anÁlise do potencial de geraÇÃo de … 10: propriedades termodinâmicas nos pontos 1 e 6 do cro...
TRANSCRIPT
ANÁLISE DO POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
NO BRASIL UTILIZANDO A CASCA DE ARROZ COMO
COMBUSTÍVEL EM UM CICLO RANKINE ORGÂNICO
Thadeu Melo Roquette
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientadores: Alexandre Salem Szklo
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE DO POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL
UTILIZANDO A CASCA DE ARROZ COMO COMBUSTÍVEL EM UM CICLO
RANKINE ORGÂNICO
Thadeu Melo Roquette
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
FEVEREIRO DE 2017
i
Roquette, Thadeu Melo
Análise do Potencial de Geração de Energia Elétrica no Brasil
Utilizando a Casca de Arroz como Combustível em um Ciclo
Rankine Orgânico/ Thadeu Melo Roquette – Rio de Janeiro:
UFRJ/Escola Politécnica, 2017.
Orientadores: Alexandre Salem Szklo
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Mecânica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 66 - 68
1.Biomassa. 2. Casca de Arroz. 3. CRO 4. Fontes de Energia
Alternativas 5. Termodinâmica I. Szklo, Alexandre. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Programa de
Engenharia Mecânica. III. Análise do Potencial de Geração de
Energia Elétrica no Brasil Utilizando a Casca de Arroz como
Combustível em um Ciclo Rankine Orgânico
ii
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Alexandre Szklo pela sua orientação sempre presente e fundamental para a
realização deste trabalho.
A todo corpo docente do Departamento de Engenharia Mecânica, Instituto de Física,
Instituto de Matemática e a todos os outros Departamentos da Escola Politécnica pelo
ensino de alto nível proporcionado durante os anos aqui estudados.
Aos amigos que fiz durante a graduação que estiveram sempre presente incentivando e
estudando juntos para alcançarmos nossos objetivos.
À minha família por todo o apoio e carinho, sem ela não teria sido possível alcançar este
objetivo.
iii
Resumo do Projeto de Graduação à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção de grau de Engenheiro Mecânico.
Análise do Potencial de Geração de Energia Elétrica no Brasil Utilizando a
Casca de Arroz como Combustível em um Ciclo Rankine Orgânico
Thadeu Melo Roquette
Fevereiro/2017
Orientadores: Alexandre Salem Szklo
Curso: Engenharia Mecânica
O presente trabalho trata do potencial de geração de energia elétrica utilizando a
casca de arroz em um ciclo Rankine orgânico (CRO) no Brasil.
O Brasil é um país com extensas áreas de cultura de biomassa, no entanto, nem
todos os resíduos dessas colheitas são reaproveitados para a geração de eletricidade, logo
o presente estudo realiza a análise do potencial de geração de eletricidade do resíduo
orizícola
As características e limitações do biocombustível estudado são abordadas, a fim
de evitar os efeitos indesejados gerados pelas cinzas durante sua combustão na caldeira.
A adaptação do ciclo Rankine e seu estudo termodinâmico é realizado para a
análise do potencial de geração de eletricidade tendo como base o ciclo estudado.
Os resultados mostram o potencial de geração de eletricidade no Brasil e no Sul,
em algumas regiões específicas que são as maiores produtoras de arroz.
iv
Abstract of Undergraduate Project presented for POLI/UFRJ as a part of the
requirements for obtaining the degree of Mechanical Engineer.
Analysis of the Brazilian Electric Power Generation Potential using Rice
Husk as Fuel in an Organic Rankine Cycle
Thadeu Melo Roquette
February/2017
Advisors: Alexandre Salem Szklo
Department: Mechanical Engineering
This study evaluates the potential for electric power generation in Brazil using the rice
husk, as fuel in an Organic Rankine Cycle (ORC).
Brazil has one of the largest agriculture area in the World. However, Brazil has not yet
explored the potential use of agricultural residues for electricity generation. Hence, this
study analyses the potential electric power generation from the combustion of rice hulks.
Some characteristics and limitations due to the biofuel combustion such as the ashes
combustion will be studied.
An approach on the modifications of the Conventional Rankine Cycle in order to work
with the limitations of the biofuel and its ashes are going is performed.
Findings show the potential of electric power generation in Brazil, focusing on the most
productive areas of rice such as the South region of Brazil.
v
Lista de Figuras
Figura 1: Equação genérica da combustão de um biocombustível.............................. 11
Figura 2: Esquema típico de um ciclo Rankine a vapor ............................................... 14
Figura 3: Gama de potências de diversos ciclos e suas eficiências de primeira lei ..... 15
Figura 4: Componentes de um Ciclo Rankine Organico .............................................. 17
Figura 5: BWR em função da temperatura de evaporação para diferentes fluidos ...... 21
Figura 6: Diferentes tipos de fluidos de trabalho ......................................................... 24
Figura 7: Diagrama T-s de alguns fluidos secos e a água ........................................... 26
Figura 8: Esquema típico de um ciclo Rankine orgânico com regeneração ................ 30
Figura 9: Pontos do Regenerador ............................................................................... 36
Figura 10: Diagrama T-s do ciclo estudado e seus pontos .......................................... 39
Figura 11: Esquema simplificado de uma Máquina Térmica ....................................... 40
Figura 12: Ciclo primário e o CRO interligados pelo Trocador de Calor ...................... 44
Figura 13: Esquema completo do sistema contendo o circuito primário integrado ao CRO
................................................................................................................................... 49
Figura 14: Potencial de geração mensal de energia elétrica por região ...................... 54
Figura 15: Distribuição de potencial energético de casca de arroz por região no Brasil
................................................................................................................................... 55
Figura 16: Mapa do Rio Grande do Sul e as sub-regiões consideradas para a análise de
geração de eletricidade ............................................................................................... 58
vi
Lista de Tabelas
Tabela 1: Composição química da Casca de Arroz e suas cinzas e outros
biocombustíveis ............................................................................................................ 7
Tabela 2: Efeitos da combustão devido a elementos presentes na cinza da biomassa
..................................................................................................................................... 8
Tabela 3: Composição química de alguns Combustíveis de Biomassa ....................... 11
Tabela 4: Quadro comparativo entre o CRO e o ciclo Rankine a vapor ...................... 28
Tabela 5: Descrição dos equipamentos do CRO ........................................................ 32
Tabela 6: Lista de propriedades de projeto do CRO ................................................... 36
Tabela 7: Lista de dados extraídos pelo REFPROP ................................................... 38
Tabela 8: Propriedades termodinâmicas nos pontos 1 e 2 do CRO ............................ 41
Tabela 9: Propriedades termodinâmicas nos pontos 4 e 5 do CRO ............................ 42
Tabela 10: Propriedades termodinâmicas nos pontos 1 e 6 do CRO .......................... 43
Tabela 11: Dados extraídos da análise quantitativa do CRO ...................................... 43
Tabela 12: Parâmetos de projeto do circuito primário ................................................. 46
Tabela 13: Colheita mensal de arroz por região e estado do Brasil ............................ 52
Tabela 14: Razão entre a massa de casca de arroz e a massa de arroz .................... 53
Tabela 15: Potencial de geração de eletricidade por região com base nos dados de
colheita anual de arroz ................................................................................................ 55
Tabela 16: Municípios com o maior potencial de geração de eletricidade ................... 57
Tabela 17: Definição das regiões da Figura 20 ........................................................... 58
Tabela 18: Potencial de geração de eletricidade por região considerada ................... 59
Tabela 19: Demanda de eletricidade por região considerada em função do número de
habitantes em cada região durante o ano de 2016 ..................................................... 60
Tabela 20: Percentual do suprimento da demanda anual de eletricidade por região
potencial considerada ................................................................................................. 60
vii
Tabela 21: Demanda de eletricidade por região considerada em função do número de
habitantes em cada região durante o primeiro semestre de 2016 ............................... 61
Tabela 22: Percentual do suprimento da demanda de eletricidade no primeiro semestre
por região potencial considerada ................................................................................ 61
viii
Lista de Símbolos
𝑐𝑝 Calor Específico à Pressão Constante
𝑞 Calor Específico
𝐸 Energia
ℎ Entalpia Específica
𝑠 Entropia Específica
𝑃𝑜𝑡 Potência
�̇� Potência Calorífica
𝑃 Pressão
𝑟 Razão de Expansão/Compressão
𝑇 Temperatura
𝑤 Trabalho Específico
�̇� Vazão Mássica
Símbolos Gregos
𝜀 Efetividade
𝜂 Eficiência de Primeira Lei da Termodinâmica
∆ Diferencial
Subscritos e Sobrescritos
𝐵 Bomba
𝑐𝑑 Condensador
𝑒𝑣 Evaporador
𝑒𝑥 Expansor
𝑖𝑛 Grandeza que entra no ciclo
ix
𝑙í𝑞 Grandeza líquida
𝑠 Isentrópico
𝑝𝑝 Pump (bomba)
𝑅 Regenerador
𝑡ℎ Remete à Primeira Lei da Termodinâmica
𝑇 Turbina
Abreviações e Siglas
BWR Back Work Ratio
CRO Ciclo Rankine Orgânico
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
OCDE Organização para Cooperação e Desenvolvimento
PCI Poder Calorífico Inferior
PCS Poder Calorífico Superior
x
Sumário
Lista de Figuras .......................................................................................................... v
Lista de Tabelas ......................................................................................................... vi
Lista de Símbolos .................................................................................................... viii
1. Introdução ............................................................................................................... 1
1.1 Panorama de Consumo de Eletricidade Global ................................................... 1
1.2 Cenário e perspectivas de demanda energética no BRICS ................................. 2
1.3 Cenário da utilização de casca de arroz no Brasil ............................................... 3
1.4 Objetivo ............................................................................................................... 4
1.5 Organização ........................................................................................................ 5
2. Contextualização da proposta ............................................................................... 6
2.1 Biomassa ............................................................................................................ 6
2.1.1. Casca de Arroz .......................................................................................... 10
2.1.1.1. Produção Brasileira de Arroz ............................................................... 10
2.1.1.2. Análise Química do Combustível ......................................................... 10
2.1.1.3. Fabricação Orizícola ............................................................................ 12
3. Ciclo Rankine Orgânico ........................................................................................ 13
3.1 Componentes do Ciclo Rankine Orgânico ......................................................... 16
3.1.1. Máquina de expansão ................................................................................ 17
3.1.2. Trocador de Calor ...................................................................................... 18
3.1.3. Bombas ..................................................................................................... 20
3.1.4. Fluido de Trabalho ..................................................................................... 21
3.1.4.1. Seleção de um fluido de trabalho ........................................................ 22
3.1.4.2. Lista de fluidos de trabalho possíveis para um CRO ........................... 23
3.2 Comparação entre um Ciclo Rankine Orgânico e um Ciclo Rankine a Vapor .... 26
4. Balanço energético do sistema de geração de potência ................................... 28
4.1 Estados Termodinâmicos do fluido de Trabalho ................................................ 30
4.2 Definição dos estados termodinâmicos do CRO ................................................ 32
4.3 Considerações sobre os parâmetros do CRO ................................................... 36
4.4 Definição numérica de todos os pontos do ciclo de potência ............................. 37
4.5 Balanço energético do CRO .............................................................................. 39
xi
4.5.1. Eficiência de Primeira Lei ........................................................................... 39
5. Estudo do circuito primário de geração de calor ............................................... 44
5.1 Considerações sobre os componentes do circuito primário ............................... 44
5.2 Balanço Energético do Ciclo Primário ............................................................... 47
5.2.1. Calor Transferido para o CRO ................................................................... 47
5.2.2. Calor produzido na Caldeira....................................................................... 48
6. A potência em função da quantidade de combustível ....................................... 48
7. Estudo do Potencial Elétrico no território brasileiro utilizando a Casca do
Arroz como Combustível.......................................................................................... 51
7.1 Resultados ........................................................................................................ 53
7.1.1. Regiões potenciais para a instalação do CRO ........................................... 56
8. Conclusões e possíveis trabalhos futuros ......................................................... 63
9. Bibliografia ............................................................................................................ 66
1
1. Introdução
1.1 Panorama de Consumo de Eletricidade
Global
Segundo (EIA, 2016), nos próximos trinta anos a demanda por energia no
planeta irá aumentar 48%. Deste crescimento, mais da metade é em virtude do aumento
no consumo de energia dos países que não fazem parte da Organização para a
Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE).
Um fato importante a ser mencionado é que os países que compõem o BRICS
não fazem parte do grupo OCDE, assim como outros países asiáticos em crescimento,
como Cingapura e Hong-Kong.
Ainda sobre o crescimento do consumo de energia nas próximas três décadas,
é importante mencionar que os países que não fazem parte do OCDE, os não-OECD,
são responsáveis por mais da metade do crescimento de aproximadamente 50% do
consumo de energia no globo (EIA, 2016).
O consumo energético global em 2016 equivale a aproximadamente 600
Quadrilhões de BTU (Quad), e existe um equilíbrio de demanda entre os países
pertencentes e não-pertencentes ao OCDE, no entanto as projeções do EIA mostram
que em 2040, o consumo de eletricidade será de 800 Quad BTU, em que mais de dois
terços do consumo será dado pelos países não pertencentes ao OCDE. (EIA, 2016)
A causa do crescimento do consumo pelos países non-OCDE ocorre pelo forte
crescimento econômico e populacional dos mesmos. Os países que não fazem parte do
grupo OCDE aumentarão seu consumo energético em 71% de 2012 a 2040 (EIA, 2016).
