Projeto e Avaliação de uma Central de Geração Elétrica de 5 kW por Gaseificação de Biomassa, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Mecânica

Baixe Projeto e Avaliação de uma Central de Geração Elétrica de 5 kW por Gaseificação de Biomassa e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! 1 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 2 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 5 “O muro entre a arte e a engenharia existe apenas em nossas mentes”. Theo Jansen 6 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. 7 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 14 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 2 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. O CÍCLO DIESEL .............................................................................................................................. 32 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 COMPARAÇÃO COM OUTRAS TECNOLOGIAS .............................................................................. 36 2.6.1. PEQUENAS CENTRAIS TERMELÉTRICAS A BIOMASSA ......................................................... 36 2.6.2. PAINÉIS FOTOVOLTAICOS ............................................................................................................ 37 3 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 10 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 11 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 12 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolos Latinos A Área [m2] m Massa [kg] m Vazão mássica [kg/s] T Temperatura [oC] 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 [Hz] E Energia [J] e Erro Cdiesel Energia gerada por litro de diesel [kWh/l] C Carbono H Hidrogênio O Oxigênio N Nitrogênio Símbolos Gregos  Variação entre duas grandezas similares  Massa específica [m3/kg] Σ Somatória Subscritos el elétrica i fases R, S ou T th térmico Sobrescritos 15 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. 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). 1973 Petróleo 46,2% Hidráulica 1,8% Gás Natural 16,0% Nuclear 0,9% Fontes Renováveis 10,6% Outras 0,1% Carvão Mineral 24,4% 6.128 106 tep 16 Figura 1.2 - Países produtores de petróleo. Fonte: Agência de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA). 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 United States; 20,687 China; 7,201 Japan; 5,159 Russia; 2,811 Germany; 2,665 India; 2,572 Canada; 2,264 Brazil; 2,217 Korea, South; 2,174 Saudi Arabia; 2,139 Mexico; 1,997 France; 1,961 United Kingdom; 1,83 Italy; 1,732 Iran; 1,686 United States; 20,687 China; 7,201Japan; 5,159 Russia; 2,811 Germany; 2,665 India; 2,572 Canada; 2,264 Brazil; 2,217 Korea, South; 2,174 Saudi Arabia; 2,139 Mexico; 1,997 France; 1,961 United Kingdom; 1,83 Italy; 1,732 Iran; 1,686 17 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). 20 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 Área (km2) População1 Densidade PIB2 IPC3 IDH4 Sul 557.214 25.07.211 43,43 6.865 0,158 0,86 Sudeste 927.287 72.262.411 77,93 8.843 0,557 0,857 Nordeste 1.558.201 47.679.381 30,6 3.085 0,165 0,608 Norte 3.869.739 12.919.949 3,34 4.705 0,049 0,727 Centro-Oeste 1.612.077 11.611.491 7,2 7.073 0,073 0,848 Brasil 8.544.518 169.544.443 19,84 6.495 1 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). 21 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. 22 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 25 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. 26 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). Figura 2.1 – Esquema geral de um sistema de gaseificação de biomassa. Biomassa O2 Reator Sistema de tratamento de gás Conversor Eletricidade Calor Gás 27 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 (2.1) 𝐶 + 1 2 𝑂2 → 𝐶𝑂 (2.2) 𝐻2 + 1 2 𝑂2 → 𝐻2𝑂 (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 + 𝐻2𝑂 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝐶𝑂 + 𝐻2 (2.4) 𝐶 + 2𝐻2𝑂 + 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 oC. A pressão não afeta essa reação. 𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 + 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 + 𝐻2𝑂 (2.9) Completando o quadro de reações presentes no processo de gaseificação, há a reação que ocorre entre carbono e água (2.10): 𝐶 + 𝐻2𝑂 → 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 30 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. 