleo).
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Liquefacção e transesterificaçãoLiquefação
A liquefação directa da biomassa é um tipo de hidrogenação na qual a matéria orgânica é misturada com um solvente em presença de um catalisador a altas pressões e temperaturas moderadas, obtendo-se um produto líquido.
Transesterificação
Transesterificação é o nome do processo através do qual ocorre a separação da glicerina do óleo vegetal. Cerca de 20% de uma molécula de óleo vegetal é formada por glicerina. A glicerina torna o óleo mais denso e viscoso. Durante o processo de transesterificação, a glicerina é removida do óleo vegetal, deixando o óleo mais fino e reduzindo a viscosidade.
Para posteriormente se produzir biodiesel, os ésteres no óleo vegetal são separados da glicerina. Os ésteres são a base do biodiesel. Durante o processo, a glicerina é substituída pelo álcool, proveniente do etanol ou metanol.
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Biomassa - Características
Ponto de vista ambiental
� Evita desertificação dos terrenos ardidos� Diminuição dos incêndios.� A remoção de grandes quantidades de vegetação, pode também
aumentar a erosão, podendo afectar a qualidade/quantidade da água disponível.
� Durante a queima da Biomassa, é necessária a utilização de água para arrefecimento. Esta água, restituída ao meio pode provocar um aumento de temperatura e ter consequências no ecossistema.
� O problema em termos de emissões, refere-se à libertação de partículas não queimadas, que podem causar problemas em termos de saúde pública.
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Biomassa - Características
Ponto de vista económico� área de desenvolvimento económico-regional, aumentando
o nível de vida em zonas rurais.� criação de riqueza na área energética, não havendo
necessidade se importar energia.� preços de investimentos avultados, que poderiam ser
compensados a longo prazo.
Ruídos� Durante a colheita e transporte da biomassa ocorre o ruído
dos veículos, tal como de toda maquinaria, referente a estes processos.
� Durante a etapa de operação da central, ocorre algum ruído local, mas contudo este é comum noutros tipos de tecnologias de combustão.
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Biomassa - Características
Paisagístico� As infra-estruturas
apresentam impactos ao nível da paisagem local, principalmente a chaminé, como demonstra a figura a seguir, da central de Mortágua.
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Biomassa em Portugal
A biomassa é a principal fonte de energia primária nacional. Dados recentes demonstram que a capacidade da biomassa em Portugal em termos de potência eléctrica éde cerca de 821 MW e de energia eléctrica é de 5.755.862 MWh/ano.
Em Portugal, a principal fonte de biomassa é, sem dúvida, a floresta a qual representa cerca de 38% da área total do país podendo esta área ser aumentada até 60%.
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Biomassa em Portugal
Em média, no nosso país é extraído anualmente um volume de cerca de 11,5 milhões m3 de madeira, aumentado pelo actual corte de lenha numa quantidade de 680.000 m3/ano (daqui resulta um potencial adicional de resíduos florestais de aproximadamente 3,8 milhões m3/ano, com um potencial energético de 816,81 mil Tep).
Este corte da madeira deixa normalmente nas florestas cerca de 10% do volume extraído que poderia ser utilizado para fins energéticos, a que corresponde a um potencial energético de 247,19 mil Tep.
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Biomassa em Portugal
O potencial de biomassa em Portugal pode ser analisado através da tabela seguinte.
No entanto estes números não revelam o panorama actual do aproveitamento do potencial da biomassa florestal, que se traduz pelo quase abandono da floresta.
Entre os principais entraves ao aproveitamento da floresta destacam-se a falta de equipamentos para sistemas de recolha apropriada, ausência de uma estrutura do sector, falta de tratamento fiscal adequada, receio dos proprietários e industriais da indústria da madeira, uma grande agressividade de sectores concorrentes como o do gás, factores que têm originado uma estagnação do aproveitamento deste potencial.
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Utilização e plano de Crescimento do sector da biomassa em Portugal
Das centrais existentes em Portugal destaca-se a central de biomassa florestal de Mortágua, a qual apresenta uma potência instalada de 9 MW.
Uma das utilizações principais de biomassa em território nacional é nas cimenteiras. Actualmente a cimenteira da Secil/Outão consome 100 toneladas de biomassa por dia, utilizando quase a totalidade da biomassa do distrito de Setúbal. Está também em estudo a aplicação na Cimpor/Loulé, aproveitando a biomassa do Algarve.
Em termos nacionais o plano de crescimento do sector da biomassapode ser analisado através da figura seguinte. Este crescimento deve-se áabertura por parte do Governo de 15 concursos para novas centrais de produção de electricidade dos quais seriam 7 concursos para centrais de 10-11MVA, e as outras 8 centrais de 2-5MVA. Na selecção para a escolha da localização das centrais foram privilegiadas zonas com elevada fitomassa, elevado risco estrutural de incêndio e potência disponível.
Seria assim, uma produção de cerca de 100MW, e os custos de investimento, rondariam os 225M€.