Em contrapartida, analisando os países mais maduros energeticamente e de menor taxa
de crescimento populacional e econômico, podemos verificar um crescimento de 18%
durante o mesmo período (EIA, 2016).
2
O crescimento econômico, vem acompanhado de mudanças na infraestrutura
das cidades, o que influencia fortemente na demanda por energia. Conforme um país
se desenvolve e o padrão de vida da população aumenta, a demanda por energia
elétrica aumenta rapidamente.
A economia e a demanda energética estão diretamente relacionadas, estudos
mostram que o crescimento econômico atua como um vetor que influencia diretamente
a demanda energética. Projeções mostram que a variação do PIB está diretamente
relacionada ao aumento ou diminuição da demanda de eletricidade. (EIA, 2016)
1.2 Cenário e perspectivas de demanda
energética no BRICS
Em 2009 o total de energia elétrica consumida pelos BRICS foi de 6335 TWh o
que corresponde a 31,6% do total, no ano. (SHAHBAZ, RASOOL, et al., 2016)
Devido à alta variação nos preços do preço dos combustíveis fósseis e por ser
menos poluente que os combustíveis como o petróleo e o carvão, a atenção pela
utilização de combustíveis derivados de biomassa vem aumentando.
As Hidroelétricas correspondem à maior fonte de geração energia elétrica
renováveis nos países deste bloco econômico, no entanto devido as limitações de cunho
sazonal desta fonte de energia outras fontes alternativas de energia vêm despertado
interesse dos governos e investidores.
Durante as duas últimas décadas a Biomassa vem ganhando importância no
cenário de geração de energia elétrica, este fato é devido a sua grande disponibilidade
no território brasileiro uma vez que o Brasil é um dos países de maior exploração da
Agroindústria no mundo. Outro ponto a favor da utilização de biocombustíveis é a
possibilidade de se tratar os resíduos produzidos pela agroindústria. (SILVA,
ARDENGHI, et al., 2015)
3
O Brasil, a Índia e a China instituíram diversos incentivos financeiros para que
as energias renováveis tivessem uma maior abrangência em sua matriz energética, um
exemplo desse fato foi a implementação do PROINFA (Programa de Incentivos às
Fontes Alternativas de Energia Elétrica), do Ministério de Minas e Energia do Brasil.
(SILVA, ARDENGHI, et al., 2015)
O consumo energia elétrica produzido por fontes alternativas correspondeu à
36,8% do total de energia consumida nesses países em 2009 (EIA, 2016). Se for levado
em consideração o potencial energético e as técnicas conhecidas para conversão de
fontes alternativas de energia em energia elétrica, existe um potencial de geração de
61% em 2030. (EIA, 2016)
Esse bloco econômico alcançou um grande crescimento econômico durante as
três últimas décadas. De fato, o bloco responde por 21% do PIB global, 40% do consumo
energético global e mais de 40% da população mundial (HEBERT e KRISHNAN, 2016).
No entanto, os BRICS ainda dependem de fontes convencionais de energia,
como a energia gerada pelos combustíveis fósseis, que possuem grande variação de
preço no mercado e produzem uma perda na qualidade do meio ambiente. Ou seja,
estas economias enfrentam duas questões para continuarem seu crescimento:
Segurança Energética e Degradação Ambiental.
1.3 Cenário da utilização de casca de arroz no
Brasil
Dentre os diversos tipos de biomassa a casca de arroz é um dos que podem ser
utilizados para se gerar energia elétrica.
O arroz está entre os cereais mais consumidos do mundo. O Brasil é o maior
produtor mundial e colheu 11,26 milhões de toneladas na safra entre 2009/2010. A
4
produção está basicamente distribuída entre estados do Rio Grande do Sul, Santa
Catarina e Mato Grosso (SILVA, ARDENGHI, et al., 2015).
As projeções do de produção de arroz, avaliadas pela Assessoria de Gestão
Estratégica do Mapa, mostram que o Brasil vai colher 14,12 milhões de toneladas de
arroz na safra 2019/2020. O que equivale ao aumento anual da produção de 1,15% nos
próximos dez anos (MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 2016).
Segundo a Aneel, dentre as fontes as fontes renováveis de energia, a biomassa
é responsável por 7,17% da energia elétrica no Brasil, com 431 plantas de geração de
energia elétrica em operação em 2015 (SILVA, ARDENGHI, et al., 2015). Sendo que
dessas plantas, oito são as usinas que utilizam a casca de arroz como fonte de calor,
que juntas geram 32.608 kW, o que representa 0,03% do total de produção de energia
elétrica nacional (SILVA, ARDENGHI, et al., 2015).
1.4 Objetivo
Tendo em vista o cenário de mudança acima descrito, onde se prevê uma
continuação do aumento do consumo energético mundial, a necessidade da
substituição da atual principal matriz energética e o aproveitamento integral dos
resíduos industriais, o presente trabalho visa à análise do potencial de geração de
energia elétrica no Brasil utilizando a casca de arroz como combustível.
Devido às suas características químicas, tornam-se necessárias alterações no
Ciclo de Potência tradicionalmente utilizado na queima de combustíveis fósseis.
O presente estudo tem como objetivo a análise de um Ciclo Rankine Orgânico
operando em condições necessárias para que não ocorram efeitos indesejados durante
a queima desse biocombustível.
5
Tem-se como objetivo também o estudo das adaptações de um CRO, o
rendimento energético do ciclo a ser estudado, o potencial de geração para um estudo
de caso e a extrapolação para território brasileiro.
1.5 Organização
Esta seção abrange o conteúdo que será abordado no presente estudo, assim
como situa o leitor quanto ao atual cenário mundial e brasileiro de geração de
eletricidade, o que traz à luz a importância do presente estudo, as oportunidades
referentes ao tema e os desafios por vir neste campo de conhecimento.
O segundo capítulo abrange a contextualização da proposta, onde serão
discutidas as características do biocombustível utilizado, a casca de arroz. Dentre as
características estão as características físico-químicas do combustível, as
características de produção da casca de arroz, alguns detalhes da combustão do
biocombustível e por fim falar-se-á acerca do CRO e seus componentes.
O terceiro capítulo será constituído pela descrição do ciclo Rankine orgânico,
seus componentes e características do ciclo, assim como uma breve comparação entre
este ciclo e o ciclo Rankine a vapor convencional.
No quarto capítulo, será abordado o balanço energético do ciclo a ser
considerado no presente trabalho, assim como a definição do estado termodinâmico em
todos os pontos do ciclo.
O quinto capítulo apresentará um estudo similar ao capítulo anterior, porém, será
realizado a análise do balanço termodinâmico do circuito primário de geração de calor,
será também realizada um breve estudo sobre os componentes do circuito primário.
O sexto capítulo conta com a análise do ciclo Rankine orgânico como um todo,
contendo o circuito primário e CRO propriamente dito, a fim de se levantar a potência
gerada pelo ciclo em função da massa utilizada de combustível.
6
No sétimo capítulo, irão ser extraídos os resultados acerca do sistema estudado
em conjunto com a base de dados de colheita de arroz por munícipio do Brasil.
O oitavo capítulo conta com as conclusões sobre o estudo apresentado, bem
como sugestões sobre possíveis trabalhos futuros.
2. Contextualização da proposta
2.1 Biomassa
A Biomassa se tornou um combustível atraente para geração de eletricidade
devido ao seu potencial de redução nas emissões de CO2 e por ser conveniente na
produção de energia em média e pequena escala (JENKINS, BAXTER, et al., 1998).
Existem atualmente, duas formas principais de se gerar energia elétrica através
da Biomassa: a gasificação/bidogestão associada a ciclos com turbina a gás ou motores
a gás e a combustão direta associada a ciclos com turbina a vapor. A gasificação
associada a ciclo combinado (Brayton e Rankine) apresenta maior eficiência energética
mas exige um maior investimento (URIS, LINARES e ARENAS, 2015).
No entanto, a geração de eletricidade utilizando-se a combustão direta em uma
fornalha ou um leito fluidizado como fonte de calor é uma opção madura de
aproveitamento desse biocombustível, sendo o Ciclo Rankine Orgânico um ciclo
termodinâmico que pode ser utilizado para se converter a energia térmica em energia
elétrica.
A Biomassa é composta basicamente por C, H e O, formando um hidrocarboneto
assim como os combustíveis fósseis. Contudo, a principal diferença é a presença do
Oxigênio na formação da Biomassa. A presença deste átomo faz com que a biomassa
requeira menos oxigênio do ar. No entanto, a quantidade de energia a ser liberada é
reduzida, diminuindo assim o Poder Calorífico Superior. (VIEIRA, 2012)
7
Os combustíveis compostos por elementos que constituem a Biomassa
geralmente são mais reativos do que combustíveis fósseis como carvão. (SILVA,
ARDENGHI, et al., 2015) Em virtude desta característica, a combustão não é um
problema quando comparado a outros problemas associados à queima da biomassa,
como sinterização do leito, formação de escória, incrustação dos dutos e corrosão.
Problemas que terão suas soluções tratadas neste presente trabalho.
Os três primeiros problemas acima citados são provenientes das cinzas
provenientes da combustão da Biomassa serem altamente alcalinos, enquanto a
corrosão se dá pelo fato da presença de cloro nos mesmos.
Através da Tabela 1 pode-se verificar a composição de três tipos de biomassa:
Casca de Arroz, Resíduos de Madeira e Serragem.
Tabela 1: Composição química da Casca de Arroz e suas cinzas e outros
biocombustíveis (BASU, 2006)
A partir da tabela 1, podemos também verificar que a quantidade presente de
oxigênio nesse combustível é elevada. Este fato implica em que a necessidade de haver
alta concentração de oxigênio proveniente do ar na fornalha onde ocorre a queima do
Unidade Casca de Arroz Resíduos de Madeira Serragem
PCS (Poder Calorífico Superior - Base seca) MJ/kg 16,2 20,14 20
Mistura Wt% 9,7 14,2 53,9
Voláteis - 66 79,1 39,19
C Wt% (Base sem cinzas) 40,2 49 50,6
H - 5 5,9 6
O - 36,3 40,7 42,78
N - 0,3 2,5 0,2
S - 0,05 0,05 0,01
Cl - 0,1 0,03 0,01
Cinzas - 18,2 1,9 0,41
Composição das Cinzas - - -
% das cinzas 89 32 4,9
- 0,41 6,2 0,93
- 0 14 0,2
- 0,25 2,8 1,3
CaO - 0,75 17 32
MgO - 0,43 17 32
- 0,06 2,8 2,4
- 2,2 4,7 8,7
- 0 6,3 0
- 0,49 0 19
Combustível
𝑖 𝑙 𝑇𝑖 𝑒
𝑃
8
combustível é baixa, o que resulta também em uma menor quantidade de nitrogênio
presente na queima.
Em função de o Nitrogênio ser um gás inerte, o mesmo não participa do processo
de combustão então parte da energia gerada pela combustão é gasta no aquecimento
do nitrogênio, reduzindo então a eficiência do processo. (BORGNAKKE e SONNTAG,
2009) A Tabela 2 abaixo lista alguns problemas que podem ser enfrentados pelo leito
fluidizado (LF) devido a constituição química da Biomassa. Deposição de partículas no
fundo do leito, entupimento de tubos, corrosão são alguns dos problemas.
Tabela 2: Efeitos da combustão devido a elementos presentes na cinza da biomassa (BASU, 2006)
Elementos no combustível Efeitos
Alcalinos como sódio e potássio Aglomeração no leio Entupimento de tubos e corrosão à
quente Cloro Entupimento de tubos e corrosão à
quente Emissão de HCl
Formação de dioxina Metais pesados Emissão de poluentes
Corrosão da caldeira Enxofre Emissão de
Corrosão à frio Corrosão à quente (razão S/Cl)
Nitrogênio Emissão de 𝑥
Abaixo detalham-se os três principais problemas encontrados na queima de
combustíveis de Biomassa:
Aglomeração
O maior inconveniente encontrado na queima destes combustíveis em leito
fluidizados é a aglomeração de materiais no leito. A maioria das Biomassas
contém Sais Alcalinos que reagem preferencialmente com a Sílica no fundo do
leito para formar uma mistura eutética com baixo ponto de fusão:
< 𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐 > + < 𝑙𝑐 𝑙𝑖 > = < 𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟 𝑒𝑢𝑡é𝑡𝑖𝑐 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐 𝑡𝑜 >
2 𝑖 + 𝐶 = 2 . 2 𝑖 + 𝐶
9
É importante ressaltar que apesar de a temperatura de fusão da Silica ser
1450 °C, a mistura eutética, Silicato, pode fundir a 754 °C. (BASU, 2006)
Esse fato abordado acima é o motivador do interesse do presente trabalho em
se utilizar um ciclo Rankine orgânico (CRO) para se trabalhar com a queima com
temperaturas mais amenas.
Além disso, conforme se pode verificar na tabela 1, a casca de arroz
possui 89% de Sílica em suas cinzas, o que torna arriscado do ponto de vista
econômico e operacional o projeto que não levar em consideração o ponto de
fusão do silicato.
