Parte 08 - Biomassa UFJF

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Aproveitamento Energético de Biomassa
Universidade Federal de Juiz de Fora – UFJF
Faculdade de Engenharia
Departamento de Energia Elétrica
Aproveitamento Energético de Biomassa
ENE105
Parte 08
Professor: Leonardo Willer de Oliveira
E-mail: leonardo.willer@engenharia.ufjf.br
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de Oliveira
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0.
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
Ciclo a Vapor  Combustão externa
 Flexibilidade de combustível
33
Vapor de entrada
Vapor de saída
Trabalho
Variação de entalpia
Variação de energia cinética
Variação de energia potencial
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Produção de Eletricidade
Ciclo a Vapor
Características
 Eficiência energética relativamente baixa (rendimentos
entre 20 e 25%)
44
entre 20 e 25%)
 Baixa capacidade de geração
 Utilização de madeira, bagaço de cana, lixívia
 Possível conveniência de carvoejamento, briquetagem
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Carnot
T
Segunda Lei da termodinâmica
55
s
Segunda Lei da termodinâmica
Trabalho pode ser completamente 
convertido em energia térmica
O contrário não
S - Entropia
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Carnot
T Dificuldades Práticas
66
s
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine
Exemplo: 3 MPa
Com superaquecedor
Exemplo: 
77
Exemplo: 75 kPa
[kJ/kg/K]
[K]
1 atm = 101,325 Kpa
1 atm = 1,013 bar
Exemplo: 
350ºC
Exemplo: 92ºC
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine
Bomba Qcal
Wtur
88
Qcon
Wbba
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine
Caldeira Qcal
Wtur
99
Qcon
Wbba
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine
Turbina Qcal
Wtur
1010
Qcon
Wbba
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine
Condensador Qcal
Wtur
1111
Qcon
Wbba
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine
Rendimento Qcal
Wtur
1212
Qcon
Wbba
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine com reaquecimento
Turbina
de alta pressão
Reaquecimento
1313
Turbina
de baixa pressão
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine com aquecimento regenerativo
1414
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo de Rankine com aquecimento regenerativo
3 
3 MPa 1,23 MPa
75 kPa
350ºC
1515
92ºC
234ºC
350ºC
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Produção de Eletricidade
Sistemas de Gaseificação e Turbina a Gás (TG)
 Tecnologias ciclo combinado - maior rendimento
1616
 BIG-CC: Biomass Integrated Gasification to
Combined Cycles
 Capacidade típica entre 30 e 50 MW
 Eficiência de 30 a 45%
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Produção de Eletricidade
Sistemas de Gaseificação e TG
Madeira de eucalipto
1717
 Cana-de-açúcar
 Operação conjunta com gás natural
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Produção de Eletricidade
Turbina a Gás
Exemplo: CH4
1818
Aberta Fechada
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Produção de Eletricidade
Ciclo Brayton
1919
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Produção de Eletricidade
Ciclo Brayton regenerativo
2020
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Produção de Eletricidade
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Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
Gaseificação e MCI
 Tecnologia comercial para pequenas instalações
2222
 Limpeza de gás a frio e motores a diesel alimentados
a gás
 Co-geração com resíduos florestais e combustíveis
locais
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Produção de Eletricidade
Gaseificação e MCI
 Elevação dos custos de manutenção (alcatrão,
poeira, fuligem, cinzas)
2323
 Para gaseificadores leito fixo, os níveis de
concentração desejáveis para MCI são:
 Particulados – 60 a 160 vezes menores
 Alcatrão – 60 a 1.500 vezes menores
 Pré-tratamento da biomassa
inviável para sistemas com capacidade até 1 MWe
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Produção de Eletricidade
Pirólise e MCI
 P&D
 Pirólise rápida
2424
 Pirólise rápida
 Desvinculação com a produção de biomassa
 Contaminação com substâncias alcalinas
 Instabilidade química devido a alta temperatura
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclos Modais - Eficiência Energética
2525
mJ/km/pessoa
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo Otho
 1. Aspiração, 2. Compressão
3. Combustão, 4. Exaustão
2626
2
1
3
4
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo Diesel
 Auto-ignição
 Combustão a pressão constante
2727
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Motor 2 Tempos
Sistemas de
Produção de Eletricidade
1º Tempo:
1º Tempo
Admissão e Compressão
2º Tempo
Combustão e Exaustão
2828
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Motor Diesel para Biodiesel
Como Fazer?
 Diesel
 Temperatura dos gases de escape é menor
 Biodiesel
29
 Biodiesel
 Combustão mais rápida que o diesel.
 Ajuste na antecipação da bomba de injeção no motor
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Motor Diesel para Biodiesel
30
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de Oliveira
Motor Diesel para Biodiesel
31
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
Combustão e Motores Stirling
 Combustão externa (ou de ar quente)
Maior eficiência
3232
 Possibilidade de biomassa sólida
 Biomassa gaseificada (P&D)
 Calor transferido para fluido de trabalho (950 a 1000 K)
 Fluido de trabalho: gás H2 ou He
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Produção de Eletricidade
Combustão e Motores Stirling
 Desafios biomassa gaseificada
 Obstrução dos espaços dutos
trocadores
3333
trocadores
 Solução: câmara maior ou limpeza
do gás
 Requisitos do gás
 baixo peso molecular
 alto poder calorífico
He, H2
Biomassa: ar, nitrogênio
(fornecimento, custos,selos vazamentos)
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Ciclo Motores Stirling
P
1 – 2: compressão isotérmica
2 – 3: calor transferido ao fluido a volume constante
3 – 4: expansão isotérmica
(transferência de calor ao fluido)
3434
v
(transferência de calor ao fluido)
4 – 1: rejeição de calor a volume constante
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
ReRequisitos do gás de biomassa para diferentes tecnologias
3535
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Biomassa em pequenas centrais termelétricas
 Gaseificação de carvão vegetal
e motores diesel
3636
 Combustão direta em caldeiras
(ciclos Rankine
com turbinas a vapor)
Aproveitamento Energético de Biomassa
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Produção de Eletricidade
Gaseificação e Células a Combustível
 Não-comercial
 Eficiência elevada até 60%
3737
 Baixa emissão de NOx, CO e HC
 Menor consumo de água
 Pequena capacidade individual, modularidade
 Gás sem impurezas (particulados, alcatrão e
substâncias alcalinas), PCI médio
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Produção de Eletricidade
Gaseificação e Células a Combustível
 Tipos mais promissores
MCFC Célula de combustível de carbonato fundido
S Célula a combustível de óxido sólido
3838
SOFC Célula a combustível de óxido sólido
 Eficiência x Temperatura
 Sem necessidade de reação de ajuste do CO
 Possibilidade de calor residual
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de Oliveira
Potenciais de trabalho:
0,5 – 0,7 V
Potenciais de circuito
aberto: 1,1 – 1,2 V
Sistemas de
Produção de Eletricidade
Células a combustível derivado de 
biomassa 39
Líquido, ou um polímero
condutor de cátions,
saturado com um
líquido, ou um sólido
(óxido de zircônio)
Platina: catalisador
nas reações
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Produção de Eletricidade
Tensão x Corrente
40
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Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
Geradores
Sistemas Diretos
Sistemas Indiretos
41
Sistemas Regenerativos
Combustível Comburente Corrente Alternada
H2O e calor
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Produção de Eletricidade
42
Aproveitamento Energético de Biomassa
Prof. Leonardo Willer de OliveiraSistemas de
Produção de Eletricidade
4343