prof. dr.electo silva lora...

ENCONTRO PROSUL 2007BIOENERGIA

MEMORIAL AMÉRICA LATINA

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COM BIOMASSA

Prof. Dr.Electo Silva Loraelecto@unifei.edu.br

O Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e

Distribuída

Instituto de Engenharia MecânicaUniversidade Federal de Itajubá

Alguns números (1998 – 2006)

35 pesquisadores deles 7 doutores. 6 novos laboratórios.Projeto e testes de 3 prototipos (MS, TV, MTG).80 cursos de extensao, mais de 1500 alumnos.22 dissertações de mestrado e 4 teses de doutorado defendidas. (17 e 11 em andamento)8 projetos de P&D concluídos e 14 em andamento.19 artigos publicados em revistas internacionais.

LINHAS DE ATUAÇÃOI - GERAÇÃO TERMELÉTRICA E COGERAÇÃO

Estudos de viabilidade técnico-econômica de sistemas com turbinas a vapor, turbinas a gás e/ou motores de combustão interna.

II - TECNOLOGIAS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

Avaliação teórico-experimental e projeto de microturbinas a gás, motores Stirling e células a combustível

III - USO ENERGÉTICO DA BIOMASSA

Estudos avançados sobre a gaseificação, combustão e geração de energia elétrica a partir da biomassa. Estudos de disponibilidade de recursos e viabilidade econômica e ambiental;

IV - BIO-METANIZAÇÃO DE RESÍDUOS

Avaliação teórico experimental da geração e uso energético de biogás obtido a partir da vinhaça e de aterros sanitários

V - REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO

Avaliação teórico-experimental de sistemas microturbina a gás / chiller de absorção;

VI - TURBINAS A GÁS E A VAPOR

Análise de desempenho de turbinas a gás e a vapor no ponto e fora do ponto de projeto. Comportamento operacional;

VII - MODELAGEM E DIAGNÓSTICO DE PROCESSOS TÉRMICOS

Otimização da operação e manutenção de unidades energéticas. Modelagens de esquemas térmicos em simuladores. Avaliação exergo-econômica de ciclos combinados;

VIII - ASPECTOS AMBIENTAIS DO USO DA ENERGIA

Medição da concentração de particulados e poluentes gasosos nos sistemas de combustão e gaseificação de biomassa. Dimensionamento e seleção de separadores de particulados. Análise do ciclo de vida. Dispersão de contaminantes;

PUBLICAÇÔES DO NEST

O NEST na internet www.nest.unifei.edu.br

BIOMASSA

BIOMASSA E MITIGAÇÃO DO EFEITO ESTUFA

2003 2050

Aspectos Técnicos

Rotas Tecnológicas de Conversão de Biomassa em Energia Elétrica

• Viabilidade ComercialEstado da arte das tecnologias disponíveis para a geração de eletricidade para diferentes faixas de potência.

Tipos de gaseificadores

Gás

Ar

Zona de combustão

Zona de redução

Zona de Pirólise

Zona de Secagem

Alimentação da Biomassa

Cinzas

Gás

Ar

Zona de combustão

Zona de redução

Zona de Pirólise

Zona de Secagem

Alimentação da Biomassa

CinzasAr

Zona de combustão

Zona de redução

Zona de Pirólise

Zona de Secagem

Alimentação da Biomassa

Cinzas

Gás

ArAr

Alimentação de biomassa

Cinzas

Zona de redução

Zona de combustão

Zona de pirólise

Zona de secagem

Ar Gás

Zona de secagem

Zona de

Pirólise

Cinzas

Z C ZR

alimentação de biomassa

ArAr

• Esquema da Tecnologia BIG/GT

Fonte: Copersucar

COGERAÇÃO NA INDUSTRIA DE AÇÚCAR E ALCOOL

SCHEME OF THE PLANT COGENERATION SYSTEM IN GATE-CYCLE: BASE (REFERENCE) CASE

Processo

Refino

63 bar abs. @ 480°C

33 bar abs. @ 320°C

T.G 40 MW

T.G 15 MW

G.V n°: 122 bar abs. @ 300°C

11 bar abs.

2,47 bar abs.

22 bar abs.

22 bar abs.

G.V n°: 5

G.V n°: 4 G.V n°: 2

Bomba 1

Bomba 2

Bomba 3

***

***

2,47 bar abs.

180°C

128°C

Bomba circulação

* Tandem I ** Tandem II *** Tandem III

Physical structure for scenario C

Energy specific cost for evaluated scenarios

64,24

54,07 53,98 53,93 53,97

85,5280,88 80,86 83,19 83,16

22,7819,07 19,76 20,34 21,05

0

20

40

60

80

100

A B1 B2 C1 C2

Cenários analisados

Cust

o es

pecí

fico

da e

nerg

ia p

rodu

zida

[R

$/M

Wh]

Energia Elétrica Gerada Energia Mecânica Produzida Calor Processo

Configuración AEAP – Central A electrificado / altos parámetrosde vapor

Balanço de Energia (Diagrama de Sankey) da Usina A com configuração AB e AAP.