Entupimento
Entupimento é a deposição das cinzas da biomassa nos dutos de
escapamento do Leito Fluidizado. Ocorre perda de transferência de calor,
redução de temperatura do fluxo de massa e aumento de temperatura dos metais
dos dutos, que pode acelerar a corrosão dos mesmos.
Corrosão
O cloro contribui para aumentar o potencial de corrosão a quente, que
ocorre em leitos operando a altas temperaturas e pressões. A corrosão começa
a se tornar um problema real especialmente em superaquecedores que
trabalham a temperaturas maiores que 460 o C, e pressões maiores que 55 bar.
O Cloro reage com metais alcalinos formando Cloro alcalino com baixo
ponto de fusão, ocasionando o mesmo efeito do entupimento e aglomeração,
porém devido à presença do Cloro adiciona-se o efeito da corrosão.
Se o Cloro presente no combustível exceder 0,1% (BASU, 2006),
medidas com relação à corrosão gerada pelo Cloro devem ser tomadas, as
medidas são as mesmas que as anteriores, focando sempre em trabalhar em
temperaturas abaixo da temperatura de fusão de tais de constituintes.
10
Conforme podemos averiguar da tabela 1, a concentração e Cloro na
casca de arroz é aproximadamente 0,1% o que não ultrapassa o limite de perigo
de corrosão. (BASU, 2006)
2.1.1. Casca de Arroz
A geração de energia elétrica através da queima da casca de arroz é uma
alternativa praticável do ponto de vista tecnológico, uma vez que a tecnologia para
conversão é disponível, a matéria prima é abundante no território brasileiro e todo CO2
produzido na queima volta para o ciclo de carbono na biosfera terrestre.
2.1.1.1. Produção Brasileira de Arroz
O arroz é um dos cereais mais produzidos e consumidos no mundo,
caracterizando-se como o principal alimento de mais da metade da população mundial.
Somente na Ásia, de 60 a 70% do consumo calórico de mais de 2 bilhões de pessoas é
proveniente do arroz e seus subprodutos. (SILVA, ARDENGHI, et al., 2015)
Na safra de 2013/2014, o Brasil produziu cerca de 12 milhões de toneladas de
arroz, sendo o Rio Grande do Sul responsável por 2/3 desse montante, sendo o estado
que mais produziu esse cereal. (SILVA, ARDENGHI, et al., 2015)
Este fato se deve a que o Rio Grande do Sul possui condições climáticas que
propiciam alta produtividade e a que esse estado possui logística estratégica que facilita
a comercialização deste produto.
2.1.1.2. Análise Química do Combustível
A casca de arroz corresponde a 30% da massa do grão de arroz
completo(CENBIO, 2012). A casca de arroz possui em sua composição muitos
elementos químicos. De maneira geral, podemos caracterizar os combustíveis de
biomassa da seguinte maneira: (JENKINS, BAXTER, et al., 1998)
11
Figura 1: Equação genérica da combustão de um biocombustível (JENKINS, BAXTER, et al., 1998)
Onde a primeira parcela da equação acima constitui a biomassa de forma
genérica.
Na Tabela 3 podemos identificar a porcentagem de massa de cada elemento
químico da Figura 1 acima e averiguar a composição do Arroz.
Tabela 3: Composição química de alguns Combustíveis de Biomassa (JENKINS,
BAXTER, et al., 1998)
Choupo híbrido Palha de Arroz Arroz/Choupo
É importante ressaltar, a partir da análise da tabela 3, a grande tendência na
formação dos Silicatos, que se aglomeram em dutos e no interior do Leito Fluidizado,
se a temperatura de fusão do Silicato for alcançada.
12
2.1.1.3. Fabricação Orizícola
Uma das finalidades da utilização da casca de arroz para geração de eletricidade
pode ser suprir energeticamente as fábricas produtoras do arroz, o que pode ser uma
alternativa interessante para o uso do biocombustível que, por possuir baixa densidade
energética, demanda grandes volumes de transporte, fato que acarreta em um aumento
de custos no processo.
Além da possibilidade acima mencionada, obviamente a casca de arroz poderia
ser utilizada para geração de eletricidade externa do ambiente fabril, podendo alimentar
energeticamente pequenas cidades e vilarejos.
De uma forma ou de outra, deve-se sempre ser levada em consideração a
questão logística do transporte e localização da planta de energia, pois o custo de
transporte devido à baixa densidade energética da casca de arroz pode inviabilizar
economicamente o projeto.
De acordo com o plantio e a época do ano, o arroz vem da lavoura com 25-30%
de umidade, sendo que é necessário a redução para 12-15% através da utilização da
secagem (DARABAS, ARMINDA, et al.).
Na forma de utilização da energia para uso fabril, existe ainda a opção de se
realizar a etapa da secagem do arroz aproveitando o calor provido pela combustão
direta da casca.
No entanto, esta possibilidade não será tratada nesse presente trabalho devido
à falta de informações sobre a quantidade de energia demandada nesta etapa do
processo.
O presente trabalho tratará do caso em que a casca de arroz é utilizada
exclusivamente para a geração de calor do ciclo Rankine orgânico (CRO).
13
3. Ciclo Rankine Orgânico
O ciclo Rankine orgânico (CRO) é baseado no ciclo Rankine convencional que
é utilizado em plantas convencionais de geração de energia elétrica devido a ser uma
tecnologia consolidada no mercado. (TANCZUK e ULBRICH, 2013)
A diferença primária entre os dois ciclos se encontra na diferença do fluido de
trabalho utilizado, o que exige ou permite alterações nos equipamentos utilizados entre
os ciclos, de forma a beneficiar os aspectos econômicos, técnicos e também
operacionais.
O fluido utilizado pelo Ciclo Rankine convencional é o vapor d’água, enquanto
no CRO o fluido utilizado é orgânico, podendo ser um hidrocarboneto ou uma gama de
diferentes fluidos refrigerantes, podendo-se escolher qual se adequa melhor às
demandas do ciclo projetado.
As funções do fluido orgânico correspondem às mesmas do vapor d’água, porém
eles permitem operações em diferentes variações de pressão (os fluidos orgânicos
condensam à pressão atmosférica, por exemplo). (TANCZUK e ULBRICH, 2013)
Os fluidos orgânicos no CRO têm seu ponto de ebulição acima do ponto de
ebulição da água e baixo calor de vaporização, aproximadamente 10% do calor
necessário para vaporizar a água. Isso permite o uso de fontes com baixas
temperaturas, no entanto, a eficiência térmica do ciclo diminui em função de uma menor
variação de temperatura no ciclo. (TANCZUK e ULBRICH, 2013)
Em plantas típicas de Ciclo Rankine Orgânico, dois ciclos térmicos são
normalmente utilizados: ciclo com óleo térmico e o ciclo com o fluido orgânico. O calor
dos gases exauridos da queima do combustível no ciclo primário é transferido para o
óleo térmico que através de um trocador de calor transfere o calor para o CRO, para
14
que o fluido orgânico se encontre na configuração de vapor saturado à dada pressão,
dessa forma gerando potência no turbo-expansor.
De maneira geral o ciclo Rankine orgânico apresenta os mesmos elementos
mecânicos que um ciclo Rankine a vapor.
Figura 2: Esquema típico de um ciclo Rankine a vapor
O ciclo Rankine orgânico opera entre 60 e 200 °C para operações com fontes de
baixa temperatura, podendo atingir 350 °C. (MASCARENHAS, 2014)
15
A Figura 3 mostra amplitudes de geração de potência e eficiência de primeira
lei dos ciclos de geração de potência conhecidos e mais comumente utilizados.
Figura 3: Gama de potências de diversos ciclos e suas eficiências de primeira lei
(MASCARENHAS, 2014)
Com a Figura 3 pode-se concluir que o ciclo Rankine orgânico possui menor
eficiência térmica que os ciclos Rankine a vapor convencionais, além de este último
possuir um maior potencial de geração de potência mecânica e elétrica.
No entanto, o escopo e aplicação dessas duas tecnologias é diferente, como
veremos neste capítulo, o que pode se justificar a utilização de um ciclo Rankine
orgânico para muitas situações como as seguintes abaixo (MASCARENHAS, 2014):
Plantas onde há rejeito de calor: Tendo em vista a operação de CROs a baixas
temperaturas, pode-se utilizar esse ciclo reaproveitando o calor rejeitado de
outras plantas realizando a Cogeração ou Trigeração (geração de energias
mecânica e térmica para prover calor e frio).
Fontes de temperaturas baixas/médias: Queima de Biomassa, aproveitamento
de energia solar e outras fontes de energia alternativas.
16
Localizações com difíceis condições de operação: Devido a sua configuração e
às propriedades de trabalho, as plantas CRO demandam menos manutenção
corretiva quando comparadas as plantas utilizando o ciclo Rankine
convencional.
3.1 Componentes do Ciclo Rankine Orgânico
O ciclo Rankine orgânico, assim como o ciclo Rankine a Vapor é uma máquina
térmica que utiliza energia em trânsito na forma de calor para ser transformada em
energia mecânica através de um turbo-expansor.
Na maioria das aplicações industriais, a turbina do ciclo é conectada a um
conversor para a conversão da energia mecânica provida pelo giro do eixo da turbina
em energia elétrica através de um gerador de eletricidade.
Como o CRO é uma máquina térmica, o princípio de funcionamento é o mesmo
dos demais ciclos de potência, onde existe uma fonte à alta temperatura, um elemento
conversor de energia térmica em energia mecânica e uma fonte à baixa temperatura,
para que o calor não aproveitado durante a conversão seja rejeitado.
A presente seção realiza um detalhamento sobre os equipamentos utilizados em
um ciclo CRO.
O ciclo Rankine orgânico simples é composto por quatro elementos: evaporador,
turbina, condensador e bomba. No ciclo ideal, a bomba e a turbina apresentam
processos isentrópicos, enquanto o evaporador e o condensador não apresentam perda
de carga.
17
Figura 4: Componentes de um Ciclo Rankine Organico (MASCARENHAS, 2015)
Um detalhe importante que pode ser notado na Figura 4 é a ausência de um
redutor de velocidades acoplado na saída do eixo da Turbina. Esse fato, se dá pelo CRO
possuir menor rotação o que não torna necessário a junção de um elemento redutor na
saída da turbina.
3.1.1. Máquina de expansão
As máquinas de expansão são os elementos mecânicos responsáveis pela
conversão de energia térmica em energia mecânica, sua eficiência é crucial para o
rendimento termodinâmico de primeira lei do ciclo.
Essas máquinas podem ser classificadas em duas categorias: máquinas de turbo
expansão, na qual seu funcionamento de expansão e queda de pressão se baseia no
movimento de pás acopladas a um eixo rotor, e as máquinas de deslocamento positivo,
cujo funcionamento baseia-se em pistões como os dos motores à combustão interna.
As máquinas de deslocamento positivo são mais adequadas para unidades CRO
atuando em pequena escala, tendo em vista que são caracterizadas pela baixa vazão,
elevada razão de expansão e velocidade de rotação menor do que as utilizadas nas
turbomáquinas. (MASCARENHAS, 2014)
18
Por outro lado, as turbomáquinas são separadas em dois grupos de acordo com
a forma de trabalho, a turbina axial e a radial.
A turbina de fluxo radial consegue trabalhar mais eficientemente em sistemas
que possuem baixa vazão mássica (COHEN, ROGERS e SARAVANAMUTTOO, 1996),
caso das plantas CRO, enquanto, para as demais aplicações, as turbinas de fluxo axial
são as máquinas mais utilizadas.
Devido à menor queda entálpica entre a entrada e saída da turbina no ciclo CRO,
é comum utilizar não mais que um estágio de expansão durante o processo de geração
de energia. Isto ocorre pelo fato de a estrutura metálica da turbina suportar as tensões
térmicas e mecânicas realizando apenas a expansão em um estágio.
3.1.2. Trocador de Calor
Os trocadores de calor são dispositivos para realizar a transferência de calor
entre dois ou mais fluidos a diferentes temperaturas.
Como mencionado na introdução do capítulo sobre o ciclo Rankine orgânico, o
ciclo apresenta ao menos dois trocadores de calor, o evaporador, responsável pela fonte
quente do ciclo, e o condensador, responsável pelo rejeito de calor, fonte fria.
Adicionalmente para se aumentar o rendimento térmico, pode-se utilizar o
regenerador antes do evaporador, utilizando assim parte do calor rejeitado pelo ciclo
para pré-aquecer o fluido antes de o mesmo entrar no evaporador. Dessa forma o fluido
orgânico demanda menos energia durante a passagem pelo evaporador, aumentando
assim a eficiência de primeira lei do ciclo.
Outros elementos para que haja troca de calor pelo ciclo de potência podem ser
utilizados, porém em configurações elementares do CRO apenas os três acima são
majoritariamente utilizados.
19
Os trocadores de calor podem ser classificados em diversas maneiras (OZISIK,
1985). Trocadores de calor podem ser classificados em dois tipos de contato, direto e
indireto.
Direto: dois fluidos imiscíveis entram em contato direto havendo dessa forma,
podendo haver convecção natural e forçada.
Indireto: nesse caso os fluidos que estão trocando calor não se misturam.
Na classificação entre o tipo construtivo, existem dois tipos que são mais
utilizados (OZISIK, 1985):
Trocador tipo casco-tubos: Pode acomodar uma grande abrangência de
operações a diferentes temperaturas e pressões. A facilidade de fabricação e o
custo relativamente baixo é o principal motivo de utilização na engenharia.
