Microturbinas Movidas a Gs

Trabalho Apresentado na disciplina de Combusto e Aproveitamento Energtico no Programa de Ps Graduao Stricto Sensu da Faculdade de Engenharia Mecnica - Universidade Estadual Paulista - Jlio de Mesquita Filho Aluno: Marcio Yukio HiranoProf Dr. Celso Luiz da Silva

Bauru - Junho de 2014Sumrio

1.Introduo12.Desenvolvimento22.1A Microturbina22.2Os Combustveis62.3Aproveitamento Energtico92.4Panorama de Uso das Microturbinas113.Consideraes Finais124.Bibliografia14

Introduo

Atualmente existe uma demanda crescente de energia pelo mundo, a energia utilizada pelo homem em suas mais diversas formas, podendo-se apresentar na forma trmica, qumica, radiante, mecnica, eltrica, dentre outras. Devido aos avanos tecnolgicos a energia eltrica tem se mostrado a melhor forma de energia atualmente existente, devido principalmente ao fato das mquinas e equipamentos eltricos apresentarem rendimentos superiores 90%; sendo que as mquinas trmicas possuem rendimento na faixa de 35%. Alm disso, a energia eltrica pode ser facilmente transportada e distribuda com auxlio de cabos e redes de transmisses. Entretanto a alta demanda desta forma de energia se esbarra na sua gerao. A energia eltrica pode ser obtida atravs da converso da energia trmica, mecnica e potencial, por meio de geradores eltricos. Como por exemplo, com o uso de motores de combusto interna, aerogeradores, caldeiras, turbinas a gs, turbinas hidrulicas, entre outras, que possam fornecer trabalho de eixo para moverem os geradores eltricos. Com o advento da tecnologia, novas formas de captao e converso da energia para sua forma eltrica tem sido desenvolvido. Podendo ser obtido atravs de placas fotovoltaicas, que absorvem a radiao solar e a converte em energia eltrica. Porm, tal tecnologia ainda possui baixo rendimento e elevado custo, inviabilizando muitos projetos de captao da energia solar para seu uso na forma eltrica.A forma mais usual para se obter energia eltrica a sua converso da forma trmica. A energia trmica pode ser obtida atravs da oxidao de diversos combustveis, ou seja, atravs do processo de combusto. O processo de combusto pode ser realizado utilizando os mais diversos tipos de combustveis conhecidos pelo homem, como o petrleo, o gs natural, a biomassa e alguns tipos de resduos que podem ser incinerados com o objetivo de fornecer energia trmica. O desenvolvimento tecnolgico de novos equipamentos utilizados para a converso da energia eltrica deve caminhar com o mbito de conciliar produo de energia, e a conservao e preservao de recursos naturais, que esto cada vez mais escassos. Evitando assim tambm, alguns problemas de ordens ambiental e de sade, como as emisses de gases txicos e poluentes, que podem causar as chuvas cidas, poluio do ar e o efeito estufa. Nesta linha de pensamento, o desenvolvimento e uso de microturbinas a gs tem se mostrado muito interessante, pois so equipamentos de pequeno porte, e de considervel produo energtica. Alm de possurem a grande vantagem de flexibilizao do combustvel a ser utilizado e emitirem baixos ndices de poluentes. Podendo tambm ser viabilizados projetos que aproveitem melhor a energia proveniente dos gases de escape da microturbina. DesenvolvimentoA Microturbina

As microturbinas so turbinas de combusto de pequeno porte que podem fornecer potncias na faixa de 10 a 500 kW. Operam com elevada velocidade de rotao, podendo alcanar a 100.000 rpm (Rotaes Por Minuto), e podem ser adaptadas para operarem com os mais diversos tipos de combustveis. A maioria das turbinas operam com uma presso de combustvel que varia de 3,5 a 8,5 bar. As microturbinas so compostas basicamente de um compressor, que responsvel pela elevao da presso do ar e pelo aumento da quantidade de ar injetado na cmara de combusto. Da cmara de combusto, local onde ocorre a mistura do ar a alta presso e do combustvel, e posterior reao qumica de oxidao exotrmica. Da turbina, onde ocorre a expanso dos gases resultantes da combusto e a realizao de trabalho mecnico til. E de um regenerador ou recuperador de calor, cuja funo pr aquecer o ar do compressor, antes de sua entrada da cmara de combusto. De acordo com COLOMA & PRIETO (2010), o regenerador um dos principais equipamentos que diferencia as microturbinas das turbinas convencionais, alm de melhorar seu rendimento. A figura 1 abaixo mostra o desenho esquemtico de uma microturbina a gs.

