Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Analise Técnica e Econômica do Uso de Gas de
Biomassa Para a Geração de Energia
Grupo de Pesquisa
Prof. Dr. José Luz Silveira
Prof.Dr. Julio Santana Atunes
Prof. Dr. Celso Eduardo Tuna
M.Sc. Antonio Caetano de Souza
Mestrando Ronney Arismel Mancebo Boloy
Téc. Rodolfo dos Santos
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
-Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de 30 MWe
Com queima suplementar (30%)
Sem queima suplementar
-Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo de
cogeração de pequeno porte (15 kWe)
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Dados da Turbina de Vapor Alstom
Tipo
Potencia (MW)
ST2
10
Temperatura de Entrada
(ºC)
480
N
N
I 1
O 1
Pressão de Entrada (MPa)
Pressão de Exhaustão (MPa)
8
1
QVC   M I  H I  WVC   M O  H O
MG 
M S  H SHS  H SL 
0,70  Cp G  TGI  TGO 
MG 
M S  H SHS  H SL   (0,21  ECOMB )
0,70  Cp G  TGI  TGO 
SQS
CQS
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo Combinado
de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Valores de fluxo de calor, vapor, syngas e trabalho calculados para
cada sistema estudado
Parametro
Trabalho (kW)
Flu xo de Calor (kW)
Turbina de
Vapor
9500,00
-
Flu xo de Vapor (kg/s)
Flu xo de Syngas (kg/
s)
Condensador
Bomba
-33586,67
380
-
16,67
-
Camara de
Combustion
92392,91
SQS
1,31
CQS
1,08
Valores de fluxo de gas e temperatura calculados para o sistema de
recuperação de calor
System
Heat Recovery Steam
Generator (HRSG)
Gas Fl ow (Kg/s)
SQS
174,26
124,47
96,81
79,21
CQS
107,83
77,02
59,91
49,01
Gas Temperature
(K)
673
773
873
973
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Parametros das turbinas a gas selecionadas e avaliadas
Ti po
EPTG (kW)
HR (BTU/kWH)
Pp
Mg (kg/s)
GT10
PG5371 (PA)
TG-2500
24630
26300
21960
9970
11990
9550
14
10,2
18,8
78,64
122,73
67,27
Temperatura
de Sái da (K)
807
760,37
815,37
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Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Seleção da Turbina para o sistema de BIGCC-SQS
200
180
160
140
120
Demanda de Fluxo de
Gases
100
Fluxo de Gases (kg/s)
GT10
PG5371 (PA )
80
TG-2500
60
40
20
0
650
700
750
800
850
900
950
Temperatura dos gases na saída da
turbina (°K)
1000
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Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Seleção da Turbina para o sistema de BIGCC-CQS
140
120
100
80
Demanda de Fluxo de
Gases
Fluxo de Gases (kg/s)
GT10
60
PG5371 (PA )
TG-2500
40
20
0
650
700
750
800
850
900
950
Temperatura dos gases na saída da
turbina (°K)
1000
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Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Valores de eficiência calculados para cada ciclo
Cyclo
Eficiência (% )
CQS
SQS
31,31
20,82
35,74
28,47
67,05
49,29
Turbina a Vapor
Turbina a Gás
Co mbinado
 TG 
 TV 
E PTG
ECOMB
E PTV  WB
ECOMB
ECOMB 
E PTG  HR
3413
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Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Analise Econômica
Os calculos forão realizados tomando como referencia o ano base 2007 e um preço de
eletricidade 174,68 R$/MWh or 0,1078 US$/kWh (ANEEL 2007)
Equi pmentos
Gas Turbine
HRSG
Steam Turbine
Pu mp
Gasifier
Condenser
Total
Investi mentos (USD)
SQS
CQS
7250000,00
7510320,00
2900000,00
10000000,00
400000,00
14185000,00
2000000,00
SQS
CQS
51429000,00 51939227,20
Manutenção (USD/kWh)
0,015
0,001
0,015
0,008
0,02
0,008
0,067
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Analise Econômica
Equações utilizadas para o calculo dos parametros economicos, de acordo com (Silveira, J.L.,
1990)
CSyngas 
I Gasifier  f
H  ESyngas
Cel (CQS ) 

Cb  Eb
 CM Gasifier
ESyngas
Invplanta f
 Ecom bsup  Ecom btg
 Csyngas
  CPo  CM
H  EPplanta
EPPlanta