Trocadores de calor tipo placa: As placas podem ser lisas ou possuir alguma
rugosidade. Devido a sua geometria, não suportam altas pressões (< 3 MPa) ou
altas diferenças de temperatura como o casco-tubo. No entanto, se mostram
mais compactas, o que é ideal para aplicações onde o peso ou tamanho é fator
de projeto, além disso o custo de manutenção é menor.
No ciclo Rankine orgânico o evaporador é o trocador de calor mais crítico, pois
precisa suportar as temperaturas mais altas do ciclo (~350 °C), altas pressões (~4,5
MPa), o que sujeita os materiais a tensões térmicas e a corrosão (MASCARENHAS,
2014).
O condensador, deve operar com elevadas vazões e baixa pressões, uma vez
que este elemento opera a temperaturas próximas das temperaturas ambientes.
O regenerador é projetado para transferir eficientemente o calor entre um fluido
na fase gasosa, saída da turbina, para um fluido na fase líquida, após a saída da bomba.
20
3.1.3. Bombas
As bombas são componentes importantes durante o projeto de um ciclo CRO, e
deve ser dada atenção especial durante a seleção e dimensionamento do elemento.
Estes elementos cumprem com a função de controlar a vazão, eficiência e NPSH do
ciclo (QUOLIN, VAN DEN BROECK, et al., 2013).
Abaixo seguem fatores de projetos a serem considerados no ciclo Rankine
Orgânico:
Controle de vazão: na maioria dos ciclos orgânicos, a bomba é utilizada para se
controlar a vazão mássica do ciclo. O motor elétrico é conectado a um inversor
que permite a variação da velocidade de rotação do mesmo. Em bombas de
deslocamento positivo, a vazão mássica é proporcional à velocidade de rotação,
enquanto em bombas centrífugas, a vazão depende também da pressão, o head,
da bomba.
Eficiência: Nos ciclos Rankine convencionais, o consumo de energia da bomba
é muito baixo quando comparado à quantidade de energia gerada pela turbina.
No entanto, no CRO as irreversibilidades ocorridas nas bombas podem reduzir
substancialmente a eficiência do ciclo. A razão entre consumo elétrico da bomba
e a energia gerada pela turbina é chamada BWR (Back Work Ratio):
𝐵𝑊𝑅 = 𝑊�̇�/𝑊𝑡̇ (1)
A partir da Figura 5, podemos extrair duas considerações:
o Quanto maior a 𝑇𝐶𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 do fluido de trabalho, mais baixo o BWR.
o Contudo, BWR cresce quando se trabalha próximo da 𝑇𝐶𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎 do fluido de
trabalho.
21
Figura 5: BWR em função da temperatura de evaporação para diferentes fluidos
(QUOLIN, VAN DEN BROECK, et al., 2013)
Impermeabilidade: Os fluidos orgânicos são caros, inflamáveis e tóxicos. Devido
a esses fatores, a impermeabilidade não só da bomba, mas do ciclo como um
todo é de extrema importância. Quando se utilizam bombas centrífugas no ciclo,
a impermeabilidade é garantida pelo selo de eixo.
Low Net Pressure Suction Head (NPSH): Estratégias afim de evitar a cavitação,
o que pode levar a danos nas bombas, a redução de fluxo do fluido de trabalho
e a uma parada súbita do ciclo, devem ser levadas em consideração. O NPSH
é o fator que deve ser levado em consideração para que não aconteçam nenhum
dos problemas mencionados acima.
3.1.4. Fluido de Trabalho
A eficiência de um ciclo CRO depende de dois principais fatores: condições de
trabalho do ciclo e as propriedades termodinâmicas do fluido. (AOUN, 2008)
22
Uma vez que o fluido de trabalho é o que caracteriza principalmente a diferença
entre um ciclo Rankine Orgânico para um ciclo Rankine a vapor, o fluido de trabalho
será extensivamente abordado neste presente trabalho.
3.1.4.1. Seleção de um fluido de trabalho
Durante a seleção de um fluido de trabalho de um CRO, alguns critérios devem
ser seguidos, a fim de uma correta escolha.
Propriedades termo-físicas: (AOUN, 2008)
A temperatura crítica do fluido de trabalho deve ser maior que a maior
temperatura de operação do ciclo a fim de minimizar a irreversibilidade gerada
durante a transferência de calor em uma diferença finita de temperatura no ciclo.
A pressão de condensação do fluido de trabalho deve ser maior que a pressão
atmosférica para que não haja penetração de ar para dentro do sistema.
O ponto triplo do fluido deve ser menor que a temperatura ambiente mínima para
assegurar que os fluidos de trabalho não irão solidificar em nenhuma condição
de operação ou durante o desligamento do ciclo.
No diagrama T-s, a curva de vapor saturado do fluido deve ser próxima da
vertical para que seja evitado superaquecimento excessivo na saída da turbina,
o que configura uma grande perda exergética.
A variação de entalpia na turbina deve ser grande suficiente para aumentar a
eficiência termodinâmica do ciclo e minimizar o fluxo de massa do fluido de
trabalho.
A densidade do fluido de trabalho na entrada da turbina deve ser alta para que
a turbina atenda às pequenas dimensões e de forma a compensar o reduzido
salto entálpico do turbo-expansor.
O parâmetro de coeficiente de transferência de calor por convecção deve ser
alto devido às trocas de calor por convecção ocorridas nos trocadores de calor
23
do ciclo; o coeficiente é mais alto à medida que se eleva a condutividade térmica
e se reduz a viscosidade do fluido.
o A viscosidade na forma líquida e vapor dos fluidos de trabalho deve ser
baixa para minimizar quedas de pressão e maximizar a transferência de
calor por convecção.
Compatibilidade do Material e Estabilidade limite do fluido (AOUN, 2008)
Os fluidos orgânicos não devem ser corrosivos para a maioria dos materiais
utilizados para os diferentes componentes do ciclo CRO, como dutos, turbina,
trocadores de calor e selos. Além disso o fluido orgânico deve ser térmica e
quimicamente estável ao operar em todas as temperaturas e pressões do ciclo.
Características de segurança do fluido (AOUN, 2008)
O fluido deve ser não tóxico e preferencialmente inflamável.
3.1.4.2. Lista de fluidos de trabalho possíveis
para um CRO
Até o momento, nenhum fluido orgânico conhecido satisfaz todas os critérios
acima mencionados. (AOUN, 2008) Utilizando a base de dados do REFPROP1, listou
possíveis candidatos para escolha levando em consideração apenas as propriedades
termo físicas em consideração.
Os fluidos podem ser classificados em três diferentes categorias, dependendo
da derivada da curva de saturação de vapor do mesmo, no diagrama T-S. Esta curva
de saturação de vapor é a característica mais importante do fluido no CRO, pois afeta
diretamente a eficiência e projeto dos componentes do ciclo.
1 REFPROP: software que contém um banco de dados de propriedades físico-químicas
de diversas composições químicas, desenvolvido pelo NIST (National Institute of Standards and Technology).
24
A derivada 𝑑𝑇
𝑑𝑠 é função do calor específico do vapor e, como consequência, é
diretamente relacionado à estrutura molecular do fluido. Quanto maior a complexidade
molecular do fluido, maior sua derivada. Uma molécula com baixa complexidade possui
esta derivada negativa, onde o fluido é classificado como fluido molhado, enquanto
moléculas mais complexas com baixa capacidade térmica, possuem a derivada positiva,
denominando o fluido, como fluido seco.
A Figura 6 mostra a curva de saturação dos diferentes tipos de fluidos de
trabalho.
Figura 6: Diferentes tipos de fluidos de trabalho (AOUN, 2008)
Fluido seco: Possui a derivada de T com relação a S positiva. O vapor saturado
do fluido seco torna-se superaquecido à medida que ocorre a expansão
isentrópica do fluido. Esse tipo de fluido é conveniente para a turbina, uma vez
que não existe risco de erosão nas pás da mesma, devido ao superaquecimento,
o que propicia a ausência de fluido no estado líquido.
Fluido úmido: Possui a derivada 𝑑𝑇
𝑑𝑠 negativa e possui baixo peso molecular (por
exemplo, água e amônia); a expansão ocorre na seção onde as duas fases do
fluido coexistem.
25
Fluido isentrópico: É um fluido cuja sua expansão é isentrópica, levando a que
a derivada da temperatura em relação à entropia seja zero, ou seja uma curva
vertical.
A Figura 7 compara diversos fluidos de trabalho que são potenciais candidatos
para o CRO com os fluidos convencionais, que possuem derivada da fase vapor
negativa.
Observa-se a expansão tipicamente isentrópica dos fluidos refrigerantes, que
possuem a curva de vapor saturado na vertical. Tal fato é desejável devido à
necessidade de compressão isentrópica nos ciclos de refrigeração. Observa-se o
caráter da derivada positiva dos fluidos orgânicos, em que se caracteriza a expansão
seca do fluido no turbo-expansor.
Pode-se observar ainda que o caráter mais polar dos fluidos aumenta a
𝑇𝐶𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎. Neste caso, o Tolueno que é o fluido orgânico com a temperatura crítica mais
elevada possui o maior caráter polar entre os fluidos mostrados, enquanto a água
devido à sua configuração molecular possui a mais alta polaridade entre os fluidos,
logo maior Temperatura crítica.
26
Figura 7: Diagrama T-s de alguns fluidos secos e a água (MASCARENHAS, 2014)
3.2 Comparação entre um Ciclo Rankine
Orgânico e um Ciclo Rankine a Vapor
Conforme pode-se inferir pela figura 9, e conforme mencionado anteriormente, o
fluido de trabalho orgânico possui sua curva de vapor saturado praticamente na vertical,
podendo apresentar inclusive a derivada da curva positiva, ao contrário da água que
possui a derivada de vapor saturado negativa – fato, que implica na necessidade de um
superaquecimento da água no ciclo Rankine de maneira a evitar efeitos indesejados nas
pás da turbina devido à presença de água na fase líquida.
Abaixo verificam-se as principais diferenças entre o CRO e o ciclo Rankine
convencional:
Superaquecimento: Conforme mencionado anteriormente, os fluidos orgânicos
mantêm-se superaquecidos à medida que ocorre a expansão na turbina, dessa maneira
o superaquecimento do fluido não é requerido, ao contrário do que ocorre em ciclo
Rankine convencionais. A ausência de fluido na fase de mistura saturada também reduz
de maneira eficaz a corrosão nas pás da turbina, o que aumenta a vida útil dessas pás
27
para 30 anos, ao invés de 15-20 anos, como nas turbinas convencionais. (QUOLIN,
2011)
Temperatura na entrada da turbina: Devido ao fato de que o CRO opera a
temperaturas mais baixas do que o ciclo convencional, a temperatura de entrada da
turbina é menor do que a do ciclo convencional. Tal fato reduz as tensões térmicas nas
pás da turbina, logo simplificando seu projeto. Esta é uma vantagem para aplicações
em áreas remotas do Brasil.
Projeto da turbina: Turbinas operando em um ciclo Rankine convencional,
trabalham com uma maior queda entálpica do fluido de trabalho, o usualmente leva à
necessidade de mais de um estágio de expansão na turbina. Isto que aumenta a sua
complexidade, tempo de manutenção e tamanho. Como o CRO opera com quedas
entálpicas menores, torna-se viável a utilização de apenas um estágio operando a
menores rotações. Este fato além de reduzir tensões de fadiga do material, permite o
acoplamento diretamente ao gerador, tornando desnecessário um redutor de
velocidades.
Caldeira: Como o CRO trabalha a menores temperaturas do que o ciclo
tradicional, a caldeira está sujeita a menos tensões térmicas. Logo, a caldeira pode
possuir menores dimensões comparada às do ciclo tradicional.
Temperatura de evaporação: Devido ao fluido de trabalho do CRO possuir
menor temperatura de ebulição, favorece-se a utilização de uma gama maior de fontes
quentes de calor a menores temperaturas.
Consumo da bomba: Como o ciclo orgânico opera com menores quedas
entálpicas, esse fato é compensado por uma maior vazão mássica do fluido, o que leva
a um maior consumo energético na bomba.
28
Eficiência: A eficiência de primeira lei de um ciclo Rankine orgânico não
ultrapassa 24% enquanto no ciclo Rankine convencional essa eficiência supera 30%.
(QUOLIN, 2011)
Característica dos fluidos: Como o ciclo Rankine convencional opera com a
água como fluido de trabalho, ele não enfrenta típicos problemas associado aos fluidos
orgânicos, tais como:
Alto custo e baixa disponibilidade
Devem ser não-tóxicos
Não devem ser inflamáveis
Devem ser quimicamente estáveis
Devem possuir baixa viscosidade
A Tabela 4 resume as vantagens e desvantagens do CRO quando comparado
ao ciclo Rankine a vapor.