Figura 1. Desenho esquemtico de uma microturbina gs.Fonte: MONTEIRO (2004)

A Figura 2 abaixo mostra uma microturbina seccionada e seus componentes.

Figura 2. Microturbina Capstone C60Fonte: CAPSTONE (2014)O principio de funcionamento das microturbinas atualmente bem compreendido, e se baseia no ciclo termodinmico de Brayton, que um ciclo aberto. A Figura 3 abaixo , representa o diagrama esquemtico do ciclo termodinmico de uma microturbina a gs.

Figura 3. Diagrama esquemtico de uma microturbina a gs.Fonte: ENGEL (5 Edio)

No diagrama esquemtico acima, o compressor responsvel pela elevao da presso do ar desde a sua admisso at a cmara de combusto. O trabalho de compresso faz com que a temperatura do ar se eleve. Em alguns casos, devido elevadas presses de trabalho da microturbina, o compressor pode ser dividido em varias sees utilizando-se resfriamento intermedirio. O resfriamento reduz o trabalho requerido pelo compressor. O ar comprimido a alta temperatura ento entregue atravs de um difusor para a cmara de combusto, onde o combustvel injetado e queimado a presso constante, aumentando a temperatura dos gases. O difusor reduz a velocidade do ar para valores aceitveis na cmara de combusto. Na prtica, existe uma perda de carga atravs da cmara de combusto, que est na ordem de 1 2 %. A combusto acontece com uma considervel quantidade de excesso de ar que dilui e abaixa a temperatura dos produtos da combusto. Os gases provenientes da cmara de combusto podem exceder a 1.533 K de temperatura, e podem ter concentrao de oxignio de at 15 ou 16 %.Os gases a alta temperatura e presso provenientes da cmara de combusto so ento entregues para a turbina. Na turbina, a energia dos gases de exausto convertida em energia cintica, que convertida em energia mecnica. Os gases de exausto da turbina so consideravelmente mais frios que os gases provenientes do cmara de combusto e esto na faixa de 727 a 866 K.Aps se expandir na turbina, os gases de exausto podem ser utilizados em um regenerador antes de serem expelidos para a atmosfera. No regenerador os gases de exausto passa por um trocador de calor com o objetivo de aquecer o ar de entrada da cmara de combusto (sada do compressor), e com isso melhorar a eficincia do processo. A Figura 4 a seguir, mostra um diagrama esquemtico de uma microturbina com regenerador.

Figura 4. Microturbina com regenerador.Fonte: MULTITEK (2014)

Dentre os benefcios apresentados na utilizao de microturbinas, destacam-se as baixas emisses atmosfricas, baixos nveis de rudo e vibrao, flexibilidade de combustvel, dimenses reduzidas e simplicidade de instalao, podendo ser instalada em locais cobertos ou ao ar livre (HAMILTON, 2003). De acordo com COLOMA & PRIETO (2010), o sistema de refrigerao da microturbina por ar, e se se utilizam de mancais pneumticos com o qual se eliminam o uso de lquidos lubrificantes, reduzindo tambm tempo de manuteno. Segundo a CAPSTONE (2014) a nica pea mvel do sistema o eixo no qual est acoplado o microgerador de m permanente, o compressor de ar centrifugo e a turbina de expanso dos gases, representado pela Figura 5 a seguir.