• Geração de Eletricidade via Biogás

Biogás

Tecnologias

de Geração

Fertilizantes

Biodigestão

Anaeróbia

EletricidadeCalorResíduos

Orgânicos

Obtained output/Input values for energy balances in the range of 5,0-7,0 are much higher than the ones obtained for other oleaginous in Brazilian, European and EUA LCA studies.

Palm oil biodiesel: Renew/Fossil= 5,0-7,0

Propriedades dos biocombustíveis e do

diesel

Rendimento dos biocombustíveisna geração térmica de energia

elétrica.

CONSUMO ESPECIFICO DE COMBUSTÍVEL

Combustão (CV) e gaseificação: 2-4 kg/kWhBiodiesel (MCI): 0,44 kg/kWhBiogás (MCI): 0,42 m3/kWh (60% CH4, 30% efic.)Biogás (MTG): 0,47 m3/kWh (27 % efic.)Usinas de açúcar: 80-500 kWh/tc (20-45 % efic)Referencias: CTECC: 0,142 kg/kWh (GN)

Diesel (MCI): 0,35 kg/kWh

Experiencias Nacionais e Internacionais

Proyectos en ejecución en Brasil: CTE con ciclo a vapor (LAJES, Tractebel Energia)

Central Termoeléctrica de Piratini

• Empresa Koblitz• En operación desde 2002• Potencia instalada de 10 MW• Consume anualmente cerca de 142 mil toneladas de residuos de

madera para producir alrededor de 71 mil megawatts hora ano. • El costo de la inversión R$ 22 millones.

•Exemplos de plantas de gaseificação de Leito Fluidizado

Planta Värnamo – Suécia

Diagrama do processo de gaseificação VärnamoPlanta Värnamo

Características operacionais da planta Värnamo

Planta de gaseificação de biomassa Värnamo

Localização Värnamo - Suécia

Geração de eletricidade e calor 6MWe/ 9MWth

Tipo de gaseificador Leito fluidizado circulante pressurizado

Energia no combustível 18MW (15% umidade)

Tipo de combustível Resíduos de madeira

Eficiência elétrica líquida 32%

Eficiência elétrica total 83%

Pressão e temperatura do gaseificador 18 bar/ 950ºC

Poder calorífico do gás 5MJ/Nm3

Pressão e temperatura de vapor 40 bar / 455ºC

Tecnologia empregada SydKraft AB e Foster Wheeler

Gaseificador Foster Wheeler

Turbina a gás Alstom Gas Turbines Ltd.

Turbina a vapor Turbinenfabrik NadrowskiGmbH

Composição do gás

Composição do gás

Concentração (vol. %)

CO 16-19%

H2 9.5-12%

CH4 5.8-7.5%

CO2 14.4-17.5%

N2 48-52%

Planta ARBRE- Reino Unido

Diagrama do processo de gaseificação ARBRE

Planta ARBRE

Planta LAHTI- Finlândia

Diagrama do processo de gaseificação LAHTI

Planta LAHTI

Planta Burlington - Vermont

Diagrama do processo de gaseificação LAHTI

Planta Burlington

Planta Güssing - Áustria

Diagrama do processo de gaseificação Güssing

Composição do gás

Composição do gás

N2 1 a 3 vol (%)

CO 20 a 30 vol (%)

CO2 15 a 25 vol (%)

CH4 8 a 12 vol (%)

H2 30 a 45 vol (%)

NH3 1000-2000 ppm

particulados 50 g/Nm3

alcatrão 1 a 2 g/Nm3

Poder calorífico Inferior 12 MJ/Nm3

Planta Güssing

• Planta Bandeirantes

BIODIESEL EM MTG

Fornecedores, Disponibilidade e Viabilidade Comercial das

Tecnologias de Geração a partir da Biomassa

CICLO A VAPOR

Capacidade até 50 MWParâmetros: até 120 bars

: até 580 oCPrincipais Fabricantes:HPBDediniEquipalcoolCaldemaTGM, NG metalurgica, Siemens

Caldeira APU-70-7GI-PSEpara bagaço de caña fabricada

pela empresa CALDEMA Equipamentos Industriais

Ltda.

HPB

•Plantas de Gaseificação de Leito Fixo

Desenvolvimento de gaseificadores no Brasil: novo projeto da Termoquip

Avaliado recentemente porpesquisadores do NEST mostrandoum poder calorífico de 5 MJ/Nm3