Tabela 4: Quadro comparativo entre o CRO e o ciclo Rankine a vapor
Vantagens do CRO Vantagens do ciclo Rankine a vapor
Menor manutenção Maior eficiência de primeira lei Não é necessário o superaquecimento Menor consumo de eletricidade na
bomba Baixa queda entálpica na turbina Fluido mais fácil de manusear
Melhor relação entre tamanho e peso Menor temperatura e pressão na
caldeira
Trabalho com fontes menores de temperatura
4. Balanço energético do sistema de geração
de potência
A fim de mapear o potencial de geração de energia elétrica no Brasil utilizando-
se a casca de arroz como combustível, este estudo considera um sistema proposto que
tem suas características termodinâmicas detalhadas no presente capítulo. Os
29
resultados para as regiões brasileiras serão apresentados no próximo capítulo, assim
como as conclusões do estudo.
O principal objetivo do equacionamento do ciclo de potência é a obtenção da
potência específica do ciclo, ou seja, a potência gerada por massa de combustível,
introduzida na caldeira do ciclo primário.
A Figura 8 apresenta o esquema básico a ser considerado e estudado para o
ciclo Rankine orgânico aqui proposto.
Apesar de básico este esquema é interessante pelo fato de se trabalhar com a
expansão seca, em que o fluido entra na turbina saturado à maior entalpia, e sai da
turbina na condição de vapor superaquecido a uma menor entalpia.
Neste caso, o regenerador pode aproveitar a energia do próprio ciclo para
transformar o fluido da condição de vapor superaquecido para a condição de vapor
saturado, antes de passar pelo condensador do circuito secundário; simultaneamente,
pré-aquece a água e sai da bomba para o trocador de calor/evaporador do circuito
primário..
A descrição ponto a ponto do fluxograma representado abaixo será apresentado
na seção 4.1.
30
Figura 8: Esquema típico de um ciclo Rankine orgânico com regeneração
4.1 Estados Termodinâmicos do fluido de
Trabalho
O ciclo acima representa uma máquina térmica aonde o fluido de trabalho sofre
diversas transformações ao passar por cada elemento do ciclo.
6 → 1 ∶ O óleo térmico aquecido na caldeira é utilizado para vaporizar o fluido
orgânico no evaporador, podendo encontrar-se na condição de vapor saturado. O
processo de troca de calor é assumido como isobárico.
1 → 2 ∶ O fluido orgânico no estado vapor cede energia para a turbina onde sofre
expansão. O estado 2 é determinado pela eficiência isentrópica da turbina em questão.
2 → 3 ∶ Devido ao fluido no estado 2 possuir energia que pode ser aproveitada
pelo ciclo em lugar de ser rejeitada no condensador, o fluido passa pelo regenerador no
estado 2 para o estado 3 onde transfere energia via calor para pré-aquecer o fluido antes
31
do evaporador. Esse processo é considerado também isobárico, se não for considerada
a perda de carga pela passagem do fluido pelos tubos do trocador de calor.
3 → 4 ∶ O fluido troca calor com água gelada que absorve energia do fluido para
condensá-lo ao estado de líquido saturado, antes de o mesmo entrar na bomba, através
de um processo isobárico. Neste processo, o calor rejeitado pelo ciclo pode ser
aproveitado ainda para aquecer residências, em cozinhas industriais ou outras
finalidades onde se demanda calor.
4 → 5 ∶ Ocorre a compressão do fluido a mesma razão que a expansão na
turbina, ou maior se perdas de carga forem consideradas. O processo pode ser
considerado isentrópico, porém em processos reais a eficiência isentrópica do fluido
deve ser considerada à título de se conhecer exatamente as propriedades do fluido após
a passagem na bomba.
5 → 6 ∶ O fluido passa no regenerador para ganhar energia via calor, através da
troca de calor com o fluido após a passagem do mesmo na turbina, o processo também
é considerado isobárico.
A Tabela 5 contém um resumo das transformações ocorrida pelo fluido durante
o ciclo de potência apresentado.
32
Tabela 5: Descrição dos equipamentos do CRO
Pontos Equipamento Objetivo Processo
1-2 Turbina Gerar Trabalho Isentrópico
2-3 Regenerador Aumentar eficiência do Ciclo
Isobárico
3-4 Condensador Rejeitar Calor do Ciclo
Isobárico
4-5 Bomba Comprimir o fluido à mesma pressão
de entrada na Turbina
Isentrópico
5-6 Regenerador Aumentar a eficiência de
primeira lei do Ciclo
Isobárico
4.2 Definição dos estados termodinâmicos do
CRO
Com o objetivo de obter a potência específica do ciclo, devem-se definir alguns
parâmetros do ciclo a ser estudado.
Nesta seção, será analisado o ciclo de modo genérico, utilizando parâmetros
previamente conhecidos, a fim de se poder determinar o estado do fluido de trabalho
em cada ponto do ciclo.
Os parâmetros pré-estipulados para análise do ciclo são:
𝑇1 ≡ 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟 𝑡𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟 𝑑 𝑛 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛
𝑃1 ≡ 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟 𝑑 𝑛 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛
𝑟𝑇 ≡ 𝑅 𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑝 𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟 𝑏 𝑙ℎ𝑜 𝑛 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛
𝜂𝑇,𝑠 ≡ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖 𝐼𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐 𝑑 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛
𝑟𝐵 ≡ 𝑅 𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑟 𝑏 𝑙ℎ𝑜 𝑛 𝐵𝑜𝑚𝑏
𝜂𝐵,𝑠 ≡ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖 𝐼𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐 𝑑 𝐵𝑜𝑚𝑏
𝜂𝑅 ≡ 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖 𝑑𝑒 𝑇𝑟 𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟ê𝑛𝑐𝑖 𝑑𝑒 𝐶 𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑜 𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟 𝑑𝑜𝑟
33
Ponto 1: (Entrada da Turbina)
As propriedades de projeto são pré-definidas e conhecidas: 𝑇1, 𝑃1; a partir dessas
propriedades podem-se obter as demais propriedades intensivas do fluido: ℎ1, 𝑠1
Ponto 2: (Saída da Turbina)
Sabendo a razão de expansão da Turbina, obtém-se então a pressão de saída da
turbina do fluido.
𝑟𝑇 =𝑃1𝑃
→ 𝑃 =𝑃1𝑟𝑇 (1)
Se a turbina realiza uma expansão isentrópica, então se pode definir a entropia
do estado 2.
𝑠1 = 𝑠 (2)
Para definir o estado real em 2, utiliza-se a eficiência isentrópica da turbina pré-
determinada como fator de projeto.
𝜂𝑇 =𝑠 𝑟𝑠
→ 𝑠 𝑟 = 𝑠 𝜂𝑇,𝑠 (3)
Ponto 3 – Saída do Regenerador:
Considerando as perdas de carga como sendo desprezíveis, então tem-se que:
𝑃 = 𝑃 (4)
Para definição total do ponto 3, há necessidade de outra propriedade intensiva
do fluido; então, admite-se que o regenerador exerça a troca de calor do fluido entre os
estados de saída da turbina (mais quente) e entrada no evaporador (mais frio), até que
o fluido em uma condição superaquecida atinja a a condição de vapor saturado. Então
define-se totalmente o estado 3 do fluido. Como exemplo, pode-se definir a entropia do
fluido em 3 como:
34
𝑠 = 𝑠𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 @ 𝑃 = 𝑃 (5)
Para checar que o regenerador não viola nenhuma lei da termodinâmica, deve-se,
contudo, verificar se a temperatura de saída no ponto 6 do ciclo do regenerador é menor
que a temperatura de saída na turbina, temperatura em 2 do ciclo.
Ponto 4 – Saída do Condensador:
Considerando o processo de troca de calor sem perda de carga durante a passagem
do fluido de trabalho pelo mesmo, considera-se a transformação do fluido como
isobárica. Logo a seguinte relação é válida:
𝑃 = 𝑃4 (6)
Considera-se também que o fluido de trabalho orgânico troca calor com água no
condensador até o estado de líquido saturado. Após a transformação de fase, segue até
a bomba sem que haja danos no equipamento de compressão. Então as propriedades
termodinâmicas em 4 estão definidas à pressão de líquido saturado do fluido de
orgânico. Tomamos como exemplo novamente a entropia em 4 para poder demonstrar
a propriedade do fluido neste ponto:
𝑠4 = 𝑠𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜@𝑃 = 𝑃4 (7)
Ponto 5 – Saída da bomba:
Sendo o processo de transformação entre a entrada e saída da bomba de
compressão isentrópico, e sabendo a eficiência isentrópica da bomba pode-se achar a
entropia real do sistema no ponto 5:
𝑠 = 𝑠4 (8)
35
𝑠 ,𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑠 𝜂𝐵,𝑠 (9)
Sabendo a razão de queda de pressão do fluido exercida pela passagem do
mesmo pela turbina, consideramos então a mesma razão de compressão exercida pela
bomba.
𝑟𝐵 =𝑃 𝑃4
→ 𝑃 = 𝑃4𝑟𝐵,𝑠 (10)
Ponto 6 – Saída do Regenerador:
Sabendo que a temperatura de saída do regenerador deve ser menor que a
temperatura da turbina por definição, temos que 𝑇 > 𝑇6, além disso, foi suposto que o
regenerador esgotaria o fluido da parte quente para vapor saturado, dessa forma
conhecemos o ponto 3.
Sabendo que o processo pelo regenerador é isobárico ao desconsiderarmos a perda
de carga no fluido, logo:
𝑃6 = 𝑃 (11)
Podemos também definir a entalpia em 6 de modo a conhecer completamente o
estado termodinâmico do ciclo no ponto 6. Considerando o rendimento do trocador de
calor do regenerador, e realizando o balanço energético entre as duas etapas do fluido
do ciclo definimos a entalpia no ponto 6:
∆𝐸 − ∆𝐸 −6
= 𝜂𝑅 (12)
∫ 𝐶𝑝𝑑𝑇𝑇3
𝑇2
= ∫ 𝐶𝑝𝑑𝑇𝑇6
𝑇5
𝜂𝑅 → ∆ℎ − = ∆ℎ −6𝜂𝑅 → ℎ − ℎ = (ℎ6 − ℎ )𝜂𝑅 , 𝑒𝑛𝑡ã𝑜:
ℎ6 = (ℎ − ℎ )/𝜂𝑅 + ℎ (13)
36
Figura 9: Pontos do Regenerador
4.3 Considerações sobre os parâmetros do
CRO
Tendo definido todos os pontos do Ciclo Rankine Orgânico proposto para o
estudo, pode-se, então, definir numericamente os pontos do CRO, considerando-se
como fluido de trabalho o pentano.
A Tabela 6 resume as propriedades e parâmetros do projeto.
Tabela 6: Lista de propriedades de projeto do CRO
Fluido de Trabalho Pentano Temperatura na entrada da turbina (℃) 210,00
Pressão na entrada da turbina (MPa) 1,90 Razão de pressão da turbina 9,00
Eficiência Isentrópica da turbina 85% Razão de pressão da bomba 9,00
Eficiência isentrópica da bomba 85% Eficiência de transferência de calor do
regenerador 100%
De acordo com o exposto na seção 3.1.4.1 e a Figura 7, o fluido que melhor se
adapta ao ciclo termodinâmico proposto é o pentano, apesar de trabalhar em uma
condição supercrítica.
A temperatura de entrada na turbina foi definida a fim de que a caldeira onde
ocorre a combustão da casca de arroz não ultrapassasse temperaturas críticas de fusão
das cinzas, fato prejudicial para o sistema primário de geração de calor do ciclo,
37
conforme mencionado anteriormente. Então, o valor de 210 °C foi definido como a
temperatura de trabalho do ciclo.
A temperatura de saída da caldeira do óleo térmico é de 350 °C e o mesmo, após
a passagem pelo evaporador apresentaria uma temperatura de 250 °C (URIS, LINARES
e ARENAS, 2014). Dessa forma, a Temperatura do Fluido de trabalho orgânico na
entrada da turbina, ou após a saída pelo evaporador de 210 °C está compatível com as
temperaturas de trabalho do óleo térmico pré-determinadas.
A pressão do fluido de trabalho na entrada da turbina foi definida para um valor
de 1.9 MPa afim de se evitar equipamento mais robustos, o que aumentaria o custo e
logística da operação. Ademais, é um valor que se encontra abaixo de 3 MPa, que é
considerado o valor limite para plantas de geração de pequena escala.
(MASCARENHAS, 2014)
A queda de pressão foi estipulada para estar acima da pressão atmosférica de
modo a não haver penetração de ar atmosférico nas linhas de transporte de fluido.
Dessa forma, tendo definido os parâmetros de projeto do CRO, podem-se definir
todos os outros pontos em função do fluxo de massa do fluido de trabalho.
4.4 Definição numérica de todos os pontos do
ciclo de potência
Definidos os processos termodinâmicos do ciclo e os parâmetros de projeto,
pode-se, então, obter o estado do fluido em todos os pontos do ciclo.
Sendo o fluido de trabalho o pentano, devemos obter as propriedades
termodinâmica deste fluido em todos os pontos.
A fim de se obterem os pontos discutidos em seções anteriores, utilizou-se a
base de dados do REFPROP, software desenvolvido pelo NIST (National Institute of
38
Standards and Technology), órgão americano de pesquisa e normas, combinada a uma
planilha Excel, onde essas propriedades foram carregadas.
Com base nas relações e parâmetros de entrada acima mencionados, foi criada
uma planilha contendo as propriedades intensivas do fluido em cada ponto para ser
realizado o balanço energético do ciclo e obter: o rendimento global, o trabalho
específico, o calor rejeitado e outros dados relevantes para a análise do potencial de
geração de eletricidade através da queima da casca de arroz no Brasil.