Figura 5. Representao do eixo mvel de uma microturbina.Fonte: CAPSTONE (2014)

Por ser a nica pea mvel do sistema, necessita de pouca manuteno, sendo que a primeira manuteno preventiva requerida pelo sistema pode ser feita aps 40 mil horas de funcionamento da microturbina, resultando-lhe em uma elevada confiabilidade.Segundo COLOMA & PRIETO (2010), uma caracterstica intrnseca das microturbinas a capacidade de emitir baixos nveis de poluentes, com ndices inferiores 9 ppm (Partes Por Milho). Os poluentes mais comuns so os NOx (xidos de nitrognio), CO2 (dixido de carbono), CO (monxido de carbono), SO2 (dixido de enxofre) e hidrocarbonetos. A presena do NOx devido s elevadas temperaturas de combusto da mistura de gases pobre em metano, e tambm devido ao nitrognio presente no ar atmosfrico. O monxido de carbono e os hidrocarbonetos so provenientes da combusto incompleta, causada pelo baixo tempo de residncia das mistura ar-combustvel na cmara de combusto. O rendimento eltrico das microturbinas varia entre 15 a 33%, entretanto seu rendimento global pode alcanar a 83%, mediante ao aproveitamento energtico dos gases de escape, tanto com o uso de regeneradores, utilizados para pr aquecer o ar de entrada na cmara de combusto. Ou seu uso em sistemas de aquecimento de gua e produo de vapor, ou mesmo sistemas de refrigerao por absoro.

Os Combustveis

O processo de combusto uma reao qumica de oxidao completa ou parcial do carbono, do hidrognio e do enxofre contidos nos combustveis. A forma com que o processo ir ocorrer depende das caracterstica e composio dos combustveis, da sua temperatura, das presses em que os processos ocorrem, do estado fsico que se utilizado e do formato das cmaras de combusto. Devido sua flexibilidade, muitas microturbinas podem ser abastecidas com diversos tipos de combustveis. O gs natural vem sendo utilizado em sistemas de turbinas gs para a gerao de energia eltrica desde 1950. De acordo com o MMA (2014), o gs natural uma mistura de hidrocarbonetos leves, que temperatura ambiente e presso atmosfrica, permanece no estado gasoso. um gs inodoro e incolor, no txico e mais leve que o ar. Sendo considerado uma fonte de energia mais limpa quando comparado com o carvo mineral e o petrleo. O gs natural composto basicamente de metano, mas podem conter pequenas quantidades de outros gases combustveis como o etano, propano, butano e hidrocarbonetos mais pesados. Alm de traos de dixido de carbono, nitrognio, sulfeto de hidrognio e vapor de gua. Seu poder calorfico pode variar de 8.000 a 12.500 kcal/Nm, e pode conter de 20 a 80 mg de gs sulfdrico por metro cbico. Com essas caractersticas, o gs natural, bem visto como combustvel para abastecer as microturbinas e gerar energia eltrica.Entretanto, atualmente existem estudos que viabilizem a substituio do gs natural pelo biogs. O biogs um combustvel natural provindo da decomposio anaerbica da matria orgnica. No qual, diversos grupos de bactrias anaerbicas convivem entre si, desempenhando funes distintas para que haja a decomposio da matria orgnica e a sntese do gs metano atravs das bactrias metanognicas. O gs metano juntamente com o dixido de carbono, so os principais constituintes do biogs. O metano um hidrocarboneto de cadeia simples, incolor e inodoro, e menos denso do que o ar. Seu poder calorfico varia de 8.500 a 9.500 kcal/Nm. O substrato orgnico utilizado para produo de biogs pode ser oriundo de resduos slidos urbanos, de resduos orgnicos industriais, de resduos do tratamento de esgoto, de resduos agropecurios e da biomassa. A caracterstica do biogs produzido pela decomposio anaerbica depende muito do tipo de matria orgnica que ser utilizada como substrato. Segundo WILLUMSEN (2001), o biogs produzido em aterros sanitrios possuem as seguintes caractersticas apresentada na tabela 1 abaixo.

Tabela 1. Composio de biogs gerados em aterros.ComponentesQuantidade

Metano (CH4)~ 60%

Dixido de carbono (CO2)~ 45%

Outros gases - hidrognio, nitrognio, oxignio, amnia, cido sulfdrico, aminas volteis e monxido de carbono.~ 5%

Fonte: WILLUMSEN (2001)

O biogs produzido em aterros sanitrios saturado e, portanto, necessita passar por um processo de tratamento antes de sua utilizao nas microturbinas. Sendo necessria principalmente a remoo de vapor de gua e de cido sulfdrico, para aumentar seu poder calorfico e evitar problemas de corroso. Devido presena do dixido de carbono em quantidade expressiva, o poder calorfico do biogs oriundo deste substrato fica reduzido a valores entre 5.100 e 5.700 kcal/Nm. J o biogs produzido partir de desejos agropecurios possui outras caractersticas, principalmente no que se refere sua composio e fraes de gases, variando assim seu poder calorfico. CASTANN (2002), prope a seguinte composio de 1 m de biogs produzido a partir desses resduos, demonstrado na tabela 2 a seguir.

