Aproveitamento da Biomassa para a Geração
de Energia Elétrica
1º Seminário sobre a Utilização de Energias Renováveis para
Eletrificação Rural do Norte e Nordeste do Brasil
Dr. Osvaldo Stella Martins
Centro Nacional de Referência em Biomassa - CENBIO
Brasília, 09 de dezembro de 2004
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Todos os organismos biológicos que podem ser
aproveitados como fontes de energia, são chamados
de Biomassa: a cana-de-açúcar, o eucalipto, a
beterraba, o biogás (produzido pela biodegradação
anaeróbica existente no lixo e dejetos orgânicos),
lenha e carvão vegetal, óleos vegetais (amendoim,
soja, dendê), etc.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
- A biomassa é formada pela combinação de dióxido de
carbono da atmosfera e água na fotossíntese, que
produz os hidratos de carbono - a energia solar é
armazenada nas ligações químicas dos componentes
estruturais da biomassa;
- Se a biomassa for queimada de modo eficiente, há
produção de dióxido de carbono e água. Portanto, o
processo é cíclico e dizemos que a biomassa é um
recurso renovável.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Tipos de Biomassa
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
- Biomassa Sólida;
- Biocombustíveis Gasosos;
- Biocombustíveis Líquidos.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biomassa Sólida:
Tem como fonte de origem os produtos e resíduos
da agricultura (incluindo substâncias vegetais e
animais), os produtos e resíduos florestais e das
indústrias conexas e a fração biodegradável dos
resíduos industriais e urbanos.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biocombustíveis Gasosos: Biogás
- Tem origem nos efluentes agro-pecuários, da agroindústria e urbanos (lodos das estações de tratamento dos
efluentes domésticos) e ainda nos aterros de RSU
(Resíduos Sólidos Urbanos).
- Resultado da degradação anaeróbia da matéria
orgânica contida nos resíduos anteriormente referidos e é
constituído por uma mistura de metano (CH4) em
percentagens que variam entre os 50% e os 70% sendo o
restante essencialmente CO2.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biocombustíveis Líquidos:
Existe uma série de biocombustíveis líquidos com
potencial de utilização, todos com origem em
“culturas energéticas”:
- Biodiesel: obtido a partir de óleos vegetais;
- Etanol: produzido a partir da fermentação de
hidratos de carbono (açúcar, amido, celulose);
- Óleos in natura.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Processos de Conversão
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biomassa Sólida:
Quanto à biomassa sólida, o processo de
conversão ou aproveitamento de energia, passa
primeiro pela recolha dos vários resíduos de que é
composta, seguido do transporte para os locais de
consumo, onde se faz o aproveitamento
energético por combustão direta.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biocombustíveis gasosos:
Como já referido, a sua obtenção faz-se a partir
da degradação biológica anaeróbia da matéria
orgânica contida nos resíduos como efluentes
agro-pecuários, da agro-indústria e urbanos,
obtendo-se uma mistura gasosa de metano e
dióxido de carbono (biogás), aproveitando o seu
potencial energético através da queima para
obtenção de energia térmica ou elétrica.
Aproveitamento da Biomassa para
a Geração de Energia Elétrica
Biocombustíveis Líquidos:
Os biocombustíveis líquidos biodisel, etanol,óleo
in natura, obtidos a partir de "culturas
energéticas", podem ser utilizados na substituição
total ou parcial como combustíveis para veículos
motorizados e grupos geradores.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Tecnologias de conversão
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biomassa Sólida:
Na recolha e transporte da biomassa são utilizadas diversas tecnologias
mecanizadas, dependendo da idade das árvores (2,5 ou 10 anos) ou do
tamanho dos resíduos.
O seu armazenamento pode ser feito em pilhas curtas, peletes, postes,
montes de estilhas ou serrilha.
As tecnologias de aproveitamento do potencial da biomassa sólida
passam essencialmente pela queima em centrais térmicas com
tecnologias como: de grelha fixa, móvel ou inclinada e de leito
fluidizado, ou centrais de cogeração para a produção de energia elétrica
e de água quente.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
3
Wes
Qq
4
2
Qf
1
Wbs
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
para a
turbina
3
Gerador de vapor
Gases da
Combustão
Queimador
Vap.
Liq.
da
bomba
2
Qq
Oxigênio
(Ar)
CALDEIRA
Combustível
Lenha
Carvão
Bio-massa
Óleo mineral
Óleo vegetal
Gás Natural
Aproveitamento da Biomassa para
a Geração de Energia Elétrica
- Potência: de 150 kW a 23 MW;
- Eficiência: Sem cogeração 18% a 20%, com cogeração ~ 30%);
- Custos de manutenção: Primeiros cinco anos - 2% do
investimento e demais anos - 5% do investimento;
- Custos de operação: Depende da faixa de pressão da caldeira e
envolve os custos dos produtos químicos da caldeira e o salário
dos operadores para comunidades isoladas da região norte
(valores "genéricos"):
- 4 operadores 400 R$/mês cada um = 1600 R$/mês mais 1000
R$/mês com produtos químicos;
- Custo de Investimento: R$ 5.000/kW – turn key para sistema de
200 kW.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biocombustíveis Gasosos: Biogás
Para o aproveitamento do biogás, dependendo da sua fonte
(suinoculturas, RSU, lamas) são aplicadas diversas tecnologias de
aproveitamento deste potencial energético, finalizando quase
todos na queima do biogás para obtenção de calor ou para
transformação em energia elétrica;
As tecnologias de conversão mais utilizadas são os motores de
combustão interna e as turbinas.