•Plantas de Gaseificação de Leito Fluidizado

Planta Tipo de gaseificador Situação Combustível Aplicação Capacidade

da planta Tecnologia

ARBRE ENERGY Yorkshire, GB

LFC/ IGCCatmosférico Parada resíduos IGCC com turbina a

gás 8 Mwe TPS Termiska Processer

Cascina, Bioeléttrica-Itália LFC Design, em planejamento

desde 1999serragem , resíduos agrícolas IGCC 41MWt

Zeltweg- Áustria LFC Parada em 1997 casca, cavaco e serragem de madeira

planta de co-Combustão 4.2 Mwe ESB, Austria energy and

Environment ENEL

Lurgi- Alemanha LFC Planta piloto madeira, carvão eresíduos

geração de calor ePotência 1.7 MWt

Vermont- Estados Unidos LFC Projeto demonstrativo serragem de madeira

(200t/d)turbina a gás (ciclo

combinado) 500MW Batelle

Värnamo - Suécia LFC pressurizado Parada (Funcionou de 1998 a 2000) resíduos florestais Turbina a gás

(ciclo combinado)6 MWe9 MWt

SydKraft AB e Foster Wheeler

Lahti- Finlândia LFC Operação desde março 1998

resíduo de madeira eserragem

WPB/SIGAME,Brasil/ IGCC, GE

LM

167 MWe240 MWt

AMER LFC Comissionamento resíduos de madeira geração de calor 83 MWt Lurgi

BioSyn – Canadá LFB Desenvolvido na década de 80 resíduos de madeira produção de gás de

síntese

Güssing- Áustria LFC Comissionamento em 2001 resíduos de madeira geração de calor epotência

2MWe4,5MWt

Babcock Borsig Power, Austrian Energy

Biocycle - Finlândia LFC - Resíduos de madeira,resíduos florestais. IGCC 7MWe

6.78MWt Carbona

Greve in Chianti –Itália LFC - resíduos de madeira ciclo combinado 15 MWt TPS Termiska Processer

SIGAME- Brasil Parada Start-up 2000 Eucalipto IGCC 32 MWe GE LM

Perspectivas Futuras

MTG com queima externa de biomassa

.Eficiência elétrica 15%Eficiência de cogeração: 985 %Horas de operação: 4000BOWMAN TG50 50 KWe20-30 KWe em operação

CICLO ORGANICO RANKINE: 0,4-2,0 MW

Ciclo a vapor com motortipo rosca sem-fim

GASIFICADOR / MTG

GASEIFICADOR / SOFC

CCéélulalula ITSOFC ITSOFC parapara biomassabiomassa

O2

H2OCoalGasification

LoadCondenser Trapping Sx

Fuel recycling

CO2

DC Power

Heat Exchanger

Steam, Heat Recovery

O2-

H+

SolidBiomass

F

F: Syn. fuels: H2+CnHm

BiomassGasification

Coal

H2

(CH4 )COH2O

ITSOFC

Air

Projetos gaseificação – FC no mundo

Testes de um gaseificador de biomassa acoplado a uma SOFC no ECN (Holanda): 53 % de eficiencia.Projeto Green Fuel – Cell da CEE coordenado pelo CIRAD.Projeto Gaseificação SOFC – NREL (Estados Unidos)Projeto CEE na Universidade de Alquila na Italia (Gaseificador – MCFC)Pesquisas Teóricas – Universidade de Lund e Universidade de Delft

PROJETOS EM ANDAMENTO NO NEST

Fogão ecológico de 1 kWe. Modulo Fornalha/Stirling de 8-10 kWe.Modulo Gaseificador/MCI de 10 kWe.Modulo caldeira/TV/Ref. absorção de 300 kWe.Projeto ISBUC BIG/GT de 3 MWe.CTE de 50 MWeTestes de MTG operando com biodiesel(soja, mamona e dendê) e etanol.Análise do ciclo de vida do biodiesel.

Micro-turbine Capstone 30kW (Diesel)Diesel consumption 12,5 l/hGrid Connected or Stand Alone

GMT feeding system

Diesel

Electricity

Biodieseland

mixtures

RESULTS OF THE EXPERIMENTAL TESTS

10000

30000

50000

70000

90000

110000

0 5 10 15 20 25 30

Power [kW]

Hea

t Rat

e [k

J/kW

h]

DF100

BD5

BD10

BD15

BD20

BD25

BD30

BD50

BD75

BD100

0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30Power [kW]

Fuel

Vol

umet

ric F

low

[l/h

]]

DF100

BD5

BD10

BD15

BD20

BD25

BD30

BD50

BD75

BD100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Potência Corrigida [kW]

CO

[ppm

]

DF100

BD5

BD10

BD15

BD20

BD25

BD30

BD50

BD75

BD100

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30

Potência Corrigida [kW]

NO [p

pm]

DF100

BD5

BD10

BD15

BD20

BD25

BD30

BD50

BD75

BD100

CONCLUSÕES

Ciclo a vapor - comercial (> 1 MW, Eff< 25 %).Poucos exemplos de sucesso de gaseificador motor (mais tem!!!!).Testes - biodiesel em motores e turbinas.Não tem tecnologias comerciais em escala de microgeração (regiões isoladas).Stirling a biomassa – Interessante!!!.Necessidade de plantas demonstrativas BIG-GT.Alternativa hidrólise da celulose/geração.Ciclos com fluidos orgânicos – Interessante!!!.Perspectivas MTG e Fuel Cells.