Tabela 2. Composio do biogs processado num biodigestorGasesPorcentagem (%)

Metano (CH4)40 a 75

Dixido de carbono (CO2)25 a 40

Hidrognio (H2)1 a 3

Nitrognio (N2)0,5 a 2,5

Oxignio (O2)0,1 a 1

Gs Sulfdrico (H2S)0,1 a 0,5

Amnia (NH3)0,1 a 0,5

Monxido de carbono (CO)0 a 0,1

Fonte: CASTANN (2002)

Devido qualidade do substrato utilizado para a digesto anaerbica, o biogs apresenta quantidades distintas de gs metano em sua composio. Desta forma, o poder calorfico oriundo deste tipo de matria orgnica pode variar de 5.200 a 5.900 kcal/Nm. A utilizao de um gs de baixo poder calorfico requer remodelao da microturbina para sua queima e uma limpeza do mesmo, antes desta queima. De acordo com COLOMA & PRIETO (2010), as microturbinas so equipamentos muito interessantes para aplicaes onde se dispe de pequenas reservas de biogs. Outra caracterstica interessante que se pode trabalhar com biogs pobre em metano, com uma quantidade mnima de 35 a 40%. Segundo a CAPSTONE (2014), as microturbinas atuais, principalmente o modelo CR30 de sua linha, pode operar com biogs com alto nveis de contaminantes, como o gs sulfdrico (H2S). Seu equipamento pode operar com nveis de gs sulfdrico prximo 70.000 ppm, ou seja, 175.000 mg/Nm, muito adequado para receber biogs proveniente da decomposio anaerbica.

Aproveitamento Energtico

O uso do biogs para a produo de energia eltrica em microturbinas vivel tecnicamente e economicamente, quando se dispe de quantidades suficientes de biogs para manter o funcionamento continuo da microturbina. Possibilitando assim, a produo e venda de energia eltrica excedente.A CAPSTONE possui uma microturbina modelo CR30, que foi desenvolvida para receber o biogs da decomposio aerbica, ou seja, adaptada para receber o biogs com baixo teor de metano e altos nveis de contaminantes como o cido sulfdrico. A microturbina CAPSTONE CR30 e suas especificaes so ilustradas na Figura 6 e na tabela 3, respectivamente.

Figura 6. Microtrubina CR30

Fonte: CASPTONE (2014)

Tabela 3. Especificaes tcnicas da microturbina CAPSTONE CR30.Microturbina CR30

Performance Eltrica

Potncia eltrica produzida 30 kW

Voltagem 400 - 480 VAC (trifsico - 50/60 Hz)

Mxima corrente Produzida 36 A

Eficincia eltrica 26%

Caractersticas do Combustvel

Biogs de biodigestor ou aterros sanitrios13 - 32,6 MJ/m

Concentrao de H2S< 70.000 ppm

Presso de entrada414 - 483 kPa

Fluxo de biogs457 MJ/h

Caracterstica dos Gases de Exausto

Emisso de NOx< 9 ppm (18 mg/m)

NOx /produo energtica~ 0,29 kg/MWh

Fluxo dos gases de exausto0,31 kg/s

Temperatura dos gases de exausto275 C

Dimenses

Largura x Profundidade x Altura0,76 x 1,5 x 1,8 [m]

Peso405 kg

Nveis de rudo a 10 m65 dBA

Fonte: CAPSTONE (2014)

De acordo com o ICLEI (2009), o aterro sanitrio de Santo Andr em So Paulo, recebe cerca de 271.200 toneladas de resduos slidos urbanos e possui um potencial de produo de gs metano de 73,59 m/tonelada de resduo. Se todo esse gs fosse coletado, tratado e utilizado em uma microturbinas a gs, modelo CR30 (CAPSTONE), o potencial energtico deste aterro seria de aproximadamente 8 MWh por ano. Energia esta que poderia ser disponibilizada nas demais dependncias do aterro, como em equipamento eltricos utilizados no tratamento do chorume. J para o aproveitamento energtico em propriedade rurais, CASTANN (2002) prope as quantidades necessrias de dejetos orgnicos oriundos de animais usualmente criados na pecuria, para a produo de 1 m de biogs, conforme ilustrado na tabela 4 abaixo.