Um exemplo das propriedades extraídas com base nos dados informados
encontra-se na Tabela 7, onde se pode verificar a condição do fluido completamente
mapeada através da base de dados do REFPROP.
Tabela 7: Lista de dados extraídos pelo REFPROP
Ponto 2 Saída da Turbina
T (°C) 150.79
P (MPa) 0.21
h (kJ/kg) 583.52
s (kJ/kg.K) 1.69
h real (kJ/kg) 599.07
T real (°C) 157.66
s real (kJ/kg.K) 1.73
As células com preenchimento sombreado são valores de entrada do ciclo,
obtidos através de relações termodinâmicas em seções anteriores, e os demais sem
preenchimento são valores obtidos pela base de dados do NIST.
O diagrama abaixo T-s consta a curva de saturação do pentano, e o ciclo
termodinâmico proposto definido pelos seus pontos.
39
Figura 10: Diagrama T-s do ciclo estudado e seus pontos
A partir da análise do ciclo podem-se verificar com mais clareza os pontos pré-
definidos de projetos. Devido à irreversibilidade da turbina, a temperatura de saída é
maior do que no caso de turbina ideal, acarretando então em uma menor geração de
trabalho específico. Por sua vez, o regenerador esgotou o fluido de superaquecido a
vapor saturado, conforme determinado no projeto.
4.5 Balanço energético do CRO
4.5.1. Eficiência de Primeira Lei
Após haver analisado o ciclo estudado numericamente, possuem-se todos os
valores para se realizar a análise energética do ciclo de forma específica; isto é,
dependendo do fluxo de massa do ciclo.
Para se obter a eficiência energética do ciclo, deve-se encontrar o trabalho
específico e o calor demandado pelo ciclo específico pelo ciclo.
𝜂𝑡ℎ =𝑤𝑙𝑖𝑞
𝑞𝑖𝑛 (14)
40
Máquina
Térmica
Calor
demandado
(𝑄𝑖𝑛) Trabalho
realizado
(𝑊𝑙í𝑞)
Calor
Rejeitado
(𝑄𝑜𝑢𝑡)
Onde 𝑤𝑙í𝑞 = 𝑤𝑇 −𝑤𝐵, 𝑤𝑡 o trabalho específico gerado pela turbina e 𝑤𝑏 o
trabalho específico demandado pela bomba durante a compressão do fluido.
O trabalho da turbina é definido pela diferença de energia entre a entrada e a
saída do fluido na turbina, uma vez que foi considerado a ausência de geração de calor
na turbina.
𝑤𝑇 = ℎ1 − ℎ (15)
De maneira análoga, o trabalho demandado pela bomba é:
𝑤𝐵 = ℎ4 − ℎ (16)
Para obter o calor demandado pelo ciclo, deve-se realizar a mesma análise do
trabalho específico da turbina e bomba.
𝑞𝑖𝑛 = ℎ1 − ℎ6 (17)
De outra maneira, pode-se representar o balanço energético da eficiência de
primeira lei do ciclo da seguinte maneira:
Figura 11: Esquema simplificado de uma Máquina Térmica
41
Onde se lê máquina térmica na ilustração acima, pode-se considerar o ciclo em
estudo no presente trabalho.
Utilizando então as propriedades obtidas através da planilha gerada, é possível
obter o rendimento energético do ciclo.
Uma vez que:
Tabela 8: Propriedades termodinâmicas nos pontos 1 e 2 do CRO
Ponto 1 Entrada na Turbina
T (°C) 210.00
P (MPa) 1.90
h (kJ/kg) 687.18
s (kJ/kg.K) 1.69
Ponto 2 Saída da Turbina
T (°C) 150.79
P (MPa) 0.21
h (kJ/kg) 583.52
s (kJ/kg.K) 1.69
h real (kJ/kg) 599.07
T real (°C) 157.66
s real (kJ/kg.K) 1.73
Utilizando os dados acima do estado do fluido na entrada e saída da turbina,
define-se, então o trabalho específico da turbina:
𝑤𝑇 = 687,18𝑘𝐽
𝑘𝑔− 599,07
𝑘𝐽
𝑘𝑔 = 88,12 𝑘𝐽/𝑘𝑔 (18)
Analogamente, para a bomba possuímos as seguintes propriedades:
42
Tabela 9: Propriedades termodinâmicas nos pontos 4 e 5 do CRO
Ponto 4 Entrada Bomba
T (°C) 59.44
P (MPa) 0.21
h (kJ/kg) 56.82
s (kJ/kg.K) 0.18
Ponto 5 Saída Bomba
T (°C) 60.15
P (MPa) 1.90
h (kJ/kg) 59.70
s (kJ/kg.K) 0.18
h real (kJ/kg) 60.21
T real (°C) 60.36
s real (kJ/kg.K) 0.18
Logo a energia demanda pela bomba é:
𝑤𝐵 = 60,36𝑘𝐽
𝑘𝑔− 56,82
𝑘𝐽
𝑘𝑔= 3,39 𝑘𝐽/𝑘𝑔 (19)
A partir dos resultados obtidos podemos então encontrar o trabalho específico
líquido gerado.
𝑤𝑙í𝑞 = 𝑤𝑇 −𝑤𝐵 = 88,12𝑘𝐽
𝑘𝑔− 3,39
𝑘𝐽
𝑘𝑔= 84,73
𝑘𝐽
𝑘𝑔 (20)
Repetindo então o mesmo processo para encontrar o calor absorvido pelo ciclo
Rankine orgânico.
43
Tabela 10: Propriedades termodinâmicas nos pontos 1 e 6 do CRO
Ponto 6 Saída Renegerador (Mais Quente)
T (°C) 135.42
P (MPa) 1.90
h (kJ/kg) 264.73
s (kJ/kg.K) 0.73
Ponto 1 Entrada na Turbina
T (°C) 210.00
P (MPa) 1.90
h (kJ/kg) 687.18
s (kJ/kg.K) 1.69
A partir dos dados acima mencionados, encontramos o calor absorvido pelo
evaporador.
𝑞𝑖𝑛 = 687,18𝑘𝐽
𝑘𝑔− 264,73
𝑘𝐽
𝑘𝑔= 422,45
𝑘𝐽
𝑘𝑔 (21)
Podemos encontrar então o rendimento de primeira do ciclo:
𝜂𝑡ℎ =84,73
𝑘𝐽𝑘𝑔
422,45𝑘𝐽𝑘𝑔
= 20,05% (22)
A Tabela 11 resume os três principais resultados que serão utilizados:
Tabela 11: Dados extraídos da análise quantitativa do CRO
Trabalho específico líquido
𝑤𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜[𝑘𝐽
𝑘𝑔] 84,73
Calor de entrada específico
𝑞𝑖𝑛[𝑘𝐽
𝑘𝑔] 422,45
Eficiência de primeira lei 𝜂𝑡ℎ[%] 20,05
44
5. Estudo do circuito primário de geração de
calor
Até o presente momento foi definida a energia específica gerada pelo ciclo e a
quantidade de calor demandada pelo ciclo para se gerar trabalho.
A fonte de calor do ciclo provém de uma fonte quente.
Figura 12: Ciclo primário e o CRO interligados pelo Trocador de Calor
5.1 Considerações sobre os componentes do
circuito primário
Para se realizar o balanço energético do circuito primário, precisa-se
primeiramente definir o seu projeto conceitual.
45
Evaporador:
A temperatura do óleo térmico para um ciclo Rankine Orgânico é sugerida entre
350 °C após a saída na caldeira e 250 °C após a saída do evaporador. (URIS, LINARES
e ARENAS, 2014)
O processo termodinâmico é considerado isobárico. A pressão de trabalho foi
definida como a pressão de líquido saturado à temperatura de entrada no evaporador.
Bomba:
A bomba deste ciclo é utilizada devido às perdas de carga do circuito primário,
que no presente trabalho foram considerados desprezíveis.
Caldeira:
A caldeira considerada gera calor através da combustão da biomassa, de
maneira a transformar o fluido do estado do ponto 9 ao estado do ponto 7, após a
passagem pela caldeira. O Poder Calorífico da Biomassa, o fluxo de massa de
combustível e a eficiência da caldeira definem a sua potência calorífica. O processo de
combustão é considerado isobárico.
Ademais, a eficiência da caldeira, foi definida com base em artigos da literatura,
igual a 85%. (URIS, LINARES e ARENAS, 2014)
Óleo térmico:
As propriedades do óleo térmico no ciclo primário devem ser:
o Elevada temperatura de ebulição
o Elevada capacidade térmica
o Ser não corrosivo
o Trabalhar a baixas pressões
46
Segundo catálogo do fabricante de óleo térmico, Eastman Chemical Company,
o fluido indicado para o uso no CRO, que trabalha a baixas pressões e temperaturas
moderadas (~ 300 °C) é o Therminol 66. Este fluido também, possui alta estabilidade
térmica e baixa pressão de vapor.
Abaixo, encontra-se o resumo dos parâmetros de projetos definidos para o ciclo
de geração de calor.
Combustível:
O combustível do ciclo primário é a motivação do presente estudo. A biomassa,
casca de arroz, foi definida como a fonte de energia térmica para o sistema de geração
de eletricidade.
Entre as características já citadas, o principal motivo para a escolha desse
combustível é o aproveitamento de resíduo orgânico de processos industriais.
No entanto, devido à sua composição química, a casca de arroz deve ter sua
combustão a temperaturas não elevadas devido a problemas como a baixa temperatura
fusão das cinzas, fato já citado anteriormente na caracterização do combustível.
O Poder Calorífico Inferior da casca de arroz seca é igual a 12,36 𝑀𝐽/𝑘𝑔.
(CENTRO DE PESQUISA DE ENERGIA DA HOLANDA, 2017)
A Tabela 12 resume os parâmetros de projeto definidos para o ciclo primário de
geração de calor.
Tabela 12: Parâmetros de projeto do circuito primário
Óleo Térmico Therminol 66 -
Evaporador 250/350 ℃
Eficiência da caldeira 85 %
Poder Calorífico Inferior da Casca de Arroz
12,36 𝑀𝐽
𝑘𝑔
47
5.2 Balanço Energético do Ciclo Primário
5.2.1. Calor Transferido para o CRO
Para se definir a potência calorífica do ciclo primário deve-se definir a diferença
entálpica entre os pontos 7 e 8 do ciclo.
Por ser um processo isobárico, a diferença entálpica entre esses pontos é dada
pela seguinte relação:
∆ℎ7−8 = ∫ 𝑐𝑝(𝑇)𝑑𝑇𝑇8
𝑇7
(23)
Pelo fabricante do óleo térmico tem-se que a relação entre o calor específico e
a temperatura é: (EASTMAN CHEMICAL COMPANY, 2016)
𝑐𝑝(𝑇) = 0,003313 ∗ 𝑇 + 0,0000008970785 ∗ 𝑇 + 1,496005 (24)
Integrando essa relação chega-se à seguinte relação:
∆ℎ =
0,003313(𝑇𝑖+1 − 𝑇𝑖
)
2+0,0000008970785(𝑇𝑖+1
− 𝑇𝑖 )
3
+ 1,496005∆𝑇 + 𝐶
(25)
Dessa forma então possuímos a energia via calor transferida por massa de óleo
térmico, uma vez que, pela primeira lei da termodinâmica:
𝑑𝐸 = 𝑑𝑞 − 𝑑𝑤 → 𝑑ℎ = 𝑑𝑞 → 𝑞 = ∫𝑑ℎ = ∆ℎ (26)
Uma vez que possuímos as temperaturas em 𝑇7 𝑒 𝑇8, podemos encontrar o calor
específico fornecido pelo óleo térmico ao fluido orgânico. Uma vez que 𝑇7 =
350 °𝐶 𝑒 𝑇8 = 250 °𝐶, temos:
𝑞7−8 = −257,14 𝑘𝐽/𝑘𝑔 (27)
O sinal negativo indica que o calor esteja saindo do ciclo.
48
5.2.2. Calor produzido na Caldeira
Da mesma maneira que a temperatura no evaporador está entre 350 °C e 250
°C, a temperatura na entrada e saída da caldeira está a mesma diferença, uma vez que
perdas energéticas nas linhas de transporte do óleo estão sendo desconsiderados.
Dessa maneira o calor gerado na Caldeira é:
𝑞𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 = −𝑞7−8 = 257,14𝑘𝐽
𝑘𝑔 (28)
6. A potência em função da quantidade de
combustível
Através dos dois últimos capítulos, foi realizado a investigação dos estados
termodinâmicos dos dois ciclos, bem como o balanço energético do ciclo primário e o
CRO.
Conhecendo o Poder Calorífico e a eficiência da Caldeira, pode-se determinar a
relação entre o fluxo de massa de combustível e a potência elétrica gerada; em outras
palavras, a capacidade de geração de energia elétrica por segundo por quilograma de
casca de arroz utilizado como combustível, dadas as condições determinadas do ciclo.
Para tal análise interligam-se os ciclos através do estudo de potência calorífica
e potência mecânica. Para realizar essa análise, deve-se levar em consideração o fluxo
de massa dos ciclos estudados.
49
Figura 13: Esquema completo do sistema contendo o circuito primário integrado ao CRO
Dessa maneira, conforme acima ilustrado, temos as seguintes relações para
ciclo.