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 Gás sintético Entrada de ar Cinzas Biomassa 31 constante de ar, ambos no sentido descendente passando por quatro zonas distintas, daí o nome estratificado. 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). Zona de depósito Zona de pirólise Zona de redução Cinzas 32 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). 35 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. 36 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 37 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 infra- estrutura 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. 40 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. 41 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). 42 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 ×𝑃𝐶𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 , 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 𝑚 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 .𝑃𝐶𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 +𝑚 𝑔á𝑠 .𝑃𝐶𝑔á𝑠 (3.3) Como η, PCdiesel, 𝑚 𝑔á𝑠 e PCgás são constantes, o governador atua apenas em 𝑚 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 , estando este limitado a um valor mínimo de 20% de 𝑚 𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 . 45 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. 46 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. 47 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). 50 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). Tabela 4.1 – Dados obtidos utilizando-se apenas óleo Diesel. Data: hh mm ss hh mm ss 1 2 3 (g/s) (kg/h) Δt (s) 1 19 13 28 212052 19 15 35 212521 1,29 1,30 1,30 1,30 4,67 127 13,294 2 19 15 35 212521 19 18 6 213079 1,30 1,34 1,34 1,33 4,78 151 13,303 3 19 18 35 213184 19 20 36 213611 1,20 1,21 1,21 1,21 4,34 121 12,704 4 19 20 36 213611 19 23 6 214131 1,19 1,19 1,18 1,19 4,27 150 12,480 5 19 23 23 214200 19 25 28 214604 1,06 1,06 1,06 1,06 3,82 125 11,635 6 19 25 28 214604 19 27 25 214972 1,06 1,07 1,06 1,06 3,83 117 11,323 6 19 27 46 215036 19 29 49 215349 0,83 0,82 0,82 0,82 2,96 123 9,161 7 19 29 49 215349 19 31 9 215546 0,82 0,82 0,82 0,82 2,95 80 8,865 8 19 32 48 215750 19 34 11 215927 0,71 0,72 0,72 0,72 2,58 83 7,677 9 19 34 11 215927 19 36 21 216186 0,71 0,71 0,72 0,71 2,57 130 7,172 10 19 36 50 216241 19 38 56 216439 0,62 0,58 0,62 0,61 2,18 126 5,657 11 19 38 56 216439 19 40 54 216629 0,63 0,67 0,67 0,66 2,36 118 5,797 12 19 41 23 216670 19 42 50 216756 0,48 0,53 0,51 0,51 1,82 87 3,559 13 19 42 50 216756 19 45 23 216918 0,51 0,51 0,51 0,51 1,84 153 3,812 14 19 45 55 216940 19 47 49 217005 0,43 0,42 0,45 0,43 1,56 114 2,053 15 19 47 49 217005 19 50 7 217079 0,42 0,42 0,41 0,42 1,50 138 1,930 16 19 50 45 217086 19 52 2 217086 0,33 0,33 0,33 0,33 1,19 77 0,000 Intervalo de tempo Potência (kW) COMBUSTÍVEL: ÓLEO DIESEL 13/11/2008 Tempo (t1) Medida (W.h) Tempo (t2) Medida (W.h) Carga Inicial Final SAÍDA Débito médioDébito (g/s)* DADOS DE ENTRADA QUADRO ELÉTRICO CONSUMO COMBUSTÍVEL 51 Tabela 4.2 – Dados obtidos utilizando-se óleo da amêndoa de macaúba. 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: Data: hh mm ss hh mm ss 1 2 3 (g/s) (kg/h) Δt (s) 1 18 14 24 205048 18 16 17 205442 1,45 1,43 1,46 1,45 5,21 113 12,552 2 18 16 17 205442 18 18 23 205911 1,44 1,44 1,43 1,44 5,17 126 13,400 3 18 20 0 206226 18 21 8 206454 1,28 1,27 1,27 1,27 4,58 68 12,071 4 18 21 8 206454 18 23 5 206853 1,30 1,32 1,32 1,31 4,73 117 12,277 5 18 23 26 206910 18 26 4 207416 1,23 1,24 1,23 1,23 4,44 158 11,529 6 18 26 4 207416 18 27 59 207795 1,24 1,25 1,25 1,25 4,49 115 11,864 7 18 40 3 208893 18 42 21 209237 0,99 0,99 1,00 0,99 3,58 138 8,974 8 18 42 21 209237 18 44 57 209625 1,00 0,99 1,02 1,00 3,61 156 8,954 9 18 45 56 209742 18 47 50 209984 0,87 0,88 0,88 0,88 3,16 114 7,642 10 18 47 50 209984 18 50 8 210258 0,88 0,88 0,87 0,88 3,16 138 7,148 11 18 50 28 210296 18 52 34 210499 0,75 0,75 0,75 0,75 2,70 126 5,800 12 18 52 34 210499 18 54 44 210699 0,75 0,75 0,76 0,75 2,71 130 5,538 13 18 55 42 210775 18 58 6 210921 0,61 0,62 0,62 0,62 2,22 144 3,650 14 18 58 6 210921 19 0 1 211043 0,62 0,62 0,62 0,62 2,23 115 3,819 15 19 0 21 