Tabela 4.Quantidade de rejeitos para a produo de 1 m de biogs.Matria primaQuantidade [kg]

Esterco fresco bovino25,00

Esterco seco suno2,86

Esterco seco de galinha2,30

Resduos secos de vegetais2,50

Fonte: CASTANN (2002)

Considerando-se que um animal ruminante possa produzir cerca de 40 kg de dejetos por dia, e com base nos estudos realizados por CASTANN (2002) a quantidade de biogs produzida em um biodigestor por animal bovino seria de 1,6 m/animal x dia. Em uma propriedade com 100 animais, a produo diria de biogs seria de 160 m de biogs. Se todo esse biogs fosse utilizado em uma microturbina CASPTONE CR30, a produo energtica dessa propriedade seria de aproximadamente 228 kWh por dia. Energia suficiente para abastecer os equipamentos utilizados na propriedade, resultando assim em uma economia de energia eltrica, e possvel venda de excedente.

Panorama de Uso das Microturbinas

Segundo COLOMA & PRIETO (2010), as primeiras microturbinas foram desenvolvidos por volta da dcada de 1970, com tecnologia provinda das industrias aeronuticas e militares. Mas somente na dcada de 1990, foram desenvolvidas as primeiras microturbinas comerciais. Na Europa o uso das microturbinas movidas gs natural para a gerao de energia eltrica mais difundida. Entretanto, existem algumas experincias com o intuito de substituir o gs natural pelo biogs provindo da decomposio anaerbica do tratamento de esgoto. Porm o uso do biogs provindo da decomposio de dejetos agropecurios ainda pouco explorado. Em 2001, no estado da Califrnia (EUA), foi realizado a primeira experincia com microturbinas utilizando-se biogs oriundo de dejetos pecurios. Trs anos mais tarde (2004) nos Estados Unidos, foi realizado um projeto que demonstrou a viabilidade de produo de energia eltrica com microturbinas abastecidas com biogs provindo da digesto anaerbica de dejetos agrcolas. Na Sucia e na Alemanha, esto sendo realizados estudos com uma planta piloto de microturbinas movidas biogs oriundo de dejetos agroindustrial. A empresa Greenvironment localizada na Finlndia pioneira na instalao de plantas de microturbinas movidas biogs provindo de dejetos orgnicos agropecurios. Somente na Alemanha, existem 14 plantas de microturbinas operando com biogs proveniente da decomposio de dejetos agropecurios, totalizando cerca de 4,2 MWh de energia. De acordo com HAMILTON (2003), o biogs produzido pela decomposio da matria orgnica do aterro sanitrio de Lopez Canyon, em Los Angeles (EUA), tratado e utilizado para alimentar 50 microturbinas de 30 kW que operam em paralelo, sendo considerado a maior planta de microturbinas j instalada. Segundo a ECOGEO (2012), o Brasil possui uma microturbina instalada no municpio de Oliveiras em Minas Gerais, na fazenda So Paulo, para a produo de energia eltrica.Consideraes Finais