�̇�𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 = �̇�9−7
→ 𝑃𝐶𝐼𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧 . �̇�𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧 . 𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
= 𝑞9−7. �̇�Ó𝑙𝑒𝑜 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 → �̇�Ó𝑙𝑒𝑜 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜
=𝑃𝐶𝐼𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧�̇�𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
𝑞9−7
(29)
�̇�7−8𝜂𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = �̇�6−1
𝑞7−8. �̇�Ó𝑙𝑒𝑜 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜. 𝜂𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑞𝑖𝑛. �̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜
→ �̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜 =𝑞7−8�̇�Ó𝑙𝑒𝑜 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜𝜂𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑞𝑖𝑛
(30)
Substituindo o fluxo de massa do óleo térmico na relação de fluxo de massa do
fluido orgânico, temos:
50
�̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜
=𝑞7−8𝑃𝐶𝐼𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧�̇�𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧𝜂𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
𝑞𝑖𝑛𝑞9−7
(31)
Como o módulo de 𝑞7−8 = 𝑞9−7, então podemos simplificar a relação acima:
�̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜
=𝑃𝐶𝐼𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧�̇�𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧𝜂𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
𝑞𝑖𝑛
(32)
Como este estudo desenvolve suas análises para o ciclo operando em regime
permanente, a potência da líquida do CRO em função da intensidade do fluxo de fluido
orgânico é:
𝑃𝑜𝑡𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝐶𝑅𝑂 = 𝑃𝑜𝑡𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 − 𝑃𝑜𝑡𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎
= �̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜𝑤𝑇 − �̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜𝑤𝐵
= �̇�𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑂𝑟𝑔â𝑛𝑖𝑐𝑜(𝑤𝑇 −𝑤𝐵)
(33)
Logo, substituindo a relação de fluxo de fluido orgânico em função da quantidade
de combustível queimada por segundo, temos a seguinte relação da Potência da
Turbina em função da massa de combustível.
𝑃𝑜𝑡𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝐶𝑅𝑂
=𝑃𝐶𝐼𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧�̇�𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧𝜂𝐸𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
𝑞𝑖𝑛(𝑤𝑇 −𝑤𝐵)
(34)
51
Todas as propriedades acima são conhecidas, o que nos leva finalmente a
seguinte relação entre a potência mecânica gerada pela turbina e taxa de combustão
da casca de arroz.
𝑃𝑜𝑡𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝐶𝑅𝑂 = �̇�𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑟𝑟𝑜𝑧. 2001,74 [𝑘𝑊] (35)
7. Estudo do Potencial Elétrico no território
brasileiro utilizando a Casca do Arroz como
Combustível
Até este capítulo a potência específica do ciclo em função da taxa de combustão
de massa arroz foi definida em função dos parâmetros de projeto.
Para se definir a potência específica por região do Brasil, é necessário possuir a
safra de arroz regional. Foram cedidas bases de dados do Laboratório Cenergia, do
Programa de Planejamento Energético da COPPE/UFRJ para obtenção dos dados de
colheita anual, por município brasileiro. Estes dados estão apresentados na Tabela 13
agregados por estado.
52
Tabela 13: Colheita mensal de arroz por região e estado do Brasil (CENERGIA, 2014)
Além disso, deve-se possuir a proporção de casca de arroz presente em uma
determinada quantidade de arroz da colheita. Para se definir essa quantidade, foi
realizada uma média aritmética entre diversos valores consultados em bibliografias.
Região (Estado) Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Set Out Nov Dez
Centro-Oeste 18.80 144.49 240.72 244.01 154.37 - - - - - -
GO - - 38.08 50.78 38.08 - - - - - -
MS 18.80 28.21 28.21 18.80 - - - - - - -
MT - 116.29 174.43 174.43 116.29 - - - - - -
Nordeste 9.62 12.32 41.16 167.12 229.12 221.18 132.69 7.03 6.67 7.51 7.24
AL 3.36 5.04 5.04 3.36 - - - - - - -
BA - 1.02 2.04 3.06 3.06 1.02 - - - - -
CE - - - - 5.97 13.93 13.93 5.97 - - -
MA - - - 117.40 176.10 176.10 117.40 - - - -
PB - - - - 0.30 0.40 0.30 - - - -
PE - - - - 0.39 0.47 0.47 0.47 0.47 0.47 0.39
PI - - 28.86 43.29 43.29 28.86 - - - - -
RN - - - - - 0.39 0.59 0.59 0.98 0.78 0.59
SE 6.26 6.26 5.21 - - - - - 5.21 6.26 6.26
Norte 1.42 147.04 212.37 197.43 140.19 56.87 56.65 60.92 31.44 23.58 -
AC - 2.25 3.00 2.25 - - - - - - -
AM 1.42 2.13 2.13 1.42 - - - - - - -
AP - - - - 0.65 0.87 0.65 - - - -
PA - - - - 37.33 56.00 56.00 37.33 - - -
RO - 40.45 53.93 40.45 - - - - - - -
RR - - - - - - - 23.58 31.44 23.58 -
TO - 102.21 153.31 153.31 102.21 - - - - - -
Sudeste - 12.81 26.95 30.82 24.41 7.74 - - - - -
ES - 0.27 0.41 0.41 0.27 - - - - - -
MG - - 7.74 11.61 11.61 7.74 - - - - -
RJ - 0.57 0.86 0.86 0.57 - - - - - -
SP - 11.96 17.94 17.94 11.96 - - - - - -
Sul 187.10 1 897.83 2 846.75 2 722.01 1 835.46 - - - - - -
PR 24.74 32.99 49.49 32.99 24.74 - - - - - -
RS - 1 648.37 2 472.55 2 472.55 1 648.37 - - - - - -
SC 162.35 216.47 324.71 216.47 162.35 - - - - - -
Colheita Mensal (1000 Toneladas)
53
Tabela 14: Razão entre a massa de casca de arroz e a massa de arroz
Fonte Razão CENBIO 2012 0,30 Oliveira 2011 0,19
Koopmans & Koppejan 1997 0,27 Bhattacharya et al. 1993 0,27
Ryan et al. 1991 0,30 ESMAP 2005 0,28 Maithel 2009 0,36 OECD 2004 0,16
Média 0,26
Portanto, a média a ser utilizada para a fração de massa da casca de arroz
presente no arroz equivale a 0,26.
A base de dados de colheita de arroz mensal nas cidades do Brasil foi, então,
utilizada para realizar as análises de capacidade de produção de eletricidade, ao se
utilizar a casca de arroz, como combustível.
Também se assumiu que a casca de arroz mantém suas propriedades
termoquímicas por pelo menos um mês depois de processada (sobretudo, seu PCI).
Para se realizar tal análise, foi considerada a taxa de combustão constante
durante o mês da colheita e o funcionamento da usina de eletricidade sem paradas para
manutenção, operando para o caso de sua capacidade máxima.
As unidades na base de dados da produção mensal de arroz durante o ano de
2014 no Brasil estão em [1000 toneladas/mês], essa medida foi convertida para [kg/s]
para que fosse definida a capacidade de produção de eletricidade em determinado mês.
7.1 Resultados
Após se realizar os cálculos para todos os municípios e todos os meses do ano,
através de uma planilha de cálculos utilizando o software Microsoft Excel, foram
extraídos vários resultados. A Figura 14 indica o potencial de geração de eletricidade da
54
casca de arroz por região durante o ano de 2014 (ano-base do estudo, conforme a base
de dados obtida).
Podem-se inferir dois fatos ao analisar os dados a seguir:
A região com maior potencial elétrico utilizando tal combustível é a região Sul do
Brasil.
Os meses mais propícios para se utilizar tal biomassa como combustível são os
meses do primeiro semestre, particularmente março e abril.
Figura 14: Potencial de geração mensal de energia elétrica por região
A Figura 15 mostra a distribuição desse potencial energético entre as regiões
presentes no estudo.
0,00E+00
1,00E+05
2,00E+05
3,00E+05
4,00E+05
5,00E+05
6,00E+05
Potê
nci
a G
erad
a (k
W)
Potencial de Geração Mensal por Região no Território Brasieiro (2014)
CENTRO-OESTE
NORDESTE
NORTE
SUDESTE
SUL
55
Figura 15: Distribuição de potencial energético de casca de arroz por região no Brasil
Logo, conforme mencionado anteriormente, o Sul é o maior responsável pelo
potencial de geração de eletricidade através da utilização da casca de arroz no Brasil,
contando com 78% do potencial técnico do Brasil.
A Tabela 15 mostra os valores do potencial de geração de energia elétrica com
base no ciclo estudado no presente estudo.
Tabela 15: Potencial de geração de eletricidade por região com base nos dados de colheita anual de arroz
Região Potencial de Geração de Eletricidade (kW)
Centro-Oeste 158 841,62 Nordeste 166 613,63
Norte 183 691,30 Sudeste 20 333,67
Sul 1 878 455,12
Total 2 407 935,34
Conforme mencionado no primeiro capítulo deste trabalho, atualmente a geração
de eletricidade através da utilização da casca de arroz como combustível, representa
0,03% de toda a geração de energia elétrica do Brasil, com uma potência média de 32
MW.
56
Utilizando o resultado do potencial aqui estimado, verifica-se que que o
potencial de geração de energia elétrica a partir da casca de arroz corresponderia a
2,25% da matriz energética nacional, com uma potência média de 2 407 MW, usando-
se o ciclo Rankine orgânico.
7.1.1. Regiões potenciais para a instalação do
CRO
Até o momento o potencial de geração de eletricidade a partir da casca de
arroz foi analisado de forma macro, ou seja, para todo o território nacional, fato que
demonstrou que a região Sul do Brasil possui o maior potencial de geração de energia
elétrica utilizando o resíduo de arroz (a casca de arroz). Nesta seção será analisado o
potencial de maneira micro, com ênfase nos principais munícipios produtores de arroz
do Brasil.
A Tabela 16 mostra os 20 municípios com os maiores potenciais de energia
elétrica deste estudo.
57
Tabela 16: Municípios com o maior potencial de geração de eletricidade
Classificação Municípios2 Regiao Estado Potencial de Geração (kW)
1 Uruguaiana SUL RS 137 687
2 Itaqui SUL RS 118 659
3 Santa Vitória do Palmar SUL RS 105 313
4 Alegrete SUL RS 91 414
5 São Borja SUL RS 78 333
6 Dom Pedrito SUL RS 70 026
7 Arroio Grande SUL RS 54 240
8 Mostardas SUL RS 50 965
9 Camaquã SUL RS 49 421
10 Lagoa da Confusão NORTE TO 47 723
11 Viamão SUL RS 43 311
12 Cachoeira do Sul SUL RS 43 002
13 São Gabriel SUL RS 41 571
14 Barra do Quaraí SUL RS 36 968
15 Rio Grande SUL RS 34 155
16 Jaguarão SUL RS 33 381
17 Rosário do Sul SUL RS 31 790
18 Palmares do Sul SUL RS 29 390
19 Formoso do Araguaia NORTE TO 26 061
20 São Sepé SUL RS 24 804
Os 20 munícipios listados acima possuem um potencial de geração de 1.045 MW
o que corresponde a 49,5% de todo o potencial de geração de energia elétrica utilizando
a casca de arroz como combustível. Além disso pode-se verificar que, dos 20 municípios
acima listados, 18 correspondem a municípios situados na região Sul do Brasil.
Utilizando o software Google Earth, foi identificada a localização destes
municípios (Figura 16). Com base nesta localização, pôde-se alocar os municípios em
regiões produtoras, como potenciais áreas de implantação de uma planta utilizando o
CRO estudado.
Na Figura 16 podem-se identificar as regiões destacadas.
2 Municípios de acordo com a classificação municipal do ano de 2009 pelo Governo
Brasileiro.
58
Figura 16: Mapa do Rio Grande do Sul e as sub-regiões consideradas para a análise de geração de eletricidade
Para auxílio de identificação das regiões, as regiões foram separadas e
denominadas conforme a Tabela 17.
Tabela 17: Definição das regiões da Figura 20
Cor Região
Potencial
Verde Escuro 1
Laranja 2
Verde Claro 3
Amarelo 4
Na Tabela 18 encontram-se as propriedades de cada área potencial geradora de
eletricidade.
59
Tabela 18: Potencial de geração de eletricidade por região considerada
Região Potencial
Área da Região
(𝒌𝒎𝟐)
Potencial de Geração (kW)
Potencial de geração de energia elétrica3 (MWh)
1 10912 463 064 1 378 078
2 6037 186 390 554 698
3 7005 227 091 675 824
4 6037 173 088 515 110
A população estimada em 2016 nos três estados da região Sul é igual a 29,4
milhões de habitantes (INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA,
2016) e o consumo de energia elétrica residencial na região sul é equivalente a 20.355
GWh (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2016).
Com os dois dados apresentados acima pode-se obter o consumo médio anual
de energia elétrica por habitante na região Sul do Brasil, o que é equivalente a um
consumo de 0,69𝑀𝑊ℎ
ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒. Este número é maior do que a média anual de consumo
nacional, igual a 0,64𝑀𝑊ℎ
ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2016).
Com base no consumo médio de energia elétrica anual por habitante da Região
Sul, assumindo-se que ela vale para as regiões de interesse identificadas na Figura 16,
pode-se, então, calcular a demanda de energia elétrica anual.