Tecnologias de Conversão
Caldeiras
Motores
Microturbinas
Turbinas
Tecnologias de Conversão
Potência
Rendimento
Emissões
de NOx
Motores a Gás
30 kW – 20 MW
30% – 40%
250 ppm – 3.000
ppm
Turbinas a Gás
(Médio Porte)
500 kW – 150 MW
20% - 30%
35 ppm – 50 ppm
(gás de aterro)
Microturbinas
(Pequeno
Porte)
30 kW – 100 kW
24% - 28%
< 9 ppm
Fonte: CENBIO, 2003
Fonte: Jenbacher, 2001
Fonte: Solar Turbines, 2001
Fonte: Capstone, 2001
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
• Potência: 30 kW a 20 MW para motores a gás (Ciclo Otto) e
de 500 kW a 150 MW para turbinas a gás;
• Eficiência (sem cogeração): 30 % a 40 % para motores a gás
e de 20 % a 30 % para turbinas a gás;
• Eficiência (com cogeração): 50 % a 80 % para motores a gás
e de 40 % a 90 % para turbinas a gás;
• Custos de manutenção: de 0,03 R$/kWh a 0,18 R$/kWh;
• Custos de operação: Envolve os custos com os salários dos
operadores. Para a região sudeste (valores “genéricos”); 4
operadores a 400 R$/mês cada um = 1.600 R$/mês.
• Custo de investimento: de 2.100 R$/kW a 4.800 R$/kW.
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Biocombustíveis Líquidos:
Nos biocombustíveis líquidos as tecnologias para
conversão em energia final são essencialmente as
mesmas do biogás: motores de ciclo de Otto e diesel,
turbinas e caldeiras.
Os custos são mais baixos que os do biogás em função
das tecnologias que foram desenvolvidas para
combustíveis líquidos e adaptadas para o biogás.
Gaseificadores
• Gaseificador de leito fixo:
- Co-corrente (downdraft)
- Contracorrente (updraft)
• Gaseificador de leito fluidizado ou leito circulante;
Segundo MANIATIS (2001), 77,5 % dos projetos de
gaseificadores são do tipo de leito fixo, 20 % são do
tipo fluidizado ou circulante e 2,5 % de outros tipos.
Gaseificador Co- corrente
(Downdraft)
• Variantes: modelo
desenvolvido por MUKUNDA et
al, do Instituto de Ciência
Indiano, IISc vem
apresentando bons resultados
em testes de avaliação em
laboratórios e em campo, na
Índia
• Três unidades foram trazidas
ao Brasil para testes de
avaliação de desempenho com
biomassas locais (CENBIO /
BUN e UFPA).
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
Especificações Técnica do IISc
• Combustível: Biomassa com umidade máxima de 15 % b. u.;
dimensões de 1 a 6 cm; densidade de empilhamento > 300 kg/m2
• Potência nominal de geração: 20 kWe (220 V e 60 Hz) e 70 kWth;
• Composição média gás gerado (% vol. b. s.): CO 20 ± 1; CH4 3 ±
1; H2 20 ± 1; CO2 12 ± 1; N2~ 45; PCS 4,5 a 5,0 MJ/kg;
• Consumo de biomassa: 20 kg/h;
• Consumo de diesel: ~1 litro/h (relação de substituição de 80 %);
• Princípio de
estratificado;
funcionamento:
Topo
• Sistema de limpeza do gás: Via úmida.
aberto;
co-corrente
Componentes principais do
gaseificador
Sistema de limpeza de gases
Corpo do
gaseificador
Lavador 1
Lavador 2
Lavador 3
Ciclone
Removedor
de cinzas
2 Bombas
d’água
Resfriador de água
Resultados preliminares com
cavaco seco ( 3% umidade)
• PCS médio gás (MJ/Nm3)
• Potência térmica média (kW)
• Teor de particulado e alcatrão nos gases (mg/Nm3)
5,7
67,1
~216
• Vazão alimentação cavaco (kg/h)
~18
• Vazão descarga de cinzas (kg/h)
1,3
• Rendimento a frio do gaseificador (%)
~70 %
Aproveitamento da Biomassa para a
Geração de Energia Elétrica
• Potência: 1 kW a 1.000 kW;
• Eficiência: Gaseificador 70%, motor 35%, líquida 14%;
• Custos de manutenção: De 0,30 R$/kWh a 0,50 R$/kWh;
• Custos de operação: Envolve os custos com os salários dos
operadores mais o custo do diesel (30%) 0,5 R$/kWh;
• Custo de investimento: 6.500 R$/ kW.
Stirling
CENBIO
Centro Nacional de Referência em Biomassa
Osvaldo Stella Martins
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