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Prof. Sávio Raider M. Sarkis Universidade Federal do Amazonas FT/DEQPG MINI CURSO DE FONTES DE ENERGIA Campina – Grande/ PB Setembro/Outubro 2014 Produtos da Biomassa • Combustíveis primários: • Líquidos: etanol, biodiesel, metanol, óleo vegetal e óleo a partir da pirólise) • Gasosos: biogás: CH4 CO2; gás de síntese* : CO H2 ; produtos de gás de processos: CO, CH4 CO2 H2 • Sólidos: biomassa torrificada, carvão vegetal, biocarvão com 20 a 50% de carbono obtido a partir de resíduos de biomassa), biocoke, briquetes. Gás de síntese* é uma mistura de gases combustíveis, produzida a partir de processos de gaseificação, ou seja, da combustão incompleta de combustíveis sólidos. Fontes de Energia a partir da biomassa • Vias de conversão energética Conversão termoquímica • Principais vias de conversão da biomassa para produção de energia térmica • 1 Combustão; • 2 Carbonização/torrefação • 3 Pirólise; • 4 Gaseificação; • 5 Liquefação. Conversões Biomassa lenhosa • Plantação de Biomassa; • Lenha; • Cavaco; • Cana-de-açúcar; • Gaseificação de Biomassa. Plantação de biomassa • Áreas para plantação: (Ap) [ha] Disponibilidade e Potencial; • Produção anual de insumo de biomassa: taxa tpb=10 t/ha/ano; (produtividade) • Conteúdo energético; 20 GJ/t (biomassa seca ) • Tempo de plantio; • Seleção das espécies; • Fertilidade do solo; • Pragas e Doenças; • Erosão do solo; • Poluição da água; • Diversidade biológica. Uso da biomassa • Cenários Futuros • Pode representar 3/5 do mercado mundial de eletricidade e 2/5 do mercado de combustíveis diretos até 2050 • (The renewables – Intensive global energy scenario – RIGES 1992). Produtividade da biomassa Caso da cana de açúcar Produtividade - Rendimento médio de cana no Brasil = 75 t/há Resíduos de produção = 30 t/ha Bagaço =30 t/ha Teor de umidade 50 % Gaseificação da biomassa • Processos que transformam a biomassa sólidas ou líquida em uma mistura de gases combustíveis com melhores características energéticas. • O processo de gaseificação da biomassa perde oxigênio para aumentar a sua densidade energética. • Normalmente é utilizado o uma quantidades de oxigênio inferiores à quantidade estequiométrica para a combustão completa. Etapas do Processo de Gaseificação Gaseificação • Gaseificação térmica da biomassa • Aplicações: geração de calor e eletricidade; produção de gás de síntese para produção de metanol e hidrogênio Biomassa Combustível gasoso intermediário Gaseificação • Representação esquemática simplificada de um gaseificador para gás de síntese Gaseificação Tipos de Reatores para Processo de Gaseificação • Reatores de Leito Fixo LF • Leito Fluidizado Borbulhante LFB, • Leito Fluidizado Circulante LFC • e os reatores Entrained Flow EF Esquema LFC Esquema LF Gaseificação • Leito Fluidizado • Eficiência 35 -54% • Depende: • Relação ar combustível • Características construtivas • do reator Biomassa lenhosa Uso da biomassa sólida como fonte de energia via calor Biodigestores Produção de biogás obtido pela digestão anaeróbia de matéria orgânica 75% CH4 e 25% CO2 (1 m³) de biogás equivale energeticamente a : 1,5 m³ de gás de cozinha; 0,52 a 0,6 litro de gasolina; 0,9 litro de álcool; 6,4 KWh de eletricidade; 2,7 kg de lenha (madeira queimada). Poder calorífico da Biomassa Amostra Umidade % Cinzas % PCS (kJ/kg) Eucalipto 11,9 0 18494 Palha de cana 10,5 10,3 15203 Bagaço de cana 9,9 10,8 17876 Braunbeck & Cortez 2005 Fonte www.ambienteenergia.com.br Determinação do PC Poder calorífico é a quantidade de calor (energia térmica) liberada durante a combustão completa de uma unidade de massa ou de volume de combustível (KJ/Kg ou KJ/m3) (NOGUEIRA & LORA, 2003) Bomba calorimétrica para determinação do poder calorífico da biomassa Fonte própria Poder calorífico da biomassa Poder calorífico da biomassa Biocombustível a partir de Microalgas Biocombustível a partir de Microalgas • Cultivo de microalgas Desidratação e secagem Extração do óleo das microalgas Transesterificação biocombustível Solventes de extração Barreiras da Tecnologia • Alto custo de produção das microalgas • Ambientes controlados • Tecnologia com parte importada Biomassa • Evolução da Produção e Consumo de Biodiesel no Brasil Aproveitamento de resíduos sólidos urbanos para geração de Energia Usina de Biogás Aproveitamento de resíduos sólidos urbanos • Potencial de conservação • Papel 3,5 MWh/t • Plástico 5,3 MWh/t Fonte: Paula Pessoa. Acrítica 2013 Aproveitamento de resíduos sólidos urbanos Emissões País Emissões Estimadas Tg/ano EU 8-12 Brasil 0,7 – 2,2 Índia 0,2-0,8 Polônia 0,1 -0,4 Estimativas de redução de metano de aterros sanitários economicamente Viáveis no Brasil a curto prazo (0,2 – 0,6) e a longo prazo (25 – 30) Aproveitamento de resíduos sólidos urbanos • Tecnologia empregada no uso do gás de lixo; • Tubos de coleta - poços verticais e horizontais (trincheiras); • O sistema de coleta de gás deve ser monitorado e ajustado (vazão); • Sistema de tratamento de condensado; • Necessidade de retirar o condensado formado no sistema de coleta; • Uso de sistemas de drenagem p/ tanques; • Uso de sistema de tratamento local e recirculação. Aproveitamento de resíduos sólidos urbanos • Compressor: Ajuda a retirar o gás dos poços; Comprimi o gás antes de ir p/ sistema de recuperação energética. O dimensionamento e seleção depende da taxa de produção, do fluxo de gás e do nível desejado de compressão. • Flare: Queima o excesso de gás e elimina os odores na usina; • Sistema de tratamento de gás; • Sistema de geração ou recuperação de energia. • Geração de Energia • Tecnologias de geração • Motores de Combustão Interna; Alternativo Rotativo • Turbinas de expansão de vapor; • Tecnologias da Incineração Controlada. Aspectos econômicos • Índice de Custo Benefício • ICB=CI+COM+CTI+CC • CI= custo anual do investimento na usina $/MWh • CI=IUxFRC/(8760xEG) • EG= energia garantida da usina (MWano) • IU=Custo total de investimento na usina ($) • COM = Custo anual de operação e manutenção $/MWh • COM =OMUxPOT/(8760XEG) • OMU= custo anual de operação e manutenção da usina $/MW/ano • POT = potência instalada na usina em MW Aspectos econômicos • CTI= custo anual de investimento em transmissão $/MWh • CTI=ITxFRT/(8760xEG) • IT=investimento em transmissão $ • CC = custo anual de combustível da usina • CC=CUTxREND • CUT =custo unitário do combustível $/t ou $/m3 • REND – consumo específico médio da usina em t/MWh ou m3/MWh • ICB= 46,34 U$/MWh Índice de Custo Benefício Emissões evitadas 0 1 2 3 4 5 6 7 GDL INC DRANCO BEM Série1tCO2/MWh Referências • BASU, Prabir. Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction: Practical Design and Theory. 2013
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