Cel ( SQS) 
Invplanta f
 Ecom btg
 Csyngas
  CPo  CM
H  EPplanta
 EPPlanta
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Comparação dos Custos de Produção de Eletricidade
para os Sistemas SQS e CQS da BIGCC
0,35
0,3
0,25
0,2
CQS 12%
SQS 12%
Custo de Produção
de Eletricidade 0,15
(US$/kWh)
CQS 4%
SQS 4%
0,1
0,05
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Payback (ano)
3,5
4
4,5
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
Combinado de Potencia (BIGCC) de 30 MWe
Comparação da Receita Anual Esperada para os Sistemas
SQS e CQS da BIGCC
10000000
5000000
0
-5000000
CQS 12%
-10000000
SQS 12%
Receita Anual -15000000
Esperada (US$/ano)
CQS 4%
SQS 4%
-20000000
-25000000
-30000000
-35000000
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Payback (ano)
3,5
4
4,5
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
de cogeração de pequeno porte (15 kWe)
Gaseificador Tipo
Downdraft
de
simples estagio,
25 kg/h
de
Biomassa
Trocador
de
Calor Agua-Gás
Filtro de manga
Motor Gerador
Compacto 5 kWe
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
de cogeração de pequeno porte (15 kWe)
Cogerador Compacto
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
de cogeração de pequeno porte (15 kWe)
Sistema de
Biomassa
Alimentação
Gaseificador
Downdraft
estagio, 25
Biomassa
de
kg/h
de
Tipo
duplo
de
Ciclone com sistema
preaquecimento de ar
de
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo
de cogeração de pequeno porte (15 kWe)
Dados do sistema de cogeração a ser estudado
Parametro
Fluxo de Biomassa
Valor
25 kg/h
Parametro
Tempo de Operação
5 000 h –
7000 h
700 US$
Ar nas condições ISO
P=101325
Pa, T=25 °C
Investimento do Trocador
Temperatura de Agua Quente
40 °C, 45 °C,
50 °C, 55 °C,
60 °C
Investimento
Gaseificação
do
Temperatura de Gaseificação *
800 °C
Custo
de
Cogerador
manutenção
Sistema
Conteudo de Umidade *
20%
Custo de manuntenção do
Trocador
Efficiencia do Trocador do Calor
70%
Custo
de
gaseificador
Calor especifico da Agua
Entalpia do Syngas*
Investimento do Cogerador
4,19 kJ/kgK
-2470,25
kJ/kg
1437,02 US$
Valor
manuntenção
Relação ar/biomassa*
Fluxo de cinzas**
Juros
de
20.000,00
US$
do
0.08
US$/kWh
0.003
US$/kWh
do
0.015
US$/kWh
0,20
0,25 kg/h
12%
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise tecnico do sistema GaseificadorCogerador de 15 kWe
Efficiencia de Geração de Eletricidade
28,54 %
Efficiencia em Frío do Gaseificador
32,52 %
Efficiencia da Produção de Agua Quente
2,63%
Efficiencia Global do Sistema de Cogeração
31,18%
Ecomb do syngas
52,55 kW
Energia do syngas
1,98 kW
Calor especifico do syngas
1,47 kJ/kgK
Fluxo de Ar
9,88 Nm3air/h
Ar teórico para gaseificação
3,56 Nm3air/kgb
Fluxo de syngas
29,90 Nm3gas/h
Gas de biomassa por kilogramos de biomassa
1,23 Nm3gas/kgb
Entalpia de formação de biomassa
8502,47 kJ/kg
Entalpia de biomassa
5030,73 kJ/kg
Entalpia de cinzas
538,28 kJ/kg
Perdas de calor no Gaseificador
4,86 kW
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Sistemas de Gaseificação de Biomassa Integrado a Ciclo de
generação de calor e potencia elétrica (cogeração) de pequeno
porte (15 MWe)
Analises Econômico
Equações utilizadas para o calculo dos parâmetros econômicos, de acordo com (Silveira, J.L.,
1990)
CSyngas 
Cel 
I Gasifier  f
H  ESyngas

Cb  Eb
 CM Gasifier
ESyngas
 FPe 
Ieg  f
  CMeg
 Csyngas
H  EPeg
 EPeg 
Ihe f
 FPhw
Chw 
 Csyngas
  CMhe
H  Ehw
 Ehw 
FPe 
EPeg
EPeg  Ehw
FPhw
Ehw
EPeg  Ehw
GPEL  Eeg  H  ( Pel  Cel )
GPhw Ehw H  ( Phw Chw)
R  GPEL  GPhw
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise economica do sistema GaseificadorCogerador
Comparação dos custos de produção de eletricidade, produção de agua
quente e produção de syngas para um 12% de juros
0,16
0,14
0,12
0,1
Custo do Syngas
Custo de Produção de
Eletricidade
Custo de Produção de
Agua Quente
Custo (US$/kWh)
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0
1
2
3
4
5
Payback (anos)
6
7
8
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise econômica do sistema GaseificadorCogerador
Comparação da Receita Anual Esperada do sector rural e residencial
para um 12% de juros
10000
8000
6000
4000
Receita Anual Esperada
2000
(US$/ano)
Receita Anual
Esperada para o Sector
Rural
Receita Anual
Esperada para o Sector
Residencial
0
Tarifa de
Eletricidade Setor
Rural 0,07 U$/kWh
Tarifa de
Eletricidade Setor
Residencial 0,12
U$/kWh
-2000
-4000
Tarifas de Acuerdo
ANEEL, 2008
-6000
0
1
2
3
4
5
Payback (anos)
6
7
8
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise econômica do sistema GaseificadorCogerador
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise econômica do sistema GaseificadorCogerador
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise econômica do sistema GaseificadorCogerador
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Resultados do analise econômica do sistema GaseificadorCogerador
Otimização de Sistemas Energéticos:
Conservação e Geração
Programação Preliminar