211058 19 2 36 211132 0,52 0,53 0,52 0,52 1,88 135 1,973 16 19 2 36 211132 19 4 6 211182 0,52 0,50 0,53 0,52 1,86 90 2,000 17 19 4 44 211192 19 6 57 211192 0,38 0,40 0,40 0,39 1,42 133 0,000 Débito Médio SAÍDA QUADRO ELÉTRICO CONSUMO COMBUSTÍVEL Carga Inicial Final Débito (g/s) Tempo (t1) COMBUSTÍVEL: 13/11/2008 DADOS DE ENTRADA ÓLEO DE AMÊNDOA DE MACAÚBA Medida (W.h) Tempo (t2) Medida (W.h) Intervalo de tempo Potência (kW) Data: hh mm ss hh mm ss 1 2 3 (g/s) (kg/h) Δt *s+ 5 22 39 20 32072 22 42 46 32251 0,12 0,12 0,12 0,12 0,432 206 3,128 6 22 47 3 32627 22 49 54 32890 0,22 0,22 0,21 0,22 0,78 171 5,537 7 22 50 51 32979 22 52 57 33173 0,23 0,18 0,19 0,20 0,72 126 5,543 8 22 54 6 33297 22 55 3 33426 0,19 0,22 0,22 0,21 0,756 57 8,147 9 22 55 33 33494 22 58 9 33847 0,23 0,21 0,19 0,21 0,756 156 8,146 10 22 58 51 33940 23 2 8 34385 0,25 0,23 0,25 0,24 0,876 197 8,132 11 23 5 1 34770 23 7 31 35108 0,19 0,20 0,21 0,20 0,72 150 8,112 12 23 7 56 35162 23 9 46 35412 0,21 0,22 0,20 0,21 0,756 110 8,182 13 23 9 57 35435 23 12 12 35731 0,20 0,16 0,16 0,17 0,624 135 7,893 14 23 12 31 35774 23 14 48 36082 0,16 0,18 0,17 0,17 0,612 137 8,093 15 23 15 13 36139 23 17 49 36490 0,16 0,19 0,17 0,17 0,624 156 8,100 Débito (g/s)* QUADRO ELÉTRICO SAÍDA Débito Médio Carga BIOMASSA: MACAÚBA 11/08/2008 COMBUSTÍVEL: Medida [W.h] ÓLEO DE MACAÚBA DADOS DE ENTRADA CONSUMO COMBUSTÍVEL Medida [W.h] Final Intervalo de tempo Potência [kW] Tempo (t1) Inicial Tempo (t2) 52 Figura 4.1 – Curva de consumo de óleo diesel (Tab. 4.1). Figura 4.2 – Curva de consumo de óleo de macaúba (Tab. 4.2). 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 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 C o n su m o [ kg /h ] Potência [kW] Consumo de óleo diesel 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 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 C o n su m o [ kg /h ] Potência [kW] Consumo de óleo de macaúba 55 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. 56 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 Cana- de-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. 57 Reed, T., & Das, A. (1988). Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems. Colorado, USA: Biomass Energy Foundation Press. Rezaiyan, J., & Cheremisinoff, N. P. (2005). gasification Technologies - A Primer for Engineers and Scientists. Boca Raton - Florida: Taylor & Francis. Ribeiro, R. d. (2007). Investigação experimental e integração de um sistema de geração de energia elétrica por gaseificação de biomassa para comunidades isoladas. Brasília: Dissertação de Mestrado - Universidade de Brasília - UnB. Rodrigues, E. C. (1975). Crise Energética. Rio de Janeiro: LIVRARIA JOSÉ OLYMPIO EDITORA S.A. Sala de Física. (s.d.). Acesso em 03 de junho de 2008, disponível em Sala de Física: http://br.geocities.com/saladefisica7/funciona/diesel.htm Singal, S. K., Singh, S. P., & Varun. (2007). Rural electrification of a remote island by renewable energy sources. ScienceDirect . Suani, T. C., Cristiano, O. d., Maria, S. S., Rebello, A. F., & Godoy, F. (2005). Uso de óleo palma "in natura" como combustível em comunidades isoladas da Amazônia. III Workshop Brasil-Japão em Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável. Campinas - SP. Wander, P. R. (2001). Utilização de resíduos de madeira e lenha como alternativa de energia renovável para o desenvolvimento sustentável da região nordeste do Estado do Rio Grande do Sul. Rio Grande do Sul: Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Tese de Doutorado. Wander, P. R., Altafini, C. R., & Barreto, R. M. (2004). Assessment of a Small Sawdust Gasification Unit. ScienceDirect . Warren, T. J. (1995). Converting Biomass to Eletricity on a Farm-sized Scale usind Downsdraft Gasification and a Spark-Engine. Bioresource Tecnology. Wikipédia, a. e. (2008). James Watt. Acesso em 03 de março de 2008, disponível em Wikipédia, a enciclopédia livre: http://pt.wikipedia.org/wiki/Thomas_Newcomen Wilolrich, M. (1978). Energia e política mundial. (M. S. Silva, Trad.) Rio de Janeiro: Livraria AGIR editora. Zukowski, J. C., Marçon, R. O., Cortez, L. A., & Reys, M. A. (s.d.). Instalação de uma pequena central termelétrica a biomassa e cogeração com sistema de refrigeração por absorção: alternativa para pequenas comunidades agrícolas isoladas.