3 Considerando quatro meses de colheita, conforme resultado mostrado na Figura 14.
De fato, nessas cidades, conforme a tabela cedida pelo laboratório CENERGIA, a colheita é realizada de fevereiro a maio.
60
Tabela 19: Estimativa da demanda de eletricidade por região considerada em função do número de habitantes em cada região durante o ano de 2016
Região Potencial
Número de Habitantes4
Demanda de energia elétrica no ano de 2016 (MWh)
1 309 837 213 787,53
2 229 077 158 063,13
3 287 158 198 139,02
4 343 092 236 733,48
Dessa forma, é possível comparar a demanda de eletricidade anual com o
potencial de geração com base nos dados gerados. Obtém-se o percentual de demanda
suprida com base em possíveis instalações de CRO trabalhando com a queima da
casca de arroz.
Tabela 20: Percentual do suprimento da demanda anual de eletricidade por região potencial considerada
Área Potencial
Percentual de Suprimento da Demanda Anual
1 645%
2 351%
3 285%
4 260%
O resultado da Tabela 20, mostra que a utilização de um ciclo Rankine orgânico
utilizando os resíduos do processamento do arroz colhido pode ser uma opção
interessante tendo em vista que durante 5 meses de colheita, é possível a geração de
energia elétrica equivalente a mais de 100% de toda a eletricidade demandada em todas
as regiões estudadas. Neste sentido, pode-se, inclusive, compartilhar o excedente de
energia elétrica para as demais regiões próximas, e mesmo para o sub-sistema elétrico
associado à Região Sul.
4 Com base no banco de dados do IBGE que pode ser acessado através do website:
http://cidades.ibge.gov.br/v3/cidades/home-cidades
61
No entanto, é necessário um estudo sobre a validade das propriedades da casca
de arroz, por exemplo seu Poder Calorífico, e como elas se comportam com o passar
dos meses, durante a estocagem. Neste caso, uma possível análise de sensibilidade
envolve considerar o consumo de eletricidade das regiões de interesse apenas no
primeiro semestre do ano, considerando 5 meses de colheita de arroz mais 1 mês de
estoque do biocombustível.
Tabela 21: Demanda de eletricidade por região considerada em função do número de habitantes em
cada região durante o primeiro semestre de 2016
Região Potencial
Demanda de energia elétrica no primeiro semestre de 2016 (MWh)
1 106 893,77
2 79 031,57
3 99 069,51
4 118 366,74
Neste caso, a percentagem de suprimento da demanda energética considerando
o ciclo estudado e a colheita de arroz nas regiões se eleva consideravelmente, conforme
a Tabela 22.
Tabela 22: Percentual do suprimento da demanda de eletricidade no primeiro semestre por região potencial
considerada
Área Potencial
Percentual de Suprimento da Demanda Semestral
1 1289%
2 702%
3 571%
4 520%
Os resultados mostram que nas 4 regiões estudadas, a opção de geração de
energia elétrica para suprir a demanda residencial de eletricidade é totalmente viável do
ponto de vista energético para os 6 primeiros meses do ano.
62
Além disso, é possível a distribuição e venda da energia elétrica outros
municípios da região Sul, o mesmo em cidades de países vizinhos. Evidentemente,
neste caso, torna-se necessário um estudo da malha de transporte (transmissão e
distribuição) de eletricidade.
A população de todo o Rio Grande do Sul é de 11,314 milhões de habitantes
(INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA, 2016). Como a demanda
de energia elétrica por habitantes na região Sul é de 0,69𝑀𝑊ℎ
ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒, a demanda
residencial de eletricidade do RS em 2016 foi de 7.800 GWh. Por simplificação,
considerando esse consumo constante entre os meses do ano, em 6 meses esse
consumo é de 3.400 GWh5.
Portanto, considerando as 4 regiões estudadas na presente seção, verifica-se o
potencial de 80 porcento de suprimento da demanda de eletricidade do Rio Grande do
Sul, em um semestre do ano.
Uma alternativa para suprir o restante da demanda de eletricidade nas regiões
seria a utilização de resíduos advindos de outras culturas da região, como, por exemplo,
o Trigo e o Milho, que possuem a colheita no segundo semestre do ano. Dessa forma,
gerar-se-ia eletricidade durante todo o ano, utilizando a mesma planta.
Limitações técnicas do ciclo e do combustível seriam minimizadas devido à
operação a baixas temperaturas e pressões no sistema estudado. Logo, seria
interessante um estudo sobre a geração utilizando outros biocombustíveis durante a
segunda metade do ano.
No entanto, para uma análise mais precisa, é necessário também se realizar
uma avaliação da viabilidade econômica e logística da implantação de tal sistema.
5 Valor aproximado pois não leva em conta a influência que as estações do ano
causam na demanda de energia.
63
8. Conclusões e possíveis trabalhos futuros
No presente estudo, foi realizado o estudo geral do potencial técnico de geração
energia elétrica utilizando a biomassa, casca de arroz, como combustível que alimenta
o ciclo Rankine Orgânico proposto.
Todos as considerações de projetos do ciclo foram estudadas, sempre levando
em consideração as limitações físico-químicas das cinzas da casca de arroz, que leva
a temperatura de combustão a ser um limitante da planta proposta.
Após ter realizado a descrição do sistema proposto, foram obtidas as
propriedades termodinâmicas do fluido de trabalho e óleo térmico do ciclo com base nas
premissas utilizadas, para que a potência específica em função do fluxo de massa de
combustível fosse extraída.
De posse da potência específica e a base de dados de colheita de arroz por área
plantada de arroz das cidades brasileiras, foram realizadas diversas análises com base
nas informações obtidas durante o trabalho.
O potencial técnico de geração de eletricidade a partir da casca de arroz no
Brasil, utilizando um ciclo de rendimento de 20% e trabalhando a temperaturas
compatíveis com as propriedades do combustível, é de 2.407 MW.
Utilizando todo esse potencial, a casca de arroz seria responsável por 2,25% de
toda a energia elétrica no Brasil, o que é um valor notável se este número for agregado
ao potencial de geração de outros biocombustíveis produzidos em território nacional.
Além disso, a região Sul do Brasil é a região que apresenta o maior potencial de
geração, correspondendo a 78% de todo o potencial desse combustível. O Sul também
é a região do Brasil que apresenta a maior relação energia gerada por hectare plantado,
com base nas técnicas de plantio do Brasil.
64
No estudo de caso realizado nas 4 regiões brasileiras de maior potencial de
geração, verificou-se que plantas de geração de eletricidade similares à estudada
seriam viáveis do ponto de vista energético durante o primeiro semestre do ano. Podem
ser também viáveis do ponto de vista energético anualmente, porém estudos sobre a
perda de propriedades termo-químicas da casca de arroz durante a estocagem
deveriam ser realizados.
Além disso, caso a casca de arroz seja totalmente utilizada no primeiro semestre,
outras culturas de biomassa da região Sul poderiam ser aproveitadas para a geração
no sistema proposto, durante o segundo semestre do ano, com destaque para milho e
trigo.
Portanto, o presente estudo visou ao estudo da possibilidade técnica da geração
de energia elétrica através do aproveitamento do resíduo gerado no processamento do
arroz em todo o território brasileiro. Com os resultados obtidos, pode-se concluir que a
casca de arroz não possui capacidade de pertencer ao grupo energético de base da
rede de distribuição elétrica brasileira. Uma possibilidade da utilização desse
combustível, seria em regiões distantes da rede de distribuição elétrica. Devido ao CRO
exigir um menor custo operacional, pode ser interessante a utilização deste
equipamento em regiões distantes de centros urbanos, onde a rede de distribuição
elétrica mostra ser mais precária. Outra opção seria a utilização de uma mini-planta de
geração para o abastecimento da própria fábrica de processamento do arroz, eliminando
então custos de abastecimento de energia desses lugares.
Para se completar esta análise, diversos trabalhos futuros podem ser realizados,
entre eles estão: o estudo da logística operacional de distribuição da casca de arroz por
fábricas de processamento e as possíveis plantas utilizando o CRO; a análise
econômica e o retorno financeiro do investimento nessa tecnologia; a análise da
viabilidade operacional do sistema de geração e do destino das cinzas geradas pela
65
combustão da casca de arroz que são ricas em silício, a análise exergética do ciclo
estudado, bem como a utilização de outras fontes de biocombustíveis para tornar viável
a instalação das plantas.
66
9. Bibliografia
AOUN, B. Micro combined heat and power operating on renewable energy for residential
building. 2008. 187 f. Tese de D.Sc. – École Nationale Supérieure des Mines de Paris,
Paris, França, 2008 ;
BASU, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Primeira ed. Halifax, Nova
Escócia: Taylor & Francis Group, LLC, 2006. v. Único;
BINI, ROBERTO et al. Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass plants: An overview on
different applications. Turboden s.r.l.;
BORGNAKKE, CLAUS; SONNTAG, RICHARD E. Fundamentos da Termodinâmica.
Sétima ed. São Paulo, SP, Brasil: Blucher, 2009. v. Único. (Van Wylen);
CENBIO. Atlas de Bioenergia do Brasil. Relatório Técnico. São Paulo, SP, Brasil. 2012;
CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA DA HOLANDA. Tabela de Propriedades da
Casca de Arroz - ECN - Rice Husk (#2876). Relatório Técnico. Disponível em:
<https://www.ecn.nl/phyllis2/Biomass/View/2876>. Acesso em: 20 jul. de 2016;
COHEN, H; ROGERS, GFC; SARAVANAMUTTOO, HIH. Gas Turbine Theory. Quarta
ed. Harlow Essex, Inglaterra: Longman Group Limited, 1996. v. Único;
DA SILVA, OTAVIO HENRIQUE et al. Potencial Energético da Biomassa da Casca de
Arroz no Brasil. Biomassaworld, 2015. Disponível em:
http://biomassaworld.com.br/artigos-tecnicos/potencial-energetico-da-biomassa-da-
casca-de-arroz-no-brasil/. Acesso em: 15 dez. de 2016
DARABAS, A. et al. Processo de produção de arroz no COOPERJA;
EASTMAN CHEMICAL COMPANY. Therminol - Suggested products by application,
2016;
67
EASTMAN CHEMICAL COMPANY. Therminol 66: Heat Transfer Fluid by Solutia.
Relatório Técnico. Disponível em: <twt.mpei.ac.ru/TTHB/HEDH/HTF-66.pdf>. Acesso
em: 28 dez. de 2016;
EIA. International Energy Outlook 2016. Washington DC - EUA, 2016;
GONÇALVES, JOÃO REIS. Análise do aproveitamento de resíduos térmicos em um
FPSO através do Ciclo Rankine Orgânico. 2015. Projeto de Graduação – Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2015;
HEBERT, GM JOSELIN; KRISHNAN, A UNNI. Quantifying environmental performance
of biomass energy. Renewable and Sustainable Energy Reviews, p. 292–308, 2016;
INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA, 2016. População do
Estados Brasileiros. Disponível em: http://www.ibge.gov.br/apps/populacao/projecao/
Acesso em 31 jan. de 2017.
JENKINS, BM et al. Combustion properties of biomass. Fuel Processing Technology 54,
p. 17–46, 1998;
MASCARENHAS, MAÍRA M. Análise da viabilidade técnica e econômica da implantação
de sistemas de cogeração operando com um Ciclo Rankine Orgânico. 2014. Projeto de
Graduação – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2014;
MINISTÉRIO DA AGRICULTURA. Cultura do Arroz. Disponível em:
http://www.agricultura.gov.br/vegetal/culturas/arroz. Acesso em: 20 dez. de 2016;
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Projeção da demanda de energia para os
próximos 10 anos (2015-2024). Empresa de Pesquisa Energética, 2015;
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional – Ano Base 2015.
Empresa de Pesquisa Energética, 2016.
68
OBERNBERGER, INGWALD et al. Description and evaluation of the new 1.000 kW
Organic Rankine Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria.
Euroheat & Power 10, 2002;
OZISIK, M. NECATI. Heat Transfer: A Basic Approach. Quarta ed. Nova Iorque, EUA:
McGraw-Hill Book Company, 1985. v. Único;
QUOLIN, SYLVAIN et al. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC)
systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, p. 168–186, 2013;
QUOLIN, SYLVAIN. Sustainable Energy Conversion Through the Use of Organic
Rankine Cycles for Waste Heat Recovery and Solar Applications. 2011. Tese de D.Sc.
– University of Liege, Liège, Bélgica, 2011;
SHAHBAZ, MUHAMMAD et al. Considering the effect of biomass energy consumption
on economic. Renewable and Sustainable Energy Reviews, p. 1442–1450, 2016;
STRZALKA, RAFAL et al. Analysis and optimization of a cogeneration system based.
Applied Thermal Engineering, p. 1418–1426, 2013;
TANCZUK, MARIUSZ et al. Implementation of a biomass-fired co-generation plant
supplied with. Energy 62, p. 132–141, 2013;
URIS, M. et al. Techno-economic feasibility assessment of a biomass cogeneration plant
based on an organic Rankine cycle. Renewable Energy 66, p. 707–713, 2014;
URIS, MARÍA et al. Size optimization of a biomass-fired cogeneration plant (CHP/CCHP)
based on Organic Rankine Cycle for a district network in Spain. Energy 88, p. 935–945,
2015;
VIEIRA, ANA CARLA. Caracterização da biomassa proveniente de resíduos agrícolas.
2012;