A queima de combustveis fsseis para a produo de energia no bem vista sobre diversos aspectos. Sua queima libera gases e materiais particulados para a atmosfera, tais como: xidos de enxofre e nitrognio, monxido de carbono, e pequenas quantidades de metais txicos. Esses resduos da combusto lanados na atmosfera podem causar risco sade humana e ao ecossistema. Os xidos de enxofre e nitrognio, reagem com o vapor de gua presente na atmosfera e se precipitam na forma de chuvas cidas.A utilizao do biogs para a produo de energia tem se tornado cada vez mais atraente do ponto de vista ambiental e econmico. A emisso de biogs para a atmosfera provoca impactos negativos ao meio ambiente e sociedade, na medida em que contribui para o agravamento do efeito estufa por meio da emisso de metano. Estudos cientficos demonstram que o metano e o dixido de carbono so os principais responsveis pelo aumento de temperatura da Terra, contribuindo, respectivamente, com 17% e 50% do efeito estufa (CEPEA / FEALQ, 2004). Embora a quantidade de metano lanado na atmosfera seja bem menor quando comparado ao dixido de carbono, sua contribuio para o efeito estufa bem mais intenso. Tendo em vista que o metano possui um poder de absoro e reteno da radiao solar cerca de 21 vezes mais que o dixido de carbono. Alm de contribuir para a diminuio de efeito estufa, o biogs considerado uma fonte de energia renovvel, sua queima para a produo de energia eltrica considerado um Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL). Ou seja, alm da energia produzida, sua queima possibilita a comercializao de crditos de carbono, representando uma fonte alternativa de renda. O uso de microturbinas abastecidas biogs tem se mostrado muito interessante, em diversos aspectos. Por ser um equipamento de dimenses reduzidas, pode ser facilmente transportado e instalado em qualquer localidade. Sua eficincia energtica para a produo de energia eltrica considervel, quando comparado aos motores de ciclo Otto, comumente utilizado. Alm de possui baixos nveis de rudos, vibraes e emisses de poluentes. Pode ser adaptados para receber o biogs provindo da digesto anaerbica de diversos substratos orgnicos. Podendo operar com biogs pobre em metano, dispensando tambm os elevados custos de tratamento e remoo de cidos sulfdricos presente em sua composio. Alm de possibilitar o aproveitamento trmico dos gases de exausto da turbina em sistemas de aquecimento de ar, tanto para a prpria microturbina, quanto para a secagem de gros, evaporao do chorume em estaes de tratamento de esgoto, entre outros. Pode tambm ser aproveitado para aquecimento e produo de vapor de gua, sendo utilizado tanto para calefao de ambientes quanto para o uso em demais processos. Ou mesmo para a produo de frio, pelo sistema de refrigerao por absoro. Bibliografia

CASTANN, N. J. B. - Biogs, originado a partir dos rejeitos rurais - Trabalho apresentado na disciplina: Biomassa como Fonte de Energia, Universidade de So Paulo, So Paulo, SP, 2002.COLOMA, E. J.; PRIETO, E, G. - Estudio de Viabilidad de Sistemas de Purificacin y Aprovechamiento de Biogs: Captulo 6 Microturbinas - PSE PROBIOGAS, Espanha, 2010. ENGEL Y.; BOLES, M.A. - Thermodynamics An Engineering Approach - Editora McGraw Hill. 5 Ed. pg.508.CEPEA Centro de Estudos Avanados em Economia Aplicada / FEALQ Fundao de Estudos Agrrios Luiz de Queirz - Estudo do potencial de gerao de energia renovvel proveniente dos aterros sanitrios nas regies metropolitanas e grandes cidades do Brasil - Piracicaba, SP, 2004.HAMILTON, S. L. - Microturbine Generator Handbook - PennWell Corporation, 2003.ICLEI - Manual Para Aproveitamento de Biogs - Volume 1, Aterros Sanitrios, Governos Locais pela Sustentabilidade, Secretaria para Amrica Latina e Caribe, Escritrio de projetos no Brasil, So Paulo, SP, 2009.WILLUMSEN, H. C. - Energy Recovery From Landfill Gas in Denmark and Worldwide - LG Consultant, 2001.CAPSTONE TURBINE CORPORATION - disponvel em < http://www.capstoneturbine.com/>, acessado em Abril de 2014. ECOGEO - NEWSLETTER, Maio de 2012 - Ano III n 5 / Parceria entre Biolatina e Biosol traz nova tecnologia de microturbina para o Brasil, disponvel em < http://www.ecogeo.com.br/parceria_entre_biolatina_e_biosol_traz_nova_tecnologia_de_microturbina_para_o_brasil.html>, acessado em 01 de Junho de 2014.MMA - Ministrio do Meio Ambiente -Fontes Convencionais de Energia - disponivel em < http://www.mma.gov.br/clima/energia/fontes-convencionais-de-energia/gas-natural> acessado em 20 de Junho de 2014.MONTEIRO, C. - Microturbinas. Produo e Transporte de Energia II. - LEEC Faculdade de Engenharia da FEUP, 2004. Disponvel em Acessado em 17 de Junho de 2014.MULTITEK - Estudios y Proyectos de Ingeniera, disponvel em , acessado em 18 de Junho de 2014.

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