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Utilização e plano de Crescimento do sector da biomassa em Portugal
O desaproveitamento nacional do uso da energia da biomassa é negativo uma vez que a utilização de resíduos florestais como fonte energética apresenta-se não só como uma importante ajuda para cumprir as metas delineadas em Quioto, como também para o ordenamento e gestão da floresta portuguesa, essencial para a diminuição dos incêndios florestais.
Para o futuro e atendendo às potencialidades do país no que toca ao aproveitamento da biomassa, prevê-se que, em 2010, a biomassa poderá servir de combustível a instalações de produção de energia eléctrica num total de 250 MW de potência, o que permitirá uma produção estimada de 1,4 TWh/ano de electricidade proveniente da biomassa.
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Comparação com a Europa
Portugal é deficitário em combustíveis fosseis, o que cria uma enorme dependência externa no que diz respeito à sua importação.
No caso das energias renováveis, verifica-se precisamente o contrário, quer seja no caso da energia solar, eólica e também na produção de biomassa. No caso desta última já se verificam alguns avanços da sua utilização, principalmente para o aquecimento doméstico, apesar de ser utilizada com uma baixa eficiência energética.
Em 2000, na União Europeia, concluiu-se que a biomassa correspondeu a 3% das necessidades energéticas. No ano 2010 prevê-se que a biomassa irá contribuir com cerca de 50% das fontes das energias renováveis.
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Comparação com a Europa
Em 2002, Portugal utilizava biomassa na industria da pasta do papel para produção de energia eléctrica. A Espanha com o mesmo perfil mas com pouco mais de potência instalada produziu o dobro da energia eléctrica que Portugal. A Finlândia e a Suécia, para compensar o investimento na potencia utilizada, são os lideres da produção de electricidade e de calor, a nível europeu, através da biomassa.
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Biomassa desvantagens
A “justificação” de centrais de biomassa para a redução dos fogos florestais em Portugal é um argumento que capta facilmente a atenção do público, mas que contém algumas incorrecções.
Com efeito, para ser eficaz na prevenção de incêndios, uma central de biomassa deveria consumir preferencialmente matos e outra vegetação existente nas florestas. O custo financeiro de cortar, recolher e transportar este tipo de materiais é incomportável quando estão em causa longas distâncias. Nas condições actuais, a área de influência de uma central de biomassa onde é viável esta exploração encontra-se dentro de um raio de cerca de 45 km, ou seja 636 000 ha, os quais não são, por regra, 100% florestais.
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Biomassa desvantagensPor outro lado, a utilização de biomassa deverá garantir
sempre a conservação da biodiversidade e do solo.Para assegurar a conservação da biodiversidade apela-
se a uma estrutura diversificada das florestas, o que passa por ter alguma presença de matos em diferentes fases de desenvolvimento.
Para assegurar a protecção do solo contra a erosão e permitir o fecho do ciclo de nutrientes, sem recurso a adubações extensivas, apela-se a uma cobertura permanente do solo e à restituição do máximo possível de matéria orgânica. Este aspecto é particularmente importante em Portugal, uma vez que a maior parte dos nossos solos florestais apresentam quantidades de matéria orgânica nulas ou muito reduzidas.
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Central de Biomassa de Mortágua
Central eléctrica de Mortágua.
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Características técnicas
� Potência instalada: 9 MW (10 MVA)
� Tensão de geração: 6 KV
� Tensão de emissão: 60 KV
� Produção anual a plena carga: 63 GW/h
� Consumo de Biomassa (para o grau de humidade de 30%) consumo horário (plena carga): 8,7 T/h
� Poder calorífico inferior: 13.800 KJ/Kg
� Capacidade do parque de combustível: 55.000 m3
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Característica do vapor sobreaquecido:- Pressão: 42 bar- Temperatura: 420 ºC- Caudal: 40 T/h- Consumo de água: 60 m3/h
Valores de emissão garantidos na central/ Valores limite de aplicação geral- Partículas: 100/300- Dióxido de Enxofre (SO2): 300/2700- Óxido de Azoto (Nox) como NO2: 340/1500- Monóxido de Carbono (CO): 200/1000
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A maior central de biomassa do mundo
A maior central de biomassa do mundo é a central de Alholmens Krafta qual se situa na Finlândia e emprega 400 pessoas, 50 para gestão da central e 350 para o manuseamento e produção de combustíveis. Existem também 200 pessoas ligadas directamente à actividade da central.
Valores da central:Principais Combustíveis:
� Casca de árvore� Sobras de madeiras� Turfa� Produtos Provenientes do processo
de refinação da madeira� Carvão (combustível complementar)
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Protocolo de Quioto
Em Março de 2007 foram estabelecidas novas metas no protocolo de Quioto. De entre as várias metas, e no que á biomassa e aos biocombustíveis diz respeito salientam-se as seguintes:
• Biocombustíveis – alteração da meta de 5.75% para 10% em 2010.
• Biomassa para substituição de combustíveis fósseis- 45% do consumo de electricidade a partir de fontes renováveis em 2010 (5% de biomassa florestal)- ampliação para 250 MW da rede de centrais descentralizadas de produção de energia eléctrica- substituição de 5% a 10% do carvão nas centrais de Sines e do Pego por biomassa ou Combustível Derivado de Resíduos (CDR)
